初识网络原理

网络发展史

独立模式

计算机之间相互独立

网络互联模式

将多台计算机连接在一起，完成数据共享。
数据共享本质上是网络数据传输,即计算机之间通过网络来传输数据，也称为网络通信。

根据网络互连的规模不同，可以划分为局域网和广域网。
 

局域网LAN

局域网，即 Local Area Network，简称LAN。
Local 即标识了局域网是本地，局部组建的一种私有网络
局域网内的主机之间能方便的进行网络通信，又称为内网；局域网和局域网之间在没有连接的情况下，是无法通信的。
 

局域网是通过路由器把几个电脑连载一起的

常见的路由器有四个LAN口,1个WAN口

局域网组建网络的方式有很多种:

1)基于网线直连

2)基于集线器组建

3)基于交换机组建

4)基于交换机和路由器组建
 

广域网WAN

广域网，即 Wide Area Network，简称WAN。
通过路由器，将多个局域网连接起来，在物理上组成很大范围的网络，就形成了广域网。广域网内部的局域网都属于其子网
 

如果有北、中、南等分公司，甚至海外分公司，把这些分公司以专线方式连接起来，即称为“广域网”。
如果属于全球化的公共型广域网，则称为互联网（又称公网，外网），属于广域网的一个子集。
有时在不严格的环境下说的广域网，其实是指互联网。
所谓 "局域网" 和 "广域网" 只是一个相对的概念
 

网络通信基础 

网络互连的目的是进行网络通信，也即是网络数据传输，更具体一点，是网络主机中的不同进程间，基于网络传输数据。
那么，在组建的网络中，如何判断到底是从哪台主机，将数据传输到那台主机呢？这就需要使用IP地址来标识。
 

IP地址

概念

IP地址主要用于标识网络主机、其他网络设备（如路由器）的网络地址。简单说，IP地址用于定位主机的网络地址
 

就像我们发送快递一样，需要知道对方的收货地址，快递员才能将包裹送到目的地。
 

格式

IP地址是一个32位的二进制数,通常被分割为4个"8位二进制数"(也就是四个字节)，如：
01100100.00000100.00000101.00000110。

通常用十进制的方式来表示,级a,b,c,d的方式（a,b,c,d都是0~255之间的十进制整数）。如：
100.4.5.6。

127.*的地址用于本机的回环(loop back)测试,通常是127.0.0.1

本机回环主要用于本机到本机的网络通信（系统内部为了性能，不会走网络的方式传输）,对于开发网络通信的程序(即网络编程而言),常见的开发方式都是本机到本机的网络通信.

IP地址解决了网络通信时，定位网络主机的问题，但是还存在一个问题，传输到目的主机后，由哪个进程来接收这个数据呢？这就需要端口号来标识。
 

端口号

概念

在网络通信中，IP地址用于标识主机网络地址，端口号可以标识主机中发送数据、接收数据的进程。简单说：端口号用于定位主机中的进程。
 

格式
端口号是0-65535范围的数字(2个字节)

0端口号一般不使用

1-1023这个范围的端口号,系统留作特殊用途,我们自己写的程序不应该占用

称为知名端口号,留给一些比较常见的服务器程序进行使用

22端口：预留给SSH服务器绑定SSH协议
21端口：预留给FTP服务器绑定FTP协议
23端口：预留给Telnet服务器绑定Telnet协议
80端口：预留给HTTP服务器绑定HTTP协议
443端口：预留给HTTPS服务器绑定HTTPS协议
 

注意事项

两个不同的进程,不能绑定同一个端口号,但是一个进程可以绑定多个端口号
 

网络协议

网络协议是网络通信（即网络数据传输）经过的所有网络设备都必须共同遵从
的一组约定、规则。如怎么样建立连接、怎么样互相识别等。只有遵守这个约定，计算机之间才能相互通信交流。通常由三要素组成：
        1.语法:即数据与控制信息的结构或格式

        类似打电话时，双方要使用同样的语言：普通话

        2.语义:即需要发出何种控制信息 ,完成何种动作以及做出何种相应

        语义主要用来说明通信双方应当怎么做。用于协调与差错处理的控制信息。
        类似打电话时，说话的内容。一方道：你瞅啥？另一方就得有对应的响应：瞅你咋的！

        3.时序, 即事件实现顺序的详细说明。

        时序定义了何时进行通信，先讲什么，后讲什么，讲话的速度等。比如是采用同步传输还是异步传输。

        女生和男生的通话，总是由男生主动发起通话，而总是在男生恋恋不舍的时候，由女生要求结束通话。

协议(protocol)最终体现为在网络上传输的数据包的格式 

作用

为什么需要协议？
就好比见网友，彼此协商胸口插支玫瑰花见面，这就是一种提前的约定，也可以称之为协议。

计算机之间的传输媒介是光信号和电信号。比如,高频光信号表示1,低频光信号表示0;低电平表示1,高电平表示0.要想传递各种不同的信息，就需要约定好双方的数据格式。

计算机生产厂商有很多；
计算机操作系统，也有很多；
计算机网络硬件设备，还是有很多；
如何让这些不同厂商之间生产的计算机能够相互顺畅的通信? 就需要有人站出来，约定一个共同的标准，大家都来遵守，这就是 网络协议；
 

五元组 

在TCP/IP协议中,用五元组来标识一个网络通信:

1.源IP:标识源主机

2.源端口号:标识源主机中该次通信发送数据的进程

3.目的IP:标识目的主机

4.目的端口号:标识目的主机中该次通信接受数据的进程

5.协议号:标识发送进程和接受进程双方约定的数据格式

五元组在网络 通信中的作用，类似于发送快递：

可以在cmd中，输入 netstat -ano 查看网络数据传输中的五元组信息：

协议分层 

对于网络协议来说，往往分成几个层次进行定义

分层的作用

为什么需要网络协议的分层？

分层的最大好处,类似于面向接口编程:定义好两层的接口规范,让双方遵循这个规范来对接

在代码中,类似于定义好一个接口，一方为接口的实现类（提供方，提供服务），一方为接口的使用类（使用方，使用服务）：

• 对于使用方来说,并不关心提供方是如何实现的,只需要使用接口即可
• 对于提供方来说,利用封装的特性,隐藏了实现的细节,只需要开放接口即可

协议分层之后,上层和下层彼此之间就进行了封装,每一层协议都可以根据需要灵活替换

 这样能更好的扩展和维护

OSI七层协议

OSI：即Open System Interconnection，开放系统互连

• OSI 七层网络模型是一个逻辑上的定义和规范：把网络从逻辑上分为了7层
• OSI 七层模型是一种框架性的设计方法，其最主要的功能使就是帮助不同类型的主机实现数据传输；
• 它的最大优点是将服务、接口和协议这三个概念明确地区分开来，概念清楚，理论也比较完整。通过七个层次化的结构模型使不同的系统不同的网络之间实现可靠的通讯

OSI 七层模型划分为以下七层：

OSI 七层模型既复杂又不实用：所以 OSI 七层模型没有落地、实现

 实际组建网络时，只是以 OSI 七层模型设计中的部分分层，也即是以下 TCP/IP 五层（或四层）模型来实现。

TCP/IP五层(或四层)模型

TCP/IP是一组协议的代名词,它还包括很多协议,组成了TCP/IP协议簇

TCP/IP通讯协议采用了5层的层级结构,每一层都呼叫它的下一层所提供的网络来完成自己的要求

• 应用层:负责应用程序间沟通，如简单电子邮件传输（SMTP）、文件传输协议（FTP）、网络远程访问协议（Telnet）等。我们的网络编程主要就是针对应用层。
• 传输层:负责两台主机之间的数据传输,关注起点和终点,如传输控制协议 (TCP)，能够确保数据可靠的从源主机发送到目标主机。
• 网络层:负责地址管理和路由选择。例如在IP协议中，通过IP地址来标识一台主机，并通过路由表的方式规划出两台主机之间的数据传输的线路（路由）。路由器（Router）工作在网络层
• 数据链路层:负责设备之间的数据帧的传送和识别。例如网卡设备的驱动、帧同步(就是说从网线上检测到什么信号算作新帧的开始)、冲突检测(如果检测到冲突就自动重发)、数据差错校验等工作。有以太网、令牌环网，无线LAN等标准。交换机（Switch）工作在数据链路层
• 物理层:负责光电信号的传递方式
  

网络设备所在分层

• 对于一台主机，它的操作系统内核实现了从应用层层到物理层的内容，也即是TCP/IP五层模型的五层；
• 对于一台路由器，它实现了从网络层到物理层，也即是TCP/IP五层模型的下三层；
• 对于一台交换机，它实现了从数据链路层到物理层，也即是TCP/IP五层模型的下两层；
• 对于集线器，它只实现了物理层；

注意我们这里说的是传统意义上的交换机和路由器，也称为二层交换机（工作在TCP/IP五层模型的下两层）、三层路由器（工作在TCP/IP五层模型的下三层）。
 

随着现在网络设备技术的不断发展，也出现了很多3层或4层交换机，4层路由器。我们以下说的网络设备都是传统意义上的交换机和路由器。
 

封装和分用

• 不同的协议层对数据包有不同的称谓，在传输层叫做段(segment)，在网络层叫做数据报
  (datagram)，在链路层叫做帧(frame)
   
• 应用层数据通过协议栈发到网络上时，每层协议都要加上一个数据首部(header)，称为封装
  (Encapsulation)
• 首部信息中包含了一些类似于首部有多长，载荷(payload)有多长，上层协议是什么等信息
   
• 数据封装成帧后发到传输介质上，到达目的主机后每层协议再剥掉相应的首部，根据首部中
  的 "上层协议字段" 将数据交给对应的上层协议处理
   

封装

发送方

1.应用层

qq应用程序把用户输入"hello",给打包成一个应用层的数据报(这个数据报的格式,得是qq程序员才能知道的)

四个字段,使用","来分割

这里就构成了一个简单的应用层数据报(字符串拼接)

上述描述的规则,就是此处我们约定的应用层协议,可以灵活调整

2.传输层

对刚才的应用层数据,再进行打包,变成传输层的数据报

把刚才的引用层数据,基础上拼接上传输层的报头

传输层典型的协议,TCP UDP

一个数据报=报头+载荷 

进行封装的过程,也就是给数据添加更多的"辅助信息"的过程 

在传输层数据包弄好后,进一步交给网络层

3.网络层

网络层最主要的协议就是IP协议

网络层的数据打包好了之后,继续把数据交给"数据链路层"再进一步打包

4.数据链路层

以太网

5.物理层

把上述数据,转换成二进制的01序列,通过光信号/电信号进行传输

从上层协议到下层协议,层层给数据添加报头,这个过程称为"封装"

与面向对象的封装不是一个概念

分用 

当数据到达目的地后,就会针对上述数据进行分用(针对上述数据进行层层解析)

接收方

1.物理层

拿到的光信号=>转换成二进制数据=>得到以太帧

2.数据链路层

通过以太网协议,针对以太网帧进行解析,解析出以太网首部,尾部和载荷(IP数据报)

再把载荷部分,进一步交给网络层的协议来处理

3.网络层

IP协议再进一步针对IP数据报进行解析,解析出TCP段和IP首部,再把其交给上层

4.传输层

此处在使用TCP协议进行解析,解析出TCP首部和载荷把载荷交给上一层

通过TCP首部来确认端口号,把数据通过这个端口号交到那个应用程序

5.用户层

程序进一步解析数据,通过程序员自定义的应用层协议来解析