网络通信基础（网络通信基本概念+TCP/IP 模型）

一、网络通信基本概念

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。

1、局域网 & 广域网

局域网 LAN：Local Area Network 其中 local 标识局域网是本地，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；

广域网 WAN：Wide Area Network 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。

所谓 “局域网” 和 “广域网” 只是一个相对的概念。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。

2、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4个字节），如：
01100100.00000100.00000101.00000110。常用“点分十进制”的方式来表示，即 a.b.c.d 的形式（a,b,c,d都是0~255之间的十进制整数）。如：100.4.5.6。

特殊 IP：127.*的IP地址用于本机环回(loop back)测试，IP 地址是127.0.0.1 本机环回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。

3、端口号

概念：端口号是用于标识网络通信中特定应用程序或服务的数字标识符。在网络通信过程中，数据通过不同的端口号来传输到正确的应用程序或服务。类似发送快递时，不光需要指定收货地址（IP地址），还需要指定收货人（端口号）。

格式：端口号是 0~65535 范围的数字，在网络通信中，进程可以通过绑定一个端口号，来发送及接收网络数据。

注意事项：同一主机两个不同的进程，不能绑定同一个端口号，但一个进程可以绑定多个端口号。

4、协议

有了 IP 地址和端口号，可以定位到网络中唯一的一个进程，但还存在一个问题，网络通信是基于二进制 0/1 数据来传输，如何告诉对方发送的数据是什么样的呢？

网络通信传输的数据类型可能有多种：图片，视频，文本等。同一个类型的数据，格式可能也不同，如发送一个文本字符串“你好！”：如何标识发送的数据是文本类型，及文本的编码格式呢？基于网络数据传输，需要使用协议来规定双方的数据格式。

概念：协议，网络协议的简称，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。协议（protocol）最终体现为在网络上传输的数据包的格式。

5、知名协议的默认端口

系统端口号范围为 0 ~ 65535，其中：0 ~ 1023 为知名端口号，这些端口预留给服务端程序绑定广泛使用的应用层协议，如：

• 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

二、TCP/IP 五层模型

1、TCP/IP 协议簇

在网络通信中，面对复杂度的环境就需要约定复杂的协议，协议太过于复杂，可以拆分为多个协议，通过对拆分的协议进行分类，对不同的类别进行分层，就约定了层级和层级之间的调用关系：要求上层协议调用下层协议，下层协议给上次协议提供支持，不能跨层调用。

协议分层的好处：

1. 类似于面向接口编程：定义好两层间的接口规范，让双方遵循这个规范来对接。
2. 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。
3. 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。

这里所说的 TCP/IP 协议是一种网络协议套件，它包含了多个协议，包括物理层、数据链路层、网络层、传输层、应用层 等多个层次。这些不同层次的协议共同构成了一个完整的网络协议体系。

TCP/IP通讯协议采用了五层的层级结构，每一层都呼叫它的下一层所提供的网络来完成自己的需求：

• 应用层：应用层是TCP/IP模型的最顶层，包含了各种网络应用程序，它主要关注的是传输过来的数据要干啥用。其中一种广泛使用的应用层协议 HTTP、HTTPS。

• 传输层：负责两台主机之间的数据传输，不考虑中间路径，只关心起点和终点，能够确保数据可靠的从源主机发送到目标主机。比较常见的传输层协议有 TCP、UDP。

• 网络层：负责地址管理和路由选择，进行两个遥远网络结点之间路径规划。例如在网络层 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）。

• 数据链路层：负责设备之间的数据帧的传送和识别，主要关注两个相邻结点之间的传输。例如通过物理地址（如MAC地址）在相邻节点之间传输。数据链路层最典型的协议 以太网协议。

• 物理层：负责光/电信号的传递方式，通常指网络通信的基础设施。网线、光纤、网络接口等。

2、在协议分层的背景下，数据如何通过网络传输？

答案就是：封装和分用

1. 封装：发送方发送数据，要把数据从上到下，依次交给对应的层次的协议，进行封装。
2. 分用：接收方接收数据，要把数据从下到上，依次交给对应的层次的协议，进行解析。

（1）忽略中间转发过程的封装分用

以李华使用微信给小明发送一条消息“Hello world”为例。下面是李华发送消息的封装过程：

1. 首先在应用层，李华主机上的微信应用程序拿到上述数据后，首先会使用相应的应用层协议，将数据封装为应用层数据包。

2. 接着应用层调用传输层提供的 API 来处理这个数据，传输层拿到上述数据后，会使用传输层的协议对数据再次封装，上图以 UDP 协议为例。

3. 传输层调用网络层，网络层拿到 UDP 数据包后，使用网络层协议继续进行封装，上图以 IP 协议为例。

4. 网络层调用数据链路层，数据链路层拿到 IP 数据包后，使用数据链路层协议进行封装，上图用经典的以太网协议为例：

5. 数据链路层调用物理层，物理层拿到以太网数据帧后，就将上述的 0/1 二进制数据转化为光信号、电信号等进行传输。

以下是小明接收消息的分用过程：

1. 在物理层，小明的主机通过网卡接收到高低电平的二进制信号，通过信号解析，还原成 0/1 这样的二进制序列。

2. 接着物理层调用数据链路层，使用以太网协议，将上述 0/1 二进制数据还原成以太网帧，然后把帧头、帧尾去掉，取出以太网数据包的载荷，向上提交给网络层（以太网中有一个字段标志着网络层协议类型）。

3. 网络层拿到载荷后，根据载荷协议类型，这里是 IP 数据包进行解析，然后去掉 IP 报头，取出载荷向上提交给传输层（IP 数据包中有一个字段标志着传输层协议类型）。

4. 传输层拿到载荷，根据载荷协议类型，这里是 UDP 数据包进行解析，去掉 UDP 报头，取出载荷，根据端口号上交给应用层。

5. 应用层中的微信应用程序拿到载荷后，根据相应的应用层程序对载荷内容进行解析，取出相应的字段显示到前端页面。

（2）真实网络环境中的封装分用