网络、如何通信、TCP/IP协议

认识网络

*网络的发展史：网络发展之初，每台主机都是相互独立的——>随着发展，出现计算机需要相互联通的需求，引出网络互连以此达到多个计算机共享数据的目的——>不同主机通过网络传输数据；

1.局域网与广域网

*根据网络互连的规模不同将网络划分为局域网和广域网；
*局域网，即 Local Area Network，简称LAN。局部组建的一种私有网络。以下为不同局域网组建方式：
（1）网线直连

（2）通过集线器组建局域网络

（3）基于交换机组建

（4）基于交换机和路由器组建

*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，在物理上组成更答范围的网络——广域网。广域网内部的局域网都属于其子网。

2.IP地址与MAC地址

不管是局域网还是广域网，都是多个主机通过一定的方式组建起来的，故在进行网络通信时，将信息从一台主机发送都某另一台计算机时，需要明确的不同主机在网络中的地址；由此引出IP地址——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。

• IP地址由32位的二进制数组成，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。
• 通常用“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。
• 127.*的IP地址用于本机环回(loop back)测试，通常是127.0.0.1；
• 子网掩码的作用：将IP地址分为网络地址和主机地址；（网络地址=IP地址&子网掩码）

MAC地址，即 Media Access Control Address，用于标识网络设备的硬件物理地址。

• 主机具有一个或多个网卡，路由器具有两个或两个以上网卡；其中每个网卡都有唯一的一个MAC
  地址。
• 长度为48位，及6个字节。一般用16进制数字加上冒号的形式来表示（例如：
  08:00:27:03:fb:19）在网卡出厂时就确定了，不能修改。虚拟机中的MAC地址不是真实的MAC地址，可能会冲突；也有些网卡支持用户配置MAC地址；

网络通信，即网络数据传输，本质上是网络硬件设备，将数据发送到网卡上，或从网卡接收数据。
硬件层面，只能基于MAC地址识别网络设备的网络物理地址。

3.端口

解决了查询主机地址的问题，还需要对通信应用程序的某个服务进行标识——由此引出端口号；比如网络中的主机A将谷歌浏览器的某个网站(端口)数据传输到该网站服务器(主机B的某个业务服务(端口))上进行处理与响应；

4.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：
* 语法：即数据与控制信息的结构或格式；
* 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响应；
* 时序，即事件实现顺序的详细说明。
协议（protocol）最终体现为在网络上传输的数据包的格式。

5.五元组

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收数据的进程
5. 协议号：标识发送进程和接收进程双方约定的数据格式

6.TCP/IP协议模型

OSI七层模型：应用层、表示层、会话层、传输层、网络层、数据链路层、物理层；
TCP/IP是一组协议的代名词，它还包括许多协议，组成了TCP/IP协议簇。

• 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。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）工作在网路层。
• 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。比如现在以太网通用的网线(双绞 线)、早期以太网采用的的
  同轴电缆(现在主要用于有线电视)、光纤，现在的wifi无线网使用电磁波等都属于物理层的概念。
  物理层的能力决定了最大传输速率、传输距离、抗干扰性等。集线器（Hub）工作在物理层。

7.封装与分用

• 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)。
• 封装：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；
• 分层的作用：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。
  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。
  例如：对于两人电话通信，人与人层面是语言层面交流，设备层面是电话协议间的通信；

8.网络通信流程

如上图所示：主机：配有IP地址，但是不进行路由控制的设备；路由器：即配有IP地址，又能进行路由控制；节点：主机和路由器的统称；集线器和二层交换机不会对数据报封装和分用，不算在下一跳设备；
主机B和主机C的通信，需要经历如上路径；IP地址描述的是路途总体的起点和终点；是给人使用的网络逻辑地址。MAC地址描述的是路途上的每一个区间的起点和终点，即每一跳的起点和终点；是给网络硬件设备使用的网络物理地址。
(1)对于局部网通过集线器连接的设备之间的通信流程：

(2)对于局部网通过交换机连接的设备之间的通信流程：

(3)对于局部网通过交换机+路由器的连接的设备之间的通信流程：