【计算机网络】计算机网络中的基本概念

网络互连就是将多台计算机连接在一起，完成数据共享。数据共享本质是网络数据传输，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。局域网组建网络的方式有很多种：

基于网线直连

基于集线器组建

基于交换机组建

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。

IP地址

IP地址用于定位主机的网络地址。也就是说IP地址描述了一个设备在网络上的地址。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。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。

端口号

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，也就是区分不同的应用程序。端口号是0~65535范围的数字（两个字节）。

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 。

协议

协议是网络协议的简称，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和规则。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响应

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。

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。

协议（protocol）最终体现为在网络上传输的数据包的格式

为什么要有协议

计算机之间的传输媒介是光信号和电信号。通过 “频率” 和 “强弱” 来表示 0 和 1 这样的信息。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。

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

注意：以上只是说明 0 ~ 1023 范围的知名端口号用于绑定知名协议，但某个服务器也可以使用其他 1024 ~65535 范围内的端口来绑定知名协议。就像餐厅的VIP包房是给会员使用，但会员也可以不坐包房。

五元组

在TCP/IP协议中，用五元组来标识一个网络通信：

源IP：标识源主机

源端口号：标识源主机中该次通信发送数据的进程

目的IP：标识目的主机

目的端口号：标识目的主机中该次通信接收数据的进程

协议号：标识发送进程和接收进程双方约定的数据格式

协议分层

协议分层就像我们平时写代码一样，代码越写越多越写越复杂，这个时候就需要把代码拆成多个部分，这样可以使人更容易理解。

网络通信的场景非常复杂，有很多问题就需要协议来解决，如果搞一个大的协议去解决，这样就很庞大很复杂，不容易让人们去学习和理解。但是如果把大的协议拆成小的，这样每个小的协议就不会很复杂。也更容易让人们学习理解。

按照协议的作用和定位我们约定不同的层次之间的调用关系“上层协议调用下层协议”，“下次协议给上层协议提供支持“，这样协议之间就不容易混乱。

协议分层之后，上层和下层之间就进行了封装，使用上层协议不必过多关注下层协议，使用下次协议也不必过多关注上层协议

TCP/IP五层模型

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需求。

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。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 。

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传输层到物理层的内容，也就是TCP/IP五层模型的下四层
• 对于一台路由器，它实现了从网络层到物理层，也就是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，也就是TCP/IP五层模型的下两层
• 对于集线器，它只实现了物理层

封装和分用

封装和分用描述了网络通信过程中，基本的数据传输流程。

比如我们举一个例子：

如果小明要通过QQ把hello发送给小张。

对于小明（发送方）

1.应用层

QQ这个应用程序会把hello打包成一个应用层的数据报(数据报的格式只有写QQ的人才知道)，我们假设是这样的：源qq，目的qq，发送时间，发送内容

12234125，52143221，2023-11-01 21:30:00，hello

就可以把应用层数据报通过操作系统的api把数据发送给传输层。

2.传输层

传输层需要对刚才的应用层数据再进行打包，变成传输层的数据报，这里打包本质上是字符串的拼接（传输层的典型协议TCP、UDP），把刚才的应用层数据在基础上拼接上传输层的报头（一个数据报=报头+载荷）

UDP报头+UDP载荷（12234125，52143221，2023-11-01 21:30:00，hello）

UDP报头是二进制的数据其中最关键的是源端口和目的端口，传输层数据处理好之后，这个数据又会交给网络层。

3.网络层

网络层最主要的协议是IP协议

IP报头+IP载荷（UDP报头+UDP载荷（12234125，52143221，2023-11-01 21:30:00，hello））

IP报头里也包含了很多的属性，其中最重要的源IP和目的IP，网络层数据打包好之后会交给数据链路层。

4.数据链路层

数据链路层也就是以太网

以太网报头+以太网载荷（IP报头+IP载荷（UDP报头+UDP载荷（12234125，52143221，2023-11-01 21:30:00，hello）））+以太网报尾

以太网报头中最重要的信息是源mac地址和目的mac地址（描述一个设备在网络上的地址），以太网数据报处理好后会继续传递给物理层。

5.物理层

物理层就会把传过来的以太网数据转换成二进制的0和1序列，通过光/电信号进行传输。

从上层协议到下层协议每一层都给数据报添加报头，我们把这个过程称为封装。

数据发送出去后，会经过一系列的交换机和路由器的转发，当小明发送的数据到达后小张这边后，小张这边就要针对发送过来的数据进行分用（对数据进行解析）

对于小张（接受方）

1.物理层

拿到光/电信号 => 转换成二进制 => 得到以太网的数据报，然后这个数据报还要交给数据链路层进行对应的协议处理。

2.数据链路层

以太网报头+以太网载荷（IP报头+IP载荷（UDP报头+UDP载荷（12234125，52143221，2023-11-01 21:30:00，hello）））+以太网报尾

通过以太网协议针对以太网数据报进行解析，这个解析过程就会解析出报头、荷载和报尾，然后再进一步把载荷交给网络层的协议来处理。

3.网络层

IP报头+IP载荷（UDP报头+UDP载荷（12234125，52143221，2023-11-01 21:30:00，hello））

IP协议再进一步针对网络层数据报进行解析得到报头和载荷，然后会把荷载传递给传输层。

4.传输层

UDP报头+UDP载荷（12234125，52143221，2023-11-01 21:30:00，hello）

这里使用UDP协议针对这个数据报进行解析，拿到载荷，把载荷交给应用层，这里会根据端口号来区分交给哪个应用程序。

5.应用层

12234125，52143221，2023-11-01 21:30:00，hello

上述数据根据端口号，会交给QQ，QQ会进一步解析这里的数据，这里的解析就是按照写QQ的人自定义的协议来展开的，最后得到hello。