网络编程——基础知识

全文目录

• 网络发展
• 协议
• • OSI七层模型
  • TCP/IP五层(或四层)模型
• 网络传输
• 网络地址
• • IP地址
  • MAC地址
• 网络通信的本质
• 总结

网络发展

网络没有出来之前计算机都是相互独立的：

网络就是将独立的计算机连接在一起，局域网和广域网的区别只是范围上的大小：

局域网LAN: 计算机数量更多了，通过交换机和路由器连接在一起：

广域网：将远隔千里的计算机都连在一起

协议

就如同人想要进行有效沟通，我们首先要知道对方的语言规则，才能知道对方在说什么。计算机进行交流则是需要规定协议来进行交互的。

就像打电话：在上层，我们是直接沟通，但是在底层确实两台通信设备在通信协议下互相发送信号，并将接收到的信号转换为我们的语言。

在网络中，通信将会变得更加复杂。通常将复杂问题简单化，处理问题就会变得更简单。所以网络分为多层次，分层的好处就是便于封装。

OSI七层模型

OSI（Open System Interconnection，开放系统互连）七层网络模型称为开放式系统互联参考模型，是一个逻辑上的定义和规范;

• 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七层模型只是一种设计方法，但是它既复杂又不实用，一般来说都是应用TCP/IP 四层模型。

TCP/IP五层(或四层)模型

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。
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。

• 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.

• 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.

• 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.

• 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.

• 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.

物理层我们考虑的比较少. 因此很多时候也可以称为 TCP/IP四层模型.

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;
对于一台路由器， 它实现了从网络层到物理层;
对于一台交换机，它实现了从数据链路层到物理层;

参考资料： TCP/IP四层模型和OSI七层模型的概念

网络传输

网络传输流程：

• 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)也叫报头，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.

数据封装的过程：

数据封装的过程：

网络地址

IP地址

IP地址是在IP协议中用来标识网络中不同主机的地址，有IPV4和IPV6两个版本。

对于IPv4来说, IP地址是一个4字节, 32位的整数，通常也使用 “点分十进制” 的字符串表示IP地址, 例如 192.168.0.1 ; 用点分割的每一个数字表示一个字节, 范围是 0 - 255;

MAC地址

MAC地址用来识别数据链路层中相连的节点。

• 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)

• mac地址在网卡出厂时就确定了, 不能修改. mac地址通常是唯一的(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).

网络通信的本质

网络通信实际上是两个应用程序在进行通信，也就是说网络通信只是进程通信的一个手段。

总结

当谈论网络中的“五大层”时，我们通常指的是TCP/IP模型中的五层结构。以下是对每一层的简要总结：

1. 物理层 (Physical Layer)

   • 知识点：电压、时钟频率、接口类型、传输媒介(如双绞线、光纤等)。
   • 作用：负责在物理媒介上进行比特流(bit)的传输。这是网络通信的最基础的层级，关心的是如何在物理媒体上表示数据(如电压高低)。

2. 数据链路层 (Data Link Layer)

   • 知识点：MAC地址、桥接、交换机、以太网帧格式。
   • 作用：确保在同一局域网(LAN)内的设备之间的可靠通信。此层会为数据添加帧头和帧尾，以形成数据帧。

3. 网络层 (Network Layer)

   • 知识点：IP地址、路由、子网、ICMP、ARP、路由器。
   • 作用：负责数据包的传输和路由选择，确定如何将数据从发送方传输到接收方，可能涉及跨越多个网络和连接到全球的路径。

4. 传输层 (Transport Layer)

   • 知识点：TCP、UDP、端口、流量控制、错误控制。
   • 作用：为两台主机上的应用程序之间提供通信会话。此层确保数据的正确传输，例如：TCP会提供可靠的、面向连接的通信。

5. 应用层 (Application Layer)

   • 知识点：HTTP、FTP、SMTP、DNS等。
   • 作用：为应用程序提供网络服务。这是大多数常用网络应用工作的地方，如浏览器、电子邮件客户端等。

总的来说，每一层都有其专门的任务和专用的协议。数据从上层流到下层，每一层都会为其添加相关的头信息，从而形成封装的数据包。在接收端，这个过程会反过来，每一层都会移除其对应的头信息，并将数据传递给上一层，直到应用层接收到完整的数据。