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网络协议

  使用计算机工作的人需要在计算机之间交互数据，于是诞生了网络。由于不同厂商对二进制 0 1 序列的解释不一样，因此计算机互相通信的时候，传递一个字节对应的每个值，标识的是不同的含义，这种含义需要双方达成共识，这种共识便是网络协议。网络协议是为计算机网络中进行数据交换而建立的规则、标准或约定的软硬件标准集合。

  网络协议的分层。在层状结构的软件体系下，很方便的可以随时更换任何一层协议，解耦、哪一层出了问题就找谁，提高了程序的可维护性。结构中的每一层都规定有明确的服务及接口标准；把用户的应用程序作为最高层；除了最高层外，中间的每一层都向上一层提供服务，同时又是下一层的用户；把物理通信线路作为最低层，它使用从最高层传送来的参数，是提供服务的基础。

  国际标准化组织（ISO）在1978年提出了“开放系统互联参考模型”，即著名的OSI/RM模型（Open System Interconnection/Reference Model）。它将计算机网络体系结构的通信协议划分为七层，自下而上依次为：物理层（Physics Layer）、数据链路层（Data Link Layer）、网络层（Network Layer）、传输层（Transport Layer）、会话层（Session Layer）、表示层（Presentation Layer）、应用层（Application Layer）。OSI 这是一种理想化的模型，实际中应用更多的是 TCP/IP协议。

  美国国防部于1977年到1979年间制定了TCP/IP体系结构和协议。TCP/IP是由一组具有专业用途的多个子协议组合而成的，这些子协议包括TCP、IP、UDP、ARP、ICMP等。TCP/IP凭借其实现成本低、在多平台间通信安全可靠以及可路由性等优势迅速发展，并成为Internet中的标准协议。在上世纪90年代，TCP/IP已经成为局域网中的首选协议。

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局域网、以太网

  局域网自然就是局部地区形成的一个区域网络，其特点就是分布地区范围有限，可大可小，大到一栋建筑楼 与相邻建筑之间的连接，小到可以是办公室之间的联系。局域网自身相对其他网络传输速度更快，性能更稳定，框架简易，并且是封闭性，这也是很多机构选择的原因所在。局域网自身的组成大体由计算机设备、网络连接设备、网络传输介质3大部分构成，其中，计算机设备又包括服务器与工作站，网络连接设备则包含了网卡、集线器、交换机，网络传输介质简单来说就是网线，由同轴电缆、双绞线及光缆3大原件构成。

  以太网是一种局域网内部通信标准。IEEE组织的IEEE 802.3标准制定了以太网的技术标准，它规定了包括物理层的连线、电子信号和介质访问层协议的内容。以太网是应用最普遍的局域网技术，取代了其他局域网技术如令牌环、FDDI和ARCNET。

  当一台计算机在局域网内部向另一台计算机通信时，其实其他计算机都看到了对应的信息，但只有目标计算机识别了这条信息。因此局域网中，就需要每一台主机都有自的身份标识MAC（Media Access Control Address）地址。网卡上的一个serialnumber序列号，全球唯一，由网络设备制造商生产时写在硬件内部。MAC地址则是48位的（6个字节），通常表示为12个16进制数，每2个16进制数之间用冒号隔开，如08：00：20：0A：8C：6D就是一个MAC地址。其前3字节表示OUI（Organizationally Unique Identifier），是IEEE的注册管理机构给不同厂家分配的代码，区分不同的厂家。后3字节由厂家自行分配 。

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OSI、TCP/IP结构模型

• 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：
  • 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，相当于一个驿站，对光电信号进行放大。
  • 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。

  进一步简而言之，物理层+数据链路层：站在二进制角度，通过光电信号的方式，把数据信号发送给对方；网络层：如何找到目标主机的问题；传输层：如果在路上数据丢失，需要保证可靠性；应用层：对传输过来的数据，按照之前的约定、应用层协议，来完成某种计算的需求。

• OSI七层协议模型详细内容：
  
• 互联网数据传输原理 ｜OSI七层网络参考模型

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数据包封装、分用

  一般通信的时候，都是由应用层发起通信的，自顶向下，信息数据经历每一层都要添加自己的报头，同层看到的报文都是一样的，去掉报头，后面的就是有效载荷。每层协议都必须解决两个问题：一，能够将自己的报头和有效载荷进行分离；二，每层协议的包头中一定包含了一个字段：标识要将自己的有效载荷交付给上层的哪一个协议。

• 不同的协议层对数据包有不同的称谓：
  • 在传输层叫做段(segment)
  • 在网络层叫做数据包 (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)，字节级别的拼接。
  • 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。
• 每一层协议的共性：封装，解包分用。
  

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交换机、路由器

  局域网中，数据如果被多台主机同时发出，容易发生数据碰撞。因此规定任何一个时刻，局域网中，只允许一台机器像网络发送数据。每台主机都有识别碰撞的能力，每台主机都要执行碰撞避免算法，一个局域网称之为一个碰撞域。交换机的作用：划分碰撞域，可明显地提高局域网的性能。

  路由器是跨局域网传输，是将不同的子网之间的数据进行转送传递。因此，我们把这个过程称之为寻址过程。因为在路由器处在不同网络之间，但并不一定是信息的最终接收地址。所以在路由器中, 通常存在着一张路由表。根据传送网站传送的信息的最终地址，寻找下一转发地址，应该是哪个网络。其实深入简出的说，就如同快递公司来发送邮件。邮件并不是瞬间到达最终目的地，而是通过不同分站的分拣，不断的接近最终地址，从而实现邮件的投递过程的。路由器寻址过程也是类似原理。通过最终地址，在路由表中进行匹配，通过算法确定下一转发地址。这个地址可能是中间地址，也可能是最终的到达地址。

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IP地址和MAC地址

  MAC地址，旨在局域网中使用。IP地址：从哪里来，到哪里去。源IP，目的地IP，是进行路径选择的核心依据。源mac地址，目的mac地址，一直在变化，即上一站从哪里来，下一站去哪里；经过不同的站，最终到达目的IP主机。
  路由器是每个网络拓扑中的一台机器。有路由器的存在，可以做到根据不同的局域网制式，进行解包和封包。站在IP网络层往上看，全网的网络是没有任何差别的，完成了一种网络虚拟化的技术，IP网络。

• IPv4地址和子网掩码

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寄语

• 【计算机科学速成课】[40集全/精校] - Crash Course Computer Science