【Linux】计算机网络的背景和协议分层

网络发展

从一开始计算机作为一台台单机使用，到现在网络飞速发展，从局域网Lan建立起局域网，到广域网Wan将远隔千里的电脑联系在一起，网络极大的促进了社会的发展和人类之间的交流，自从同一台主机进程间相互通信开始，网络的出现就是必然的。

协议

何为协议

何为协议，顾名思义，协议是双方都要遵守的 “约定” ，而在计算机的世界里，数据都是光电信号，用01表示强弱，要想传递好各种各样的信息，就要约定好对应的格式

举个简单的例子，在现代社会我们使用纸币交易，而在古代我们使用银子交易，这些交易方式其实就是“协议”

网络协议

为什么要有网络协议？
1、计算机硬件设备很多，都是由不同的厂商生产
2、计算机操作系统也很多。

为了让这么多厂商生产出来这么多产品能够相互的流畅的通信，自然就需要一套标准让大家都要遵守，在这种要求下，网络协议就自然诞生咯

协议分层

协议为什么要分层？我们先来看一下网络传输带来的问题：

1、首先，网络传输是长距离传输，容易出现数据异常的问题，比如丢失。
2、其次，网络中主机数量非常庞大，如何定位一台主机。
3、然后，如何进行数据转发、路径选择
4、最后，选择好路径，又要如何在硬件上传输

为什么会带来这么多问题？ 很简单，数据传输的距离变长了而已。
这些问题是有上下关系的，比如定位问题解决后，如何数据转发路径选择？选择好路径又如何在硬件上传输？

基于这样的特点，网络被设计为高内聚、低耦合的 层状结构 ，这样每一层都只关注自己同层的功能，使用下一层的接口，任何一层出现问题，都不会直接影响另外一层。

高内聚：把相关的问题放在一起，设计出解决方案
低耦合：按照不同的功能，设计不同的模块

OSI七层模型

在这样的要求下，第一个网络标准协议模型就制定出来了，该模型非常完善的制定了网络中的各个层的功能，在真正设计的时候，由于有些层与应用高度相关，因此我们重点来学习另一个模型

TCP/IP五层模型（四层）

TCP/IP是一组协议的代名词，他们共同组成了TCP/IP协议族

• 1、物理层 ：负责光电信号的传递方式 物理层的能力决定了最大传输速率、传输距离、抗干扰性等. 集线器工作在物理层
• 2、数据链路层：负责设备之间的数据帧的传送和识别。冲突检测(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. 交换机工作在数据链路层.
• 3、网络层：负责地址管理和路由选择。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). 路由器工作在网路层.
• 4、传输层：负责两台主机间的数据传输。
• 5、应用层：负责应用程序间的数据传输。比如Http协议、SMTP（电子邮件传输）、FTP（文本传输协议）、Telnet（网络远程访问协议）

同层协议都要有两个功能：
1、报头要和有效载荷分离
2、报头必须支持将有效载荷交付给上层哪个具体协议（TCP？UDP？）

封装：报头+有效载荷 —>发送给下一层
分用：将二者分开，并将有效载荷交予上一层

基本通信流程

根据冯诺依曼体系结构，操作系统是计算机软件和硬件的管理者，要使用网卡这个硬件设备，就需要使用操作系统提供的接口，这也就注定了网络一定会贯穿操作系统，而传输层和网络层正是被设计进了操作系统里，操作系统可以有很多种，但是网络只能有一种。

如果不那么做，有人使用ip，有人不用，会直接无法通信。

跨网段的传输基本流程如图，中间要经过一个或多个路由器，路由器一定是级联至少两个子网的，路由器工作在IP层，而正是通过这样的方式，IP层屏蔽了底层子网之间的差异，可以说，IP是整个网络世界的基石！这样印证了那句话：在计算机设计哲学里，任何一个问题都可以在之间添加一层软件层。

mac地址和ip地址

在网络传输里通常会有两个地址，即mac地址和ip地址，通俗点来讲，目的ip地址就是最终目标，而目的mac地址决定下一站去哪里。即目的ip是不变的，而目的mac地址是一直在变化的。

需要注意的是，mac地址是全球唯一的，每一台网络设备都要有自己唯一的mac地址！而ip地址则是一台主机在公网内的唯一标识。

网络通信本质

理解本质之前，我们先要想一个问题：网络通信是两个主机在通信吗？

对，也不对，网络通信不单单是两台主机在通信，在主机接收到对方的数据后，要向上交付，交给对应的进程来处理，而网络通信的本质就是进程间通信。

暴漏自己的进程pid是不理智的，因此使用端口号来代替pid，一个进程可以绑定多个端口号，但一个端口号不可以被多个进程绑定！

我们把这种通过[源ip，源端口 + 目的ip，目的端口]的通信方式称为socket通信，即套接字通信。