计算机网络：网络通信相关概念入门

一、网络发展背景

网络发展背景：

  最初的计算机是单机，那么单机是这样传输数据的：A单机和B单机，在A单机处理完数据后，将装有数据的存储介质交付给B单机，然后B单机读取数据并处理。毫无疑问，这样太麻烦了。
  因此逐步诞生了网络的概念，使用网络来进行数据的传输，大大提升了数据传输的效率。

网络的类型：

• 局域网：网络覆盖范围在1km之内的网络。
• 城域网：网络覆盖范围在20km之内的网络。
• 广域网：网络覆盖范围在20km以上的网络。

  但其实局域网与广域网也只是一个相对的概念，比如整个中国的互联网对于整个世界的互联网来说，也是一个局域网。

二、理解网络通信

  网络通信就是升级版的进程间通信。用QQ聊天来举例，A用户用QQ给B用户发送消息，他们进行的就是网络通信。A用户的主机上有一个QQ进程，B用户的主机上也有一个QQ进程，他们互相发送消息的本质就是A用户的QQ进程和B用户的QQ进程进行通信。因此网络通信就是不同主机间的进程间通信。

三、理解IP地址

1.简述IP地址

  在生活中其实很多时候都可以听到IP地址这个概念，IP地址其实就用来在网络中唯一标识一个主机的，就像是我们的身份证一样。

  在寄快递的时候，我们肯定要知道收货人的地址，不然快递怎么寄。在网络通信中传输数据时，肯定要知道接收方的地址才可以进行数据的发送，不然数据往哪里发呢。

  寄快递时包裹上面不但要有收件人的地址，还要有寄件人的地址。在网络通信中，我们把发送方称为源端，接收方称为目的端。每一条数据就相当于一个包裹，数据中自然要包含目的端IP和源端IP。

  也就是说，IP地址是负责记录这条数据的发送主机和接收主机的，至于谁来记录这条数据是发送主机的哪个进程发送的，是接收主机哪个进程接收的，且看下文。

2.IP地址的版本

 IP地址也是有版本之分的，共两个版本：

• IPv4：这是早期的IP地址版本，也是使用最多的。
• IPv6：这是为了扩大地址数量而提出的新版本，目前还没有全面普及。（不兼容IPv4）

 IPv4地址的数据类型：

• uint32_t：32位无符号整型，也就是说IPv4地址只有32位

 IPv6地址的数据类型：

• uint8_t ip[16]：这是一个数组类型，数组共16个元素，每个元素的数据类型是8位无符号整型，也就是说IPv6地址的长度是128位。

3.提高地址利用率的技术

  之所以推出IPv6地址就是因为IPv4地址不够用了，但是IPv6并不向前兼容IPv4，所以又针对IPv4提出了两项技术来提高地址的利用率。

1. DHCP：动态地址分配。谁上网就给谁分配IP地址，这样就不会有人一直占用IP地址但不使用，但现在我们的设备基本一直都处于联网状态，所以貌似用处没那么大。
2. NAT：网络地址转换技术。组建私网的技术，私网中主机对外通信使用的是同一个公网IP地址，这样就节省了大量IP地址。

四、理解端口

1.简述端口

  上面用QQ聊天举例说明了网络通信的本质，这里再对上面内容进行更新。还是以送货为例子，上面已经知道了要把信息从哪里发到哪里，假设是发到爱情公寓，现在包裹到爱情公寓楼下了，快递员小哥看着没有收件人的包裹，陷入了沉思~~~~（当然，没有发货人也是不行的）。想必看到这里也就知道了，咱这条信息还差点东西啊，没收件人怎么行。

  既然快递没有收件人不行，那么网络中的数据没有收件人自然也不行，收件人自然就是目的主机上接收该消息的进程，那么用什么信息在网络数据包中标识要发送给哪个进程呢？那就是端口。

  端口，也就是PORT。端口是一个uint16_t 类型的数据，也就是一个无符号16位整形数据。其实端口在生活中也是挺常见的，因为有时用某个软件的时候，可能会遇到提示：某某端口被占用。那么端口究竟是干啥的？

  端口其实就是用来在一台主机中标识一个进程。一个进程可以同时被多个端口标识，但一个端口只能标识一个进程。

  我们用QQ给其他用户发送数据的时候，发送的数据不仅包含源端IP和目的端IP，也包括了我们自己的QQ进程的端口，以及目的端的QQ进程的端口，也就是说网络通信中的每条数据都包括了源端口和目的端口（发件人和收件人）。

  可以这么理解，IP地址就像是收货人的地址，而端口则表明了一个具体的收货人。通过IP地址知道了要把数据发送给哪个主机，也就是知道了要把快递送到哪个地址。通过端口知道了要把数据发送给主机中具体哪个进程，也就是把快递交给收货人。

2.使用端口的原因

  问题来了，进程不是有pid吗，pid就可以标识一个进程啊，为啥还要用端口来标识？

  还是用QQ聊天来举例，我们发送消息的时候并不是两个用户直接进行数据传输的。A用户和B用户在发送消息时，其实在它们之间还有一个服务器，A用户的消息首先发送给服务器，然后服务器把数据发送给B用户，这才是完整的通信过程。如下图所示

那么这个通信流程跟端口有什么关系？

 （1）试想，如果我们使用进程pid来在网络通信中标识进程。A用户和B用户通信的过程中，A用户发送给服务器的数据是不是就包括了A用户QQ进程的pid以及B用户QQ进程的pid（当然还包括了源端IP和目的端IP）。

 （2）然后服务器根据指定的B用户的QQ进程的pid去发送数据。此时如果B用户突然退出QQ，然后重新打开QQ软件并登录，那么是不是就会重新创建pcb，自然就有了新的pid，可是这个新的pid和A用户发送的消息中包含的pid是一样的吗？这个谁也说不准，所以为了避免这种情况，才会使用端口这个东西。

那么A用户发送的消息如何找到服务器呢？

 （1）服务器的端口和IP地址一般都是固定的，并且它固定在我们安装的程序中，所以用户不需要操心这个，程序的安装包里就内置有服务器的IP及端口号。咱们用的应用程序发送数据时，自动就使用了内置的IP和端口作为目的IP和目的端口。

 （2）但是如果服务器迁移了，服务器的IP地址就会变化，我们正在使用的客户端就用不成了，就需要下载新的客户端，新的客户端中会内置新的服务器各项信息。

为什么一个进程可以有多个端口？

  主要还是为了效率。看视频的时候，一个端口接收视频，一个端口接收音频，这样看视频就可以保证音画同步。

五、理解网络通信协议

网络通信协议就是约定，约定在网络通信中数据传输时使用的格式。

为什么要有协议？

（1）这个如果用日常生活中的事情来举例可以理解得非常清楚。一个中国人，一个英国人，如果他们都不懂对方的语言，一个说中文，一个说英文，这咋沟通。

（2）两个人之间说的话其实就是数据，说话的过程其实就是数据传输的过程，中国人说中文使用的是中文的数据格式，英国人说英文使用的是英文的数据格式，他们之间采用的数据格式不同，中国人就接收到英语后，如果按照中文思维进行解析，这解析的是个寂寞~~~~，英国人也是一样道理，因此数据的发送端和目的端一定要采用统一的格式才可以。

（3）因此我们可以规定一种语言，让所有的人都必须用同一种语言进行交流，这样就没有沟通障碍了（也就是大家采用同样的数据格式）。让源端和目的端使用同样的格式进行数据的发送和接收，这样就可以正常通信。这其实就是协议。