【Linux网络编程一】网络基础1（网络框架）

本篇开始总结网络知识，系统部分到此结束。
网络的本质就是在获取和生产数据，而系统的本质就是在处理数据。从网络中获取到数据利用系统调用来处理数据。而网络的本质也就是文件，我往文件里写，就是往网卡里写，往网卡里写，就是往网络里写。

一.什么是协议

我们在生活中都是基于数据来进行协助的，而一般我们可以根据协议约定，来减少沟通成本。
协议就是一种约定，它的出现是为了解决通信过程中出现的问题，所以我们只要理解了通信过程会出现什么样的问题，就能清楚要制作什么样的协议，那么通信过程中存在哪些问题呢？

1.通信问题

在两台主机网络通信过程中，面临着以下四种问题：

【问题1】.你怎么保证你的数据能准确的到达下一个设备？
【问题2】.你如何定位的到要发送的主机位置呢？
【问题3】.长距离传输过程中数据会不会丢失呢？
【问题4】对方接收到数据，就算完了吗？如何处理发来的数据呢？

通信的两台主机都会面临着相同的问题，为了解决这些通信问题，所以就需要制定对应的协议来解决。
问题1由以太网协议解决
问题2由ip协议来解决
问题3由tcp协议来解决
问题4由应用层协议来解决。

2.协议本质

在我们日常生活中，类似于协议的东西有很多，就比如我们接收快递时，我们想要的是买的物品本身，但商家默认会将一个快递盒子发给我们，并且外面还贴有标签(收件人，手机)等信息。这个快递盒子和标签就是协议！

1.所以我们在接收快递时，我们会收到除了快递本身之外的更多信息字段，比如快递盒子外面贴的标签，这个多出来的信息字段，就是协议，严格上说是协议的报头！
2.事实上，在我们日常发送数据时，也不是单单就把数据发送过去，我们一定还会在我们要发送的数据之外多发送一些东西，这个多出来的，就是协议！

这个多出来的东西，就是一些信息字段，描述某些特征，而在计算机当中，结构体恰好就是用来描述对象的一些基本信息和属性，所以在计算机中，协议的表现形式就是结构体对象！

所以一台主机发送一个结构体对象，另一台主机是可以立马认识到这个结构体表示什么意思，因为该主机也有该类的源代码，结构体对象类型是一样的，所以我们就可以跨逐渐上让它们基于结构体快速形成约定，这就是协议！

3.网络协议标准

【问题】那么两台主机如果要网络通信，只要约定好协议就可以了吗？

协议是定制设置出来的一种形式，但协议代表的含义也是定制者赋予的，所以除了协议形式要统一，还有很多东西需要统一起来，比如代表的含义，形式大小等待细节。

统一的标准，从软件到硬件各方面都需要一支，这就形成了网络协议。

二.协议分层

1.为什么协议要分层

1.本质是因为问题是层状的，所以协议定制出来肯定也是层状的。并且设置成层后，就可以降低耦合度，减少维护成本好维护。
2.因为协议分层后，我们可以认为是每层协议在和每层协议在直接通信，跟下层没有关系，下层出现问题，不会影响到上层。

3.协议分层后，在逻辑上就可以看成各层之间在匹配通信

2.如何具体的分层

在网络中，协议具体被分成5层，但最重要的是网络层ip和传输层tcp,所以被称为TCP/IP五层模型。

这五层从下往上分别是，物理层，数据链路层，网络层，传输层，应用层。各自都有对应的协议。
每层具有不同的功能：

三.操作系统OS与网络协议栈的关系

1.物理层对应着系统中的硬件部分，比如网卡。
2.数据链路层对应着驱动程序，驱动软件。
3.而网络层和传输层是内嵌在内核里的，属于操作系统的部分。
4.应用层就相当于在操作系统之上的用户层，更准确的来说是用户层的各自软件应用。

操作系统和网络栈是一一对应起来的，网络通信的本质也就是在访问硬件网卡，而用户想要访问硬件，必须要经过操作系统，而操作系统又不相信用户，所以回给上层提供系统调用来访问内部。所以对应的网络通信，用户想要访问网卡，就必须调用系统调用，所以上层开发者为了更好的通信，所以会根据系统调用来开发一些协议来让我们使用。
5.操作系统虽然有多种，比如Linux和windows，但是网络栈却只有一种，所有的操作系统必须遵守，不然系统设备无法入网通信。

1.核心点：网络通信贯穿协议栈

所以网络通信的本质：就是贯穿协议栈的过程！这个过程先自顶向下，贯穿协议栈，然后通过网卡传输到另一台主机，再自底向上贯穿协议栈。

四.局域网中通信的基本原理

知识点1：在局域网(网络)当中，任意两台(直接相连的)主机是可以通信的，比如说手机可以投屏到电视上，但必须使用同一个网络才可以。
知识点2：在局域网(网络)当中通信协议有很多种，而以太网是属于局域网通信标准的其中一种

那么在局域网(就是在网络中)当中的两个主机是如何进行通信的呢？

两台主机在局域网中直接通信的过程，本质就是在不断的封装和解包的过程!

1.封装，解包分用

【问题1】什么叫封装呢？

网络通信时，需要贯穿协议栈，比如A主机要将消息通过网络发送给B主机，那么消息需要由A主机的网络协议栈由顶自下贯穿到B主机，再由底向上贯穿B主机的网络协议栈。
因为协议是附加字段，是一个结构体对象，所以每层协议都有对应的结构体对象。
消息就放在协议的后面，我们称这个部分为报文，而协议结构体部分称为报头。
每贯穿一层协议，报文都会多出一个协议报头，该协议报头就是该层协议的结构体对象。

1.报文是由报头和有效载荷构成，每一层协议栈都会往报文上添加新的报头，而报头后面的就变成新的有效载荷了。

贯穿协议栈，每层都需要添加报头，这个过程就是不断的封装报文。
【问题2】如何将数据发送给对端的呢？

网络协议栈的层状结构中，每一层都有协议，而通过协议就可以将数据发送给对端，比如数据链路层，通过以太网协议将数据发送给对端主机的数据链路层。

【问题3】什么叫解包？
由A主机发送给B主机，先自顶向下贯穿A主机网络协议栈，经过添加封装报头，最终到达数据链路层，数据和链路层通过协议，将报文发送给对端链路层。对端链路层再自底向上贯穿协议栈。
并且每层协议栈是可以区别哪些是报头哪里是报文的，然后对端主机的链路层就会将该报文的报头和有效载荷分离，将有效载荷交给上一层协议！
而由协议层分离报头和有效载荷的过程就是不断的在解包报文，会将属于该层的协议报头分离出去，再将剩下的有效载荷交给上一层(贯穿协议栈)
【问题4】什么叫分用？
对端主机的协议层接收到报文后,需要解析报文(分离报头和有效载荷)将有效载荷往上层协议发送，而它怎么知道发送上层的哪一个协议呢？每一层协议栈都会有许多协议存在，那么应该发送给上一层的哪一个协议呢？
所以几乎所有的协议，都要在报头中提供，将自己的有效载荷交付给上层哪一个协议的能力！这个能力就叫分用。

【结论】：

数据包封装和分用
1.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).
2.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).
3.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.
4.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.

2.正确看待局域网

局域网就一个网络，而网络就是一个文件，主机之间通信就是进程之间通信，进程之间通过网络进行通信，所以网络就是一个共享资源，并且要求是互斥访问该资源。

五.以太网下是如何通信的

我们知道报文在传递到链路层时，是根据以太网协议与对端链路层进行通信的。那么具体在以太网下是如何通信的呢？

【前提知识】 在局域网中，每台主机都会有一个唯一标识自己的标志–>Mac地址/ip地址，所以每台主机都是可以识别对方是谁的。

在局域网当中，发送一条消息，会被局域网内的所有主机接收到，也就是消息首先会贯穿协议栈，经历封装添加报头，到达数据链路层，最后在网卡硬件层面接收到。而对端网卡接收到数据是通过以太网接收到的。

以太网下数据是如何传输的呢？是如何通信的呢？

1.每台主机都有唯一的标识，所以A主机要发送消息给B主机，A主机是需要知道B主机的Mac地址的(消息贯穿A主机的协议栈到达数据链路层，在报头中是存储着B主机的Mac地址的)
2.首先在局域网当中所有的主机都会接收到报文(在逻辑上，每一层协议直接通信，也就是在链路层收到消息。A主机数据链路层通过以太网将报文发送给各主机的的数据链路层)。
3.而其他主机的数据链路层一旦接收到报文，就会进程报头分离解析，根据标识每台主机的ip地址发现不是发送给自己的，就会将报文直接丢弃。
4.如果发现是发送给自己的，就会将有效载荷发送给上一层协议。

1.碰撞域

往局域网当中发送一条消息，该局域网下的所有主机都会收到，而多台主机同时往局域网中发送消息，那么这些消息就会发送碰撞，发生丢失，而发生碰撞的地方就称为碰撞域，所以以太网是基于碰撞域形成的。

所以以太网下通信是会存在数据碰撞问题的。

有问题就会有解决方法，如何解决该碰撞问题呢？
【碰撞机制】采用延迟发送

【网卡工作模式】正常模式与复杂模式
正常模式就是不是发送给自己的报文直接丢弃。
复杂模式就是不是发送给自己的报文不会直接丢弃。
【安全问题】

六.交换机