深入理解网络原理1

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前言

随着时代的发展，越来越需要计算机之间互相通信，共享软件和数据，即以多个计算机协同⼯作来完 成业务，就有了⽹络互连。

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一、网络初识

1.1 IP地址

IP地址主要⽤于标识⽹络主机、其他⽹络设备（如路由器）的⽹络地址。简单说，IP地址⽤于定位主机的⽹络地址。
就像我们发送快递⼀样，需要知道对⽅的收货地址，快递员才能将包裹送到⽬的地。

IP地址是⼀个32位的⼆进制数，通常被分割为4个“8位⼆进制数”（也就是4个字节），如：
01100100.00000100.00000101.00000110。
通常⽤“点分⼗进制”的⽅式来表⽰，即 a.b.c.d 的形式（a,b,c,d都是0~255之间的⼗进制整数）。
如：100.4.5.6。

1.2 端口号

在⽹络通信中，IP地址⽤于标识主机⽹络地址，端⼝号可以标识主机中发送数据、接收数据的进程。 简单说：端⼝号⽤于定位主机中的进程。
类似发送快递时，不光需要指定收货地址（IP地址），还需要指定收货⼈（端⼝号）。

端⼝号是0~65535范围的数字，在⽹络通信中，进程可以通过绑定⼀个端⼝号，来发送及接收⽹络数据。

1.3 协议

协议，⽹络协议的简称，⽹络协议是⽹络通信（即⽹络数据传输）经过的所有⽹络设备都必须共同遵从的⼀组约定、规则。如怎么样建⽴连接、怎么样互相识别等。只有遵守这个约定，计算机之间才能相互通信交流。
协议（protocol）最终体现为在⽹络上传输的数据包的格式。

1.4 五元组

在TCP/IP协议中，⽤五元组来标识⼀个⽹络通信：

1. 源IP：标识源主机
2. 源端⼝号：标识源主机中该次通信发送数据的进程
3. ⽬的IP：标识⽬的主机
4. ⽬的端⼝号：标识⽬的主机中该次通信接收数据的进程
5. 协议号：标识发送进程和接收进程双⽅约定的数据格式

可以在cmd中，输⼊ netstat -ano 查看⽹络数据传输中的五元组信息

1.5 协议分层

协议分层是指将通信协议根据其功能和作用分为若干层次，每一层都有特定的功能和责任。通信协议的分层主要是为了提高系统的可扩展性、可维护性和可管理性。

分层的作⽤——
为什么需要⽹络协议的分层？
分层最⼤的好处，类似于⾯向接⼝编程：定义好两层间的接⼝规范，让双⽅遵循这个规范来对接。
在代码中，类似于定义好⼀个接⼝，⼀⽅为接⼝的实现类（提供⽅，提供服务），⼀⽅为接⼝的使⽤类（使⽤⽅，使⽤服务）：
• 对于使⽤⽅来说，并不关⼼提供⽅是如何实现的，只需要使⽤接⼝即可
• 对于提供⽅来说，利⽤封装的特性，隐藏了实现的细节，只需要开放接⼝即可。
这样能更好的扩展和维护，如下图：

二、TCP/IP五层协议

• 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。
• 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。
• 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）⼯作在⽹络层。
•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。
•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。

通俗的理解为：

三、封装和分用

• 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)，称为封装
(Encapsulation)。
• ⾸部信息中包含了⼀些类似于⾸部有多⻓，载荷(payload)有多⻓，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。

eg.A通过QQ发送hello给B，封装过程如下：
①应用层（应用程序QQ）
QQ从消息输入框获取到用户输入的hello，就需要把这个字符串构造成一个应用层的数据包，QQ这样的程序内部就设置了一个应用层协议，应用层数据包就是按照这个应用层协议约定的格式来构造的。

应用程序会调用操作系统提供的api，把这个数据包交给传输层。

②传输层
把上述数据作为一个整体，再构造一个传输层的数据包（传输层涉及到的协议最主要的是TCP和UDP）。此处假定是使用UDP来进行通信，就会构造成一个UDP数据包。

拼好传输数据包之后，就要把这个数据包进一步的交给下层，网络层继续进行封装了。（交给下层，指的是下层协议提供一组api（函数），上层调用这个api,并且把刚才构造好的数据通过参数传过去，下层协议就可以来处理这个数据了）。

③网络层
这里涉及到的最核心的协议是IP协议。网络层IP协议，把刚才的传输层的UDP数据包作为一个整体，再拼上IP协议的报头，构造成一个IP数据包。

构造完成完整的IP数据包之后，IP协议继续调用数据链路层的api，把数据再交给数据链路层这里的协议进行处理。

④数据链路层
这里涉及到的核心协议，以太网（此处“以太”用来表示数据传输的介质）。
以太网数据帧，也是以IP数据包为一个整体，在这个基础上添加上帧头和帧尾。

这样的数据还需要交给物理层。

⑤物理层
硬件设备，把上述这样的以太网数据帧，二进制结构（一串0101为数据），转换成光信号（光纤，通过光的频谱进行编码）/电信号（网线，高电平/低电平）/电磁波（无线wifi），然后进行发送。

经过上述一系列的操作，数据终于从你的电脑上发送出去了。

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暂时不考虑中间过程，假定数据包已经到达B的网卡了，B的处理过程就称为“分用”。
①B的物理层收到了光信号/电信号/电磁波,就会把这些物理信号转换成数字信号（二进制的0101），得到一个以太网数据帧，进一步的把这个数据帧交给数据链路层处理。
②数据链路层
按照以太网数据帧的格式来解析，取出其中的载荷，再交给上层协议。

③网络层
按照IP协议的格式进行解析，取出其中的载荷，再交给上层协议。

④传输层
按照UDP协议格式来解析，取出其中的载荷，再交给上层协议。

⑤应用层
按照QQ应用程序内部的应用层协议格式来解析数据。

QQ程序拿到这些信息之后，就会在窗口中给你弹出提示，并且把消息/消息的发送者/发送时间都显示到聊天窗口上。

真实情况下，两个主机不太会是通过网线直连的，而是通过一系列的交换机或者路由器来进行数据转发的。上述的封装分用过程同样适用，只不过，封装分用的程度不一定是到应用层（五层都有)。
对于交换机来说，就只需要封装分用到数据链路层即可；经典的路由器来说，就只需要封装分用到网络层即可。

描述一个网络上传输的数据“单位”可能会用到下面的术语：

网络编程本质上就是学习传输层给应用层提供的api，就可以写代码，把数据交给传输层，进一步的通过层层封装，就可以把数据通过网卡发送出去了。

交换机和路由器的区别？ （经典面试题）
工作层次不同。交换机工作在数据链路层，而路由器工作在网络层。
数据转发所依据的对象不同。交换机是利用MAC地址来确定转发数据的目的地址，而路由器是基于路由表转发数据包。
传统的交换机只能分割冲突域，不能分割广播域；而路由器可以分割广播域。 路由器提供了防火墙的服务，可以防止广播风暴(具有更高级别的安全性)。
交换机主要用于局域网内部的数据交换，而路由器则主要用于不同网络之间的数据传输。

四、客户端vs服务端

在网络中，主动发起通信的一方，称为“客户端”，被动接受的一方，称为“服务器”。同一个程序在不同的场景中，可能是客户端也可能是服务器。
客户端给服务器发送的数据，称为“请求”（request）；
服务器给客户端返回的数据，称为“响应”（response）。

4.1 交互模式

• “一问一答”：一个请求对应一个响应，常见于”网站开发“（web开发）。
• ”一问多答“：一个请求对应多个响应，这个场景主要涉及到”下载“场景。
• “多问一答”：多个请求对应一个响应，这个场景主要涉及到“上传”场景。
• “多问多答”：一个请求对应多个响应，一个响应也可能对应多个请求，这个场景主要涉及到“远程控制/远程桌面"，进行的鼠标键盘操作，都会作为一个个请求发送过去，所看到的画面作为响应。

4.2 常见的客户端服务端模型

最常见的场景，客户端是指给⽤⼾使⽤的程序，服务端是提供用户服务的程序：

1. 客户端先发送请求到服务端
2. 服务端根据请求数据，执⾏相应的业务处理
3. 服务端返回响应：发送业务处理结果
4. 客户端根据响应数据，展示处理结果（展示获取的资源，或提示保存资源的处理结果）

客户端与服务器通信——

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