【网络】局域网LAN、广域网WAN、TCP/IP协议、封装和分用

发展过程：
单机 —> 局域网 —> 广域网 —> 移动互联网

局域网 LAN

• 局域⽹，即 Local Area Network，简称 LAN。
• Local 即标识了局域⽹是本地，局部组建的⼀种私有⽹络。
• 局域⽹内的主机之间能⽅便的进⾏⽹络通信，⼜称为内⽹；局域⽹和局域⽹之间在没有连接的情况下，是⽆法通信的。局域⽹组建⽹络的⽅式有很多种：

---

• 把几个电脑连接到一起，就构成了局域网

• 但当电脑多了之后，就不方便两两相连，就创造了“路由器”

  • 只要电脑都连在同一个路由器上面，就可以构成局域网

[!quote] 调制解调器（猫）

• 不同种类的信号转换
• 这个是宽带普及之前，上网操作是通过“电话线”进行的，猫的作用是将电话线中的模拟新欢转换成网络中的“数字信号”
• “光猫”就是把光信号和电信号之间进行相互转换（一般带有路由功能）

• 因为路由器上面接口有限，当机器多了之后，就插不下了，此时就引入了“交换机”，就解决了上述问题
  • 交换机就相当与是对路由器的端口的扩展
  • 将计算机都插到交换机上面，然后交换机再连接路由器就行了
  • 此时这些电脑就相当于都插到路由器上了，这些电脑就都早一个局域网中了
  • 局域网是有路由器负责的，本身与交换器没有关系

---

广域网 WAN

• ⼴域⽹，即 Wide Area Network，简称 WAN。
• 通过路由器，将多个局域⽹连接起来，在物理上组成很⼤范围的⽹络，就形成了⼴域⽹。⼴域⽹内部的局域⽹都属于其⼦⽹。
• 现在见到的“万维网”就是把全世界的设备都连接在一起的巨大广域网
• “网游”就是电脑连接到了广域网上，可以和全国甚至全世界的玩家一起进行对抗

---

网络中的重要概念

IP 地址

• IP 地址就是描述了一台主机，在互联网上所处的位置
• IP 地址是使用一个 32 位整数来表示的
• 使用“点分十进制”这样的方式，来表示“IP 地址”
  • 将 32 位整数用三个点分成了四份，每份取值范围 0~255（一个字节）
  • 使用点分十进制之后，更方便人阅读
  • 

端口号

• 用来区分当前主机上的指定的应用程序（进程）
• 一个主机上，使用网络的程序有很多个，可以通过端口号，区分当前主机收到的数据是要交给哪个程序来处理使用
• 端口号同样也是一个整数，是一个两个字节的整数（0~65535）
  • 虽然是 0 ~65535 这样的范围，实际上 0~1023 这些端口都是有一些特定含义的
  • 咱们自己写代码使用的端口，一般都是用剩下的

[!quote] IP 地址和端口号
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）

认识协议

网络中最核心的概念

---

• 协议是进行一切通信的基础
• 协议至少得有两个主机，让发送方发送数据，接收方能理解

• 比如，我虽然在重庆上学，但我是湖北人，如果周围有人说重庆话，我有时候就听不到。
• 这就属于无效的通信

• 所以双方需要按照同样的规则来构造/解析数据，否则就是无效的通信
• 协议就是在约束通信双方，交互数据的“规则”，协议确定了，双方就在一个频道上了，才能进行有意义的通信

---

所以，如何进行网络通信的问题，就转为了如何设计网络通信协议。

网络上传输的数据：光信号（光纤，激光的光）/电信号（网线里的）/电磁波（WiFi、5G…）

• 无论是哪种信号，本质上都是传输 0101 这样的二进制
  • 光信号：可以用高低频光代表 0/1
  • 电信号：可以用高低频电代表 0/1
  • 电磁波：也是光，也可以通过频率进行编码
• 所以在通信时就需要约定好，传输的这一大串 101010 都是啥意思
  • 这个就是"网络通信协议“要完成的核心工作

---

由于网络通信，是一件非常复杂的事情，如果只使用一个协议，去约定所有的网络通信细节，就会导致这个协议非常庞大，非常复杂

为了对抗这种复杂度，我们就进行“拆分”。将一个大的协议，拆分成多个小的协议，让每个小的协议，专注于解决一个/一类问题，再让这些协议相互配合

协议分层

是什么

• 但是，拆分之后，拆出来了很多协议，不方便组织
• 所以，将这些协议分层，把功能类似的协议放到一层，并且约定号，协议之间，不能随意进行交互，只能是相邻的层之间才能进行交互
  • 上层协议调用下层协议，下层协议给上层协议提供服务

---

分层的好处：

1. 降低了使用的成本，使用某个协议的时候，不需要关注其他协议的实现细节
   • 打电话这个事情，不需要理解电话机的工作原理，只需要会说话即可
2. 降低整个体系的耦合性，可以灵活的变更某个协议
   • 可以经汉语协议变为英语协议，不妨碍打电话；可以经无线电协议变为电话协议，也不妨碍打电话

当前互联网体系的现状就是“协议分层”的效果

OSI 七层网络模型

这种划分方式，只是存在于教科书里，并没有被真正的采用

---

TCP/IP 五层网络模型（或四层）

当前世界上最主流的网络协议模型
四层就是不散物理层，物理层和硬件相关，距离程序员非常遥远

---

物理层

---

• 物理层：描述的是硬件设备（网线这样的设备）需要满足什么样的条件
  • 物理层就相当与是“公路“、”铁路”、“航线”

传输层

---

• 传输层：主要就是关注网络通信中的“起点和终点”，并不关心通信的中间细节

• 比如，你在网上买了个东西
• 下单的时候，需要填写“收件人信息”
• 卖家给你发快递的时候，也需要填写“发件人信息”
• 最后卖家就把快递给快递小哥，快递小哥最后将快递送到你手上
• 在这个过程中，传输层就只关注发货地和收货地，并不关心快递是如何到你手上的、如何运输的…

网络层

---

• 网络层：进行网络通信的路径规划和地址管理
  • 网络是很负责的结构，从 A 到 B 中间有很多不同的路线，此时网络层协议就要进行“路径规划”，称为“路由选择”
  • 网络上的这些设备他们的地址都是什么、怎么去描述、用什么样的一套规则也是网络层安排

• 比如快递小哥揽收你的包裹之后，需要进行包裹运输
• 就要规划选择一条合适的路径将包裹送到你手中
• 合适的选择不是绝对的，可能看路程、可能看速度、可能看成本…
• 使用地图导航，也是类似于网络层“路由选择”的过程

数据链表层

---

• 数据链路层：针对好上述规划好的路径，进行具体的实施

• 比如，你的包裹要从上海运往西安，选择的路径是：上海 —> 南京 —> 西安
• 上海 —> 南京：走水路，坐船
• 南京 —> 上海：走铁路，火车
• 西安 —> 驿站：走公路，坐卡车
• 驿站 —> 收货地：骑三轮
• 在这每两个地点之间的交通选择，都是数据链路层负责的

• 董事长（传输层） —> 制定一个公司的发展目标（今年营业额要达到 xxx 小目标）
• 高管（网络层） —> 规划一下，如何达到上述目标，明确达到上述目标，分成几个步骤，先做什么再做什么。路径规划/路由选择的过程
• 基层员工（数据链路层） —> 进行具体实施，第一步到第二步，第二步到第三步… 具体咋办
• 办公用到的基础设施（物理层） —> 办公室、工位、电脑、打印机、网络…

这四层都是程序员干预不了的，操作系统/硬件设施已经实现好了的

应用层

---

• 应用层：程序员可以干预到的，可以决定这个应用是用来干什么

网络设备所在分层

• 对于⼀台主机，它的操作系统内核实现了从传输层到物理层的内容，也即是 TCP/IP 五层模型的下四层；
• 对于⼀台路由器，它实现了从⽹络层到物理层，也即是 TCP/IP 五层模型的下三层；
• 对于⼀台交换机，它实现了从数据链路层到物理层，也即是 TCP/IP 五层模型的下两层；
• 对于集线器，它只实现了物理层；
  这都是站在经典的模型上讨论的，笔试中遇到了相关的选择/填空题，可以照着答

真实情况下，交换机也可能是工作在网络层，甚至是传输层/应用层
路由器也可能是工作在数据链路层，也可能是传输层，也可能是应用层

封装和分用

通过 QQ，发送一个 hello 给另一个人

[站在发送方视角]（封装）

1. 用户输入框中输入“hello”字符串，点击“发送”按钮
   • QQ 这样的程序，就会把 hello 这个内容从输入框读取到，构成一个“应用层数据包”
   • “应用层数据包”是应用层的协议，描述了这个数据包的构造，此处的应用层协议，往往是开发 QQ 的程序员自行定义的

[!quote] 序列化/反序列化

• 将结构化数据 —> 二进制字符串：序列化
• 将二进制字符串 —> 结构化数据：反序列化
• 进行网络传输数据，通常就需要把一个“结构化”（C 的结构体/Java 的类，包含很多属性）数据转成一个“字符串”（二进制字符串，不需要非得在码表上可以查到，任何的 01 序列都可以接在一起）

[!quote] 应用层数据包

• 主要是做了一个“序列化”的工作，将传入的信息整合成一个“字符串”
• “应用层数据包”是应用层的协议，描述了这个数据包的构造，此处的应用层协议，往往是开发 QQ 的程序员自行定义的
• 如果是我来开发 QQ，我可能会按照下列的方式定义这个应用层数据包的结构（定义方式有很多种）
  • 数据包格式：发送者的 QQ 号；接收者的 QQ 号；发送时间；消息正文\n
  • 数据包样例：123456789；987654321；2024-01-14 23:50:10；hello\n

2. 应用层数据包准备就绪后，QQ 这样的应用程序，就会调用操作系统提供的 API（传输层给应用层提供的 API）

   • 操作系统就会提供一个类似于“发送数据”这样的 API，然后应用程序就会把上述组织好的应用层数据包作为参数传进来，于是应用层数据包就到了系统内核里，就进入到传输层的代码部分了
   • 此时，传输层这里，就会把上述的应用层数据，再进一步封装（字符串拼接）成一个传输层数据包
   • 由于传输层有多种协议（其中最重要的是两个：TCP 和 UDP），这些协议给应用层提供的 API 是不同的，看应用程序种使用哪组 API 就使用哪个协议
     • 假设此处使用 UDP 协议，则会在刚刚整合的“字符串”前面加一个“UDP 报头”，这串“字符串”叫“UDP 正文/载荷（payload）”
     • UDP报头中就包含了一些 UDP 相关的信息，比如发送者的端口号和接受者的端口号
     • 拼上的这些信息，都是给后续的转发打下基础的，就类似于“贴标签”
     • 网络中，有多层协议，每一层协议都要贴标签，每一层标签的侧重点不同，贴上的标签中的信息也不一样
       

3. 传输层构造好数据之后，就会继续调用网络层提供给传输层的 API，把数据进一步交给网络层

   • 由于传输层和网络层都是系统内核里面实现好的，上述调用的过程，我们无需关心，也感知不到
   • 网络层也有多种协议，其中最重要的就是 IPv4 协议（简称为 IP 协议）
     • IP 协议就会把上述拿到的传输层数据包构造成网络层数据包
     • IP 报头中也会包含很多信息，主要信息为发送方的 IP 地址，接收方的 IP 地址

4. 网络层继续调用数据链路层的 API，把数据交给数据链路层处理

   • 数据链路层的常见协议是：以太网（平时插网线，进行上网的方式）
   • 在 IP 数据包的基础上，进一步进行包装

[!quote] 网络传输数据的基本单位

1. 数据包（packet）
2. 数据报（Datagram）
3. 数据段（segment）
4. 数据帧（frame）

这几个术语严格来说是有区别的，但平时日常交流的时候，不会刻意区分

5. 上述得到的数据，需要进一步交给物理层（硬件设备）
   • 网卡就会针对上述的二进制数据，进行真正的传输操作
   • 就需要把上述 0101 这样的序列转为光信号/电信号/电磁波…

---

[站在接收方视角]（分用）

1. 接收方物理层收到光电信号，把这样的光电信号还原成 010101 这样的二进制字符串

2. 物理层转换回来的数据，交给数据链路层，以太网拿到这个数据包，就会对这个数据包进行解析

   • 拿出这里的报头和载荷，根据报头中的信息做一些处理
   • 这个数据包是要丢弃、还是转发、还是自己保留，向上进行解析
     • 由于是站在接收方的视角，所以在这里这个数据包要交给上层协议，再做进一步解析
     • 所以这个数据包就会从数据链路层交给网络层

---

3. 网络层拿到了上述解析好的数据，网络层的 IP 协议也要对这个数据包进行解析
   • 取出 IP报头和载荷
   • 根据报头中的信息确认，是丢弃、转发还是保留（给上层协议）
   • 由于是站在接收方的视角，所以在这里这个数据包要交给上层协议，再做进一步解析

---

4. 传输层这边，UDP 协议也要针对数据进行解析
   • 取出 UDP 报头和载荷
   • 此处也需要把载荷里面的内容，进一步交给应用层协议
   • 依赖 UDP 报头中的端口号，区分需要交给哪个应用程序（端口号就是用来区分不同进程的）

---

5. 数据就到了 QQ 这样的应用程序这里了
   • QQ 就要针对上述的数据进行“反序列化”
   • 再针对里面的数据进行进一步的逻辑
     1. 将收到的消息显示到界面上
     2. 播放“滴滴滴”这样的声音，提醒收到信息
     3. 显示弹窗，提示收到信息
     4. 更新未读消息的列表（红色的圆圈写个数字）
     5. …

---

• 此处接收方做的工作就是发送方工作的“逆向工作”
• 发送方的“封装”，认为是“打包快递”
• 接收方的“分用”，认为是“拆快递“

一个电脑，会先连到交换机上，交换机可能连到路由器上，路由器可能又连到另一个交换机上，交换机又连到另一个路由器上… 总之，这中间会连接很多的交换机和路由器，来完成数据转发的过程

中间过程的交换机和路由器，也会涉及到封装和分用（不会像主机这样复杂）

• 交换机封装分用到链路层，就可以决定数据是丢弃还是继续转发了，不再继续分用（经典的教科书上的交换机）
• 路由器，封装分用到网络层，就可以决定数据是丢弃还是继续转发了，也不再继续分用
  在传输的过程中，每到一个设备都要进行封装分用，经过层层数据的交换，最终到达终点

封装分用这么麻烦，会不会导致交换机、路由器、主机之间的通信效率很低呢？

• 得看和谁比
  • 如果是那网络通信和人的反应时间相比，速度还是很快的
  • 如果拿网络通信和读写硬盘相比，通常认为，网络的速度比硬盘的速度更慢
  • 更不必说和内存比了

---

也有特殊情况：

• 如果拿网络中最强的“万兆网卡”和硬盘中最弱的“机械硬盘”相比，网络的速度更快