1、了解

为什么会出现网络？一开始多个计算机之间想要共享文件，就得一点点存起来，然后给另一个计算机读取，久而久之，这样就是个麻烦事，所以出现了网络，将几台机器都处于一个网络环境下，就可以更好地通信了。当这个范围不断扩大，越来越大的区域都可以用网络了，之后网络开始往民间发展，各个地区之间，各个国家之间也就都能通过网络联系了。

几台机器通过网络形成通信，这也就组成了一个局域网，两个局域网通过交换机，路由器等相互连接，就形成了一个广域网，也可以说成一个更大的局域网。网络能连接如此多的个体，必然要有规则来约束其沟通，也就出现了协议。网络间的协议为什么存在？这就像两个人之间形成某种约定一样，本质上是为了更高效地沟通效率。一个协议通常由行业中的顶级组织来决定，提出规则后，并不一定要由提出者来完成整个协议的实现，而是由行业内顶级的团队来做。

如果要发信息到欧洲，传输距离变得很长，只有两台机器之间发送是很难保证成功的，所以会通过很多中间机器来传输信息，这也就保证信息的不丢失，但即使这样，如何保证就一定能不丢失，并且还能准确地发送到对应的主机上呢？这个问题之后会写。出现上述事实的原因就是传输距离变长了，所以问题是有前后上下关系的，所以在设计网络功能时，不同的功能设计成不同的模块，这就是低耦合；有了问题，就有了需求，就需要解决，网络通信还有很多不同性质的问题，要高效地解决它们，需要把相关的问题放在一起，做出解决方案，不相关的不要放在一起，这就是高内聚。通过高内聚，低耦合，可以设计出很多模块，这些模块被设计成层状结构，体现了前后关系。

传输距离的变长，衍生出新的问题，需要制定网络协议来约束信息的传输
协议被设计成层状结构，各种问题按照高内聚，低耦合的方式组织成层状结构，方便维护代码和方案的设计

分层设计，这种设计在学习C++时学到过，就是继承体系，一个基类可以有多个派生类，用基类指针指向不同派生类对象，就可以使用对应派生类对象的方法，在外部看来，只有基类，但内部却有很多派生类，这就是一切皆基类；C语言库中，用FILE结构体来封装了各种文件的系统接口，用户只需要使用FILE就可以调用系统接口，通过这个结构体来屏蔽了各种接口之间的差异，这也是种分层思想；每个进程都有虚拟地址空间，它们以同样的视角来看待自己要使用的空间，地址空间里屏蔽了硬盘，内存等硬件，而是通过页表，地址空间来访问它们，这也是分层结构，硬件在下面，地址空间在上面，进程在更上面；所以分层可以屏蔽软件，也可以屏蔽硬件，任何计算机问题都可以添加软件层来解决。

协议分层有什么好处？层与层之间通过接口进行交互，比如打电话，人和人之间属于一层，通信设备属于一层，还有电话的协议，语言等层，拨电话就像是给电话传参，通信时就是使用设备来输入输出。上层不关心下层的实现，任何一层出现问题，都不会直接影响另一层，减少后期开发者的维护成本，各层解决各层的功能，就是高内聚，不同层只通过接口交互，没有其它操作，就是低耦合。

分层有好处，但也可以不分层。分层是一种选择。

2、网络协议栈

OSI定义了网络协议层，这是一个七层结构。从低到高，物理层，数据链路层，网络层，传输层，会话层，表示层，应用层。这个协议层是很完美的一个设计，不过实际应用中，因为很多细节不能在OSI的这个模型中实现出来，它的很多模块功能不能由网络协议层来实现，它的协议层不是全由操作系统来实现，会话、表示、应用没有实现，这三层会被压缩成应用层，因为会话表示应用要自己实现出来，而在我们使用中，不考虑物理层，所以总体就是四层。我们实际使用的就是TCP/IP五层模型，包括应用层，传输层，网络层，链路层，物理层。

OSI定制了标准，但不是OSI实现出来的。

像TCP/IP五层模型，OSI七层模型就是协议栈。

对于计算机来说，它也有分层，最下面是硬件层，往上走，驱动层，系统层，系统层里的最上方有系统调用层，应用层/用户层。使用计算机的时候就是在通过操作系统给的系统调用来操作硬件，网络也是一样，它也有系统给到它的系统调用，用户通过系统调用来操作网络。

网络的分层和计算机分层相对应，物理层对物理层，比如有网卡硬件，链路层对驱动层，网络层和传输层对系统层，应用层对用户层。传输层和网络层属于操作系统，网络的应用层对应计算机的用户层，由用户来实现，用户也包括开发人员，程序员这些，传输层最具有代表性的是TCP协议，网络层最具有代表性的是IP协议。系统层里的系统调用层有网络的系统调用，还有很多其他东西的系统调用。网络本质就是系统的一部分，网络的核心部分属于操作系统，所以网络协议栈会被叫做TCP/IP协议栈，取核心来起名的。对于系统来说，一切皆文件，网卡也是文件，而协议栈就属于文件系统的一部分，系统也会用管理文件的方式来管理他们，所以很多网络接口，和文件也有关系。操作系统的种类非常多，但网络只有一种，不管系统如何，网络协议栈的实现都一样。

3、TCP/IP模型

TCP/IP是一组协议的代名词，它还包括许多协议，组成了TCP/IP协议簇。

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数据链路层是负责传送数据帧和检查的，物理层发出来的信息，要通过数据链路层来识别出来，才可以被使用。链路层有很多局域网通信标准，比如以太网，无线LAN，但网络不是只有一种吗？链路层的标准不只有一个，链路层的实现是在网卡驱动内部实现的，所以链路层会有不同的标准，而网络只有一种指的是操作系统层的，那里只有TCP/IP，但链路层可以有不同，由驱动程序内部实现，但这些标准也遵守TCP/IP协议。

网络层就有IP地址，win + R，输入cmd，然后输入ipconfig就可以查看到自己电脑的IP地址，无线局域网中IPv4地址。而Linux中，输入命令ifconfig，在第二行inet后面的地址是云服务器的内网地址/私有IP。网络层可以指定某一个主机。路由器工作在网络层。

网络层让主机之间有能力传送过去数据，但不一定做得到，而传输层就是保证传输成功的。

应用层解决数据如何使用的问题，也就诞生了很多软件。

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工作在哪一层，就一定拥有下面的所有层，通常不会使用在上面的层，比如路由器不会使用传输层，不过现在的硬件来讲，很多都集成了上层的东西，比如有的路由器也有应用层的方法。

4、网络传输

1、同一局域网（子网）

同一局域网的两台机器，可以直接通信。两个主机通信的本质，是两个主机的OS与网络协议栈在通信。

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每一层都有自己的协议，协议的表现形式是协议报头，也就是每一层都有自己的协议报头，这个报头相当于一个说明书。聊天发送信息，信息在应用层，信息前加上应用层的报头，传给传输层，应用层报头+信息整体，再加上传输层报头，传给网络层，直到最后的物理层，信息前面就有四个报头。根据冯诺依曼体系，用户发送的信息会先给硬件，然后由硬件，再交给收信息的人的链路层，网络层，一层层向上传，每一层都识别自己的报头。每一层都把上一层交付给自己的数据当作自己的有效载荷，当前层给有效载荷添加报头就是在做封装。而且可以发现，发送者和接收者的每一层得到的数据都是一样的，所以在逻辑上，同层协议都认为自己在和对方的同层协议在通信。并且同层协议都能够互相认识对方的报头，就能够将报头和有效载荷分离，将有效载荷交付给上层的哪一个具体协议。==每一层的协议都得能分离报头和有效载荷以及交付给上层有效载荷。==有效载荷交付给上层的功能叫做数据报分用；用户发的信息，通过每一层加报头传给硬件，这是封装；硬件逐一给到上面的层，每一层都会解包，以及数据分用，就会成功发出信息。这也就是数据如何在两台主机之间流通。

2、局域网通信原理

数据在主机中的运作已经了解了，那么在局域网中，还没到主机前数据是如何被运作的？

发送的信息每一个主机都会接收，然后封装交给自己的网卡，网卡会去解包，如果发现不是和自己有关的数据，就会丢弃，是自己的就继续传给上一层。不过网卡可以设置成混杂模式，这个模式什么数据都接收，都向上传，这也就是抓包工作的做法。

任何时刻，局域网中只允许一个人向局域网中发送消息，如果有很多人发，就有可能导致数据碰撞问题，比如很多人都去一个网站抢考试位置，这个网站就有可能崩掉。但局域网是怎么让很多人发信息的？不是只让一个人吗？这个问题后续再写。

任何人要通信，需要有唯一的一个标识符，比如自己的名字。机器也是一样，每台计算机都有网卡，网卡在出厂时就在网卡内部写入了网卡的sn号，也就是MAC地址，这个号是全球唯一的标识符。

3、跨一个路由器的两个子网

首先认识路由器。路由器有3层功能，第一层是网络层，第二层是链路层，第三层是物理层。路由器也是一台主机（节点），路由器至少连接两个子网，至少有两个网络接口。

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以太网和令牌环是局域网通信的两个标准，对应着不同的链路层实现方案，链路层处于驱动程序中，也就是两者的驱动就不一样。路由器有两个子网，一个连接以太网，一个连接令牌环。

用户发送信息后，添加报头，一直传到最下面一层，但以太网，令牌环都不是只有路由器这一个主机，它们可能还有其它主机，那么为什么就可以指定给到路由器？每一个主机都会被标识，通过主机的IP地址来标识，也就是IPv4地址，这是一个4字节的整数，我们电脑上的IP地址是从0.0.0.0到255.255.255.255的，每个位置能表示0~255（2^8），总共8个比特位，总共32个比特位，4个字节。这种字符串风格的点分十进制方案的地址是给人看的，但机器不认它，机器要把它转成4字节，每一个字节8个比特位，就能取出这个字符串IP地址。网络协议栈的核心TCP/IP协议是在网络层和传输层，这两个层在操作系统中，所以TCP/IP是内核中的，内核是C语言实现的，TCP/IP也是C语言实现的。这个转换是用位段来实现的。

struct ip
{
    int patr1: 8;
    int part2: 8;
    int part3: 8;
    int part4: 8;
}

int srcIp = xxx;
struct ip *p = (struct ip*)&srcIp;
p->part1;//这样就能找到每一部分的数字
p->part2;
...

IP地址能够唯一标识公网环境下的主机。网络层有一个路由表，也就是IP协议所在的那一层。用户在发消息时，也会被加上要发给谁的信息，传到了网络层时，会根据接收者IP地址和路由表来判断发给谁。发送者只知道自己在哪个网络中以及接收者的IP地址，路由表也不知道发给谁，但它知道数据不是发给自己所在网络的其他主机的，比如它知道不是发给以太网中其他主机的。数据到了网络层，网络层会添加一个目的报头，是接收者的IP地址，然后给到路由器，路由器通过路由表知道了要发给谁，路由器再把这些信息给自己的链路层，链路层会添加一个目的报头，是接收者的MAC地址，到了这里这个数据就有了目的地的IP和MAC地址。

目的IP地址是为报文定制的最终目标，根据该地址来进行路径选择，目的MAC地址会变化，根据路径选择的结果，来选择下一个主机。不只有两个子网，可能要跨多个子网才能找到接收信息的一方。

当在以太网的某个主机发的信息，来到路由器，又往下传，来到以太网，以太网的所有主机都收到了这个信息，但只有路由器发现这是属于它的信息，所以其他主机抛弃掉，让路由器来处理。报头中发送者的主机的网卡的MAC地址，把这个分离后，来到网络层，路由器查看信息的目的IP地址，查看路由表，知道要选择哪条路径，比如如果就是发给令牌环网某个主机的，那么路由器就会往下传给自己的链路层，加上接收者主机的令牌环网的MAC地址，向下传给令牌环网，令牌环网的所有主机都收到后，发现这个MAC地址不是自己就弃掉，只有一个主机接收了这个地址，交给链路层，去掉MAC地址报头，交给网络层，网络层查看目的IP地址发现是自己的信息，然后就分离IP地址，逐渐上传，最终给到接收者。这个过程中，同层的都认为是和对方同层的在交流，只是链路层的信息不一样。

IP协议往上，也就是网络层往上，是没有信息变化的，发什么收什么，差别发生在链路层。IP地址屏蔽了底层子网机制的差异，这是路由器+IP地址共同作用的结果。正是因为如此，IP地址是全球网络的底层基础。所以任何一个软硬件问题，都可以通过添加一层软件层来解决，比如网络里，这个软件层就是IP地址所在的网络层。