网络通信基础

    一般认为计算机网络就是利用通信线路和通信设备将地理上分散的、具有独立功能的多个计算机系统按不同的形式连接起来，以功能完善的网络软件及通信协议实现资源共享和信息传递的系统。

• 通讯设备（具有自治功能的）
• 介质互联（双绞线、光纤…）
• 资源共享（目的）

1. IP地址

    网络通信的目的是资源共享，数据之间基于介质传输数据，那么这些传输数据的节点之间是如何判断信息的来源，和目的呢？

• 用于标识网络设备的网络地址
• 用4个字节32位二进制表示（一般写作点分十进制如127.0.0.1）
• 环回IP 127.0.0.1

    本机环回主要用于本机到本机的网络通信（系统内部为了性能，不会走网络的方式传输），对于开发网络通信的程序（即网络编程）而言，常见的开发方式都是本机到本机的网络通信。是使用一个特殊的ip地址127.0.0.1来实现的

2. 端口号

    端口号可以标识主机中发送数据、接收数据的进程。例如mysql服务器默认绑定3306端口。

• 标识一个具体的应用程序(进程)
• 使用2个字节16位表示（0 ~ 65535）
• 0 号端口不使用，1 ~ 1023为知名端口号，不应占用

3. 协议

 网络协议为计算机网络中进行数据交换而建立的规则、标准或约定的集合。

3.1 三要素

1. 语义。语义是解释控制信息每个部分的意义。它规定了需要发出何种控制信息，以及完成的动作与做出什么样的响应。
2. 语法。语法是用户数据与控制信息的结构与格式，以及数据出现的顺序。
3. 时序。时序是对事件发生顺序的详细说明。（也可称为“同步”）。
   人们形象地把这三个要素描述为：语义表示要做什么，语法表示要怎么做，时序表示做的顺序。

3.2 作用

    由于网络环境的复杂性，在进行网络通信时的状况比较复杂，所以在传输时就需要提前确定好如何传输，数据如何组织，如何发送数据，网络线路如何选择…
    在协议中提前约定好这些，就可以让网络通信比较顺利的进行。

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

5. 协议分层

    网络通信是一个比较复杂的工作，如果靠一个协议来解决所有的问题，会导致这个协议非常庞大、复杂。
    网络分层就可以让网络的体系结构更加清晰的呈现。上层协议调用下层协议，下层协议给上层协议提高支持。每个层次之间不需要明确层次结构，每个层次对外隐藏实现细节，对每个层次之间的协议也可以根据需要灵活调整。这样就降低了耦合。
    由于理论和实践之间的差异，理论上网络有七层OSI七层模型 - 参考模型，而各大产商支持的普遍是TCP/IP五层协议。

5.1 OSI七层模型

5.2 TCP/IP 五层模型

    在具体实践中，将OSI中的应用层、表示层、会话层合并为TCP/IP中的应用层。

5.2.1 应用层

    通信双方通信数据的规范

5.2.2 传输层

    只关注通信的起点和终点

5.2.3 网络层

    网络传输路线如何规划

5.2.3 数据链路层

    描相邻节点之间的如何

5.2.5 物理层

    描述了网络基础设施的规范和标准

6. 封装和分用

我们通过一个例子来看网络中的封装和分用。比如我给对方发送一句”hello“，这句“hello”，对方是如何收到的。

6.1 发送方 - 封装

（我 微信号：111111）：
1. 应用层：微信客户端按照应用层的协议将”hello“封装成应用层的数据报，然后交给传输层。假设微信的应用层的协议这样组织(发送方微信号，接收方微信号，时间，正文)：

应用层就可以根据协议构造上述的应用层数据报，构造好后调用传输层API将这个数据报交给传输层。

2. 传输层：传输层有很多协议，其中最主要的是TCP和UDP协议此处假设传输层协议为UDP，传输层收到应用层的数据报后，根据UDP协议构造UDP数据报。
   

UDP不会关心应用层的数据是什么，将其当做本层载荷进行封装。传输层封装完成后，进一步将UDP数据报交给网络层。

3. 网络层：网络层最主要的协议是IP协议，此处网络层拿到UDP数据报后会将其封装成IP数据报：
   同样的，IP层也不会关心UDP的内容，只会将其当做本层的载荷，进行封装。

4. 数据链路层：使用以太网对上层协议（IP数据报）进行封装，加上以太网帧头和帧尾。
   

5. 物理层：物理层根据物理层协议规范（网卡）将以太网数据报转换成01序列进一步转换成光/电信号进行发送

6.2 中间转发

    中间情况：中间可能会经过路由器交换机的转发，先拆包，在封装，具体拆到那一层取决于是交换机还是路由器。

• 交换机将电信号转换成二进制数据送往交换机的数据链路层，因为交换机属于数据链路层的设备，所以它将可以查看数据帧头部的内容，但不会进行封装和解封装的过程。
• 当路由器收到数据后会拆掉数据链路层的 MAC 头部信息，将数据送达网络层，这样 IP 头部信息就“暴露”在最外面了。 路由器将检测数据包头部的目标 IP 地址信息，并根据该信息进行路由过程，智能地将数据报文转发到下一跳路由器上（重复过程）

6.3 接收方 - 分用

（对方 微信号：222222）：

1. 物理层：物理层（硬件设备网卡），收到光电信号，需要将信号转换成01序列，得到以太网数据报，进一步将以太网数据报交给数据链路层。
   
2. 数据链路层：数据链路层得到以太网数据报后就会根据以太网协议进行解析，拿到以太网数据报的载荷，再将以太网数据报的载荷交给网络层IP协议处理。
   
3. 网络层：网络层得到IP数据报，根据IP协议进行解析，去掉IP报头得到IP载荷，交给传输层处理：
   
4. 传输层：传输层得到UDP数据报后，根据UDP协议进行解析，去掉UDP报头，得到UDP载荷，交给应用层。
   
5. 应用层：应用层拿到后就可以根据应用层的协议进行解析，解析完毕后就可以拿到数据”hello“，进一步就收到了”hello“这条消息了。

    发送方从应用层到物理层逐层封装，接收方从物理层到应用层逐层解析，每个层次之间相互独立，完成自己的功能，相互配合，完成了数据的传输。

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