1.网络基础

1.1 计算机网络背景

1.2 网络发展

1.3 软件分层

1.4 网络和操作系统的关系

1.5 局域网通信的原理

2. 网络协议

2.1 网络协议初识

2.1.1 协议分层

2.2 OSI七层模型

2.3 TCP/IP五层(或四层)模型

3. 网络传输基本流程

3.1 网络传输流程图

3.2 数据包封装和分用

3.3 网络中的地址管理

3.3.1 认识IP地址

3.3.2 认识MAC地址

后记：●由于作者水平有限，文章难免存在谬误之处，敬请读者斧正，俚语成篇，恳望指教！

——By 作者：新晓·故知

本节重点

了解网络发展背景, 对局域网/广域网的概念有基本认识;
了解网络协议的意义, 重点理解TCP/IP五层结构模型;
学习网络传输的基本流程, 理解封装和分用;

网络层级图（此图及以下部分图源自《图解TCP/IP》）

1.网络基础

1.1 计算机网络背景

为什么计算机能够通过网络互联？

从计算机结构角度理解，在冯诺依曼体系结构中，设备与设备之间通过“线”连接进行数据交互。计算机体系结构本质上也可以被看成一个小型网络。

1.2 网络发展

独立模式: 计算机之间相互独立;

网络互联: 多台计算机连接在一起, 完成数据共享;

局域网LAN: 计算机数量更多了, 通过交换机和路由器连接在一起;

广域网WAN: 将远隔千里的计算机都连在一起;

所谓 "局域网" 和 "广域网" 只是一个相对的概念. 比如, 我们有 "天朝特色" 的广域网, 也可以看做一个比较大的局域网.

对于跨主机通信，需要考虑可靠性、效率、如何寻找对方。

1.3 软件分层

为什么要进行软件分层？

（1）在进行软件分层的同时，也是将问题归类（比如报错时，缩小区间，快速确定）

（2）分层的本质是软件层面进行解耦

（3）便于工程师进行软件维护

网络本身的代码就是层状结构！

层状结构下的网络协议，对于同层协议，同层之间认为彼此直接通信，而忽略底层细节。

1.4 网络和操作系统的关系

1.5 局域网通信的原理

1.每台主机都有唯一的标识，称为该主机对应的MAC地址

2.任何一台主机任何时刻都可以随时发送消息。（存在碰撞域机制）

网络根据其实现原理其实也称为IP网络

2. 网络协议

"协议" 是一种约定.

计算机之间的传输媒介是光信号和电信号. 通过 "频率" 和 "强弱" 来表示 0 和 1 这样的信息. 要想传递各种不同的信息, 就需要约定好双方的数据格式.

思考: 只要通信的两台主机, 约定好协议就可以了么?

方言例子

计算机生产厂商有很多;

计算机操作系统, 也有很多;

计算机网络硬件设备, 还是有很多;

如何让这些不同厂商之间生产的计算机能够相互顺畅的通信? 就需要有人站出来, 约定一个共同的标准, 大家都来遵守, 这就是 网络协议;

2.1 网络协议初识

2.1.1 协议分层

打电话例子

在这个例子中, 我们的协议只有两层; 但是实际的网络通信会更加复杂, 需要分更多的层次.

分层最大的好处在于 "封装" . 面向对象例子

2.2 OSI七层模型

OSI（Open System Interconnection，开放系统互连）七层网络模型称为开放式系统互联参考模型，是一个逻辑上的定义和规范;
把网络从逻辑上分为了7层. 每一层都有相关、相对应的物理设备，比如路由器，交换机;
OSI 七层模型是一种框架性的设计方法，其最主要的功能使就是帮助不同类型的主机实现数据传输;
它的最大优点是将服务、接口和协议这三个概念明确地区分开来，概念清楚，理论也比较完整. 通过七个层次化的结构模型使不同的系统不同的网络之间实现可靠的通讯;
但是, 它既复杂又不实用; 所以我们按照TCP/IP四层模型来讲解

2.3 TCP/IP五层(或四层)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.

TCP/IP通讯协议采用了5层的层级结构，每一层都呼叫它的下一层所提供的网络来完成自己的需求.

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wififi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.
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.
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)工作在网路层.
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.
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

物理层我们考虑的比较少. 因此很多时候也可以称为 TCP/IP四层模型.

一般而言

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;
对于一台路由器, 它实现了从网络层到物理层;
对于一台交换机, 它实现了从数据链路层到物理层;

对于集线器, 它只实现了物理层;

但是并不绝对. 很多交换机也实现了网络层的转发; 很多路由器也实现了部分传输层的内容(比如端口转发);

参考资料

3. 网络传输基本流程

3.1 网络传输流程图

同一个网段内的两台主机进行文件传输.

跨网段的主机的文件传输. 数据从一台计算机到另一台计算机传输过程中要经过一个或多个路由器.

1.体系结构和直接决定，数据包在主机内进行流动的时候一定是自顶向下或者是自底向上进行流动的。
2.同层协议都认为自己和对方直接通信！
3.如何看待协议？
a.体现在代码逻辑上（为了维护协议，需要在被传输的数据上新增其他数据(协议数据)）
b.体现在数据上
将每一层要交付给下一层的数据，添加上本层的“协议数据”，拼接在原始数据的开头，称为"报头"
TCP/IP协议和操作系统之间的关系：OS内部有一个模块，叫做TCP/IP协议，网络协议隶属于OS！

MAC地址：用在局域网中，标识主机的唯一性！（源MAC地址、目标MAC地址）

IP地址：用在广域网（公网）中，标识主机的唯一性！（源IP地址、目标IP地址）

在进行路线选择的时候：

（1）从哪里来，到哪里去——与IP地址有关

（2）上一站从哪里来，下一站到哪里去——与MAC地址有关

3.2 数据包封装和分用

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长, 载荷(payload)有多长, 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.

下图为数据封装的过程

下图为数据分用的过程

数据包添加报头的时候，也要考虑未来解包的时候，将自己的有效载荷交付给上层的哪一个协议！这就是有效载荷分用的过程！

网络的构成要素：

3.3 网络中的地址管理

3.3.1 认识IP地址

IP协议有两个版本, IPv4和IPv6. 我们整个的课程, 凡是提到IP协议, 没有特殊说明的, 默认都是指IPv4

IP地址是在IP协议中, 用来标识网络中不同主机的地址;
对于IPv4来说, IP地址是一个4字节, 32位的整数;
我们通常也使用 "点分十进制" 的字符串表示IP地址, 例如 192.168.0.1 ; 用点分割的每一个数字表示一个字节, 范围是 0 - 255;

3.3.2 认识MAC地址

MAC地址用来识别数据链路层中相连的节点;
长度为48位, 及6个字节. 一般用16进制数字加上冒号的形式来表示(例如: 08:00:27:03:fb:19)
在网卡出厂时就确定了, 不能修改. mac地址通常是唯一的(虚拟机中的mac地址不是真实的mac地址, 可能会冲突; 也有些网卡支持用户配置mac地址)

结论：

一般而言，任何报头属性里面，一定要存在一些字段支持，进行封装和解包。
一般而言，任何报头属性里面，一定要存在一些字段支持，进行分用。