计算机网络通信基础概念

1、网络通信的本质

2、网络的发展

3、网络协议（TCP\IP协议）

3.1 协议实现通信的原理

3.2 协议的具体概念

3.3 协议的模型

4、数据链路层

5、网络协议栈和操作系统的关系

6、网络协议通信过程

6.1 通信过程的封装与解包

7、以太网通信

7.1 数据碰撞

结语

前言：

计算机网络通信是当代最重要的技术之一，它使得纵使相隔千里的两台计算机也能进行彼此通信，通信的本质是数据传递，网络通信即数据以网络为媒介传递给各个计算机。网络通信可以让全球计算机进行交流，全球计算机的硬件种类之多且操作系统各有所类，能够让这些彼此之间存在差异的计算机相互通信，最根本的原因就是让他们都遵守一个规则-网络协议。

1、网络通信的本质

网络通信虽说是计算机与计算机之间的“交流”，但是计算机要想理解通信的内容，就必须通过程序来实现，因为只有程序才可以对传递的数据做进一步分析（因为通信的数据实际上就是一堆二进制），简单来说，即发送方和接收方都要对通信数据（二进制）做同样的规划，即发送方和接收方都要用程序实现对通信数据的把控，因此在源头上可以将网络通信理解为进程间通信，只不过双方进程不在同一个机器上，而在不同的主机上。

2、网络的发展

①最初的计算机与计算机之间是相互独立的，就好比原始社会中各个大陆是不知道彼此的存在的，示意图如下：

②当出现网络后，原本独立的计算机就可以通过网络实现相互通信，就好比在原始社会中人们发明了船只等交通工具，让相邻的岛屿知道了彼此的存在，但是所能通信的范围很小，示意图如下：

③对上述通信条件进行范围扩大，即局域网（LAN）通信，局域网使得内部计算机可以相互通信，并且可以通过路由器与外部的计算机进行通信，就好比在一群岛屿中设置了一个飞机场，让相邻岛屿的人可以通过飞机去到外面的世界，示意图如下：

交换机是一种设备，他的作用是让局域网内部通信效率更高。

④在上述局域网通信的基础上，再次将范围扩大至广域网通信（WAN），他可以将远隔千里的计算机都连在一起进行相互通信，就好比世界各地都有飞机场，可以通过飞机飞往世界各地，示意图如下：

3、网络协议（TCP\IP协议）

计算机网络通信的传输媒介是依靠光信号，电信号，电磁波信号。通过 "频率" 和 "强弱" 来表示表示二进制的0或1。上文提到，计算机与计算机之间是存在差异的，要让个体上存在差异的计算机进行彼此通信，则需要让他们共同遵循同一个协议，该协议就是网络通信协议，又称网络协议，从抽象层面上来看，协议就是一种规定好的数据格式。

3.1 协议实现通信的原理

1、网络通信是可以被该局域网中所有计算机看到的，比如主机A给主机B通过网络发送消息，那么其他主机也可以看到这个消息，这样一来彼此之间就不存在安全性和隐私性了，而协议可以保证只让接收方看到该消息，保证了安全性和隐私性。并且协议还提供加密。

2、协议可以保证发送方发送的数据可以被接收方精准的拿到。

3、当传输的数据在途中发生丢失或传输失败时，协议可以对此次数据进行重发，确保数据的完整性。

4、协议规定了数据在通信过程中如何被解释，比如数据在传递时如何进行编码、格式化，发送方该采用什么规则发送数据，接收方该采用什么规则接收数据，保证了数据的有效性。

3.2 协议的具体概念

协议是数据传输的额外附带品，比如发送和接收快递的时候，快递单子就是发送方和接收方共同遵守的协议，快递员依据快递单上的信息，就可以得知该物品的下一站是何处，当接收方拿到快递时，也会核实快递单上的信息，确认是否是自己的快递，待信息都核实完毕且正确后，才会拆开快递拿到里面的物品件（对应网络协议的数据内容），因此协议的目的只是为了让双方更好的拿到这个数据。

3.3 协议的模型

网络协议模型分为两种模型：1、OSI七层模型，2、TCP/IP五层模型。

OSI模型示意图如下：

OSI模型把网络通信在逻辑上分为了7层.，每一层都有对应的功能。不管是何种设备或者计算机，在进行网络通信时必须要经过上面7层逻辑才能保证正常通信。该模型的优点是将各个功能明确地区分开来，概念清楚，当某一层出问题时，我们只需要对该层进行排查即可，无需涉及其他层，方便维护。

但是此模型过于复杂，而TCP/IP五层模型较简易且更加贴近通信逻辑，因此网络通信协议中常常用TCP/IP五层模型来举例子。

TCP/IP五层模型示意图如下：

TCP/IP将网络通信分成了五层结构，每层结构的功能如下：

1、物理层: 用于以太网通信的网线、光纤等物理设备的工作在该层。

2、数据链路层: 负责物理层设备之间的通信，比如WiFi，交换机的工作就在该层。

3、网络层: 通过ip地址定位源主机和目标主机，完成主机之间的通信（数据报传递），路由器工作在网路层。

4、传输层: 分为TCP协议和UDP协议，负责将网络层的协议进行进一步分解，然后将分解出来的数据传递给下一层，能够精准的发送给具体进程。

5、应用层: 通过代码的实现对将要通信的数据做处理，程序员的工作就是在应用层编写代码实现网络通信。

站在操作系统层面（除了应用层其他层面都是站在操作系统上的），整个网络协议栈最重要的是网络层和传输层，所以把整个网络协议叫做TCP\IP协议。

4、数据链路层

数据链路层只能让相邻的两个设备进行直接通信，而面对不相邻的设备，数据链路层采用“跳一跳”的方式进行通信，方法就是将路由器当作“跳板”，不断的跳转最后找到目标主机，示意图如下：

具体“跳跃”细节：在局域网内，每一台设备都有自己的唯一的标识符，该标识符就是mac地址，因为局域网通信就是根据mac地址的唯一性来定位主机的。主机A给主机B发消息，由于主机B不在主机A的局域网中，所以主机A会拿到路由器A的mac地址，然后跳到路由器A，如此逻辑，直至拿到主机B的mac地址，最后跳到主机B完成通信。

5、网络协议栈和操作系统的关系

网络协议栈实际上是操作系统里的一部分，他属于操作系统。示意图如下：

传输层和网络层实际上是操作系统内核的模块，他们属于操作系统的一部分。网络协议结构和操作系统的种类没有直接关系，即操作系统可以各不相同，但是网络协议栈必须全部人都要按照这个结构来遵守，这也是为什么不同的操作系统之间可以进行网络通信。

6、网络协议通信过程

从网络协议栈观看通信过程，示意图如下：

当主机A和主机B进行网络通信时，数据从主机A的应用层开始往下走，然后通过以太网协议（该协议用于实现链路层的数据传输）找到主机B，并从主机B的链路层一步一步往上走，最终达到主机B的应用层完成一次通信。

6.1 通信过程的封装与解包

从上图中可以得知数据的传输路径是从上到下，然后再从下到上，实际上数据传输到每一层时，该层都会对数据做相关处理，具体示意图如下：

一般把传输层的报文叫做数据段，网络层的报文叫做数据报，链路层的报文叫做数据帧。每一层会给上层传递下来的报文添加报头，报文=报头+有效载荷，把这种操作叫做封装。添加报头的目的是为了接收方拿到整个报文时，也可以从下往上的分析报头然后拿到有效载荷继续向上传递，最终接收方拿到信息-“你好”。

紧接着报文通过以太网协议传输给接收方，接收方对报文的解包过程如下：

接收方接收到报文后会依次向上交付，最后把信息内容呈现给用户，将封装与解包放在一起来看，发现是一个对称的过程，因此从逻辑上来观察，同层的协议在与对方的同层协议进行直接通信。最后总结得出：网络通信的过程就是不断的封装与解包。

7、以太网通信

在局域网中，每台主机都有自己唯一的标识符：mac地址，接收方之所以可以拿到发送方的数据，就是因为发送方知道接收方的mac地址，但是数据之所以可以精准发送至目标主机，不是根据目标主机的mac地址从而制定一条唯一的“路径”发送给目标主机，而是将数据发送给当前局域网内的每一个主机，只是其他主机会对比mac地址看看是不是发送给自己的，如果不是则会在链路层就丢弃这些数据，不会让数据继续向上传递。

以太网通信原理就好比上课点名：