如何快速理解网络编程

前言

一、网络编程的概念

二、TCP/IP架构体系的各层作用

三、网络通信中常用的专业术语

四、IP地址的分类和划分

前言

在一个主机中，我们能进行进程间通信，但是随这时代发展，我们不可能只是在单独的一个主机中传输数据，，因此有很多天才就发明了不同主机间的通信方式。下面我们就简单看一下网络的发展历程，简单了解即可

          网络编程的起源与计算机网络的演变密切相关，其发展可以追溯到上世纪60年代和70年代的早期网络研究。

        1. ARPANET（1960年代末）
        ARPANET（Advanced Research Projects Agency Network）是最早的计算机网络之一，由美国国防部高级研究计划局（ARPA）资助和开发。ARPANET的设计初衷是为了在多个计算机之间进行数据交换和资源共享。

        - **包交换技术**：ARPANET采用了包交换技术，而不是传统的电路交换技术，这使得网络通信更加高效和可靠。
        - **网络协议**：为了使不同的计算机能够互通，ARPANET开发了第一个网络协议——NCP（Network Control Protocol）。这一协议是后来的TCP/IP协议的前身。

        2. TCP/IP协议的提出（1970年代）
        在ARPANET的基础上，Vint Cerf和Bob Kahn于1974年提出了TCP/IP协议（传输控制协议/互联网协议），这为现代互联网奠定了基础。

        - **TCP（Transmission Control Protocol）**：负责确保数据传输的可靠性。
        - **IP（Internet Protocol）**：负责数据包的路由和转发。

        3. 互联网的诞生（1980年代）
        1983年，ARPANET正式切换到使用TCP/IP协议，标志着互联网的正式诞生。此时，网络编程开始进入一个新的阶段，网络通信的标准化和普及使得编写网络程序成为可能。

        4. 客户端-服务器模型（1980年代末）
        随着互联网的普及，客户端-服务器模型成为了网络编程的主要架构。这一模型中，客户端发起请求，服务器响应请求并提供服务。

        - **套接字（Socket）编程**：客户端和服务器通过套接字进行通信。套接字编程成为了网络编程的基本方法之一。

        5. 万维网（WWW）的出现（1990年代初）
        1991年，蒂姆·伯纳斯-李（Tim Berners-Lee）提出了万维网（World Wide Web）的概念，并开发了第一个Web浏览器和Web服务器。这一发明极大地推动了网络编程的发展，使得网络应用程序变得更加直观和用户友好。

        - **HTTP（超文本传输协议）**和**HTML（超文本标记语言）**：成为Web应用程序的基础技术，使得信息的传输和展示变得更加方便。

         6. 现代网络编程（2000年代及以后）
        进入21世纪后，网络编程的领域得到了极大的扩展，包括Web开发、移动应用开发、云计算、分布式系统等。

        - **RESTful API**和**GraphQL**：用于创建网络服务和API接口，支持现代Web应用的灵活和高效的数据交换。
        - **WebSocket**：支持全双工通信，广泛应用于实时应用，如聊天应用和在线游戏。
        - **容器化和微服务架构**：使得网络应用的部署和管理更加灵活和高效。

        网络编程的发展不仅仅是技术的演变，更是互联网应用模式和用户需求的变化。今天的网络编程涉及的范围非常广泛，涵盖了从底层网络协议到高层Web应用的各种技术。

上面是网络的发展历程，而本文的重点其实就是如何理解网络编程，

一、网络编程的概念

        网络编程就是进程间通信，只不过多个进程不一定在同一台主机上，由于不在同一个主机上，不在同一个进程就需要注意通信协议

从网络的发展历程我们也可以知道，为了高效的传输数据，在网络传输中引入了分层的理念，并且为了保证数据传输的精准性，还添加了联网协议来保证数据传输不会出现传输错误，避免数据发送目的地错误。

以下是ISO(国际标准化组织)指定的一个国际标准OSI(开放式通信系统互联参考模型)，对通信系统进行标准化，比较偏理想化

        定义了7层模式



分层的好处：

1、各层之间相互独立，每一层不需要知道下一层如何实现，仅仅只需要知道该层通过层次间的接口提供服务

2、稳定，当任何一层发生变化时，只要层间接口关系保持不变，则其他层不受影响

3、易于实现和维护

4、促进标准化工作

5、各层之间相互配合，提高传输效率

但是在实际应用当中，我们通常把网络通信分为四层或者五层，这样更容易实现：

        这样分层之后，不会对数据传输有任何影响，而且会更容易实现，所以一般采用四层或者五层来进行网络通信

假如你已经知道一些网络的知识基础，我们可以这样理解：

在用户空间中，我们在进程中，也就是在某个应用当中，比如我们在微信当中发送一条消息给朋友或者家人，我们是如何将我们手机里的信息传输到对应手机里来实现通信的呢？

首先，我们在打开微信之后，微信这个进程会运行，然后你输入数据，微信就是应用层。第二步，在传输层中会在数据安装上一个标签，也就是协议，这个协议在传输层中特有的，目的是确定这个消息是发送给微信，而不是其他应用。在网络层中，我们又在数据里面安装上一个协议，这个协议是确保这个消息是发送给哪个手机的。在网络接口层中，我们会在数据中安装一个协议，让数据在手机和基站当中传输，这个传输的过程要重复进行多次，因为从你手机最近的基站到你想要传输的目的地很远，要通过一个又一个基站来进行传输，则要进行多次。

那么在传输层我们安装的协议通常有TCP、DUP协议，在网络层我们通常安装的是IP协议，所以在日常工作中，我们经常提到TCP\IP协议

二、TCP/IP架构体系的各层作用

1、网络接口层(网络访问层)

功能：包括ip地址与物理地址的映射(mac地址)，以及将上一层的ip保温封装成帧，转换成二进制比特流传输
mac：主机的物理地址，48bit全球唯一（物理网卡的编号），网络设备的身份标识，由厂商生产确定
改变网络环境，ip地址可能发生改变，mac地址不变
ARP/RARP：地址解析协议/逆向地址解析协议
ARP：通过ip地址获取对应的mac地址
RARP：通过MAC地址获取对应的ip地址
PPP：拨号协议
MTU：最大传输单元：1500bytes
MSS：最大报文长度：1460bytes

2、网络层

功能：负责在主机之间的通信，在通信中选择数据包传输的路径，即选择路由
IP：主机的网络地址
IP协议：

        IP协议根据数据包的目的ip地址来决定如何投递数据包

        如果数据包不能直接投递给目的主机，那么IP协议就为数据包寻找下一个合适的下一跳路由器

ICMP协议：

        因特网控制管理协议，ping检测网络就是使用这个协议

        用于在ip主机、路由器之间传递控制信息

IGMP协议：

        因特网分组管理协议、组播、广播

3、传输层

负责提供应用程序之间通信服务，这种服务又称为端对端
传输层与网络层不同，传输层只关心通信的起始端和目的端，并不在乎数据包的传输中转过程
TCP：传输控制协议

        提供面向连接的，一对一的可靠数据传输协议

UDP：用户数据报协议

        提供无连接的，不可靠的尽力的传输协议，但是效率更高

4、应用层

功能：负责处理应用程序逻辑，通信数据的解析与组织
HTTP/HTTPS协议:

        超文本传输协议，万维网数据通信的基础

http：明文传输，https：加密传输
SMTP：简单邮件传输协议
IMAP：交互式邮件存储协议
DNS：域名解析协议

三、网络通信中常用的专业术语

网关：
定义：网关是网络中的某台设备的IP地址，
举例：
你的电脑的网关是路由器的IP地址。
路由器的网关则是指它连接到的ISP网络的设备地址。
IP地址
IP地址是因特网中主机的标识（IP地址作为主机在网络中的标识），进行通信时每个数据包都必须携带目的IP地址和源IP地址，网络中的路由依靠此信息作为数据包的路由选择
IP地址是，设置连接到路由器后，由路由器来分配
端口号

为了区分一台主机收到的数据包要交给哪个进程处理，为网络应用程序设置一个端口号来区分进程。

程序启动后将端口号与进程绑定在一起

网络通信由IP地址+端口号来确定通信对象

端口号用2字节无符号整数标表示[1,65535]

TCP和UDP的端口号是相互独立的（使用TCP和使用UDP可以使用同一个端口号）

四、IP地址的分类和划分

IP地址分类：

IPV4:采用4个字节，32bit的无符号整数存储IP地址，共有：2^32 = 42.9亿个

IPV6:采用16个字节，128bit的无符号整数存储IP地址。共有2^128(IPV4与IPV6不兼容)

IP地址的划分：

定义：由于IP地址基数比较大，所以为了提高寻径效率，则将IP地址划分成二级IP地址
        二级IP地址 = 网络号 + 主机号 == IP地址（IP地址分为两段）
        网络号：确认计算机从属的物理网络地址
        主机号：确定网络号后，用主机号标识该网络号中的所有主机

因此通常我们将IP地址分为5类IP地址，方便寻找IP地址