如今使用过计算机的人们都接触过网络，但是网络究竟是什么，计算机又是怎样通过网络来进行互相之间通信的，这还需要我们深入了解。

网络发展

初识协议

什么是协议

为什么需要协议？

网络协议初识

协议分层

为什么网络协议要分层呢？

OSI七层模型

TCP/IP五层(四层)模型

网络传输基本流程

协议报头

局域网

局域网通信过程

跨网络通信

数据包的封装和分用

数据包封装和分用的过程

封装过程

分用过程

网络中的地址管理

网络发展

最开始的时候，每一台计算机相互之间都是独立的，若是想互相通信或者共享数据，需要有人参与，通过一些二进制纸条，或者光盘，磁带之类的物品，将数据录入到上面，然后才能让另一个计算机读取上面的信息。

二进制纸条

但是有人参与的活动导致计算机通信很慢，而且远程通信成本很高，因而出现了网络。

比如这样，通过一个服务器使得多台计算机可以数据共享。

局域网LAN: 或者通过交换机和路由器，使得计算机可以远距离通信。

广域网LAN:可以将远隔千里的计算机都链接在一起：

这里的局域网和广域网实际上都差不多，广域网相当于一个更大的局域网。

初识协议

什么是协议

协议在日常生活中有许多，用一句话概括就是：协议是一种约定；

为什么需要协议？

想象一个场景，当两个人面对面说话时，可以很轻松的进行通信。

但是当两个人距离拉开的时候，就会有各种各样的问题导致难以通信。

若是相隔距离过远，再想通信就只能跑过去重新面对面才能通信，这样成本就太高了。

于是这两个人就可以互相之间约定好用其他方式来进行通信，比如打电话，写信，做暗号。

这样就约定好一个协议了。

而协议，就是为了减少通信的成本而存在的

而计算机之间是通过使用光信号或者电信号来通信的，想要使得计算机之间成功通信，就必须约定好不同的信息应该使用怎样的格式来表达，于是协议就产生了。

但是，两台主机只要约定好协议就可以成功通信了吗？

这不尽然，我们知道，计算机的生厂商有很多，计算机操作系统有很多，而厂商内部的计算机可以只用一个协议就能通信，但是厂商与厂商之间的计算机就不能成功通信了。

于是就需要有一个标准，让大家都遵守，这就是网络协议。

网络协议初识

协议分层

网络协议是分层的，那么什么是分层呢？举一个列子：

像我们打电话，我们和电话对面的人都是默认使用汉语说话，这就是一层语言层。

而电话机则是另一层，通信设备层。

为什么网络协议要分层呢？

网络协议分层的原因：

a. 软件层面的优势——低耦合

b.有些模块功能比较集中，耦合度比较高，这些模块放一层——高内聚

c.每一层都有需要解决的特定问题

而网络协议分层的原因就在其中，首先就是低耦合问题；

每一层都有自己特定的功能，最需要低耦合的就是其中应用层了。

应用层管理着针对不同应用的协议，如果没有分层，那么若是有新的应用协议出世，就要更新整个计算机，而有分层则只用针对应用层进行更新。

而分层的依据就是看哪些模块功能是否集中了，将功能集中的模块放在同一层。

其中每一层都要解决特定的问题。

特定问题

a.如何交付数据给下一台主机

b.如何选择去往下一台主机的路径

c.出现了错误应该如何纠错

d.解决应用方面的能力

OSI七层模型

当我们明白为什么网络需要进行分层后，我们就可以了解网络协议的标准模型了，其中一个就是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；

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;

顾名思义，OSI七层模型将网络协议定为了七层，每一层都有对应的物理硬件，如交换机，路由器。

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；

那么这七层是哪七层呢？

OSI将网络协议分为这七层，每一层都有不同的功能。

不过OSI七层模型虽然十分精细，但是它在实际的工程实践中并不常用。

接下来我们了解另外一个模型——TCP/IP五层（四层）模型

TCP/IP五层(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/电信号的传送

数据链路层：负责设备之间数据帧的传送和识别

网络层：负责地址管理和路由选择

传输层：负责两台主机之间的数据传输

应用层：负责应用程序之间的沟通

对于一台主机而言，它的操作系统内核实现了从传输层到物理层

对于路由器而言，它实现了从网络层到物理层

对于一台交换机而言，它实现了从链路层到物理层

对于一台集线器而言，它只实现了物理层

网络传输基本流程

想要了解网络传输的基本流程，先得明白一个概念——协议报头。

协议报头

每一层都有协议，而每一层协议的最终表现就是报头，每一层协议都是通过协议报头进行表达的。

就好比网购，我们不仅会收到产品，也会收到快递单等一些我们并没有购买的东西。

虽然这些快递单对我们没有用，但是对于快递公司来说，却是十分重要的，若是没有快递单，那么快递公司送快递的工作就会十分麻烦。

而报头则在网络传输中起着快递单的作用，不同的协议报头都需要对应的协议才能识别。

局域网

我们都知道，在局域网中的两台主机可以直接通信，而局域网通信是通过什么来辨别不同主机的呢？

实际上，局域网通信是通过网卡上的MAC地址来辨别不同主机的。

那么局域网内部通信过程是怎样的呢？

局域网通信过程

假设局域网内有多台主机，其中主机A要对主机B发送数据。

当主机A在局域网中发送一条信息后，实际上在局域网内部的所有主机都会收到这条信息。

但是所有主机都会根据MAC地址识别这条信息是发给哪台主机的，又是从哪里发出来的，因而只有B能成功收到这条信息。

但是B只要收到了信息就能够直接读取吗？其实并非如此。

当主机A发送数据时，计算机会从上往下根据每一层的协议给数据添加报头，然后放在以太网上。

然后通过MAC地址找到对应主机后，对应主机再一层层由下往上将报头去掉，最后获得数据。

在上图中，我们可以发现，同层协议所拥有的数据包都是相同的，于是我们可以这样理解：

同层协议在直接通信，也可以理解为向下交付。

讲完过程后，我们还要说一下协议的共性。

协议的共性

a.如何判断报头的位置和有效载荷的位置

b.如何判断自己的有效载荷要交给上层的哪一个协议

在上图中，我用几个图形来有效的表示报头和有效载荷的位置，但是实际上的报头和有效载荷的位置并没有这么明显的区别，都是需要协议自身内部来区分位置。

此外，在计算机内部每一层可能会有好几个协议，如何找到对应的协议也需要协议自身来控制。

跨网络通信

现实生活中肯定不会只有局域网通信，还有跨网络通信，其中局域网又分为以太网，令牌环网和无线LAN。

那么跨网络通信就需要解决不同局域网通信的问题。

其中路由器就是用来解决该问题的——屏蔽底层协议的差异。

实际上跨网络通信和局域网通信类似，只是在最后并不是将数据包传给对应主机，而是传给路由器。

当路由器收到数据包的时候，会根据数据包中的IP地址来选择对应主机，然后根据这个主机的局域网类型来选择对应的协议。

剩下的就由目标主机一层层解包。

数据包的封装和分用

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,称为封装

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.

数据包封装和分用的过程

封装过程

我们可以看到，每一层给数据加完首部后，就会向下到下一层协议；

此外在最后的链路层会给数据包添加首部和尾部，需要注意。

分用过程

当主机接收到进入的帧后，会按上图来一层一层的解包，最终找到正确的协议。

网络中的地址管理

IP地址

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;

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).

那么这两个有什么区别呢?

在网络通信中，IP地址可以认为是一个指导大概方向的。

它告诉主机该数据源自哪里，目标又是哪里。

而MAC地址可以认为是细化了路径。

它告诉主机该数据从哪一台主机来，该去的下一台主机在哪里。

因此我们可以简单的认为，在网络的数据包中，IP地址应该是不变的，而MAC地址则是随时变化的。