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前言

• 了解网络发展背景，对局域网/广域网的概念有基本的认识。
• 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。

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正文开始！

一、计算机网络的背景

重新看待计算机结构

理解计算机通过网络互联的可能性！

多主机连接，本质上其实也是通过"线"连接起来的。

主机内，"线"比较短,就可能出现信号干扰的问题。
跨主机，"线"比较长,就可能会导致可靠性，效率和如何寻找到对方的问题。

网络的本质就是"线"变长了。

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，实现数据的共享。

局域网：计算机数量更多了，通过交换机。

广域网WAN：将远隔千里的计算机连接起来。

所谓"局域网"和"广域网"只是一个相对的概念。

认识"协议"

"协议"就是一个约定。

计算机之间的传输媒介是光信号还是电信号。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。

那么只要通信的两台主机，约定好协议就可以了吗？---->当然不是！！！

• 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。
• 如何让这些不同的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。

二、网络协议初始

软件分层

之前我们写C语言代码的时候，我们需要实现一个功能，通常把这些代码都会写在main函数中，但是随着我们的学习，我们可以把要实现的功能封装成为一个函数，方便我们调试和解决问题。

所以软件是可以分层的！

为什么要分层呢？

1. 软件在分层的同事，也把问题归类了。
2. 分层的本质，软件上进行解耦
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！

协议分层

举个栗子：
层状结构下的网络协议，我们认为，同层协议都可以认为自己在和对方直接通信，忽略底层的协议。
所以同层之间，一定都要有自己的协议！

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。
分层的最大好处在于"封装"。

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七层，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，其最主要的功能就是帮助不同类型的主机实现数据传输；
• 他的最大优点是将服务，接口和协议这三个概念明确的区分开来，概念清楚，理论也比较完成，通过七个层次话的结构模型是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。

TCP/IP五层(四层)模型

TCP/IP是一组协议的代名词。他还包括许多协议，组成了TCP/IP协议簇。
TCP/IP通讯协议采用了五层的层级结构，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络(双绞线),早期以太网采用的同轴电缆(现在主要用于有线电视)、光纤，现在的wifi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输和识别。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)，数据差错效验等工作。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地址来表示一台主机，并通过路由表的方式规划出两台主机之间的数据传输。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(FYP)，网络远程访问协议(Telnet)等。网络编程主要针对的就是应用层。

物理层考虑的比较少，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网络层的内容。
• 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(比如端口转发等)。

三、网络传输的基本流程

网络和操作系统之间的关系

所以就要求每一层都要有自己的协议！

那么以计算机的视角，如何看待协议呢？

体现在代码逻辑和数据上面！

类似于买快递的样子，你只是买了个物品，但是快递员送给你的是一个包裹！多给了我一些东西—>快递单！—>快递单上面的数据可以理解位快递公司和快递点，快递小哥之间的协议！—》为维护协议，一定要在被传输的数据上，新增其他数据(协议数据)。

如果两台主机，处于同一个局域网，这两台主机，能够直接通信吗？—>可以的

局域网通信的原理

以太网：一种局域网的标准。

一般每一台都要有唯一的标识，该主机对应的MAC地址！

任何一台主机在任何时刻都可以随时发信息---->碰撞域------>无法准确的听到对应的消息----->识别发生了碰撞(碰撞检测)—碰撞避免—再发送数据

站在系统的角度：以太网就是临界资源。

查看MAC地址

ifconfig

MAC地址：用来在局域网中标定主机的唯一性

IP地址：用来在广域网(公网)，标定唯一性！

四、数据包的封装和分用

• 不同的协议层对数据报有不同的称谓，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面是，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，上层协议是什么信息等。
• 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在剥掉想要的首部，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

数据报添加报头的时候，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。

下图为数据分用的过程

结论：

1. 一般而言，任何报头属性里面，一定要存在的一些字段支持我们进行封装和解包。
2. 一般而言，任何报头属性里面，一定要存在的一些字段支持我们进行分用！

五、网络中的地址管理

认识IP地址

IP协议有两个版本，IPV4和IPV6，我给大家讲解默认以IPV4。

• IP地址是在IP地址中，用于表示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；

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，即6个字节，一般用16进制数字加上冒号的形式来表示(例如：08:00:22:03:fb:11)
• 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)。

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总结

(本章完！)