【Linux】计算机网络协议详解与通信原理探究

1、协议

1.1.初识协议

首先"协议" 是一种约定。计算机协议就是计算机之间的约定，是为了减少通信成本、沟通成本等。

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。所以，完善的协议，需要更多更细致的规定，并让参与的人都要遵守。

1.2.协议分层

协议本质也是软件，在设计上为了更好的进行模块化，解耦合，也是被设计成为层状结构的。

日常通信的例子：

张三和李四通过电话来进行通信，张三会把语言协议的信息传给电话，电话再通过电话通信协议将信息传给李四的电话，李四通过语言协议理解张三的信息。这就是实现了物理意义的分层：

张三 -> 电话 -> 电话 -> 李四

这样就是良好的解耦，张三李四不需要考虑电话之间是如何进行通信的，只需要向电话中传入信息或者获取信息！电话不需要管张三李四之间是如何通信的，只需要做到信息的传递就可以。

这样我们就理解了层和层之间是松耦合的，可以随时替换或者方便维护。

• 在这个例子中, 我们的"协议"只有两层:语言层、通信设备层。
• 但是实际的网络通信协议，设计的会更加复杂, 需要分更多的层。
• 但是通过上面的简单例子，我们是能理解，分层可以实现解耦合，让软件维护的成本更低

1.3.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.

1.4.TCP/IP五层(或四层)模型

TCP/IP的五层协议其实是将七层协议的会话层、表示层和应用层合成为了一层应用层。

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.

在四层协议中，网络层和传输层是最重要的，统称为TCP/IP协议。既然TCP/IP协议是整个协议的核心，所以我们直接将这4层统一称为TCP/IP协议。

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.

1.5.OS和网络之间的关系

传输层和网络层，都是在OS内部实现的，网络也属于操作系统源代码的一部分。

这里的系统调用就是网络层面的系统调用。

1.6.协议的本质

在多主机情况下继续理解：

世界上所有的OS只要想入网，就必须遵守TCP/IP协议，保证不同主机之间的数据通信！

站在语言角度重新理解协议，协议就是双方都能识别的结构体数据类型。

双方必须使用同样的数据类型，所以，经过网络传输，对方一定认识每个字段的大小、含义！

2.局域网通信

2.1.什么是局域网？

局域网（Local Area Network，LAN）是一种覆盖有限地理范围（如办公室、建筑物或校园）的计算机网络。

我们需要明确两台计算机在一个局域网中，是可以进行直接通信的。就比如在我的世界里的局域网联机，这就允许在同一个局域网中玩家之间可以直接进行通信！

我们使用在教室上课的例子来方便理解：

宋浩老师正在教室里教着高等数学，全班一共有3位同学A,B,C，这时候，宋老师提问：A同学，上黑板解决这道问题。所有同学都听见了这个信息，但只有A站了起来，其他人不会站起来，因为其他人在听到消息后理解了这条信息的接受者是A，而不是他们！

一个封闭的教室就是局域网，宋浩老师和其他同学相当于局域网下的不同主机。

所以在局域网中，不同主机是可以互相通信的。任何时刻，只允许任何一台主机在局域网中发送消息。局域网中，当然是主机越少越好

为了可以在局域网中判断信息是否是发送给自己的，就需要一个唯一的标识信息来进行判断：每台主机都要有一个MAC地址！这是唯一的！所以局域网通信的过程中，主机对收到的报文确认是否是发给自己的，是通过目标mac地址判定的！

2.2.关于报文相关基础知识

报文 = 协议报头 + 有效载荷

我们平时买快递，收到快递的同时，肯定还会收到一张快递单，那么快递单就是我们的协议报头，我们买的快递就是有效载荷

报文和协议的关系：

报文和协议是网络通信中不可或缺的两个要素。报文是传输的信息载体，而协议则是确保这些信息能够正确传输和理解的规则和标准。

2.3.数据包的封装和使用

封装：

报文不断被自顶向下交付的过程，要添加每一层的协议报头，叫做封装。

解包和分用：

解包就是将报头和有效载荷进行分离；分用是将自己的有效载荷交付给上一层的那一个协议

在网络传输的过程中，数据不是直接发送给对方主机的，而是先要自定向下将数据交付给下层协议，最后由底层发送，然后由对方主机的底层来进行接受，在自底向上进行向上交付。

但是在逻辑上，同层协议，都可以认为自己在和对方直接通信。

从今天开始，我们学习任何协议，都要先宏观上建立这样的认识：

1. 要学习的协议，是如何做到解包的？只有明确了解包，封包也就能理解
2. 要学习的协议，是如何做到将自己的有效载荷，交付给上层协议的？

3.跨网络通信

如果要进行跨网络通信，就需要IP地址来进行标识！

3.1.IP地址

IP 协议有两个版本, IPv4 和 IPv6，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。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;

3.2.跨网络通信流程图

3.3.IP 地址和 Mac 地址的区别

• IP 地址在整个路由过程中，一直不变(目前，我们只能这样说明，后面在修正)
• Mac 地址一直在变
• 目的 IP 是一种长远目标，Mac 是下一阶段目标，目的 IP 是路径选择的重要依据，mac 地址是局域网转发的重要依据

我们用唐僧向西天取经的故事方便我们理解。

1. 唐僧每到一个地方都会说，我从东土大唐而来，要去西天面见佛祖。所以东土大唐是源IP地址，而西天是目的IP地址，这是亘古不变的！
2. 但是上一站从哪来，下一站到哪，都是会变的，这就对应我们的源mac地址和目标mac地址！

3.4.跨网络通信总结

1. 网络层(就是IP层)向上（包括网络层）看到的所有的报文的都是一样的，至少是IP报文。
2. IP可以屏蔽底层网络的差异
3. 所以的网络都是IP网络，所以手机，电脑和平板都可以互相通信！
4. 给同一局域网的主机，直接通过MAC地址找到目标
5. 给不同局域网的主机，就推送数据包给路由器进行搜索对应IP地址，然后再次封装数据包进行通信，最后通过MAC地址找到对应主机。