网络基础知识

网络发展

独立模式

独立模式：计算机之间相互独立

网络互联

随着时代的发展，计算机之间需要相互通信，共享软件和数据，即，需要多个计算机协调工作来完成业务，此时就有了网络互联

网络互联：将多台计算机连接起来，完成数据共享

数据共享的本质是网络数据传输，即，计算机之间通过网络来传输数据，也就是 网络通信

根据网络互联的规模不同，可划分为** 局域网 和 广域网**

局域网LAN

局域网，即，Local Area Network，简称 LAN

Local 标识了局域网是本地、局部组建的一种私有网络

局域网内的主机之间能够方便的进行网络通信，又称为 内网。局域网和局域网之间在没有连接的情况下，是无法通信的

局域网组件网络的方式有很多种：

（1）基于网络直连

（2）基于集线器组建

（3）基于交换机组建

（4）基于交换机和路由器组建

广域网WAN

广域网，即，Wide Area Network，简称 WAN

通过路由器，将多个局域网连接起来，在物理上组成很大范围的网络，就形成了广域网。其内部的局域网属于其子网

网络通信基础

网络互连的目的是进行网络通信，即网络数据传输，也就是 网络主机的不同进程之间，基于网络传输数据

那么，在组件网络时，如何判断是从哪台主机将数据发送到哪台主机呢？这就需要使用** IP 地址 **来进行标识

IP 地址

IP 地址主要用于标识网络主机，其他网络设备（如路由器）的网络地址，简而言之，IP 地址用于定位主机的网络地址

就像收发快递一样，只有知道对方的收货地址，快递员才能将包裹送到目的地

格式

IP 地址是一个 32 位的二进制数，通常被分割为** 4个 8位二进制数（也就是4个字节）**，如

11111111 11111111 11111111 00000000

通常使用** 点分十进制 的方式来表示，即通过 . **来分割这4个8位二进制数，而每个字节使用十进制来表示，即，a.b.c.d 的格式，如 255.255.255.0

端口号

在网络通信过程中，IP 地址用来标识主机网络地址，而端口号用于标识主机中发送数据、接收数据的进程，简而言之，端口号用于定位主机中的进程

同样的，在收发快递时，不但需要知道收获地址（IP 地址），还需要知道收件人（端口号）

格式

端口号是** 0 ~ 65535 **范围的数字，在网络通信中，进程可以通过绑定一个端口号，来发送和接收网络数据

协议

协议，即 网络协议 的简称，网络协议是网络通信（网络数据传输）经过的所有网络设备都必须共同遵从的一组约定、规则。如 如何建立连接，怎样相互识别等。只有遵守这个约定，计算机之间才能相互通信交流

协议（protocol）最终体现为在网络上传输的数据包格式

为社么需要使用协议呢？

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，就需要约定号双方的数据格式

就如同在和朋友见面之前，需要先彼此协商见面的时间、地点以及要准备的东西，这就是一种提前的约定，也可以称之为协议

计算机的生产厂商有很多，操作系统也有很多，网络硬件设备也很多，如何让不同厂商之间生产的计算机能够互相通信？

就需要约定一个共同的标准，大家都遵守，这就是 网络协议

五元组

在 TCP/IP 协议中，使用 五元组 来标识一个网络通信：

源IP：标识源主机

源端口号：标识源主机中本次通信发送数据的进程

目的IP：标识目的主机

目的端口号：标识目的主机中本次通信接收数据的进程

协议号：标识发送进程和接收进程双方约定的数据格式

同样的，我们还是以收发快递的例子来理解 五元组 在网络通信中的作用：

在** cmd 中，通过输入 netstat -ano **可以查看网络数据传输中的五元组信息：

协议分层

在网络通信的过程中，其中涉及到的细节是非常多的，若使用一个协议来完成网络通信，就需要考虑到每一个细节，约定好方方面面的内容，这就导致这个协议会非常的复杂

而若一个协议太过复杂和庞大，是非常不利于学习和维护的，因此，就需要将这个 "大而全" 的协议，拆分成多个更能更加单一， "小而细" 的协议

但此时，就会拆分出很多协议。为了让这些协议之间相互配合，就引入了** 协议分层，将功能定位相似的协议放到同一层中:**

上层协议调用下层协议的功能

下次协议为上层协议提供服务

相邻的层次之间可以进行沟通，不能跨层次调用（若跨层次调用，则容易混乱）

当我们对网络协议进行分层后，就类似于 面向接口编程：定义好两层之间的接口规范，让双方遵循这个规范来对接，这样，就能够更好的扩展和维护

对于上层（使用方）来说，并不关心提供方是如何实现的，只需要使用接口即可

对于下层（提供方）来说，利用封装的特性，隐藏了实现的细节，只需要开放接口即可

那么，协议分层分成几层呢？

OSI 七层模型

OSI，即 Open System Interconnection，开放系统互连

OSI 七层网络模型是一个逻辑上的定义和规范，将网络从逻辑上分为了 7 层

OSI 七层模型是一种框架性的设计方法，其中最主要的功能是帮助不同类型的主机实现数据传输

OSI 七层模型划分为以下七层：
分层名称功能7应用层针对特定应用的协议6表示层设备固有的数据格式和网络标准数据格式的转换5会话层通信管理。负责建立和断开通信连接（数据流动的逻辑通路）管理传输层以下的分层4传输层管理两个节点之间的数据传输，保证数据被可靠地传输到目标地址3网络层地址管理和路由选择2数据链路层互连设备之间的传送和识别数据帧1物理层以 0 和 1 代表电压的高低、灯光的闪灭，界定连接器和网线的规格
但是，由于 OSI 七层模型太过复杂且不实用，因此，OSI 七层模型并没有实现

在实际组建网络时，只是使用了 OSI 七层模型设计中的部分分层，也就是** TCP/IP 五层模型 **来实现

TCP/IP 五层模型

TCP/IP 是一组协议的代名词，其中还包含许多协议，组成了 TCP/IP 协议簇

TCP/IP 通讯协议采用了 5 层层级结构：
分层名称功能5应用层负责应用程序间的沟通。如：文件传输协议（FTP）、简单电子邮件传输（SMTP）等。4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3网络层负责地址管理和路由选择。如：在 IP 协议中，通过路由表的方式规划出两台主机之间的数据传输线路（路由）2数据链路层负责设备之间的数据帧传送和识别。如：网卡设备的驱动、数据差错校验等1物理层负责 光/电 信号的传递方式。如：光纤、wifi 无线网等。物理层的能力决定了 最大传输速率、传输距离、抗干扰性等。
OSI模型 与 TCP/IP模型：

网络设备所在分层

对于一台 主机，其操作系统内核实现了传输层到物理层的内容，也就是** TCP/IP 五层模型的下四层**

对于一台 路由器，其实现了从网络层到物理层，也就是** TCP/IP 五层模型的下三层**

对于一台 交换机，其实现了从数据链路层到物理层，也就是** TCP/IP 五层模型的下两层**

对于 集线器，其只实现了物理层

在这里，我们所说的是传统意义上的交换机和路由器，也称为 二层交换机（工作在 TCP/IP 五层模型的下两层）、三层路由器（工作在 TCP/IP 五层模型的下三层）

随着网络设备技术的发展，也出现了许多 3 层、4 层交换机，4 层路由器，在本篇文章中，我们所说的网络设备都是指的传统意义上的交互机和路由器

封装和分用

不同的协议层对数据有不同的称谓：

在** 传输层** 叫做** 段（segment）**

在** 网络层** 叫做 数据报（datagram）

在 **数据链路层 **叫做 帧（frame）

封装

我们首先来看封装的过程：

假设张三要使用微信给李四发送消息：hello

应用层（应用程序）：

从消息输入框获取到张三输入的 hello 后，就将这个字符串构造成一个应用层数据包

假设应用层数据包按照以下应用层协议约定格式来构造（也就是字符串拼接的方式）：

接着，应用程序调用操作系统提供的 API，将这个数据包交给传输层

传输层：

将上述数据作为一个整体，再将其构造成 传输层 的 数据段

传输层涉及到的协议主要是 **TCP **和 UDP

在这里，我们假设使用的是 UDP 来进行通信，此时就会构造一个 UDP 数据段

上述添加报头的过程，就是** 封装**，其本质是 字符串拼接，拼接的报头具有一定的结构，能够承载一些关键的用来转发数据的信息

而对于 UDP 报头来说，承载的最重要的信息就是** 源端口 和 目的端口**

拼接好 传输层 数据段后，再将这个数据段交给下层（网络层）继续进行封装

网络层：

在网络层，涉及到的最核心的协议是** IP 协议**

此时，将刚才传输层的 UDP 数据段作为一个整体，再拼接上 IP 报头，构成一个 IP数据报：

IP 报头中也包含了辅助转发的关键信息，其中，最关键的是** 源IP 和 目的IP**

构造完IP数据报后，IP 协议 继续调用数据链路层 API，将数据交给数据链路层的协议进行处理

数据链路层：

数据链路层涉及的核心协议是 以太网协议

将 IP 数据报作为一个整体，添加上一个 帧头 和 帧尾

接下来，就将数据交给 物理层

物理层：

将上述以太网数据帧（二进制结构 01001 这样的数据），转换为 光信号/电信号/电磁波，然后进行发送

经过上述一些列操作，数据才终于发送出去

分用

假设数据已经抵达 李四 的网卡，如何进行处理，其处理过程，就称为 分用

物理层：

物理层接收到 光信号/电信号/电磁波，就将这些物理信号转换成数字信息（二进制的0 1 0 1），得到一个以太网数据帧，进一步将这个数据帧交给数据链路处理

数据链路层：

按照 **以太网数据帧 **的格式，解析，取出其中载荷，再将其交给上层协议

网络层：

按照 **IP 协议 **的格式进行解析，取出其中的载荷，再交给上层协议：

传输层：

按照** UDP 协议 **格式来解析，取出其中的载荷，再交给上层协议：

应用层（应用程序）：

按照程序内部的** 应用层协议格式 **来解析数据，并将信息在窗口弹出

上述 分用 的过程，其实就是 封装 的逆向过程

在数据传输的过程中，需要通过一系列的交换机或路由器来进行数据转发

在经过交互机或路由器时，上述封装和分用的过程，也是相同的

只是，封装分用的程度不一定到应用层

我们以交换机为例：

物理层：

交换机接收到光电信号后，将其转换成 以太网数据帧 二进制数据，交给数据链路层

**数据链路层： **

数据链路层对上述数据进行解析，取出载荷部分，并解析帧头中的关键信息，根据帧头中的信息，决定下一步将数据往哪里发送，并根据这个情况进一步构造出新的以太网数据帧

然后再将这个新的数据交给物理层，并发送出去

若是 路由器，则会 封装分用 到 网络层