网络通信基础

一台硬件设备有了操作系统、有了软件之后，就可以正常使用了，显然这台设备仅限于自己使用，不能与其他同样的设备进行交流，因此，想要做到设备之间的交流，需要通过一种手段把设备链接起来

这种手段就是 Internet

什么是 Internet?

其实两台计算机之间通信与两个人打电话之间通信的原理是一样的（中国有很多地区，不同的地区有不同的方言，为了全中国人都可以听懂，大家统一讲普通话）

普通话属于中国国内人与人之间通信的标准，那如果是两个国家的人交流呢？很显然是使用英语

如果把计算机看成分布于世界各地的人，那么连接两台计算机之间的internet实际上就是一系列统一的标准，这些标准称之为互联网协议，互联网的本质就是一系列的协议，总称为‘互联网协议’（Internet Protocol Suite).

互联网协议的功能：定义计算机如何接入internet，以及接入internet的计算机通信的标准。

协议：规定数据的组织格式；

互联网协议按照功能不同分为osi七层或tcp/ip五层或tcp/ip四层

每层运行常见物理设备

OSI七层协议数据传输的封包与解包过程

我们将应用层，表示层，会话层并作应用层，从tcp／ip五层协议的角度来阐述每层的由来与功能，首先，用户感知到的只是最上面一层应用层，自上而下每层都依赖于下一层，所以我们从最下一层开始切入，比较好理解

物理层由来：上面提到，孤立的计算机之间要想一起玩，就必须接入internet，言外之意就是计算机之间必须完成组网

物理层功能：主要是基于电器特性发送高低电压(电信号)，高电压对应数字1，低电压对应数字0

很明显，这样将 0 1 信号传输过去是不能分辨出数据的，必须要对数据进行分组

数据链路层由来：单纯的电信号0和1没有任何意义，必须规定电信号多少位一组，每组什么意思

数据链路层的功能：定义了电信号的分组方式

以太网协议

早期的时候各个公司都有自己的分组方式，后来形成了统一的标准，即以太网协议ethernet

ethernet规定

head包含：(固定18个字节)

data包含：(最短46字节，最长1500字节)

head长度＋data长度＝最短64字节，最长1518字节，超过最大限制就分片发送

广播

ethernet采用最原始的方式，广播的方式进行通信，即计算机通信基本靠吼

由于每个Mac 地址对应唯一的一台计算机，因此只要找到目标的 Mac 地址那么就能找到目标计算机

网络层由来：有了ethernet、mac地址、广播的发送方式，世界上的计算机就可以彼此通信了

问题是世界范围的互联网是由一个个彼此隔离的小的局域网组成的，那么如果所有的通信都采用以太网的广播方式，那么一台机器发送的包全世界都会收到，这就不仅仅是效率低的问题了，这会是一种灾难

每一个小的局域网都应该有一个网关，网关相当于出入口，每一网关都应该有两个地址：

1、处于局域网的地址；

2、对外的地址，用于联通公网的；

网络层所需要达成的目的：

1、引入一套新的地址用来区分不同的广播域／子网，这套地址即网络地址

2、每一个广播域但凡要连接外部，一定要有一个网关帮内部的计算机转发包到公网

3、网关与外界通信，走的是路由协议

综上，一台计算机的 Mac地址是独一无二的，但是，Mac 地址仅限于在一个子网中传播信息，为了将子网中的数据精准的传输给另一个子网中的目设备，即子网与子网之间需要一个协议来标识各个子网的地址。

基于网络层的协议就是 IP 协议

网络层 IP 协议 的一些规定：

ip数据包

ip数据包也分为head和data部分，无须为ip包定义单独的栏位，直接放入以太网包的data部分ß

head：长度为20到60字节

data：最长为65,515字节。

而以太网数据包的”数据”部分，最长只有1500字节。因此，如果IP数据包超过了1500字节，它就需要分割成几个以太网数据包，分开发送了。

有了一个 IP 地址和 Mac 地址之后，我们就能标识全世界独一无二的计算机

IP 地址分成两个部分：

注意：单纯的ip地址段只是标识了ip地址的种类，从网络部分或主机部分都无法辨识一个ip所处的子网

例：172.16.10.1与172.16.10.2并不能确定二者处于同一子网

所谓”子网掩码”，就是表示子网络特征的一个参数。

它在形式上等同于IP地址，也是一个32位二进制数字，它的网络部分全部为1，主机部分全部为0。

比如，IP地址172.16.10.1，如果已知网络部分是前24位，主机部分是后8位，那么子网络掩码就是11111111.11111111.11111111.00000000，写成十进制就是255.255.255.0

知道”子网掩码”，我们就能判断，任意两个IP地址是否处在同一个子网络。方法是将两个IP地址与子网掩码分别进行AND运算（两个数位都为1，运算结果为1，否则为0），然后比较结果是否相同，如果是的话，就表明它们在同一个子网络中，否则就不是。

ARP 协议负责把 IP 解析成 Mac 地址 (因此基于 ARP 协议只需要拿到 IP 地址就能确定 一台计算机 )

arp协议由来：

arp协议由来：计算机通信基本靠吼，即广播的方式，所有上层的包到最后都要封装上以太网头，然后通过以太网协议发送，在谈及以太网协议时候，我门了解到

通信是基于mac的广播方式实现，计算机在发包时，获取自身的mac是容易的，如何获取目标主机的mac，就需要通过arp协议

ARP协议工作方式：每台主机ip都是已知的

一：首先通过ip地址和子网掩码区分出自己所处的子网

二：分析是否处于同一网络

如果一样，证明证明二者在同一个局域网中，只需要走交换机即可

在局域网中，此时只需要Mac 地址即可，然而此时只有 目标主机的IP 地址

此时就需要 ARP 协议把目标主机的IP 地址转换成 Mac 地址，过程为以下几步：

首先，发送一个 ARP 协议包，数据格式如下：

其次，交换机会先解析这个包，解析出目标 Mac 地址为：FF:FF:FF:FF:FF:FF

最后，再将包封装，将这个 ARP 协议包发给局域网中的所有设备

目标 Mac 地址为：FF:FF:FF:FF:FF:FF；作用为–>接受到包的设备返回给源设备 Mac 地址

三：这个包会以广播的方式在发送端所处的自网内传输，所有主机接收后拆开包，发现目标ip为自己的，就响应，返回自己的mac，此时原设备的 Mac 地址与目标 Mac 地址都已经确定了。

如果不是同一网络,那么 Mac 地址就无效了

交换机收到包以后，将包发送个网关(路由器)，此时需要获得网关的 Mac 地址，因此同样需要发送 ARP 协议包

局域网中的网关的 ip地址为：每个局域网中的第一个地址。（局域网 192.168.0.0 那么网关：192.168.0.1）

网关将 Mac 地址返回之后，此时需要将真正的数据包发送给网关：

网关开始解析数据包，发现目标 IP 地址并不是局域网中的 IP，网关就要开始将数据包进行转发。

注意：此时需要将数据包的源ip 换成网关的对外的 IP 地址，在数据包的转发过程中，每一次的转发都需要将源ip 换掉。

网络层的ip帮我们区分子网，以太网层的mac帮我们找到主机，然后大家使用的都是应用程序，你的电脑上可能同时开启qq，暴风影音，等多个应用程序，那么我们通过ip和mac找到了一台特定的主机，如何标识这台主机上的应用程序，答案就是端口，端口即应用程序与网卡关联的编号。

传输层功能：建立端口到端口的通信

补充：端口范围0-65535，0-1023为系统占用端口

Tcp协议：可靠传输，TCP数据包没有长度限制，理论上可以无限长，但是为了保证网络的效率，通常TCP数据包的长度不会超过IP数据包的长度，以确保单个TCP数据包不必再分割。

udp协议：不可靠传输，”报头”部分一共只有8个字节，总长度不超过65,535字节，正好放进一个IP数据包。

这一层就是应用软件，可以根据程序员自己进行开发，也就是说不同的程序可以有各自的协议。

交换机为什么是二层设备？

当交换机收到一个数据包之后，需要搞清楚这个数据需要发给网关还是局域网中的其他设备，就需要交换机按照以太网协议把数据包给解析下，得到目标的 Mac 地址之后，在将包给封装成原来的包。由于交换机是基于二层（以太网协议）进行数据传输的，所以叫做二层设备。

什么是交换机学习？

交换机中，信息的通信都是靠广播。但是，如果在确定了原 Mac 与目标 Mac 的前提下，再进行广播，无疑信息传输的效率会非常地低，此时就有了交换机学习的概念。交换机内会有一张"表"，会记录下连接交换机设备的 Mac 地址。此时，只有目标 Mac 地址不在"表"中 和 FF:FF:FF:FF:FF:FF，才会进行广播。

DNS: 把网址解析成 IP地址

Socket是应用层与TCP/IP协议族通信的中间软件抽象层，它是一组接口。在设计模式中，Socket其实就是一个门面模式，它把复杂的TCP/IP协议族隐藏在Socket接口后面，对用户来说，一组简单的接口就是全部，让Socket去组织数据，以符合指定的协议。

所以，我们无需深入理解tcp/udp协议，socket已经为我们封装好了，我们只需要遵循socket的规定去编程，写出的程序自然就是遵循tcp/udp标准的

一个生活中的场景。你要打电话给一个朋友，先拨号，朋友听到电话铃声后提起电话，这时你和你的朋友就建立起了连接，就可以讲话了。等交流结束，挂断电话结束此次交谈。 生活中的场景就解释了这工作原理

建立链接(三次握手)：

1、客户端向服务端发送建立链接的请求；

2、服务端回复请求，同意建立链接，并且同时向客户端发送建立链接请求

3、客户端收到服务端的请求之后，同意建立，则双方的链接成功建立

断开链接（四次挥手）：

1、客户端向服务端发送断开链接的请求；

2、服务端回复请求，同意断开链接

3、等待服务端给客户端传递的数据全部传送结束，并且同时向客户端发送断开链接请求

4、客户端收到服务端的断开请求之后，同意断开，则双方的链接断开

tcp 协议发送消息会有反馈机制，而不是在于 tcp 协议拥有双向通道；

基于 tcp 协议发送的消息会在本地先保存信息，如果对方确认收到信息，才会删除

否则会在一定的时间内多次的发送，直到对方确认或者超时位置

udp 协议发送数据之后会立刻将数据删除，不等待对方进行确认