【多线程】网络原理初识

网络原理初识

- [1. 网络发展史](#1. 网络发展史)
- - [1.2 独立模式](#1.2 独立模式)
  - [1.3 网络互联](#1.3 网络互联)
  - [1.3 局域网](#1.3 局域网)
  - [1.4 广域网](#1.4 广域网)
- [2. 网络通信基础](#2. 网络通信基础)
- - [2.1 IP地址](#2.1 IP地址)
  - [2.2 端口号](#2.2 端口号)
  - [2.3 认识协议](#2.3 认识协议)
  - [2.4 五元组](#2.4 五元组)
  - [2.5 协议分层](#2.5 协议分层)
  - - [2.5.1 什么是协议分层](#2.5.1 什么是协议分层)
    - [2.5.2 协议分层的好处](#2.5.2 协议分层的好处)
    - [2.5.2 OSI七层模型](#2.5.2 OSI七层模型)
    - [2.5.3 TCP/IP五层模型](#2.5.3 TCP/IP五层模型)
  - [2.6 封装和分用](#2.6 封装和分用)
  - - [2.6.1 封装](#2.6.1 封装)
    - - [2.6.1.1 应用层拿到数据](#2.6.1.1 应用层拿到数据)
      - [2.6.1.2 传输层拿到上述数据](#2.6.1.2 传输层拿到上述数据)
      - [2.6.1.3 传输层交给网络层](#2.6.1.3 传输层交给网络层)
      - [2.6.1.4 网络层交给数据链路层](#2.6.1.4 网络层交给数据链路层)
      - [2.6.1.5 数据链路层把以太网包交给物理层](#2.6.1.5 数据链路层把以太网包交给物理层)
    - [2.6.2 分用](#2.6.2 分用)
    - - [2.6.2.1 物理层接收数据](#2.6.2.1 物理层接收数据)
      - [2.6.2.2 物理层交给数据链路层](#2.6.2.2 物理层交给数据链路层)
      - [2.6.2.3 数据链路层交给网络层](#2.6.2.3 数据链路层交给网络层)
      - [2.6.2.4 网络层交给传输层](#2.6.2.4 网络层交给传输层)
      - [2.6.2.5 应用层解析](#2.6.2.5 应用层解析)
    - [2.6.3 整体](#2.6.3 整体)

1. 网络发展史

1.2 独立模式

独立模式：计算机之间相互独立

这个时候的计算机还不能够联网，当时的家用计算机可以用来打单机游戏或者是视频播放等功能。

1.3 网络互联

随着时代的发展，越来越需要计算机之间互相通信，共享软件和数据，即以多个计算机协同工作来完成业务，就有了网络互连。

网络互连：将多台计算机连接在一起，完成数据共享。

数据共享本质是网络数据传输 ，即计算机之间通过网络来传输数据，也称为网络通信。

根据网络互连的规模不同，可以划分为局域网和广域网

1.3 局域网

（1）基于网线直连

将两个电脑通过一根网线进行连接，这就是构成了一个简单的局域网。

但是通过传输线互联连接起来，要保证每一个节点至少与其他节点相连。但其结构复杂，实现起来费用较高，不易管理和维护。因此我们也会使用交换机和路由器进行互联。

（2）基于交换机和路由器进行组建

1.4 广域网

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。广域网内部的局域网都属于其子网。因此局域网规模足够大，就成了广域网。

2. 网络通信基础

网络互连的目的是进行网络通信，也即是网络数据传输，更具体一点，是网络主机中的不同进程间，基于网络传输数据。

那么，在组建的网络中，如何判断到底是从哪台主机，将数据传输到那台主机呢？这就需要使用IP地址来标识。

2.1 IP地址

IP地址：标识了一个主机的具体位置。

IP地址是一个32位的二进制数。

格式

本质上是一个4个字节，32位的整数，往往写成"点分十进制"。

例如192.168.0.136

三个点把整个ip分成了四个部分，每个部分都是一个字节（取值范围0-255）

查询自己的IP

如果想要查看自己电脑的ip地址，可以通过win+r -> cmd -> ipconfig查看ip

特殊IP

127.*的IP地址用于本机环回(loop back)测试，通常是127.0.0.1

本机环回主要用于本机到本机的网络通信（系统内部为了性能，不会走网络的方式传输），对于开发网络通信的程序（即网络编程）而言，常见的开发方式都是本机到本机的网络通信。

IP地址解决了网络通信时，定位网络主机的问题，但是还存在一个问题，传输到目的主机后，由哪个进程来接收这个数据呢？这就需要端口号来标识

2.2 端口号

概念

在网络通信中，IP地址用于标识主机网络地址，端口号可以标识主机中发送数据、接收数据的进程。简单说：端口号用于定位主机中的进程。

类似发送快递时，不光需要指定收货地址（IP地址），还需要指定收货人（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，来发送及接收网络数据。

注意事项

两个不同的进程，不能绑定同一个端口号，但一个进程可以绑定多个端口号。

了解：

一个进程启动后，系统会随机分配一个端口（启动端口）程序代码中，进行网络编程时，需要绑定端口号（收发数据的端口）来发送、接收数据。

进程绑定一个端口号后，fork一个子进程，可以实现多个进程绑定一个端口号，但不同的进程不能绑定同一个端口号。

问题：

有了IP地址和端口号，可以定位到网络中唯一的一个进程，但还存在一个问题，网络通信是基于二进制0/1数据来传输，如何告诉对方发送的数据是什么样的呢？

网络通信传输的数据类型可能有多种：图片，视频，文本等。同一个类型的数据，格式可能也不同，如发送一个文本字符串"你好！"：如何标识发送的数据是文本类型，及文本的编码格式呢？

基于网络数据传输，需要使用协议来规定双方的数据格式

2.3 认识协议

概念

协议，网络协议的简称，网络协议是网络通信（即网络数据传输）经过的所有网络设备都必须共同遵从的一组约定、规则。如怎么样建立连接、怎么样互相识别等。只有遵守这个约定，计算机之间才能相互通信交流。

协议是什么？

协议就是约定，约定发送的数据格式。

使得双方能够互相进行通信。

协议（protocol）最终体现为在网络上传输的数据包的格式。

2.4 五元组

在TCP/IP协议中，用五元组来标识一个网络通信：

源IP：标识源主机
源端口号：标识源主机中该次通信发送数据的进程
目的IP：标识目的主机
目的端口号：标识目的主机中该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

五元组在网络通信中的作用，类似于发送快递：

2.5 协议分层

对于网络协议来说，往往分成几个层次进行定义。

2.5.1 什么是协议分层

在网络通信中，需要约定的协议，其实是非常复杂的。

而面对复杂的环境，就需要复杂的协议。

但是协议太复杂也不好。

因为一个协议太复杂，就可以拆分成多个协议。协议是可以拆分出很多存在一些小的协议定位或者作用是类似的。

针对这些小的协议进行分类。同时再针对这些不同的类别进行分层。

调用关系

我们约定了层与层之间的调用关系。

要求上层协议调用下层协议，下层协议给上层提供支持，不能跨级调用。

例如

公司有一定的层级关系，这种层级关系是要求两个相邻的层级才能交互，不能够跨层交互。

2.5.2 协议分层的好处

分层之后就可以做到层与层之间，耦合程度比较低、上层协议不必了解下层的细节，下层也不必了解上层的细节。
方便对某一层的协议进行替换。能够更好的扩展和维护。

在代码中，类似于定义好一个接口，一方为接口的实现类（提供方，提供服务），一方为接口的使用类（使用方，使用服务）：

对于使用方来说，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。

这样能更好的扩展和维护，如下图：

2.5.2 OSI七层模型

OSI七层网络模型既复杂又不实用，仅仅存在于教科书当中。

TCP/IP五层网络模型是当下最广泛使用的网络模型

2.5.3 TCP/IP五层模型

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。

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。
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。
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。
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。
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

上面的定义可能有些复杂繁琐，我们可以进行简化

应用层，主要关注传输过来的数据，要怎么使用
传输层，不考虑中间路径，只关注起点和重点。就像，我和淘宝卖家，都不关心中间是怎么传输的，只关心起点和重点，中间怎么传输都可以。
网络层，主要负责两个遥远的节点之间，路径规划。收货地址西安，发货地址是上海，上海到西安中间有很多条路径可以走，在众多路径中找到一个合适的（上海直达西安，上海->南京->西安，上海->苏州->西安）。
数据链路层，主要关注的是两个相邻节点之间的传输。上海->南京（火车），南京->西安（卡车），网络上相邻节点，就是通过网线/光纤/无线直接连接的设备。
物理层，主要定义物理设备的标准。网络通信的基础设施有网线，光纤，网络接口...可以认为是网络上的高速公路。

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。

应用层，对应程序员写的应用程序，下面四层，则是操作系统内部已经封装好的。

因此写代码，进行网络编程，主要工作还是围绕应用层进行展开。

传输层要被应用层进行调用，所以也要对传输层有一定的理解。

2.6 封装和分用

封装：发送方发送数据，要把数据从上到下，依次交给对应的层次的协议，进行封装。

解析：接收方收到的数据，要把数据从下到上，依次交给对应的层次的协议，进行解析。解析过程就叫做分用。

我们举一个例子进行过程的解析。

2.6.1 封装

首先假设在通信应用程序，进行聊天的环境下。

2.6.1.1 应用层拿到数据

我发送"在吗？"给对方

qq会拿到上述用户数据进行封装，封装成应用层数据包。

这里的应用层数据包格式，只是假设的，qq实际的应用层数据包，是qq开发者自己规定的。

这里的数据包，本质上就是字符串的拼接

为了区分上述字段，可能引入分隔符等进行界定，就像发送方断桥烟雨;接收方刘cc;时间20230813;消息内容在吗;

2.6.1.2 传输层拿到上述数据

传输层有很多协议，最典型的是TCP和UDP。

此处以UDP为例

UDP针对上述数据包再进行封装。

此处，UDP协议再给应用层数据报整个作为载荷并且再加个UDP报头，就是为了填写必要的属性

传输层协议最关键的属性是源端口和目的端口

数据报本质上是字符串拼接

2.6.1.3 传输层交给网络层

UDP协议进行封装后，将这个数据报交给网络层的协议

网络层最常见的协议就是IP协议

上述UDP数据报到达网络层，需要进一步的封装，添加IP协议报头

源IP和目的IP就是描述了这次传输中，最初的起点和最终的终点

IP和端口

IP是找到主机，端口是确定主机上的哪个程序/进程

我的电脑有一个IP

但是电脑上有很多的程序有着不同的端口号

2.6.1.4 网络层交给数据链路层

数据链路层的协议是以太网协议

以太网协议对网络层的协议进行封装

mac地址，也叫做物理地址

也是描述一个主机在网络上的位置

它的功能和IP很相似，但是当下就把这两个地址分别作用于不同的用途。

IP用来进行网络层的路径规划

mac用来进行描述数据链路层，两个进行传输的相邻节点。

mac是和网卡进行绑定的。每个网卡的mac是为一个

2.6.1.5 数据链路层把以太网包交给物理层

物理层要把上述的0101的二进制数据转换成光信号/电信号/电磁波信号，进行传输。

2.6.2 分用

接收方进行解析数据。

接受过程和封装过程刚好相反。

发送，从上到下，依次封装，新增报头

接收，从下到上，依次分用，去掉报头

忽略中间的转发过程，只考虑对方的电脑收到这个消息的情况。

2.6.2.1 物理层接收数据

物理层会收到高低电平的二进制数据。

会对这里的信号进行解析，还原成0101这样的二进制序列。

2.6.2.2 物理层交给数据链路层

此时把接收到的二进制数据当成一个以太网数据帧（此处是从以太网线收到的数据，就是要交给以太网协议来进行处理）

以太网协议进行解析，把以太网帧头和帧尾去掉，取出中间的载荷，再往上交给网络层。

2.6.2.3 数据链路层交给网络层

此时就由网络层的IP协议进行解析数据报，也就是去掉IP报头。取出载荷，交给传输层协议。

2.6.2.4 网络层交给传输层

传输层由UDP协议进行解析处理，还是去掉报头，取出载荷，把数据交给应用层

2.6.2.5 应用层解析

由应用程序对应用层数据报进行解析，放到程序的界面

2.6.3 整体

发送方是进行层层封装

接收方是进行层层分用

真实的网络环境中，数据的传输中间可能要经历很多节点进行转发。

交换机只需要封装分用到数据链路层（只需要改源mac和目的mac）

路由器需要封装分用到网络层（更改mac地址，以及根据目的IP进行下一阶段的路径规划）

通常也说，交换机是进行"二层转发"，路由器进行"三层转发"。

我们这里说的是教科书上的"经典"交换机路由器（教科书和考试上的标准）

实际上，真实的路由器和交换机之间的界限越来越小

路由器可以通过设定特殊模式只进行二层转发

交换机也有高端交换机，支持三层转发

甚至路由器/交换机还可以封装分用到传输层甚至应用层

路由器/交换机封装分用到传输层应用层的一个应用场景就是进行舆情分析。