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网络原理
网络互连：将多台计算机连接在一起，完成数据共享
网络通信：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
根据网络互连的规模不同，可以划分为局域网和广域网
局域网(LAN)
定义：局域网(Local Area Network)指在有限地理范围(如家庭、办公室、校园)内连接多台设备的私有网络
特点：
·高速传输(通常使用以太网、Wi-Fi等技术)
·低延迟，适合实时通信(如游戏、视频会议)
·设备间可直接通信(无需公网IP)
常见设备：
·交换机(Switch)：负责局域网内设备的数据帧转发
·路由器(Router)：连接不同网络(如LAN和互联网)
·网卡(NIC)：设备接入网络的硬件接口
局域网内的主机之间能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
局域网组建网络的方式有很多种：
1.基于网线直连
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)
定义：广域网通过公共或专用通信链路(如光纤、卫星、5G)连接多个局域网(LAN)或城域网(MAN)，跨越地理边界。通过路由器，将多个局域网链接起来，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
如果属于全球化的公共型广域网，则称为互联网(又称公网、外网)，属于广域网的一个子集。有时在不严格的环境下说的广域网，其实指的便是互联网
与LAN的区别：
特性 LAN WAN
覆盖范围 小范围(办公室、家庭) 大范围(城市、国家、全球)
传输速度 高(Gbps级) 较低(Mbps到Gbps级)
延迟 低(毫秒级) 较高(几十到几百毫秒)
管理权 私有网络 通常由运营商管理
典型技术 以太网、Wi-Fi 光纤、MPLS、SD-WAN、5G
常用场景
·企业分支互联(如总部与分公司的VPN)
·互联网(全球最大的WAN)
·云服务(如AWS、Azure的跨区域数据中心互联)
网络通信
网络互连的目的是进行网络通信，也就是网络数据传输，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，将数据传输到哪台主机呢？
这就需要使用IP地址来标识
IP地址
概念
IP地址主要是用于标识网络主机、其他网络设备(如路由器)的网络地址。简单来说，IP地址用于定位主机的网络地址。就像我们发送快递一样，需要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：01100100.00000100.00000101.00000110。
通常用"点分十进制"的方式来表示，即a.b.c.d的形式(a、b、c、d都是0~255之间的十进制整数)。如：100.4.5.6
端口号
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(动态应用程序)。简单来说：端口号用于定位主机中的进程
在本文末尾，我们会简单介绍，关于进程和应用程序之间的练习
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
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(数据类型+编码格式)
网络协议
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
协议最终体现为在网络上传输的数据包的格式
作用
为什么需要协议？
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
·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也是有很多
如何让这些不同厂商之间生产的计算机能够相互顺畅的通信呢？
这时候就需要有人站出来，约定一个共同的标准，大家都来遵守，这就是网络协议
五元组
在TCP/IP协议中，用五元组来表示一个网络通信：
- 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受数据的进程
- 协议号：标识发送进程和接受进程双方约定的数据格式
可以在cmd中输入netstat -ano中 查询网络数据传输中的五元组信息：
关键列的含义：
1.协议：传输层协议(TCP/UDP)
2.本地地址：本机的IP和端口(源IP，源端口)
3.外部地址：通信对端的IP和端口(目的IP，目的端口)
4.状态：连接状态(如LISTENING、ESTABLISHED)
5.PID：占用该连接的进程ID
在上述所说的1、2、3即包含了五元组
PID表示进程 它是进程标识符的缩写，用于唯一标识操作系统中的一个进程，它是一个非负整数。每当操作系统运行一个程序时，都会创建一个进程，并为其分配一个唯一的PID。这个PID在进程的生命周期内是唯一的，但当进程终止后，PID会被系统回收并可能重新分配给新的进程
协议分层
协议分层是将网络通信过程划分为多个独立 且相互关联的层次，每次负责特定的通信功能，通过层间接口实现信息交换。
以下是对协议分层的详细解释：
协议分层的原理
网络通信非常复杂，如果我们设计一个协议，完成网络通信中方方面面的问题，势必会使这个协议非常复杂、庞大。所以我们想把一个大的协议，拆分成若干个小的、功能单一的协议。
分层类似于面向接口编程：定义好两层间的接口规范，让双方遵循这个规范来对接
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)
协议分层的好处：
1.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
2.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
分层后使得这些协议能够遵守：
·只有相邻两层协议之间可以进行交互
·上层协议可以调用下层协议
·下层协议可以给上层协议提供服务(协议之间的交互，不能跨层进行)
协议分层的层次
常见的协议分层模型有OSI七层模型(下图左侧部分)、TCP/IP四层(五层)协议模型(下图右侧部分)。在实际应用中，由于OSI七层模型过于复杂，TCP/IP四层模型的网络接口层包含了网络链路层和物理层，不利于学习和理解，因此TCP/IP五层协议模型更为常用。
我们在这里不进行讲解OSI七层模型，只讲解TCP/IP五层协议模型。
TCP/IP五层模型
TCP/IP五层协议模型(如上图右侧部分)包括：
5.应用层：负责应用程序之间的通信，定义了应用程序间通信的报文格式和规则。
例如，HTTP协议用于Web浏览器和Web服务器之间的通信，SMTP协议用于电子邮件的发送等
协议：包括简单邮件传输协议(SMTP)、文件传输协议(FTP)、超文本传输协议(HTTP)、网络远程访问协议(Telnet)。
4.传输层：负责两台主机之间的数据传输，提供端到端的通信服务
传输层定义了端口这个概念，应用程序发送数据需要通过端口发送，接收数据也要通过端口接收。
协议：主要包括传输控制协议(TCP)和用户数据报协议(UDP)
TCP特点：面向连接、可靠传输、流量控制、拥塞控制
UDP特点：无连接、不可靠传输、速度块、开销小
3.网络层：负责地址管理和路由选择，确保数据从源主机传输到目标主机。
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处两台主机之间的数据传输的线路(路由)。路由器工作在网络层，根据路由表进行数据包转发。
协议：主要使用互联网协议(IP)进行地址标识和路由规划
2.数据链路层：负责在两个相邻节点之间传送数据，将网络层交下来的IP数据报组装成帧，在两个相邻节点间的链路上传送帧。数据链路层定义了MAC地址，用于子网内的通信。交换机工作在数据链路层，根据MAC地址表进行数据帧转发。
协议：以太网、令牌环网、点对点协议等
1.物理层：负责光/电信号的传递方式，确保数据在物理媒介上的正确传输。
例如网线(双绞线)、同轴电缆、光纤、电磁波(WiFi)都属于物理层。
简单来说，物理层的协议就是约定这些硬件设施要符合的要求是怎样的。集线器工作在物理层，主要功能是信号放大和转发
程序员主要关注应用层，通过编写程序来使用这些协议进行网络通信
在协议分层中，数据在发送端从上层到下层(5-->1)逐层封装，每层都会添加相应的首部信息(称为报头、包头)，形成新的数据单元。然后，这个新的数据单元会被传递给下一层，直到最终到达物理层并发送出去。在接受端，数据从下层到上层(1-->5)逐层解封装，每层都会去除相应的首部信息，最终还原成原始数据
总结：
数据在发送端 是从(5--->1)逐层封装 每层都添加相应的首部信息
数据在接受端 是从(1--->5)逐层解封装 每层都去除相应的首部信息
网络设备所在分层
主机：它的操作系统内核实现了从传输层到物理层的内容--TCP/IP五层模型的下四层
路由器：它实现了从网络层到物理层--TCP/IP五层模型的下三层
交换机：它实现了从数据链路层到物理层--TCP/IP五层模型的下两层
集线器：它只实现了物理层
我们之前在协议分层中说过，数据在发送端从上层到下层逐层封装。在接受端，数据从下层到上层逐层解封装，还原成原始数据
接下来我们就详细讲解封装和分用
封装和分用
不同的协议层对数据包有不同的称谓，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)
封装：应用层数据通过协议栈发到网络上(数据链路层)时，每层协议都要加上一个数据首部(header)。首部信息中包含了一些类似于首部有多长，载荷有多长，上层协议是什么等信息
分用：数据封装成帧(数据链路层)后发到传输介质上，到达目的主机后每层协议再剥掉相应的首部，根据首部中的"上层协议字段"将数据交给对于的上层协议处理
注意：网络数据传输时，数据在哪一层，就需要遵守那一层的协议
封装步骤
分用步骤
数据封装过程
封装流程图如下：
封装流程解释
1.应用层：应用层报文
2.传输层：添加TCP头部
3.网络层：添加IP头部
4.数据链路层：添加帧头和帧尾
5.物理层：将帧转换为比特流，通过网卡发送到物理介质(如光纤、网线)
数据分用过程
分用流程图如下：
分用流程解释
1.物理层：接收到比特流，重组为以太网帧
2.数据链路层(以太网)：校验帧尾，检查目的MAC是否为本机，剥离帧头和帧尾，提取IP数据包
3.网络层(IP)：检查目的IP是否为本机IP，剥离IP头部，提取TCP段
4.传输层(TCP)：根据TCP头部中的目的端口，找到监听该端口的进程(如浏览器)，剥离TCP头部，传递HTTP相应报文给应用层
5.应用层：浏览器解析响应
注意：
封装：方向自上(应用层)向下(物理层)，主要是添加头部/尾部，形成协议数据单元。依赖目标地址、端口、协议类型等
分用：方向自下向上，主要是剥离头部/尾部，根据字段分发数据。依赖MAC地址、IP地址、端口号等
补充
进程和应用程序的关系
应用程序：是用户使用的软件(如浏览器、qq等)，通常由代码、资源文件组成，是静态的程序文件(如 .exe、.app)
进程：是应用程序在操作系统中的动态执行示例。当程序运行时，操作系统会为其分配内存、CPU时间片等资源，形成一个进程
关系：
一个应用程序可以对应多个进程(如Chrome浏览器每个标签页可能独立为一个进程)
一个进程也可以服务于多个应用程序(如数据库服务进程被多个应用共享)
可以将进程和应用程序进行类比：
应用程序=乐谱(静态的指令集合)
进程=乐队演奏乐谱的过程(动态执行，占用资源)