Linux网络基础--为socket编程做准备

Posted 2022-11-23 蓝乐

网络基础（一）

• ▶网络发展背景了解
• • 🎄网络发展
• ▶网络协议
• • 🎄理解协议
  • 🎄OSI七层模型
  • 🎄TCP/IP五层（四层）结构模型
• ▶网络中的地址管理
• • 🎄IP地址
  • 🎄MAC地址
• ▶网络传输基本流程
• • 🎄同一网段内两台主机进行文件传输
  • 🎄数据包封装和分用

▶网络发展背景了解

🎄网络发展

• 独立模式：独立模式下，没有网络，各个计算机的数据是互相独立的，此时如果要实现业务，那么需要依次实现各自的业务逻辑。
  
• 网络互联：在网络互联下，各个相互独立的计算机的数据通过服务器集中管理，业务逻辑可以随时切换。
  
• 局域网LAN（Local Area Network）：随着计算机数量的增多，通过交换机和路由器将一个区域的计算机连接在一起。
  
• 广域网WAN（Wide Area Network）：连接不同地区局域网或城域网计算机通信的远程网。
  其实，所谓局域网与广域网只是一个相对的概念，我们国家的广域网也可以看作是一个很大的局域网。

▶网络协议

🎄理解协议

什么是协议?协议是双方达成共识的一种约定，而我们在互相通信的时候，传递的每一个字节都标识着不同的含义。协议本质是一种约定，而所谓的网络协议，就是通过数据的表达方式，来完成参与通信的各个主机协议的表现。
举个例子，打电话的时候，站在用户的角度，认为是在直接和对方通信；但在程序员的角度，双方并非直接通信的，我们这里简化层次，将通信过程划分语言层和通信设备层，那么在语言层上，用户双方用汉语沟通就需要汉语协议，而电话之间的数据流读取又需要构建电话机协议。

通过这种分层的方式，如果通信设备改变了，比如是用无线电进行对话，那么只需要改变通信设备层的协议，而如果用户要用英语通话，那么只需要改变语言层的协议，在这种层状结构的软件体系下， 可以很方便的随时替换任意一层协议。
当然，在这个例子中，我们将层次简化了，实际的网络通信将会更加复杂，需要分出更多的层次。
这种分层最大的好处在于“封装”，而网络中更加细致的划分出了OSI七层模型和TCP/IP五层模型。

🎄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。
• OSI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，其最主要的功能就是帮助不同类型的主机实现数据传输;
• 其最大优点是将服务、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; 所以我们将重点介绍TCP/IP四层结构模型。
  

🎄TCP/IP五层（四层）结构模型

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：

• 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.
  一般而言：
• 对于一台主机, 它的操作系统内核实现了从传输层到物理层的内容;
• 对于一台路由器, 它实现了从网络层到物理层;
• 对于一台交换机, 它实现了从数据链路层到物理层;
• 对于集线器, 它只实现了物理层。
  这些并不是绝对的，比如很多交换机也实现了网络层的转发; 很多路由器也实现了部分传输层的内容(比如端口转发);
  

▶网络中的地址管理

在网络通信中，为了找到通信的对象，需要进行地址的管理，以便通信中能准确的发送到目标。

🎄IP地址

IP协议有两个版本, IPv4和IPv6.后续凡是提到IP协议, 没有特殊说明的, 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;
• 对于IPv4来说, IP地址是一个4字节, 32位的整数;
• 我们通常也使用 “点分十进制” 的字符串表示IP地址, 例如 122.96.218.35; 用点分割的每一个数字表示一个字节, 范围是 0 - 255;

🎄MAC地址

• MAC地址用来识别数据链路层中相连的节点;
• 长度为48位, 及6个字节. 一般用16进制数字加上冒号的形式来表示(例如: 08:00:27:03:fb:19)
• MAC地址在网卡出厂时就确定了, 不能修改. mac地址通常是唯一的(虚拟机中的mac地址不是真实的mac地址, 可能会冲突; 也有些网卡支持用户配置mac地址).

▶网络传输基本流程

🎄同一网段内两台主机进行文件传输

两台计算机通过TCP/IP协议通讯的过程如下图：

跨网段的主机的文件传输. 数据从一台计算机到另一台计算机传输过程中要经过一个或多个路由器：

🎄数据包封装和分用

• 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).
• 应用层数据通过协议栈发到网络上时,每层协议都要加上一个数据首部(header),称为封装(Encapsulation).
• 首部信息中包含了一些类似于首部有多长, 载荷(payload)有多长, 上层协议是什么等信息.
• 数据封装成帧后发到传输介质上,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” 将数据交给对应的上层协议处理.
• 简单来说，用户端从应用层到数据链路层将发送的数据一层一层的加上报头的过程就是封装；而服务器端从数据链路层到应用层将接收的数据去掉报头的过程就是分用。
  数据封装的过程：
  
  数据分用的过程：