网络原理简介（IP，端口，协议）

Posted 2023-02-15 木木林Violet

网络发展

独立模式

顾名思义，指的是计算机之间相互独立的模式，每台计算机之间的数据相互独立，无法互通。

网络互连

随着时代的发展，越来越需要计算机与计算机之间的相互通信，共享应用和数据，因此有了网络互连。
网络互连则是将多台计算机连接在一起，完成数据之间的共享。
根据网络互连的规模的不同，可将网络互连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：

1. 基于网线直连
2. 基于集线组建
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。广域网内部的局域网都属于其子网。

网络通信

我们通常说的网络，是指进程与进程之间跨主机（host）之间的通信。
网络通信，顾名思义，也就是通过网络在进行通信，也就是网络数据传输。
但如何知道和哪台主机进行通信，并且如何传输到对应主机的进程中，则需要使用IP地址和端口来进行标识。

IP地址

概念
IP地址属于网络层，主要用来标识网络主机、其他网络设备（如路由器）的网络地址。简而言之，IP地址用来定主机的网络地址。
格式
IP地址为一个32位的二进制数，通常被分割为4个“8位二进制数”（也就是四个字节），如01100100.00000100.00000101.00000110。
但这样的表示略显复杂，于是一般使用“点分十进制”的方式来表示，也就是a.b.c.d，其中每个数都是0~255之间的十进制整数，因此可以将上述的IP地址重新表示为100.4.5.6。
特殊IP
在众多的IP地址中，存在一些较为特殊的IP地址，这些IP地址通常有了特殊的意义，如127.*的IP地址用于本机环回(loop back)测试，通常是127.0.0.1。
PS：本机环回主要用于本机到本机之间的网络通信，因为其系统内部为了性能，不会走网络的方式来进行传输，于是，对于开发网络通信的程序而言，常见的开发方式都是本机发哦本机的网络通信。

端口号

概念
虽然IP地址解决了主机之间的识别问题，但主机上通常有着众多的进程，将把数据传输到哪一个进程中也变成了一个问题。
于是可以用端口号来表示主机中发送数据、接受数据的进程。简而言之，端口号用来定位主机中的进程。
格式
端口号是0~65535之间的数字，在网络通信是，进程可以通过绑定一个端口号，用来发送和接受网络中的数据。
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。
也就是进程和端口号是一对多的关系。

协议

协议，为网络协议的简称。
网络协议是网络通信中经过的所有网络设备都必须遵守的一组约定、规则。只有遵守了这个约定，计算机与计算机之间才可以互相通信交流。协议最终体现为网络上传输的数据包个格式。
三要素

1. 语法：即数据与控制信息的结构或格式。
2. 语义：即西哟啊发送何种控制信息，完成何种动作以及做出何种相应。
3. 时序：即时间实现顺序的详细说明。

作用
因为计算机生产的厂商、操作系统和网络设备都有很多，若每个硬件都以自己的规则来传输数据，那内外的硬件则无法识别出得到的数据，因此需要提前约定好对方的数据格式，只有以规定好的约定来传输数据，才可以被正常的接受。

五元组

在TCP/IP协议中，通常用五元组来识别一个网络通信：

1. 源IP：标识源主机。
2. 源端口号：标识源主机中盖茨通信发送数据的进程。
3. 目的IP：标识目的主机。
4. 目的端口号：标识目的主机中盖茨通信接收数据的进程。
5. 协议：标识发送进程和接收进程双方约定的数据格式。

协议分层

对于网络协议而言，往往将协议分成几个层次来进行定义。

分层作用

对于分层而言，最大的好处，类似于面向接口编程：定义好两层之间的接口规范，让双方都遵守这个规范来对接。
其中，对于使用方而言，并不用关心提供方是如何实现的，只需要使用接口即可；而对于提供方而言，可以利用封装的特性，隐藏实现的细节，只需要开放接口即可。

TCP/IP五层模型

TCP/IP是一组协议的代名词，其中还包含了很多的协议，来共同组成TCP/IP协议簇。
TCP/IP通信协议采用了五层的层级结构，每一层都会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。
  

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，也就是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，也就是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，也就是TCP/IP五层模型的下两层。
• 集线器：它只实现了物理层

其中上述的设备都是传统意义上的设备，但随着网络设备的不断发展，很多设备有了更加复杂的功能，也因此有了更多的层数。以下所说的网络设备都是指传统意义上的设备。