网络编程01 -- 网络模型

• 互联网的实现，分为不同的层次，每一层都有自己独特的功能，每一层都会其下一底层的支持，针对层级的划分有不同的模型，下面我们探讨的是网络七层模型，如下图所示：

image.png

• 从最底层往上依次为：物理层，链接层，网络层，传输层，会话层，表示层，应用层；
• 越接近最底层，越接近硬件；
• 网络层次的划分，每一层有着自己的功能，为了实现这些功能，就需要大家都遵守共同的规则，大家都遵守的规则，就叫做协议(protocol)；
• 网络的每一层，都定义了很多协议，这些协议可统称为互联网协议，它们是互联网的核心；

物理层

• 物理层：就是将计算机连接起来的物理手段，它主要规定了网络的一些电气特性，作用是负责传送0和1的电信号；
• 将计算机连接起来，组成一个网络，可以通过光缆，电缆，无线电波等方式；

链接层

• 物理层传送过来的0和1的电信号，单纯的0和1是没有任何意义的，必须规定特定的解读方式即多少个电信号为一组，每个信号位有什么意义；
• 链接层：确定了电信号0和1的分组方式，以及每个信号位的意义；
• 以太网协议：其规定一组电信号构成一个数据包，称为帧(Frame)，每一帧分为两个部分：标头(Head)和数据(Data)；
  • 标头(Head)包含数据包的说明，例如发送者，接受者，数据类型等等，其长度为固定的18个字节，
  • 数据(Data)：就是数据包的具体内容，其最短为46个字节，最长为1500个字节；

image.png

• MAC地址：联入网络的所有设备，都必须具有网卡接口，数据包必须是从一块网卡，传送到另一块网卡，网卡的地址就是数据包的发送地址和接收地址，也就是所谓的MAC地址；
• 每块网卡出厂的时候都有一个全世界独一无二的MAC地址，长度是48个二进制位，通常用12个16进制位进行表示；
• 有了MAC地址，然后计算机采用广播的方式发送数据包给其他计算机；
  • 首先当前计算机通过ARP协议，知道另一台计算机的MAC地址；
  • 其次当前计算机采用广播的方式，给本网络内的所有计算机都发送数据包，本网络内的所有计算机拿到数据包之后，读取标头(Head)中接收方的MAC地址与自己MAC地址进行比较，若相同则接收数据包，若不同则丢弃数据包；
• 根据上述的数据包，计算机的MAC地址，广播的发送方式，实现了在同一网络中在多台计算机之间传送数据了；

网络层

• 在链接层实现了同一子网络中计算机之间的数据传输，如何在不同的子网络中实现数据传输呢？答案是网络层；
• 网络层：其作用是引进一套新的地址，能让我们区分不同计算是否属于同一个子网络，这套地址叫网络地址，简称网址，网络层出现之后，每台计算机就有了两种地址，一种是MAC地址，另一种是网络地址，这两种地址之间没有任何联系，MAC地址是绑定在网卡上的，固定不变的，网络地址是管理员分配的，是可以改变的；
• 网络地址可以帮助我们确定计算机所在的子网络，MAC地址则是将数据包传送给该子网络中目标网卡；
• IP协议：规定网络地址的协议，叫做IP协议，它所定义的地址，被称为IP地址，目前，广泛采用的是IP协议第四版，简称IPv4，IPv4这个版本规定，网络地址由32个二进制位组成，习惯上，我们用分成四段的十进制数表示IP地址，从0.0.0.0一直到255.255.255.255；
• IP地址又分为两个部分，分别为网络部分和主机部分，其中网络部分是由多少个二进制位组成是由子网掩码决定的，子网掩码是表示子网络特征的一个参数，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；
• 现有两个IP地址175.16.254.1和175.16.254.233以及子网掩码为255.255.255.0，判断这两个IP地址是否属于同一个子网络；
  • 首先IP地址175.16.254.1与子网掩码为255.255.255.0 进行位与运算得到网络部分为175.16.254；
  • 其次IP地址175.16.254.233与子网掩码为255.255.255.0 进行位与运算得到网络部分为175.16.254，看到两个IP地址的网络部分相同，所以它们属于同一个子网络；
• 总结：IP协议的主要作用有两个：
  • 首先为每一台计算分配一个IP地址；
  • 其次提供子网掩码，确定哪些IP地址属于同一个子网络；
• IP数据包：根据IP协议发送的数据，称为IP数据包，其中包含IP地址信息，上述的以太数据包中只包含MAC地址，这两种地址是如何组合的呢？答案是把IP数据包直接放进以太网数据包的"数据"部分，因此完全不用修改以太网的结构，这就是互联网分层结构的好处：上层的变动完全不涉及下层的结构；
• IP数据包的格式如下所示：

image.png

• IP标头通常占用20-60个字节，整个数据包的最大长度为65535个字节；
• ARP协议：当前计算机给另一台计算发送数据包，必须要知道另一台计算的IP地址与MAC地址，其中IP地址是已知的，对于获取MAC地址，这里分为两种情况：
  • 第一种情况：两台计算机不在同一子网络，只能只能把数据包传送到两个子网络连接处的"网关"（gateway），让网关去处理；
  • 第一种情况：两台计算机在同一子网络，可通过ARP协议，获取对方的MAC地址；

传输层

• 由上述可知，有了计算机的IP地址与MAC，就能实现在互联网上任意两台主机上建立通信，但问题是同一台计算机上，运行了多个不同的进程(程序)，例如看电影，听音乐，聊天等等，计算机接收到数据给哪个进程使用呢？ 这里就引出了端口(port)的概念，其本质应用程序的编号，将数据包发送到计算机特定的端口，端口对应的程序就能取到自己所需要的数据；
• 端口：是0到65535之间的一个整数，正好16个二进制位，0到1023的端口被系统占用，用户只能选用大于1023的端口；
• 传输层的功能，就是建立"端口到端口"的通信，相比之下，"网络层"的功能是建立"主机到主机"的通信，只要确定主机和端口，我们就能实现程序之间的交流，因此，Unix系统就把主机+端口，叫做"套接字"（socket），有了它我们就可以进行网络应用程序开发了；
• UDP协议：在传输层需要往数据包中添加端口信息，那么需要定义新的协议，这里就引入了UDP协议；
• UDP数据包，标头包含发出端口与接收端口信息，数据部分直接放入IP数据包中，格式如下所示：

image.png

• TCP协议：UDP协议的优点是比较简单，容易实现，但是缺点是可靠性较差，一旦数据包发出，无法知道对方是否收到，为了解决这个问题，提高网络可靠性，TCP协议就诞生了，这个协议非常复杂，但可以近似认为，它就是有确认机制的UDP协议，每发出一个数据包都要求确认，如果有一个数据包遗失，就收不到确认，发出方就知道有必要重发这个数据包了，因此TCP协议能够确保数据不会遗失，它的缺点是过程复杂、实现困难、消耗较多的资源；

应用层

• 应用程序收到"传输层"的数据，接下来就要进行解读，由于互联网是开放架构，数据来源五花八门，必须事先规定好格式，否则根本无法解读；
• 应用层的作用，就是规定应用程序的数据格式；
• 应用层接收到数据格式如下所示：

image.png

电脑联接网络的设置

• 主要分为下列四个重要步骤：
  • 设置本机的IP地址；
  • 设置子网掩码；
  • 设置网关的IP地址；
  • 设置DNS的IP地址；
• 上述的详细情形如下图所示：

image.png

• 当我们在浏览器中输入网址http://www.google.com/，按下enter键，就会向谷歌服务器发送一个网页请求的数据包，底层的详细执行逻辑如下：
• 首先，我们发送数据包，必须要知道对方的IP地址，但现在我们只知道谷歌的网址，需要借助DNS服务器，帮助我们将http://www.google.com/``解析成IP地址；
• 其次，现在我们知道了谷歌的IP地址，根据子网掩码，判断我们当前所处的网络是否与谷歌所处的网络相同，若相同，直接获取得到谷歌的Mac地址，若不同转发给网关处理，网关可以帮助我们获取得到谷歌的Mac地址；
• 一般情况下，浏览器发送网页数据包采用的是HTTP协议，当前处于应用层；
• 进入传输层，获取谷歌的HTTP的端口(默认为80)，将HTTP数据包，包装上TCP标头；
• 进入网络层，获取谷歌的IP地址，将TCP数据包，包装上IP标头；
• 进入链接层，获取谷歌的Mac地址，将IP数据包，包装上以太协议标头；
• 最后进入物理层，经过网线，网关，传递给谷歌服务器；
• 谷歌服务器拿到传输过来的以太数据包，会进行解析操作，依次转换成IP数据包，TCP数据包，HTTP数据包，得到HTTP网络请求数据，然后对其作出响应，响应过程的数据传输与上述的发送请求的流程完全相同；

TCP协议

• 客户端发送请求到服务端，服务端接收请求并作出响应，此过程中会涉及到TCP的三次握手，下面我们来阐述TCP三次握手机制；
• TCP的三次握手，主要是为了确认双方的身份和通信能力，然后建立联接，下面以一个实例来形象的论述；
• 一天清晨，下了大雾，李四走在前面，张三走在后面，双方互相看不清对方，这时张三听见前面有人在走路，不知道是不是李四，于是张三第一次喊话前面的是不是李四啊?，李四听到之后，立马回复到我是李四，并询问道你是不是张三啊?，这时张三听到李四的回复，知道了前面的是李四，然后回复李四的问话，我是张三，这时双方都确认了对方的身份和通信能力，张三的发问，李四的回复与发问，张三的回复 就相当于TCP中的三次握手；
• TCP的三次握手之后，客户端与服务端建立联接，就开始进行数据传输了；
  • 第一次握手：客户端向服务端发送数据；
  • 第二次握手：服务端确认客户端发送的数据，并回复数据；
  • 第三次握手：客户端收到服务端的数据，并回复服务端；
• TCP的四次挥手，是为了断开客户端与服务端之间的联接，终止数据的传输；
• 还是以上面的实例进行论述，张三李四建立联接之后，在路上一起走了一段距离，当到了路口时，两人要分道扬镳了，首先张三说到我要走了，然后李四回复到好的，再者李四说到我也走了，最后张三回复到好的，双方的四次会话后，各奔东西，这四次会话相当于TCP中客户端与服务端之间的四次挥手；
  • 第一次挥手：客户端向服务端发起断开联接的请求；
  • 第二次挥手：服务端确认客户端的断开联接请求；
  • 第三次挥手：服务端向客户端的发起断开联接请求
  • 第四次挥手：客户端确认服务端的断开联接请求；
• 经过四次挥手，TCP联接断开关闭；