计算机网络体系结构-网络原理初识
1. 网络发展史
1.1 独立模式
计算机网络是指将地理位置不同、具有独立功能的多台计算机及其外部设备，通过通信线路和通信设备连接起来，在网络操作系统、网络管理软件及网络通信协议的管理和协调下，实现资源共享和信息传递
1.2 网络互连
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。
1.2.1 局域网 LAN
局域网，即 Local Area Network，简称 LAN。 Local 即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很多种:
- 基于网线直连：最简单的形式，用网线直接连接多台主机，仅适用于极少设备的场景
- 基于集线器组建：所有主机连接到集线器 (Hub) 上，属于物理层设备，收到信号后广播给所有端口
- 基于交换机组建：交换机 (Switch) 工作在数据链路层，可以精准识别目标设备，定向传输数据，是局域网主流组建方式
- 基于交换机和路由器组建：路由器 (Router) 负责连接不同局域网，搭配交换机可实现更复杂的内网结构
1.2.2 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。
如果有北、中、南等分公司，甚至海外分公司，把这些分公司以专线方式连接起来，即称为 “广域网”。 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，其实是指互联网。
注意：所谓 "局域网" 和 "广域网" 只是一个相对的概念。比如一个覆盖全省的专网，相对城市园区网是广域网，但相对全球互联网，又可以看做一个比较大的局域网。
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
概念
IP 地址主要用于标识网络主机、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。
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。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。
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 (protocol) 最终体现为在网络上传输的数据包的格式。
作用
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，还是有很多；
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？ 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。
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：
- 目的 IP：收件人地址
- 目的端口号：收件人
- 源 IP：寄件人地址
- 源端口号：寄件人
- 协议：快递类型
实操：可以在 cmd 中，输入命令查看网络数据传输中的五元组信息 如果需要过滤 (一般是通过端口号或进程 PID 过滤)，可以搭配
findstr关键字使用
cmd
// 查看所有活动连接的五元组 netstat -ano // 按端口号/PID过滤 netstat -ano | findstr 字符串3. 协议分层
对于网络协议来说，往往分成几个层次进行定义。
3.1 什么是协议分层
协议分层类似于打电话时，定义不同的层次的协议：
- 语言层：约定用汉语沟通，双方都遵循汉语的表达规则
- 通信设备层：电话机、电话系统负责语音信号的传输
两层之间通过固定接口对接，仅在通信设备层变更时，不影响语言层的沟通；仅在语言层变更时，不影响设备层的传输。实际的网络通信会更加复杂，需要分更多的层次。
3.2 分层的作用
为什么需要网络协议的分层？分层最大的好处，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):
- 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
- 只有相邻两层可以通信
- 上层协议调用下层协议
- 下层协议给上层协议提供服务
- 不能跨层通信
3.3 OSI 七层模型
OSI: 即 Open System Interconnection，开放系统互连
- OSI 七层网络模型是一个逻辑上的定义和规范：把网络从逻辑上分为了 7 层。
- 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。
OSI 七层模型划分为以下七层，每层功能概览：
- 应用层：针对每个应用的协议，直接和用户程序交互
- 表示层：处理设备固有数据格式和网络标准格式的转换
- 会话层：负责通信管理，建立和断开连接，管理会话时长
- 传输层：确保数据被可靠地传送到目标地址，处理数据丢失等问题
- 网络层：负责地址管理和路由选择，规划数据传输路径
- 数据链路层：负责数据帧的传送与识别、差错校验
- 物理层：定义光电信号的传输规则、连接器与网线的规格
注意：OSI 七层模型既复杂又不实用，所以 OSI 七层模型没有落地、实现。实际组建网络时，只是以 OSI 七层模型设计中的部分分层，也即是 TCP/IP 五层 (或四层) 模型来实现。
3.4 TCP/IP 五层 (或四层) 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。 典型协议：HTTP、HTTPS、DNS、FTP、SSH、SMTP 等
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。 典型协议：TCP、UDP、UDP-Lite 等
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。 典型协议：IP、ICMP、ARP 等
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、冲突检测、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、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。
注意：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，即将数据链路层和物理层合并为网络接口层。
3.5 网络设备所在分层
不同的网络设备，工作的协议层级不同：
- 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，也即是 TCP/IP 五层模型的下四层
- 对于一台路由器，它实现了从网络层到物理层，也即是 TCP/IP 五层模型的下三层
- 对于一台交换机，它实现了从数据链路层到物理层，也即是 TCP/IP 五层模型的下两层
- 对于集线器，它只实现了物理层
注意：我们这里说的是传统意义上的交换机和路由器，也称为二层交换机、三层路由器。随着现在网络设备技术的不断发展，也出现了很多 3 层或 4 层交换机，4 层路由器。我们以下说的网络设备都是传统意义上的交换机和路由器。
3.6 封装和分用
网络数据传输时，经过不同的网络节点 (主机、路由器) 时，需要经过封装和分用两个核心过程。
3.6.1 封装
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，完整的封装流程：
- 应用程序产生用户数据，交给应用层处理
- 传输层添加 TCP/UDP 首部，形成 TCP 段
- 网络层添加 IP 首部，形成 IP 数据报
- 数据链路层添加以太网首部和尾部，形成完整的以太网帧
- 最终转为光电信号，通过物理层传输介质发出
3.6.2 分用
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，这个过程称为分用。
分用的判断依据：
- 数据链路层：根据以太网首部中的帧类型，判断上层协议是 IP 还是 ARP 等
- 网络层：根据 IP 首部中的协议值，判断上层是 TCP 还是 UDP
- 传输层：根据 TCP 或 UDP 首部中的端口号，将数据交给对应的应用进程
网络通信流程，例如qq发消息
1、应用层获取用户输入，构造成一个数据包，遵守应用层协议，这个协议是程序员写的，发送的时候通过序列化成二进制流/字符串，接收的时候反序列化，假如我们约定数据格式如下
2、应用层调用传输层接口，传输层提供的API，把数据交给传输层，传输层拿到数据构造传输层数据包，传输层协议主要是两个TCP/UDP
3、传输层构造好数据包以后调用网络层API，网络层继续处理，网络层主要协议IP，IP协议对上面继续封装（IP协议不关心载荷信息，同理tcp也是）
4、IP层调用数据链路层API，把数据包交给数据链路层，数据链路层核心协议以太网
5、以太网将数据包交给硬件设备，网卡，网卡会把上述二进制信息，以光信号/电信号等发送出去
6、接收数据过程从下往上解开数据包
上述过程复杂，但是速度极快，这就是大概的网络通信流程
4.
网络从独立单机模式演进到局域网、广域网互联，核心目的是实现跨主机的数据传输与资源共享； 网络通信的核心三要素是 IP 地址、端口号、协议，通过五元组可以唯一标识一次网络通信； 协议采用分层设计思想，通过解耦提升扩展性与可维护性，OSI 七层是理论参考模型，TCP/IP 五层是实际落地的工业标准； 网络数据传输的核心是封装与分用，发送端从上到下逐层加首部打包，接收端从下到上逐层拆包分发； 不同网络设备工作在不同的协议层级，主机覆盖下四层、路由器下三层、交换机下两层、集线器仅物理层。