网络开发很重要，但是学起来，并不好学。主要原因有三个。一个是：知识点比较琐碎繁杂，场景难以实施呈现。另外一个是：网络开发往往涉及到多个终端，而不同的终端可能需要运行在不同的计算机环境中，这让系统架构变得困难，开发量增加。最后一个就是动态性能问题，网络环境受软硬件，访问量等各种因素影响，相对来说无法确定系统的实际允许结果。但是，掌握网络开发却是一件十分有意思的事情
文章目录
- 一、什么是协议？
- 二、两种分层体系模型
- 三、数据组织与传输
- 四、TCP四层模型
- 五、网络层机制
- 六、ARP协议与主机之间的通信
一、什么是协议？
协议（Protocol）是一组规则、约定或标准，它们定义了计算机网络中不同设备或程序之间交换数据的方式。这些规则确保了数据能够在网路中以一致和可预测的方式被发送、接收和解释。
- 敲定一种组织数据和传输数据的方式，然后，大家都认可和使用这种方式。这就是协议。
- 生活中的各种公认的规则都可以被看作是一种协议，例如：红绿灯信号、信件邮递、摩斯密码等。对于同台设备上的进程通信，有如管道、消息队列、共享内存、信号等方式，而对于不同设备上的进程间通信，就需要网络通信，由于设备是多样性的，所以要兼容多种多样的设备，就协商出了各种通用的网络协议。通过这些协议来保障数据的有效传输。
- 简单来说，在网路环境中，要组织数据，第一一部就是要确定数据交换的协议。然后我们从A主机按照敲定的协议组织数据，然后将组织好的数据传送给主机B，然后B主机按照同样的协议解析数据。从而完成AB主机之间的数据交换。
二、两种分层体系模型
OSI（Open Systems Interconnection Reference Model，开放系统互联基本参考模型），又称七层网络模型。
- 分层有什么好处？
- 分层隔离
- 灵活性好
- 易于实现和维护
- 促进标准化工作
| 层级 | 层名 | 作用 | 主要功能 |
|---|---|---|---|
| 第七层 | 应用层 | 提供网络服务和硬要用协议，与用户直接交互 | -网络服务（如HTTP、FTP、SMTP）、应用协议、用户接口 |
| 第六层 | 表示层 | 负责数据格式化和转换，确保不同系统间数据能正确解释 | 数据交换、数据加密、数据压缩 |
| 第五层 | 会话层 | 管理会话的建立、维护和终止，提供同步与恢复功能 | 会话管理、同步、对话控制 |
| 第四层 | 传输层 | 提供端到端的可靠数据传输，确保数据完整性。 | 端口管理、流量控制、错误校正（如TCP）、分段与重组 |
| 第三层 | 网络层 | 负责路由选择和网络间的通信，确保数据报到达目的地。 | 路由选择、逻辑地址（IP地址）、分段与重组 |
| 第二层 | 数据链路层 | 提供可靠的节点间数据传输，处理错误检测与纠正。 | 帧同步、流量控制、错误检测与纠正、MAC地址 |
| 第一层 | 物理层 | 定义物理和电气特性，传输比特流 | 比特流传输、传输介质（如铜线、光纤）、物理接口（如RJ45） |
三、数据组织与传输
当一段数据data从A主机传输到B主机时，中间的过程涉及多个步骤和协议层，这些步骤共同确保了数据能够准确、可靠地传输。
以下是数据从A主机传输到B主机的主要过程：
- 应用层处理
·数据封装：在A主机的应用层，数据data首先被封装成应用层协议可以理解的格式，比如HTTP请求中的消息体。
·发起请求：应用层软件（如Web浏览器、FTP客户端等）通过调用操作系统提供的接口，向传输层发起数据传输请求。 - 传输层梳理
·选择协议：根据应用需求选择合适的传输层协议，如：TCP（面向连接的可靠传输）或UDP（无连接的不可靠传输）。对于大多数需要确保数据完整性和顺序的传输，TCP是更常见的选择。
·建立连接（TCP）：如果使用TCP协议，A主机和B主机之间会首先建立一条TCP连接。这涉及三次握手过程，以确保双方都已准备好进行数据传输。
·数据分段与封装：TCP将应用层数据data分割成多个较小的段（segment），并为每个段添加TCP头部信息，包括序列号、确认号、窗口大小等，以便实现可靠传输。 - 网络层处理
·IP封装：在网络层，TCP段被封装成IP数据段（datagram），并添加IP头部信息，包括源IP地址、目的IP地址、生存时间（TTL）等。
·路由选择：网络层根据IP地址和路由表信息，决定数据报从A主机到B主机的最佳路径。数据报可能经过一个或多个路由器进行转发。 - 数据链路层处理
·帧封装：在数据链路层，IP数据报被封装成帧（frame），并添加帧头部和尾部信息，包括源MAV地址、目的MAC地址、帧类型等。
·物理传输：帧通过物理介质（如以太网电缆、光纤等）从A主机的网络接口传输到网络中的i第一个路由器或交换机。 - 传输过程中的处理
·路由转发：在传输过程中，每个路由器或交换机都会检查帧的目的MAC地址，并决定是否需要转发该帧。如果需要转发，路由器会根据路由表信息更新帧的MAC地址，并通过适当的接口将帧发送到下一个网络段。
·错误检测与纠正：在数据链路层和网络层，都会使用各种技术（如CRC校验）来检测传输过程中可能出现的错误。如果发现错误，可能会请求重发或丢弃错误的数据。 - 到达B主机
·数据接收：当数据帧到达B主机的网络接口时，它被接收并逐层向上传递。
·解封装与重组：在数据链路层和网络层，帧和IP数据报被解封装，还原出原始的TCP段。在传输层，TCP段被重新组合成原始的应用数据data。
·应用层处理：最后，应用层软件（Web服务器、FTP服务器等）接收并处理数据data。
四、TCP四层模型
对比OSI模型与TCP/IP模型：
- OSI模型的七层架构：（物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层、应用层）
- TCP/IP模型的四层架构：（网络接口层、互联网曾、传输层、应用层）
TCP四层层次和相应的协议
- 每一层的功能及其对应的协议
- 数据链路层的工作机制
数据链路层的主要任务是提供节点到节点之间可靠的数据传输
它通过将网路层传来的数据封装成帧（Frame）来实现，这些帧通过物理介质在局域网中传输。
常见的数据链路层协议是以太网协议（Ethernet）。
·帧的封装：在数据链路层，网络层的数据报（如IP包）被封装成数据帧。帧通常包含以下几个部分：
·帧头（Header）：包括源MAC地址、目标MAC地址、帧类型/长度等信息。 ·数据部分（Payload）：包含要传输的IP数据包 ·帧校验序列（ECS Frame Check Sequence）：用于检测数据在传输过程中是否发生错误。
·CSMA/CD机制（以太网有线网络）：
·载波监听多路访问/碰撞检测（CSMA/CD，Carrier Sense Multiple Access with Collsion Detection）是经典的以太网机制，用于检测和处理数据帧的冲突。
·当一个网络设备准备发送数据时，它首先监听网络介质。如果介质空闲，设备就开始发送数据；如果检测到数据冲突（如两个设备同时发送数据），设备会停止发送，等待一个随机的时间段再重试。
MAC地址的使用：MAC地址是硬件地址，是每个网络设备的唯一标识符。数据链路层使用MAC地址来确定数据帧的发送方和接收方。
- MAC数据帧的封包格式（以太网）
- IP层到MAC层的数据封装
1.IP数据报：在图的最上方，我们可以看到一个IP数据报，这就是来自IP层的数据包，包含了网络层的目的地址和源地址
2.MAC帧结构：
·目的地址（6字节）：目标设备的MAC地址，用于标识数据包的接收者。
·源地址（6字节）：源设备的MAC地址，用于标识数据包的发送者
·类型/长度字段（2字节）：标识上层协议类型（如IPV4或IPV6）或标识数据长度
·数据字段（46~1500字节）：实际传输的数据部分，这里承载的是IP数据报
·帧校验序列（FCS）（4字节）：用于检验帧在传输过程中是否出错。
46·1500个字节，46是因为以太网MAC帧长不能小于64字节，1500是因为以太网的最大传输单元（MTU）是1500字节。
- MAC层到物理层的数据封装
·前同步码（7字节）：以太网帧的前导部分，用于接收方的同步，帮助它识别帧的开始。通常由一组交换的1和0组成，例如：10101010…
·帧开始定界符（SFD，Start Frame Delimiter）（1字节）：紧随前同步码之后，用于标识帧的正式开始。通常是固定的字节（10101011）,与前同步码的最后一个字节不同。
8个字节，前7个都是10101010，最后一个是10101011；前7个字节用故意“唤醒”接收适配器，并将它们的时钟和发送方的时钟同步。第8个字节的最后两个比特（即两个“1”）警告接收适配器重要的内容要来了。
- 物理层上的表示
·物理层表示（浅粉部分）
数据在物理层上表示为一系列的比特流（0和1），这些比特流通过电信号或光信号在网络介质(如双绞线、光纤或无线电波)上传输。 - MAC地址的结构
MAC地址可以分为两部分：
·前24位（3字节）：组织唯一标识符（OUI，Organizationally Unique Identify），由IEEE分配给设备制造商，例如：00：1A：2B
·后24位（3字节）：设备标识符（NIC Specific），由制造商自行分配，确保在其生产的设备中唯一。例如：3C：4D：5E
一个示例的MAC地址：00：1A:2B:3C:4D:5E.
五、网络层机制
- 网络层的功能
网络层是位于传输层和数据链路层之间的一个关键层。它的主要任务是负责在不同主机之间传输数据包，提供路由选择和逻辑地址的管理。在这层上工作的主要协议是IP协议。
其主要功能包括：
1.路径选择（Rounting）：负责根据目标地址选择数据包的传输路径
2.数据转发（Forwarding）：将数据包从一台路由器转发到下一台路由器，直至到达目的地。
3.逻辑地址管理（Logical Addressing）：通过IP地址来标识网络中的每一台设备，确保数据能够到达正确的目的地。
4.分片与重组（Fragmentation and Reassembly）：在网络层可以将大数据包分割成更小的数据包（分片），然后再目的地重新组装。
网络层是无连接的，也就是说，在发送数据包前，它不会为每一个通信会话建立连接，数据包的发送是独立的，且无状态的。每一个数据包都单独寻址和处理，这也就是为什么网络层的通信被称为“尽力而为”的服务。
- IP协议
- IP数据报的结构
六、ARP协议与主机之间的通信
- 什么是ARP协议？
ARP（地址解析协议，Address Resolution Protocol）是一种用于再网络中将IP地址转换为MAC地址的协议。它属于TCP/IP协议栈中的网络层协议，通常在局域网（LAN）环境下使用，以确保IP数据包能够在以太网等网络中成功传输。 - ARP的工作原理
1.ARP请求（ARP Request）
···当一台主机（例如主机A）想要与同一局域网中的另一台主机（例如主机B）通信时，主机A需要知道主机B的MAC地址。如果主机A只知道主机B的IP地址（例如192.168.1.5），但不知道B的MAC地址，它就会通过广播发送一个ARP请求。
···这个ARP请求数据包的目的时：询问“谁是IP地址192.168.1.5的主机？”请告诉我你的MAC地址，此数据包的目标MAC地址是（FF：FF：FF：FF：FF），表示所有网络中的设备都会接收这个请求。
2.ARP应答（ARP Replyy）：
···网络中的所有设备接收到ARP请求后，只有拥有目标IP地址（即192.168.1.5）的设备（主机B）会响应。主机B会发送一个ARP应答数据包给主机A，其中包含了B的MAC地址。
···这个ARP应答是单播发送的，其目标MAC地址是主机A的MAC地址。
3.缓存结果：
···一旦主机A接收到主机B的ARP应答，它会将B的IP地址和对应的MAC地址存储在它的ARP缓存中，以备将来使用。这样，主机A无需每次都发送ARP请求来查找B的MAC地址。
···ARP缓存会定期更新或清除，以确保网络中的设备的信息都是最新的。
3.ARP的协议包
ARP包头格式
ARP数据包的格式定义了在ARP请求和应答中使用的字段。典型的ARP包头格式如下：
| 字段名 | 大小（字节） | 描述 |
|---|---|---|
| 硬件类型（Hardware Type，HTYPE） | 2 | 指定网络的类型，1表示以太网 |
| 协议类型（Protocol Type，PTYPE） | 2 | 指定要映射的协议地址类型，0x0800表示IPv4 |
| 硬件地址长度（Hardware Address Length，HLEN） | 1 | 硬件地址长度（MAC地址为6） |
| 协议地址长度（Protocol Address Length，PLEN） | 1 | 协议地址长度（IPv4地址为4） |
| 操作（Operation，OPER） | 2 | 指定操作类型：1为ARP请求，2为ARP应答 |
| 发送方MAC地址（Sender Hardware Address，SHA） | 6 | 发送方的MAC地址 |
| 发送方IP地址（Sender Protocol Address，SPA） | 4 | 发送方的IP地址 |
| 目标MAC地址（Target Hardware Address） | 6 | 目标方的MAC地址（ARP请求中为空） |
| 目标IP地址（Target Protocol Address，TPA） | 4 | 目标方的IP地址 |
4.ARP请求和应答的示例
假设主机A（IP地址：192.168.1.2，MAC地址：AA：AA：AA：AA：AA：AA）想要知道主机B（IP地址：192.168.1.5）的MAC地址
5.广域网主机之间的通信流程
在广域网中（WAN）环境下，例如主机A在北京，主机B在上海的情况下，主机A不需要知道B主机的MAC地址，原因在于，ARP协议只在同一个局域网（LAN）中使用，用于解析IP地址到MAC地址的映射。而在广域网中，不同网段的设备之间的通信依赖于网络层的IP地址和路由器的转发机制。
·广域网通信的实际过程
总结
