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一、网络协议
1、 协议 是一种约定
2、协议分层
二、网络模型
1、OSI七层模型
2、TCP/IP五层(或四层)模型
三、网络传输基本流程
四、数据包封装和分用
五、网络中的地址管理
六、网络编程套接字
1、理解源IP地址和目的IP地址
2、端口号
理解 协议 是一种约定
2、协议分层
二、网络模型
1、OSI七层模型
2、TCP/IP五层(或四层)模型
三、网络传输基本流程
四、数据包封装和分用
五、网络中的地址管理
六、网络编程套接字
1、理解源IP地址和目的IP地址
2、端口号
理解 端口号 和 进程ID
理解源端口号和目的端口号
3、认识TCP、UDP协议
4、网络字节序
5、网络字节序和主机字节序的转换 一、网络协议
1、 协议 是一种约定 网络协议确实是一种约定它是规定数据在网络中传输的格式、规范、控制信息以及错误检测和恢复机制等一系列规则的集合。为了确保全球各地不同制造商生产的计算机、操作系统以及网络硬件设备能够无缝协同工作共同理解彼此发送和接收的信息网络协议的存在至关重要。
举例来说就像人类社会中的人们用同一种语言交流一样不同地区的方言各异如果想要所有人无障碍沟通就需要制定一个通用的语言规范如普通话或国际通用的英语。
在网络世界里TCP/IP协议族就扮演着这样的角色它包含了多个子协议如TCP传输控制协议和IP互联网协议等这些协议共同定义了数据在网络中封装、传输、路由以及到达目的地后解包还原的过程。
举个具体的例子TCP/IP协议确保了无论是Linux、Windows还是Mac OS操作系统的计算机只要它们都遵循TCP/IP协议就能够通过网络发送和接收数据即便它们的内部实现、硬件配置千差万别。在网络协议的框架下计算机之间通过特定的比特流如通过高低电平或光脉冲强度表示的0和1按照预先设定的格式编码信息进而实现跨地域、跨平台、跨设备的有效通信。这就是网络协议在计算机通信中的核心作用。
2、协议分层 这张图片展示了一个协议分层的概念通过一个打电话的例子来说明。在图中协议被分为两个层次语言层和通信设备层。
在语言层有两个协议汉语协议和英语协议。在通信设备层也有两个协议电话机协议和无线电协议。通过这个例子我们可以看到如何使用不同的协议来实现不同的人之间的通信。例如如果A和C都使用汉语协议他们可以通过电话机进行通信。同样地如果B和C都使用英语协议他们也可以通过电话机进行通信。
分层的最大好处是封装。这意味着每个层次只关心它自己的功能而不必关心其他层次的功能。这样可以使得系统更加模块化更容易维护和扩展。
面向对象编程OOP也遵循类似的原理。在OOP中我们把对象划分为不同的类每个类都有自己的属性和方法。这些类之间可以通过接口进行交互而不需要知道对方的具体实现细节。这样可以使代码更加清晰、易于理解和维护。
二、网络模型
1、OSI七层模型
OSIOpen System Interconnection开放系统互连七层网络模型是一个详尽的逻辑架构方案它将复杂的网络通信过程分解为七个相互关联且功能独立的层次。这个参考模型不仅为计算机网络的设计和理解提供了一个标准框架而且确保了不同类型的主机之间能够有效地进行数据传输和互操作。
在OSI七层模型中每一层都对应着相应的功能集以及可能存在的物理设备组件如路由器在第三层网络层处理数据包转发交换机则主要在第二层数据链路层执行帧交换任务。该模型的重要特征在于它将服务、接口和协议这三者的角色做出了清晰的区分从而使得理论分析更为透彻、系统设计更为有序。 然而尽管OSI七层模型在理论上具有高度完整性及一致性但在实际应用中由于其结构较为复杂且实施成本较高导致并未被广泛采纳为直接的操作标准。相比之下更为简洁且实用的TCP/IP四层模型或五层模型因某些解释而异成为了现代互联网通信的基础架构它们虽然没有严格按照OSI的七层划分但实现了类似的层次化功能分离并且更适应实际网络环境的需求。
2、TCP/IP五层(或四层)模型 TCP/IP协议族不仅仅是一个协议名称它实际上涵盖了众多相互协作的协议集合共同构成了当今互联网通信的核心基础。这一协议簇采用了一种五层或根据某些划分方式也可视为四层的层级体系结构每一层均依赖于其下一层提供的服务以便完成自身的特定功能需求。 物理层作为最底层物理层关注的是数据传输的物理媒介与信号形式它决定了数据在网络中的实际传输方式包括传输速率、传输距离、抗干扰性能等因素。常见的物理层介质包括双绞线、同轴电缆、光纤以及无线电磁波等。集线器Hub即工作在物理层仅负责信号的简单放大和转发。 数据链路层这一层主要负责设备间的帧数据传输和识别。涉及的具体工作内容包括网卡驱动程序、帧同步机制即如何识别新的数据帧起始点、冲突检测与避免如CSMA/CD机制、错误检测与纠正等。以太网、令牌环网、无线局域网WLAN等均为数据链路层的标准实例。交换机Switch在此层面上运行通过学习MAC地址表来实现数据帧的高效传输。 网络层该层核心职责是进行地址管理和路径选择其中最为人熟知的就是IP协议。网络层利用IP地址来唯一标识网络中的每一台主机并通过维护和更新路由表来规划并决定数据报文在两台主机间的最佳传输路径。路由器Router便是在网络层工作的设备它们基于路由算法指导数据包在不同网络间穿梭。 传输层这一层次的主要任务是确保数据可靠地从源主机传送到目标主机。传输控制协议TCP就是一个典型的例子它提供了面向连接、可靠的数据传输服务保障了数据传输的顺序性和完整性。 应用层位于模型顶层的应用层专注于解决应用程序间的通信问题它定义了一系列协议标准以支持各种网络应用服务例如简单邮件传输协议SMTP、文件传输协议FTP、远程登录协议Telnet等。对于网络开发人员而言日常工作中接触最多的便是应用层协议及其编程接口。 在实际应用中物理层的技术细节往往较少受到普通用户的关注因此在讨论网络架构时人们常常提及的是TCP/IP四层模型。在这个简化模型中各网络设备对协议栈各层的实现各有侧重 对于一台主机其操作系统内核通常会全面实现从传输层直至物理层的所有功能以确保主机能够在网络环境中进行高效且稳定的数据通信。 对于路由器设备其核心功能集中在实现从网络层至物理层的协议通过IP寻址和路由选择机制保证数据包能在不同网络间正确传输。 在交换机层面其主要实现从数据链路层至物理层的功能负责在局域网内部根据MAC地址进行快速、准确的数据帧转发。 集线器作为一种较为基础的网络设备仅仅实现了物理层的功能即对信号进行放大和再生再无其他智能处理能力。
然而实际情况并不总是如此绝对。随着技术的发展一些高端交换机产品也开始实现网络层的转发功能能够进行类似于路由器的IP路由决策同时部分路由器也在原有功能基础上扩展了对传输层的支持例如通过端口转发等技术实现更高层次的服务。这些发展反映了网络设备功能融合的趋势进一步提升了网络通信的灵活性与效率。
三、网络传输基本流程 网络传输流程图 同一个网段内的两台主机进行文件传输 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. 四、数据包封装和分用 在计算机网络通信过程中数据包经过层层处理以确保信息能够在不同网络间有效传输。具体来说
当应用层数据准备通过网络发送时它会经历一个被称为封装Encapsulation的过程。在这一过程中每经过一个协议层原始数据就会被附加一个特定的协议头header这些头包含了关键的信息元数据。例如它们记录了各自层协议的控制信息诸如首部长度、负载payload数据大小以及用于指示上层协议类型的字段等。在传输层原始数据会被封装成段segment如在TCP协议中在网络层数据进一步被打包为数据报datagram如在IP协议中而在数据链路层则形成帧frame如在以太网协议中。封装完成后数据帧便会被传输到物理介质上跨越可能涉及多个网络节点的传输路径直到达到目的地主机。抵达目标主机后数据包的逆向过程随之展开即数据分用Decapsulation。每层协议会依据自身协议头信息逐层剥离掉已不再需要的协议首部直至恢复原始应用层数据。分用过程中协议层会特别关注首部中的“上层协议字段”以此识别并将解封后的数据递交给正确的上层协议进行进一步处理。这样原本在网络中封装起来的复杂信息得以还原并最终送达相应的目的应用程序。 下图为数据封装的过程 五、网络中的地址管理 在计算机网络中地址管理扮演着至关重要的角色其中两个关键的地址类型分别为IP地址和MAC地址。 IP地址的理解 IP协议共分为两个主要版本IPv4和IPv6。在本课程未作特殊声明的情况下所提及的IP协议默认指的是IPv4版本。IP地址在IP协议体系中是用来唯一标识网络中各个主机和设备的一种逻辑地址。对于IPv4协议而言IP地址是一个由四个字节组成、总计32位的二进制整数。为了便于人类阅读和记忆IP地址通常采用“点分十进制”格式表示例如“192.168.0.1”。这里的每一个点分隔的数字代表一个字节取值范围是从0到255。 MAC地址的认知 MAC地址即Media Access Control Address主要用于在数据链路层识别网络中直接相连的节点如网络适配器网卡。MAC地址的长度固定为48位相当于6个字节。在实践中MAC地址常以十六进制数串联并用冒号分隔的形式显示例如“08:00:27:03:fb:19”。值得注意的是MAC地址在网卡生产制造时就已经固化并且在大多数情况下是不可更改的因此理论上每块网卡的MAC地址应该是全球唯一的。不过在虚拟化环境下虚拟机可能会使用非真实物理硬件生成的MAC地址这就可能导致MAC地址的重复另外也有部分网卡允许用户在一定程度上自定义MAC地址但这并非普遍现象。 六、网络编程套接字 1、理解源IP地址和目的IP地址 在Internet协议IP层面源IP地址和目的IP地址是核心的元素它们共同构成了数据包在网络中传输的基础寻址信息。源IP地址是发送数据包设备的IP地址而目的IP地址则是接收数据包设备的IP地址。通过这两个地址网络中的路由器和其他网络设备能够正确地将数据包从源点转发到目的地。 然而仅凭IP地址并不能完全实现应用程序间的具体通信。这是因为IP地址只是识别了网络上的特定主机但它并没有指出在主机内部哪个进程或服务应该接收这个数据包。例如在QQ消息传递的过程中即使我们知道了对方主机的IP地址也无法直接通过IP地址来判断数据应当被哪个QQ客户端程序接收。 为了更准确地定位到主机内部的服务或进程我们需要另一层协议的帮助这就是传输层的协议如TCP传输控制协议或UDP用户数据报协议。在TCP/IP协议簇中除了IP地址外还使用端口号Port Number来标识主机上的特定服务或应用程序。当一个数据包到达目的主机时它的目的IP地址帮助主机确定数据包是否为自己所有而目的端口号则告诉主机的操作系统应该将这个数据包交给哪个正在监听该端口的应用程序去处理。 所以为了完整地完成类似QQ消息这样的应用程序通信不仅需要源IP地址和目的IP地址还需要源端口号和目的端口号。这四个值共同组成了一对套接字Socket即源IP源端口目的IP目的端口这样才能确保数据能准确地从发送方的一个进程传递到接收方的对应进程。 2、端口号 端口号port number是计算机网络中传输层协议如TCP和UDP的重要组成部分用于标识主机上运行的应用程序或服务。端口号是一个16位的无符号整数范围从0到65535其中一些端口号是预先定义的标准服务端口号例如HTTP服务使用80端口FTP服务使用21端口等。
-----------------
| 客户端 |
| 进程 (A) |
| 端口 X |
----------------------------------
| 网络层 |
----------------------------------
| 服务器 |
| 进程 (B) |
| 端口 Y |
-----------------
假设有两个不同的IP地址IPA和IPB分别代表两个不同的机器或服务器。
在左侧有一个软件客户端它通过公网IP地址与服务器进行通信。这个过程涉及到客户端进程和服务器进程之间的交互。在正常情况下我们可能会认为网络通信的目标是将数据发送到对方的机器上但这并不是真正的本质。
实际上网络通信的本质是进程间的通信。这意味着当数据在网络中传输时最终的目标是将这些数据交付给指定的进程。因此将数据在主机之间转发只是一个手段而不是目的本身。
为了实现这个目标我们需要确保数据能够正确地路由到正确的进程。这通常涉及到使用端口号来标识不同的进程并且需要在网络层面上进行相应的配置和管理。
理解 端口号 和 进程ID
端口号与进程IDPID的关系在于它们都是用来标识主机内部资源的。
进程ID是操作系统为每一个运行中的进程分配的唯一标识符而端口号则是为了让操作系统知道哪个进程应该接收特定网络数据流。当一个进程打开一个网络套接字并请求绑定到一个特定端口时操作系统会确保同一时刻没有其他进程也绑定到该端口从而保证端口号与进程之间的一一对应关系。不过需要注意的是一个进程实际上可以同时绑定并监听多个端口但这并不意味着多个进程可以同时绑定同一个端口。
比如10086在中国移动的客服系统中10086就是一个众所周知的端口号它可以被手机营业厅软件一个进程监听当用户的手机向10086端口发起连接请求时运营商的服务器就会将请求转交给监听该端口的特定进程处理。
理解源端口号和目的端口号
源端口号就像唐僧发送者从自家的佛经室源端口发出一份经书数据包这个源端口号告诉其他网络参与者这份经书是从哪个源头发出的。目的端口号假设目标是孙悟空接收者那么目的端口号就如同孙悟空所在的花果山水帘洞目的端口经书最终是要送达这个地方由孙悟空接收并处理。
送快递例子源端口号就好比快递员从A地发货站点源地址源端口发出包裹目的端口号则是收件人B地的收货地址目的地址目的端口。在TCP/IP协议中源端口号表示数据发送方的应用进程目的端口号表示数据接收方的应用进程。数据段中的这两个端口号组合起来就能确保数据被正确地从源进程传递到目的进程。
3、认识TCP、UDP协议
TCPTransmission Control Protocol作为传输层的核心协议之一以其建立有序、可靠的数据传输通道而著称。
在通信开始阶段TCP采用三次握手建立连接确保双方的通信准备就绪。在数据传输过程中TCP具备序列号与确认应答机制能够确保数据包按序送达同时通过重传机制解决丢包问题通过流量控制和拥塞控制策略优化网络资源利用。总之TCP提供一种面向连接、可靠的字节流服务确保数据的完整性、顺序性和稳定性。
UDPUser Datagram Protocol同样位于传输层但在设计哲学上更侧重于简洁与速度。
UDP采用无连接的工作模式即发送数据前无需预先建立连接数据包能够独立发送但这也意味着它不保证数据的可靠传输和顺序交付。每个UDP数据报被视为独立的信息单元其传输过程可能丢失、乱序或重复但这种特性使其非常适合于那些对延迟敏感、容忍一定丢包率且需要快速响应的应用场景例如在线视频、实时通信、网络广播等。总的来说UDP提供的是面向数据报的、无连接且不可靠的服务。
4、网络字节序 我们知道在内存中存储多字节数据时存在大端和小端两种方式它们决定了多字节数据在内存地址空间内的排列顺序。同样的磁盘文件中的多字节数据相对于文件偏移地址也存在大端小端的差异。而在网络数据流中数据的字节顺序同样是个重要问题。 对于网络数据流尽管不存在具体的“地址”概念但我们可以将其抽象理解为发送主机将待发送缓冲区中的数据按照内存地址从低到高的顺序逐个发出相应地接收主机接收到网络上的字节流后也会按照内存地址从低到高的顺序将这些数据依次存放在接收缓冲区中。基于此逻辑我们约定在网络数据流中先发送的数据视为低地址部分后发送的数据则是高地址部分。 按照TCP/IP协议的规定网络数据流应当采用大端字节序Big-Endian也就是说高位字节存储在低地址处。无论是大端主机还是小端主机在进行网络通信时都必须遵循这一网络字节序标准。 举例来说如果我们想要将十六进制数0x1234abcd写入从0x0000开始的内存区域那么依据大端和小端的不同字节序存储结果如下 大端模式Big-Endian 地址 0x0000 存储字节 0x12地址 0x0001 存储字节 0x23地址 0x0002 存储字节 0xab地址 0x0003 存储字节 0xcd 小端模式Little-Endian 地址 0x0000 存储字节 0xcd地址 0x0001 存储字节 0xab地址 0x0002 存储字节 0x34地址 0x0003 存储字节 0x12 所以如果当前发送主机是小端系统它在发送数据前需将本地小端格式转换为网络要求的大端格式若主机本身就是大端系统则可以直接按照大端格式发送数据。 5、网络字节序和主机字节序的转换 为了确保网络程序能在大端和小端架构的计算机上都能顺利编译和运行程序员可以借助 arpa/inet.h 库提供的四个转换函数来处理网络字节序与主机字节序之间的切换从而提高程序的可移植性。这四个函数分别是 uint32_t htonl(uint32_t hostlong);uint16_t htons(uint16_t hostshort);uint32_t ntohl(uint32_t netlong);uint16_t ntohs(uint16_t netshort); 这些函数名称的设计直观易记“h”代表host主机n代表network网络l表示32位长整型“s”表示16位短整型。具体含义如下 htonl将32位的主机长整型数值转换为网络字节序。例如在发送IP地址时确保其符合网络传输的标准字节序。htons将16位的主机短整型数值转换为网络字节序。ntohl将32位的网络长整型数值转换为主机字节序。在接收网络数据时确保数据能被正确解析。ntohs将16位的网络短整型数值转换为主机字节序。 在实际操作中若主机是小端字节序低位字节存储在低地址调用这些函数时会将输入的参数进行大小端转换后再返回结果。反之如果主机已经是大端字节序高位字节存储在低地址这些函数则会原样返回输入的参数无需进行任何转换操作。如此一来无论在哪种类型的计算机系统上编译和运行程序都能够正确处理网络数据的字节序问题。
