网络原理（网络协议初识）

目录

1.网络通信基础

 1.1IP地址

 1.2端口号

 1.3认识协议

1.4五元组 

1.5 协议分层

 2.TCP/IP五层（或四层）模型

2.1网络设备所在分层

2.2网络分层对应

 3.封装和分用

1.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。 

 1.1IP地址

        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 。

        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。

 1.2端口号

        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。简 单说：端口号用于定位主机中的进程。 

         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。

        其中：0 ~ 1023 为 知名端口号 ，这些端口预留给服务端程序绑定广泛使

用的应用层协议，

• 22端口：预留给SSH服务器绑定SSH协议
• 21端口：预留给FTP服务器绑定FTP协议
• 23端口：预留给Telnet服务器绑定Telnet协议
• 80端口：预留给HTTP服务器绑定HTTP协议
• 443端口：预留给HTTPS服务器绑定HTTPS协议

 1.3认识协议

          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。通常由三要素组成：   

 1. 语法：即数据与控制信息的结构或格式； 

2. 语义：即需要发出何种控制信息，完成何种动作以及做出何种响应；  

3. 时序，即事件实现顺序的详细说明。 

        协议（protocol）最终体现为在网络上传输的数据包的格式 

1.4五元组 

在TCP/IP协议中，用五元组来标识一个网络通信：

1. 源IP：标识源主机

2. 源端口号：标识源主机中该次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：标识目的主机中该次通信接收数据的进程

5. 协议号：标识发送进程和接收进程双方约定的数据格式

1.5 协议分层

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。

 2.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。

• 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。

2.1网络设备所在分层

• 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；

2.2网络分层对应

         网络数据传输时，经过不同的网络节点（主机、路由器）时，网络分层需要对应。 以下为同一个网段内的两台主机进行文件传输

 3.封装和分用

• 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，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

 下图为数据封装的过程