网络基础-网络协议

一、操作系统

操作系统:(Operating System，简称OS)是管理和控制计算机硬件与软件资源的计算机程序，是直接运行在“裸机”上的最基本的系统软件，任何其他软件都必须在操作系统的支持下才能运行。

计算机三层结构： 计算机(硬件) == > os == >应用软件

二、网络通信原理

一台硬件设备装上了操作系统再装上软件，我们就可以正常操作使用该设备了，很多人都有这样的设备，彼此独立\孤立，拿我国普通话为例，为了消除方言隔阂，以利社会交际，即定普通话是我国通用的语言标准，如果把计算机看做我国各地的人民，连接两台计算机间沟通的语言Internet实际上就是一系列统一的标准，称之为互联网协议（Internet Protocol Suite)，互联网本质就是一系列协议；
互联网协议的功能： 定义计算机如何接入internet，以及接入internet的计算机通信的标准。

三、osi七层协议

互联网协议按照功能不同分为osi七层或tcp/ip五层或tcp/ip四层
osl七层协议传输封包与解包过程

这里将应用层，表示层，会话层并作应用层，从tcp／ip五层协议的角度来阐述每层的由来与功能；
用户感知到的只是最上面一层应用层，自上而下每层都依赖于下一层，每层都运行特定的协议，越往上越靠近用户，越往下越靠近硬件；

1、物理层

物理层由来： 立的计算机之间要想一起玩，就必须接入internet
（光缆、电缆、网线、无线电波等物理介质连接起来），计算机之间必须完成组网；
物理层功能： 要是基于电器特性发送高低电压(电信号)，高电压对应数字1，低电压对应数字0

物理层百科

2、数据链路层

数据链路层由来： 单纯的电信号0和1没有任何意义，必须规定电信号多少位一组，每组什么意思；
数据链路层的功能： 定义了电信号的分组方式；
数据链路层百科
数据链路控制协议也称链路通信规程，也就是OSI参考模型中的数据链路层协议。链路控制协议可分为异步协议和同步协议两大类。

异步协议
以字符为独立的信息传输单位，在每个字符的起始处开始对字符内的比特实现同步，但字符与字符之间的间隔时间是不固定的（即字符之间是异步的）。由于发送器和接收器中近似于同 一频率的两个约定时钟，能够在一段较短的时间内保持同步，所以可以用字符起始处同步的时钟来采样该字符中的各比特，而不需要每个比特再用其它方法同步。异步协议中因为每个传输字符都要添加诸如起始位、校验位及停止位等冗余位，故信道利用率很低，一般用于数据速率较低的场合。

同步协议
同步协议是以许多字符或许多比特组织成的数据块——帧为传输单位，在帧的起始处同步，使帧内维持固定的时钟。实际上该固定时钟是发送端通过某种技术将其混合在数据中一并发送出去的，供接收端从输入数据中分离出时钟来，实现起来比较复杂，这个功能通常是由解调器来完成。由于采用帧为传输单位，所以同步协议能更有效地利用信道，也便于实现差错控制、流量控制等功能。同步协议又可分为面向字符的同步协议、面向比特的同步协议及面向字节计数的同步协议三种类型。
数据链路层的主要协议有：

1. 以太网（Ethernet)
2. 点对点协议（Point-to-Point Protocol)
3. 帧中继（Frame Relay)
4. 异步传输模式(Asynchronous Transfer Mode)

2.1 以太网协议

早期的时候各个公司都有自己的分组方式，后来形成了统一的标准，即以太网协议ethernet；
ethernet规定：

一组电信号构成一个数据包，叫做‘帧’；
每一数据帧分成：报头head和数据data两部分；
head包含：(固定18个字节)

发送者／源地址，6个字节
接收者／目标地址，6个字节
数据类型，6个字节

data包含：(最短46字节，最长1500字节)

数据包的具体内容：
head长度＋data长度＝最短64字节，最长1518字节，超过最大限制就分片发送；

2.2 mac地址

head中包含的源和目标地址由来：ethernet规定接入internet的设备都必须具备网卡，发送端和接收端的地址便是指网卡的地址，即mac地址；
mac地址： 每块网卡出厂时都被烧制上一个世界唯一的mac地址，长度为48位2进制，通常由12位16进制数表示（前六位是厂商编号，后六位是流水线号）
cmd查看地址命令

2.3 广播

有了mac地址，同一网络内的两台主机就可以通信了（一台主机通过arp协议获取另外一台主机的mac地址）
ethernet采用最原始的方式，广播的方式进行通信，即计算机通信基本靠吼；
举例同一局域网下有四台机器；
pc1以广播的方式发送以太网包给pc4，然而pc2, pc3都会收到，大家都收到pcl发来的包，拆开后发现目标mac如果不是自已就丢弃，如果是自已就响应；

3、 网络层

网络层由来： 有了ethernet、mac地址、广播的发送方式，世界上的计算机就可以彼此通信了，问题是世界范围的互联网是由
一个个彼此隔离的小的局域网组成的，那么如果所有的通信都采用以太网的广播方式，那么一台机器发送的包全世界都会收到，这就不仅仅是导致效率低的问题了，一份数据复制上亿份太恐怖了；

世界大网络由一个个小的彼此隔离的局城网组成，以太网包只能在一个局城网内发送，一个局城网是一个广播域，以太网的广播包只能在一个广播域内发送，跨广播城通信只能通过路由转发；

必须找出一种方法来区分哪些计算机属于同一广播域，哪些不是，如果是就采用广播的方式发送，如果不是，就采用路由的方式（向不同广播域／子网分发数据包），mac地址是无法区分的，它只跟厂商有关；
网络层功能： 引入一套新的地址用来区分不同的广播域／子网，这套地址即网络地址；
网络层百科

3.1 IP协议

规定网络地址的协议叫ip协议，它定义的地址称之为ip地址，广泛采用的v4版本即ipv4，它规定网络地址由32位2进制表示；
ipv6等详解见IP百科

范围0.0.0.0-255.255.255.255
一个ip地址通常写成四段十进制数，例：172.16.10.1

ip地址分成两部分；

网络部分： 标识子网
主机部分： 标识主机

单纯的ip地址段只是标识了ip地址的种类，从网络部分或主机部分都无法辨识一个ip所处的子网；
例：172.16.10.1与172.16.10.2并不能确定二者处于同一子网

ip数据包
ip数据包也分为head和data部分，无须为ip包定义单独的栏位，直接放入以太网包的data部分

head：长度为20到60字节
data：最长为65,515字节。

而以太网数据包的”数据”部分，最长只有1500字节。因此，如果IP数据包超过了1500字节，它就需要分割成几个以太网数据包，分开发送了。

3.2 子网掩码

”子网掩码”，就是表示子网络特征的一个参数。它在形式上等同于IP地址，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。比如，IP地址172.16.10.1，如果已知网络部分是前24位，主机部分是后8位，那么子网络掩码就是11111111.11111111.11111111.00000000，写成十进制就是255.255.255.0。

有了”子网掩码”，我们就能判断，任意两个IP地址是否处在同一个子网络。方法是将两个IP地址与子网掩码分别进行AND运算（两个数位都为1，运算结果为1，否则为0），然后比较结果是否相同，如果是的话，就表明它们在同一个子网络中，否则就不是。

比如，已知IP地址172.16.10.1和172.16.10.2的子网掩码都是255.255.255.0，判断它们是否在同一个子网络，将两者与子网掩码分别进行AND运算；

172.16.10.1：10101100.00010000.00001010.000000001
255255.255.255.0:11111111.11111111.11111111.00000000
AND运算得网络地址结果：10101100.00010000.00001010.000000001->172.16.10.0
 

172.16.10.2：10101100.00010000.00001010.000000010
255255.255.255.0:11111111.11111111.11111111.00000000
AND运算得网络地址结果：10101100.00010000.00001010.000000001->172.16.10.0

结果都是172.16.10.0，因此它们在同一个子网络。
总结：IP协议的作用主要有两个，一个是为每一台计算机分配IP地址，另一个是确定哪些地址在同一个子网络。

3.3 ARP协议

arp协议由来： 计算机通信基本靠广播的方式，所有上层的包到最后都要封装上以太网头，然后通过以太网协议发送，在谈以太网协议时候，我们了解到通信是基于mac的广播方式实现，计算机在发包时，获取自身的mac是容易的，想要获取目标主机的mac，就需要通过arp协议；
arp协议功能： 广播的方式发送数据包，获取目标主机的mac地址
ARP协议百科

4、传输层

传输层的由来：网络层的ip帮我们区分子网，以太网层的mac帮我们找到主机，然后大家使用的都是应用程序，你的电脑上可能同时开启qq，暴风影音，等多个应用程序，
那么我们通过ip和mac找到了一台特定的主机，如何标识这台主机上的应用程序，答案就是端口，端口即应用程序与网卡关联的编号。
传输层功能： 建立端口到端口的通信；
补充：端口范围0-65535，0-1024为系统占用端口；

一个非常重要的结论：

ip+port+mac=》全世界范围内独一无二的一个基于网络通信的软件

ip+port》全世界范围内独一无二的一个基于网络通信的软件

传输层百科

4.1 TCP协议

可靠传输，TCP数据包没有长度限制，理论上可以无限长，但是为了保证网络的效率，通常TCP数据包的长度不会超过IP数据包的长度，以确保单个TCP数据包不必再分割。

三次握手

举个栗子：把客户端比作男孩，服务器比作女孩。用他们的交往来说明“三次握手”过程：

1. 男孩喜欢女孩，于是写了一封信告诉女孩：我爱你，请和我交往吧！;写完信之后，男孩焦急地等待，因为不知道信能否顺利传达给女孩。
2. 女孩收到男孩的情书后，心花怒放，原来我们是两情相悦呀！于是给男孩写了一封回信：我收到你的情书了，也明白了你的心意，其实，我也喜欢你！我愿意和你交往！;
   写完信之后，女孩也焦急地等待，因为不知道回信能否能顺利传达给男孩。
3. 男孩收到回信之后很开心，因为发出的情书女孩收到了，并且从回信中知道了女孩喜欢自己，并且愿意和自己交往。然后男孩又写了一封信告诉女孩：你的心意和信我都收到了，谢谢你，还有我爱你！
   女孩收到男孩的回信之后，也很开心，因为发出的情书男孩收到了。由此男孩女孩双方都知道了彼此的心意，之后就快乐地交流起来了~~

这就是通俗版的“三次握手”，期间一共往来了三封信也就是“三次握手”，以此确认两个方向上的数据传输通道是否正常。

四次挥手

举个栗子：把客户端比作男孩，服务器比作女孩。通过他们的分手来说明“四次挥手”过程。
“第一次挥手”：日久见人心，男孩发现女孩变成了自己讨厌的样子，忍无可忍，于是决定分手，随即写了一封信告诉女孩。“第二次挥手”：女孩收到信之后，知道了男孩要和自己分手，怒火中烧，心中暗骂：你算什么东西，当初你可不是这个样子的！于是立马给男孩写了一封回信：分手就分手，给我点时间，我要把你的东西整理好，全部还给你！男孩收到女孩的第一封信之后，明白了女孩知道自己要和她分手。随后等待女孩把自己的东西收拾好。“第三次挥手”：过了几天，女孩把男孩送的东西都整理好了，于是再次写信给男孩：你的东西我整理好了，快把它们拿走，从此你我恩断义绝！“第四次挥手”：男孩收到女孩第二封信之后，知道了女孩收拾好东西了，可以正式分手了，于是再次写信告诉女孩：我知道了，这就去拿回来！这里双方都有各自的坚持。女孩自发出第二封信开始，限定一天内收不到男孩回信，就会再发一封信催促男孩来取东西！男孩自发出第二封信开始，限定两天内没有再次收到女孩的信就认为，女孩收到了自己的第二封信；若两天内再次收到女孩的来信，就认为自己的第二封信女孩没收到，需要再写一封信，再等两天……
倘若双方信都能正常收到，最少只用四封信就能彻底分手！这就是“四次挥手”。

TCP协议百科

4.2 UDP协议

不可靠传输：

UDP是一个无连接协议，传输数据之前源端和终端不建立连接，当它想传送时就简单地去抓取来自应用程序的数据，并尽可能快地把它扔到网络上。在发送端，UDP传送数据的速度仅仅是受应用程序生成数据的速度、计算机的能力和传输带宽的限制；在接收端，UDP把每个消息段放在队列中，应用程序每次从队列中读一个消息段。
由于传输数据不建立连接，因此也就不需要维护连接状态，包括收发状态等，因此一台服务机可同时向多个客户机传输相同的消息。
UDP信息包的标题很短，只有8个字节，相对于TCP的20个字节信息包而言UDP的额外开销很小。
吞吐量不受拥挤控制算法的调节，只受应用软件生成数据的速率、传输带宽、源端和终端主机性能的限制。
UDP是面向报文的。发送方的UDP对应用程序交下来的报文，在添加首部后就向下交付给IP层。既不拆分，也不合并，而是保留这些报文的边界，因此，应用程序需要选择合适的报文大小。
虽然UDP是一个不可靠的协议，但它是分发信息的一个理想协议。例如，在屏幕上报告股票市场、显示航空信息等等。UDP也用在路由信息协议RIP（Routing Information Protocol）中修改路由表。在这些应用场合下，如果有一个消息丢失，在几秒之后另一个新的消息就会替换它。UDP广泛用在多媒体应用中。
UDP协议百科

5、应用层

应用层由来：用户使用的都是应用程序，均工作于应用层，互联网是开发的，大家都可以开发自己的应用程序，数据多种多样，必须规定好数据的组织形式
应用层功能： 规定应用程序的数据格式。
例：TCP协议可以为各种各样的程序传递数据，比如Email、WWW、FTP等等。那么，必须有不同协议规定电子邮件、网页、FTP数据的格式，这些应用程序协议就构成了”应用层”。

常用协议等见应用层百科

四、实现网络通信的要素

想实现网络通信，每台主机需具备四要素：

1. 本机的IP地址
2. 子网掩码
3. 网关的IP地址
4. DNS的IP地址

获取这四要素分两种方式

1. 静态获取，即手动配置；
2. 动态获取，通过dhcp获取；

以太网头	ip头	udp头	dhcp数据包

1. 最前面的”以太网标头”，设置发出方（本机）的MAC地址和接收方（DHCP服务器）的MAC地址。前者就是本机网卡的MAC地址，后者这时不知道，就填入一个广播地址：FF-FF-FF-FF-FF-FF。

2. 后面的”IP标头”，设置发出方的IP地址和接收方的IP地址。这时，对于这两者，本机都不知道。于是，发出方的IP地址就设为0.0.0.0，接收方的IP地址设为255.255.255.255。

3. 最后的”UDP标头”，设置发出方的端口和接收方的端口。这一部分是DHCP协议规定好的，发出方是68端口，接收方是67端口。

这个数据包构造完成后，就可以发出了。以太网是广播发送，同一个子网络的每台计算机都收到了这个包。因为接收方的MAC地址是FF-FF-FF-FF-FF-FF，看不出是发给谁的，所以每台收到这个包的计算机，还必须分析这个包的IP地址，才能确定是不是发给自己的。当看到发出方IP地址是0.0.0.0，接收方是255.255.255.255，于是DHCP服务器知道”这个包是发给我的”，而其他计算机就可以丢弃这个包。

接下来，DHCP服务器读出这个包的数据内容，分配好IP地址，发送回去一个”DHCP响应”数据包。这个响应包的结构也是类似的，以太网标头的MAC地址是双方的网卡地址，IP标头的IP地址是DHCP服务器的IP地址（发出方）和255.255.255.255（接收方），UDP标头的端口是67（发出方）和68（接收方），分配给请求端的IP地址和本网络的具体参数则包含在Data部分。

新加入的计算机收到这个响应包，于是就知道了自己的IP地址、子网掩码、网关地址、DNS服务器等等参数

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网络基础之网络协议篇