网络通信基础（网络通信基本概念+TCP/IP 模型）

我不是女神ヾ 2024-03-02 08:15 80阅读 0赞

#### 网络通信基础 ####

*  一、网络通信基本概念
 *   *  1、局域网 & 广域网
     *  2、IP地址
     *  3、端口号
     *  4、协议
     *  5、知名协议的默认端口
 *  二、TCP/IP 五层模型
 *   *  1、TCP/IP 协议簇
     *  2、在协议分层的背景下，数据如何通过网络传输？

## 一、网络通信基本概念 ##

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、局域网 & 广域网 ###

**局域网 LAN**：Local Area Network 其中 local 标识局域网是本地，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；

**广域网 WAN**：Wide Area Network 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。

所谓 “局域网” 和 “广域网” 只是一个`相对`的概念。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。

### 2、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。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。

**特殊 IP**：127.\*的IP地址用于本机环回(loop back)测试，IP 地址是127.0.0.1 本机环回主要用于本机到本机的网络通信（系统内部为了性能，不会走网络的方式传输），对于开发网络通信的程序（即网络编程）而言，常见的开发方式都是本机到本机的网络通信。

### 3、端口号 ###

**概念**：端口号是用于标识网络通信中特定应用程序或服务的数字标识符。在网络通信过程中，数据通过不同的端口号来传输到正确的应用程序或服务。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。

**注意事项**：同一主机两个不同的进程，不能绑定同一个端口号，但一个进程可以绑定多个端口号。

### 4、协议 ###

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`。

**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。

### 5、知名协议的默认端口 ###

系统端口号范围为 0 ~ 65535，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，如：

>  *  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**

## 二、TCP/IP 五层模型 ##

### 1、TCP/IP 协议簇 ###

在网络通信中，面对复杂度的环境就需要约定复杂的协议，协议太过于复杂，可以拆分为多个协议，通过对拆分的协议进行分类，对不同的类别进行分层，就约定了层级和层级之间的调用关系：要求上层协议调用下层协议，下层协议给上次协议提供支持，不能跨层调用。

**协议分层的好处**：

> 1.  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。
> 2.  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。
> 3.  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。

这里所说的 TCP/IP 协议是一种网络协议套件，它包含了多个协议，包括物理层、数据链路层、网络层、传输层、应用层 等多个层次。这些不同层次的协议共同构成了一个完整的网络协议体系。

TCP/IP通讯协议采用了五层的层级结构，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：应用层是TCP/IP模型的最顶层，包含了各种网络应用程序，它主要关注的是传输过来的数据要干啥用。其中一种广泛使用的应用层协议 HTTP、HTTPS。
>  *  传输层：负责两台主机之间的数据传输，不考虑中间路径，只关心起点和终点，能够确保数据可靠的从源主机发送到目标主机。比较常见的传输层协议有 TCP、UDP。
>  *  网络层：负责地址管理和路由选择，进行两个遥远网络结点之间路径规划。例如在网络层 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）。
>  *  数据链路层：负责设备之间的数据帧的传送和识别，主要关注两个相邻结点之间的传输。例如通过物理地址（如MAC地址）在相邻节点之间传输。数据链路层最典型的协议 以太网协议。
>  *  物理层：负责光/电信号的传递方式，通常指网络通信的基础设施。网线、光纤、网络接口等。

### 2、在协议分层的背景下，数据如何通过网络传输？ ###

答案就是：封装和分用

> 1.  封装：发送方发送数据，要把数据从上到下，依次交给对应的层次的协议，进行封装。
> 2.  分用：接收方接收数据，要把数据从下到上，依次交给对应的层次的协议，进行解析。

**（1）忽略中间转发过程的封装分用**

以李华使用微信给小明发送一条消息“Hello world”为例。下面是李华发送消息的封装过程：

![fb3f6c74980640a7942b07e571f6d81c.png][]

> 1.  首先在应用层，李华主机上的微信应用程序拿到上述数据后，首先会使用相应的应用层协议，将数据封装为应用层数据包。
> 2.  接着应用层调用传输层提供的 API 来处理这个数据，传输层拿到上述数据后，会使用传输层的协议对数据再次封装，上图以 UDP 协议为例。
> 3.  传输层调用网络层，网络层拿到 UDP 数据包后，使用网络层协议继续进行封装，上图以 IP 协议为例。
> 4.  网络层调用数据链路层，数据链路层拿到 IP 数据包后，使用数据链路层协议进行封装，上图用经典的以太网协议为例：
> 5.  数据链路层调用物理层，物理层拿到以太网数据帧后，就将上述的 0/1 二进制数据转化为光信号、电信号等进行传输。

以下是小明接收消息的分用过程：

![54cfd701097b449aa21390de1a29d142.png][]

> 1.  在物理层，小明的主机通过网卡接收到高低电平的二进制信号，通过信号解析，还原成 0/1 这样的二进制序列。
> 2.  接着物理层调用数据链路层，使用以太网协议，将上述 0/1 二进制数据还原成以太网帧，然后把帧头、帧尾去掉，取出以太网数据包的载荷，向上提交给网络层（以太网中有一个字段标志着网络层协议类型）。
> 3.  网络层拿到载荷后，根据载荷协议类型，这里是 IP 数据包进行解析，然后去掉 IP 报头，取出载荷向上提交给传输层（IP 数据包中有一个字段标志着传输层协议类型）。
> 4.  传输层拿到载荷，根据载荷协议类型，这里是 UDP 数据包进行解析，去掉 UDP 报头，取出载荷，根据端口号上交给应用层。
> 5.  应用层中的微信应用程序拿到载荷后，根据相应的应用层程序对载荷内容进行解析，取出相应的字段显示到前端页面。

**（2）真实网络环境中的封装分用**

![130bbe4882324b6288bd03d711eda19b.png][]

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