目錄

1. 網絡互連

1.1 局域網LAN

1.2 廣域網WAN

2?網絡通信基礎

2.1 IP地址

2.2 端口號

2.3 網絡協議

3. 五元組

4. 協議分層

4.1 OSI 七層網絡模型

4.2?TCP/IP 五層（或四層）網絡模型

4.3 網絡設備所在分層(經典筆試題)

5. 網絡數據傳輸的基本流程

5.1 發送方的工作(封裝)

5.2 接收方的工作(分用)

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1. 網絡互連

隨著時代的發展，越來越需要計算機之間互相通信，共享軟件和數據，即以多個計算機協同工作來完成業務，就有了網絡互連。

網絡互連：將多臺計算機連接在一起，完成數據共享。實現跨主機通信。咱們未來工作很可能是成為后端開發工程師，就是寫服務器．和客戶端通信，肯定會涉及到網絡。

數據共享本質是網絡數據傳輸，即計算機之間通過網絡來傳輸數據，也稱為網絡通信。根據網絡互連的規模不同，可以劃分為局域網和廣域網。

1.1 局域網LAN

局域網，即 Local Area Network，簡稱LAN。Local 即標識了局域網是本地，局部組建的一種私有網絡。（把幾個電腦，通過路由器，連接到一起）

局域網內的主機之間能方便的進行網絡通信，又稱為內網；局域網和局域網之間在沒有連接的情況下，是無法通信的。

局域網組建網絡的方式有很多種：

基于網線直連，基于集線器組建（一根網線，岔出來兩根），基于交換機組建（組建局域網，但是不能跨局域網），基于交換機和路由器組建。

路由器：wifi本質上就是個無線路由器，路由器本質上就是把兩個局域網給連起來.

現在也有帶路由功能（三層轉發）交換機也是很多很常見的，交換機和路由器之間的界限越來越模糊。

光貓算是路由器，路由器/交換機都是有電口(插網線的)，也有光口的(插光纖的)。光纖、網線等都是傳輸信號的介質。

1.2 廣域網WAN

廣域網，即 Wide Area Network，簡稱WAN。

通過路由器，將多個局域網連接起來，在物理上組成很大范圍的網絡，就形成了廣域網。廣域網內部的局域網都屬于其子網。

如果有北、中、南等分公司，甚至海外分公司，把這些分公司以專線方式連接起來，即稱為“廣域 網”。

如果屬于全球化的公共型廣域網，則稱為互聯網（又稱公網，外網），屬于廣域網的一個子集。

有時在不嚴格的環境下說的廣域網，其實是指互聯網。

所謂 "局域網" 和 "廣域網" 只是一個相對的概念(沒有明確的界線)。比如，我們有 "天朝特色" 的廣域網，也可以看 做一個比較大的局域網。

2?網絡通信基礎

網絡互連的目的是進行網絡通信，也即是網絡數據傳輸，更具體一點，是網絡主機中的不同進程間，基于網絡傳輸數據。

那么，在組建的網絡中，如何判斷到底是從哪臺主機，將數據傳輸到那臺主機呢？這就需要使用IP地址來標識。

2.1 IP地址

IP地址主要用于標識網絡主機、其他網絡設備（如路由器）的網絡地址。簡單說，IP地址用于定位主機(設備)的網絡地址。描述了一個設備，在網絡上的地址。就像我們發送快遞一樣，需要知道對方的收貨地址，快遞員才能將包裹送到目的地。

IP地址是一個32位的二進制數，通常被分割為4個“8位二進制數”（也就是4個字節數字），如：01100100.00000100.00000101.00000110。

通常用“點分十進制”的方式來表示，即 a.b.c.d 的形式（a,b,c,d都是0~255之間的十進制整數）。如：100.4.5.6。

• 特殊IP：127.*的IP地址用于本機環回(loop back)測試，通常是127.0.0.1本機環回。
• 主要用于本機到本機的網絡通信（系統內部為了性能，不會走網絡的方式傳輸），對于開發網絡通信的程序（即網絡編程）而言，常見的開發方式都是本機到本機的網絡通信。
• 在Windows系統中，打開cmd窗口中，輸入ipconfig命令，可以顯示你設備的IP地址(IPv4或IPv6地址旁邊的行)。

2.2 端口號

端口號用于描述某個具體的應用程序。區分一個主機上不同的程序。端口號也是一個整數，2個字節，相對較小的數字。0~65535范圍的數字，在網絡通信中，進程可以通過綁定一個端口號，來發送及接收網絡數據。

同一個主機上兩個不同的進程(跑起來的應用程序)，不能綁定同一個端口號。即一個端口號只能被一個程序綁定，但一個進程可以綁定多個端口號。

類似發送快遞時，不光需要指定收貨地址(IP地址)，還需要指定收貨人(端口號)。在實際的通信過程中，IP和端口往往是"一對"。

2.3 網絡協議

協議，網絡協議的簡稱，網絡協議是網絡通信（即網絡數據傳輸）經過的所有網絡設備都必須共同遵從的一組約定、規則。

所謂的協議，就是通信雙方進行的一種約定，發送方約好了我發的數據是啥樣的，接收方按照這個固定的格式來進行解析。

協議（protocol）最終體現為在網絡上傳輸的數據包的格式。

為什么需要協議？就好比見網友，彼此協商胸口插支玫瑰花見面，這就是一種提前的約定，也可以稱之為協議。

計算機之間的傳輸媒介是光信號和電信號。通過 "頻率" 和 "強弱" 來表示 0 和 1 這樣的信息。要想傳遞各種不同的信息，就需要約定好雙方的數據格式。

• 計算機生產廠商有很多；
• 計算機操作系統，也有很多；
• 計算機網絡硬件設備，還是有很多；
• 如何讓這些不同廠商之間生產的計算機能夠相互順暢的通信? 就需要有人站出來，約定一個共同的標準，大家都來遵守，這就是 網絡協議；

知名協議的默認端口

系統端口號范圍為 0 ~ 65535，其中：0 ~ 1023 為知名端口號(0 一般不使用)，這些端口預留給服務端程序綁定廣泛使用的應用層協議，如：

3. 五元組

五元組在網絡通信中的作用，類似于發送快遞：

可以在cmd中，輸入 netstat -ano 查看網絡數據傳輸中的五元組信息：

如果需要過濾（一般是通過端口號或進程PID過濾），可以使用 netstat -ano | findstr 過濾字符串

4. 協議分層

網絡協議整體的規模很大，整體實現就很復雜，更好的解決方式就是把一個大的復雜的協議，拆成多個小的更簡單的協議，每個協議負責一部分工作(負責一部分功能，化繁為簡)。

但某些小協議之間，起到的功能和作用是類似，針對這些按照協議的功能/作用，再進行"分類"("分層")。這就好比代碼拆分出很多類，有些類功能差不多，就可以放到同一個包里。構成了“協議棧”

分類并約定了不同層次之間的調用關系："上層協議，調用下層協議"，"下層協議，給上層協議提供支持"。

協議分層優點：

1. 每層協議不需要理解其它層協議的細節，降低了學習和維護成本（更好的做到了封裝）
2. 把對應層的協議替換成其他協議不會對整體產生影響（更好的解耦合）

當前互聯網世界，協議分層有兩種風格：OSI 七層網絡模型(沒有被實現)，TCP/IP 五層（或四層）網絡模型。

4.1 OSI 七層網絡模型

OSI 七層模型既復雜又不實用，存在于教科書中，并沒有被實現出來。

4.2?TCP/IP 五層（或四層）網絡模型

TCP/IP 是 OSI 簡化的實現方式。其中物理層是屬于純硬件層的，與程序員關系不大，所以也可以認為是 TCP/IP 是四層網絡模型。

TCP/IP是一組協議的代名詞，它還包括許多協議，組成了TCP/IP協議簇。

簡單版本理解：

• 應用層：應用程序相關的，描述了傳輸的數據，用戶要怎么使用等。
• 傳輸層：只關注數據傳輸起點和終點，不關注過程，端到端之間的傳輸。
• 網絡層：主要負責數據傳輸路徑的選擇，走哪條路劃算。路徑規劃
• 數據鏈層：主要負責相鄰兩個節點（主機、路由器等設備）之間，具體是怎么傳輸的。比如是通過網線、光纖、還是wifi等方式。
• 物理層：約定網絡通信中基礎硬件設備是什么樣的規格的。比如像通信使用的網線，網口等設備是什么樣的規格的。

TCP/IP通訊協議采用了5層的層級結構，每一層都呼叫它的下一層所提供的網絡來完成自己的需求。即上層協議要調用下層協議，下層協議給上層協議提供服務。越往下的，越接近硬件設備越往上，就越接近用戶。

詳細版本解讀：

4.3 網絡設備所在分層(經典筆試題)

• 對于一臺主機，它的操作系統內核實現了從傳輸層到物理層的內容，也即是TCP/IP五層模型的下四層；整個一臺主機，五層都會涉及到。
• 對于一臺路由器，它實現了從網絡層到物理層，也即是TCP/IP五層模型的下三層；
• 對于一臺交換機，它實現了從數據鏈路層到物理層，也即是TCP/IP五層模型的下兩層；
• 對于集線器，它只實現了物理層；

交換機的作用，是針對路由器的端口進行擴展。路由器上的端口可能是有限。

集線器的作用，是在物理層，把網線一分為二。兩條線是沖突的，同一時刻只能一個方向傳輸數據。(不常用)

注意這里說的是傳統意義上的交換機和路由器，也稱為二層交換機（工作在TCP/IP五層模型的下兩層）、三層路由器（工作在TCP/IP五層模型的下三層）。

隨著現在網絡設備技術的不斷發展，也出現了很多3層或4層交換機，4層路由器。以下說的網絡設備都是傳統意義上的交換機和路由器。

5. 網絡數據傳輸的基本流程

站在協議分層的背景下來理解。以QQ為例，用戶A給用戶B發送一個hello。

此處網絡數據傳輸的單位我們都以報來命名，不做區分。

5.1 發送方的工作(封裝)

用戶A在輸入框中輸入hello字符串，qq應用程序就把 字符串，給構造成一個 應用層數據報。

這里我們不清楚qq的 應用層協議具體的數據格式，每個應用程序都不一定一樣(自定義的)，

應用層協議，往往是根據具體的場景，具體的需要，由程序員自主決定的。

假設應用層協議的格式為：發送方qq號；發送時間；接收方qq號；消息內容

所謂的"應用層數據報"本質上就是一個遵守了約定格式的字符串(字符串拼接)。程序要調用操作系統的api，把這個應用層數據，交給傳輸層。

進入系統內核了，在傳輸層中要把上述應用層數據，構造成 傳輸層的數據報。

傳輸層使用到最知名的協議UDP或TCP。此處以UDP協議為例，就需要構造出 UDP數據報（在應用層數據基礎上，加個UDP報頭，“字符串拼接”）

所謂的"報頭"就是一個"標簽"，通過標簽表示當前要把這個消息怎樣進行傳輸。 傳輸層的協議報頭包含了源端口和目的端口。

UDP報頭是一個特定格式的字符串(二進制數據)，此處就像字符串拼接一樣，把報頭和后面的數據（載荷(payload)）拼到一起。

UDP數據報 = UDP報頭 + 數據載荷(Payload，也就是完整的應用層數據)

然后傳輸層就把這個UDP數據報，交給網絡層。

傳輸層使用到最知名的協議IР協議。基于上述數據，打包成一個 IP數據報。

IP報頭也是一個字符串，包含了另外一組信息(最核心的信息， 源IP和目的IP)

然后網絡層數據報準備好，還需要進一步的交給數據鏈路層。

數據鏈路層最知名的協議，叫做"以太網”，基于上述數據，還要打包成一個 "以太網數據幀"

以太網幀頭中包含最重要的信息是，源mac地址和目的mac地址

mac地址，也是用來描述一個設備在網絡上的地址的，主要關心的是兩個相鄰節點的數據傳輸。

然后數據鏈路層以太網數據幀準備好，繼續往下傳輸，交給物理層。

把上述數據，轉換成二進制的數據(一串0101)，通過電信號/光信號進行傳輸，此時就真正的把數據給發送出去了。

上述過程，從應用層到物理層，層層加碼。這個過程稱為"封裝”(這個封裝不是面向對象的封裝)

數據發送出去之后，就會經過一系列的交換機和路由器進行轉發，A和B一般來說不是直接網線連接的，中間還要經過很多的交換機/路由器設備進行轉發。

當數據到達B這邊之后，B就要針對上述數據進行"分用"(針對上述數據報進行層層的解析)。

5.2 接收方的工作(分用)

此處只考慮B的接收（省略中間的轉發過程）

物理層

網卡接收到的是光信號和電信號，是在物理層。

把這個光電信號轉換回二進制的數據。轉換回的這個數據，其實是一個以太網數據幀。把這個數據交給數據鏈路層中解析。

數據鏈路層以太網協議對這個數據進行解析，去掉幀頭和幀尾，取出載荷（IP數據報），交給上層網絡層。

以太網數據幀幀頭里有記錄，這個載荷是不是一個IP數據報。

網絡層（IP協議）對這個數據進行解析，解析出IP報頭，取出載荷（UDP數據報），交給上層傳輸層。

IP報頭里會記錄，載荷是UDP還是 TCP協議的數據報。

傳輸層（UDP協議）再對這個數據進行解析，解析出UDP報頭，取出載荷（應用層數據報），交給上層對應的應用層程序。

UDP報頭里有一個重要的字段"目的端口”，目的端口是一個具體的應用程序關聯在一起的，因此就可以根據這個端口把數據交給應用程序。

應用層qq應用程序，就會針對應用層協議也進行解析，顯示到界面上。

上述從下到上層層解析，這個過程稱為"分用"。

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