網絡基礎（協議，地址，OSI模型、Socket編程......）

一、計算機網絡發展

二、協議

1.認識協議

2.OSI七層模型

3.TCP/IP 五層(或四層)模型

4.協議本質

三、網絡傳輸流程

1.MAC地址

2.協議棧

3.IP地址

IP地址 vs MAC地址

1. 核心區別

2. 具體通信過程類比

3. 關鍵總結

為什么需要兩者？

4.協議棧圖解

Socket編程

1.端口號

2.TCP/UDP協議

3.網絡字節序

4.sockaddr 結構

一、計算機網絡發展

????????計算機作為人類協作的重要工具，其互聯需求天然催生了網絡技術的發展。最初，局部范圍內的連接需求推動了局域網（LAN）的誕生，這些網絡如同散落世界各地的數字節點，滿足著特定區域內的資源共享需求。隨著協作范圍的擴大，跨地域的局域網間產生了交互需求，這種拓撲擴展最終催生了覆蓋更廣域的廣域網（WAN）技術。網絡技術從LAN到WAN的演進，本質上映射著人類協作邊界不斷突破物理空間限制的過程。

????????所謂“局域網”（LAN）和“廣域網”（WAN）只是一個相對的概念. 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。

二、協議

1.認識協議

????????“協議”是一種約定，計算機要進行交流就需要有協議，就像人與人之間要進行交流就需要有語言，而語言、手語、摩斯密碼等這些都是人們的一種約定。

????????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。

但是只要兩臺主機約定好協議就可以了嗎？

????????并不是的，如果你用頻率表示 01，我用強弱表示 01，就好比我用中國話，你用葡萄牙語一樣，雖然大家可能遵守的一套通信規則，但是語言不同，即是訂好了基本的協議，也是無法正常通信的。這就需要我們定制一個統一的協議或標準，通常是業界公認或者具有江湖地位的組織或者公司來做這件事情。比如有國際標準化組織IEEE，ISO等。

????????IEEE（電氣和電子工程師協會）：這是一個由計算機和工程領域專家組成的龐大技術組織，在通信協議領域貢獻突出。 IEEE 制定了全世界電子、電氣和計算機科學領域 30%左右的標準，包括 IEEE 802 系列標準，這些標準涵蓋了從局域網（LAN）到廣域網（WAN）等多種網絡技術。

????????ISO（國際標準化組織）： ISO 是由多個國家的標準化團體組成的國際組織，它在開放系統互連（OSI）模型方面的工作尤為著名。 OSI 模型定義了網絡通信的七層協議結構，盡管在實際應用中， TCP/IP 協議族更為普遍，但 OSI 模型仍然在學術和理論研究中占有重要地位。

2.OSI七層模型

協議分層好處

????????協議本質也是軟件，在設計上為了更好地進行模塊化，解耦合，也是被設計成為層狀結構的。

這樣的話，層與層之間互不干擾，一層的改變不會牽扯另一層，可以隨意切換。

????????事實上計算機內部的設備與設備之間也需要交互，同樣需要協議。那么現在開啟你的想象力，計算機之間的通信可以這樣理解：把你的計算機硬件拆成各個小零件，然后你的內存在海南，CPU在東北，磁盤在新疆，它們之間用長長的線連接組成了你的計算機。

???????我的意思是，計算機內部馮·諾伊曼體系本身就是一個網絡結構，網絡通信和本地計算機硬件之間的交互沒本質區別，無非就是從非常短的距離變成了超長距離而已。然而距離一旦變長就會遇到很多新的問題，而協議就是用來解決這些問題的。

如何處理數據?	應用層...
數據丟了怎么辦？?	傳輸層
怎么定位目標主機？	網絡層
怎么解決當下要去哪里？	數據鏈路層...

3.TCP/IP 五層(或四層)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。
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。

物理層: 負責光/電信號的傳遞方式. 比如現在以太網通用的網線(雙絞線)、早期以太網采用的的同軸電纜(現在主要用于有線電視)、光纖, 現在的 wifi 無線網使用電磁波等都屬于物理層的概念。物理層的能力決定了最大傳輸速率、傳輸距離、抗干擾性等. 集線器(Hub)工作在物理層。
數據鏈路層: 負責設備之間的數據幀的傳送和識別. 例如網卡設備的驅動、幀同步(就是說從網線上檢測到什么信號算作新幀的開始)、沖突檢測(如果檢測到沖突就自動重發)、數據差錯校驗等工作. 有以太網、令牌環網, 無線 LAN 等標準.，交換機(Switch)工作在數據鏈路層。
網絡層: 負責地址管理和路由選擇. 例如在 IP 協議中, 通過 IP 地址來標識一臺主機, 并通過路由表的方式規劃出兩臺主機之間的數據傳輸的線路(路由). 路由器(Router)工作在網路層。
傳輸層: 負責兩臺主機之間的數據傳輸. 如傳輸控制協議 (TCP), 能夠確保數據可靠的從源主機發送到目標主機。
應用層: 負責應用程序間溝通，如簡單電子郵件傳輸（SMTP）、文件傳輸協議（FTP）、網絡遠程訪問協議（Telnet）等. 我們的網絡編程主要就是針對應用層。
?

????????在傳輸層最出名的協議是TCP，網絡層最出名的協議是IP，所以把這個模型叫作TCP/IP模型。

4.協議本質

????????主機之間雖然系統可能不同，但它們的協議棧都是嚴格按標準實現的，所以它們可以互相通信。

? ? ? ? 協議的本質是結構體，系統之間使用相同的結構體，約定好各個字段的含義，那么數據從哪里來到哪里去，要怎么用，它們都能看懂。這就像一個快遞單。

注：網絡通信貫穿了整個操作系統。

三、網絡傳輸流程

????????局域網（Local Area Network, LAN）是指覆蓋范圍較小（如家庭、辦公室、校園等）的網絡，其核心特點是高帶寬、低延遲和私有管理。

????????局域網發展是從計算機之間在小區域上的合作，最初幾乎每個區都有自己的協議，隨著網絡的發展很多區域之間也需要合作，那就需要統一的協議，所以有很多的協議都被淘汰，只有少部分被保留下來，如以太網，令牌環網，無線LAN等。

這里所指的協議都是在數據鏈路層的，接下來以以太網為例，給大家講解數據的傳輸。

以太網這個名字的由來

????????19世紀，科學家們覺得宇宙里必須有一種介質叫“以太”，光才得以傳播，就像聲音傳播必須有介質一樣。結果后來一群科學家一拍大腿：“這玩意兒根本不存在！”（邁克耳遜-莫雷實驗室錘打臉）。但“以太”這詞兒沒退休，反而被程序員薅走了羊毛，計算機科學家弄出來局域網通信標準后給它起名為以太網，內涵一下物理圈。

1.MAC地址

????????MAC地址是用來標識計算機的唯一性，用48比特位儲存，被寫死在計算機網卡中，是全球唯一的。

????????如上是主機之間在數據鏈路層的通信，在一個局域網內主機A給主機E發數據，這個過程所有的主機都能看到（叫泛洪），但只有跟目標MAC值相同的才會去接收，其他主機相當于吃瓜群眾。一個主機去接收不是發給自己的數據，這個過程就叫抓包。

那么試想一下如果很多臺主機一起發數據會發生什么？所以

以太網中，任何時刻，只允許一臺機器向網絡發送數據。
如果多臺同時發送，會發生數據干擾，稱之為數據碰撞。
沒有交換機的情況下，一個以太網就是一個碰撞域。
所有發送數據的主機要進行碰撞檢測和碰撞避免。

所以這也是一個網用的人越多就越卡的原因。以太網本質就是共享資源，具有互斥屬性。

2.協議棧

主機之間通信本質是協議棧在通信，我們把各主機都看做協議棧。

????????數據在走過每一層時都需要添加當層特有的字段，稱為報頭，除報頭外的稱為有效載荷，即

報文=報頭+有效載荷。

????????注意：有效載荷是指該層的報頭除外的部分，因為該層并不關心前面幾層加了什么報頭，都看做一塊數據。

如下：

在不同層報文有不同的名稱：

數據鏈路層：數據幀。
網絡層：數據報。
傳輸層：數據段。
應用層：請求與應答。

細節1：

對于應用層協議除外的所有協議，要滿足以下兩點：

報頭要能做到和有效載荷分離的能力。
報頭中必須包含如何將自己的有效載荷交付給上一層的具體協議。

細節2：

主機在數據鏈路層判斷報文是否發給自己，不是就直接丟棄。

細節3：

如上，整個數據的封裝與解包的過程，相當于入棧與出棧。所以我想大家知道為什么叫協議棧了吧！

3.IP地址

????????IP地址分為IPv4和IPv6，用來標識計算機的唯一性，同樣是全球唯一的，IPV4是4字節的空間，即2^32次方，隨著全球的人數不斷增加，IP地址開始不夠用，后來我國推出了IPV6為16字節空間，但要推廣的全世界仍然是一個難題。

? ? ? ? 我想大家現在會很疑惑，剛才不是講了一個MAC地址是標識計算機的唯一性嗎，現在怎么又來一個IP地址標識計算機的唯一性？

IP地址 vs MAC地址

1. 核心區別

IP地址：負責全局尋址，標識通信的起點（源）和終點（目標），類似“出發地”和“最終目的地”。
- 例子：唐僧從東土大唐（源IP）出發，最終目標是西天（目標IP），這兩個地址在整個旅程中不變。
MAC地址：負責局部尋址，標識每一段路程的直接上一站和下一站，類似“當前驛站”和“下一個驛站”。
- 例子：從東土大唐到高老莊，再到流沙河……每一段的起點和終點MAC地址都會變化。

2. 具體通信過程類比

假設唐僧取經的路線是：
東土大唐 → 高老莊 → 流沙河 → 火焰山 → 西天

通信階段	IP地址	MAC地址（當前跳）	解釋
出發時	源：東土大唐目標：西天	源MAC：大唐目標MAC：高老莊	唐僧離開大唐時，只需知道第一站是高老莊（MAC地址指向直接下一站）。
到達高老莊后	源：東土大唐目標：西天	源MAC：高老莊目標MAC：流沙河	高老莊的人告訴他下一站是流沙河，MAC地址更新為新的“局部起點和終點”。
到達流沙河后	源：東土大唐目標：西天	源MAC：流沙河目標MAC：火焰山	流沙河的河神指引他去火焰山，MAC地址再次更新。
……	（IP始終不變）	（MAC逐段更新）	直到最終抵達西天。

3. 關鍵總結

IP地址：像“終極目標”，全程不變（唐僧始終牢記要去西天）。
MAC地址：像“路標”，每到一個新地方就問：“下一站怎么走？”（MAC地址動態更新，確保每一步不迷路）。
網絡通信：數據包像唐僧，IP決定最終去向，MAC決定如何走到下一跳（路由器或交換機）。

MAC地址	IP地址
物理地址，固化在硬件中	邏輯地址，可動態分配
用于同一局域網內的直接通信	用于跨網絡的路由通信
數據鏈路層（OSI第二層）	網絡層（OSI第三層）

為什么需要兩者？

IP地址是邏輯上的全局定位，但實際網絡中數據包需要經過多個設備（路由器、交換機），這些設備之間需要通過MAC地址在本地網絡中準確傳遞數據。
就像唐僧不能直接“瞬移”到西天，必須依賴每一站的指引（MAC地址），而IP地址保證他最終不會走偏。

4.協議棧圖解

????????如上圖，數據在網絡層添加報頭時帶有源IP和目標IP，在數據鏈路層發現目標IP不是不是局域網內IP，然后添加MAC目標地址為路由器。傳輸到路由器后，路由器解包，分析目標IP后重新封裝，即加報頭，此時傳到另一個局域網，注意它封裝的這個報頭的協議已經不是原來局域網用的協議了，而是新局域網用的協議。

? ? ? ? 所以局域網之間盡管用不同的協議也無所謂，在路由器這里會進行重新封裝。從另一層面也說明了為什么有MAC地址還要在網絡層加IP地址好處，它讓世界的所有網絡都是 IP 網絡
，屏蔽最底層網絡的差異。

Socket編程

1.端口號

????????我們上網本質就是做兩臺主機的交互，一個是本地，一個是遠端，即客戶端與服務器。但是一個主機上客戶端是有很多的，比如：QQ，微信，抖音，愛奇藝等。服務器同樣有很多，QQ，微信，王者榮耀等。

? ? ? ? 所以一個數據傳輸到目標主機還不夠，還要把數據送入正確的服務器或客戶端。

服務器和客戶端的本質是什么？是一個程序，即進程。所以數據發送除了需要目標主機還需要目標進程。也就有了端口號用來標記一個主機內的唯一進程，端口號即port。

總結：IP+port可以確定全球唯一的進程。

細節1：一個進程可以綁定多個端口號; 但是一個端口號不能被多個進程綁定。。
細節2：雖然進程里面有進程ID標識進程唯一性，但進程 ID 屬于系統概念，?用它來標識唯一性會讓系統進程管理和網絡強耦合，實際設計的時候，并沒有選擇這樣做。

端口號是多少字節，怎么分配的？

????????端口號在TCP/IP協議中是一個16位無符號整數，占用2字節，取值范圍為?0~65535（即?12^16?1）

????????一個主機內的進程是有生命周期的，這也決定了端口號是動態綁定的。可以由系統隨機分配和綁定，也可以有程序員自己綁定。但端口號0~1023是知名端口，不可以由我們把它綁定到進程，就像我們不能把110、120、119作自己的電話號碼一樣。只有1023以后才能有我們綁定。

2.TCP/UDP協議

在傳輸層有TCP/UDP協議，我們先做簡單了解，它們的特性如下：

特性	TCP	UDP
連接性	面向連接（需三次握手建立連接）	無連接（直接發送數據）
可靠性	數據可靠傳輸（確認、重傳、校驗）	不保證可靠性（可能丟包、亂序）
傳輸效率	低（因額外控制機制）	高（無復雜控制流程）
數據邊界	字節流（無固定邊界）	數據報（保留發送邊界）