网络基础之网络协议篇
1.网络通信原理
1.1互联网的本质就是一系列的网络协议
internet实际上就是一系列统一的标准，这些标准称之为互联网协议，互联网的本质就是一系列的协议，总称为“互联网协议（Internet Protocol Suite）”。
互联网协议的功能：定义计算机如何接入internet，以及接入internet的计算机通信标准。
1.2osi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
每层运行常见物理设备
1.3tcp/ip五层模型讲解
1.3.1物理层
物理层由来：孤立的计算机之间想要一起玩，就必须接入internet，言外之意就是计算机之间必须完成组网
物理层功能：主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
1.3.2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
以太网协议：
早期的时候每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
- 接受者/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
mac地址：
head中包含的源和目标地址由来：ethernet规定接入internet的设备必须都具备网卡，发送端和接收端的地址便是指网卡地址，即MAC地址
amc地址：每块网卡出厂时都被烧制了一个世界上唯一的mac地址，长度为48位二进制，通常由12位16进制数表示（前6位为厂商编号，后六位为流水线号）
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
1.3.3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通信了，关键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，这就不仅仅是效率低的问题，这会是一种灾难。
上图结论：必须找到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，如果不是就采用路由的方式（向不同的广播域/子网分发数据包），mac地址是无法区分的，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广播域/子网，这套地址即网络地址
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
- 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：192.168.10.1
IP地址分成两部分
- 网络部分：标识子网
- 主机部分：标识主机
注意：单纯的ip地址，只是标识了ip地址的种类，从网络部分或主机部分都不能辨识出一个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个子网
子网掩码
所谓”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。
知道”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，请问它们是否在同一个子网络？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：10101100.00010000.00001010.000000000->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：10101100.00010000.00001010.000000000->172.16.10.0
结果都是172.16.10.0，因此它们在同一个子网络。
总结一下，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。
IP数据包
ip数据包分为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65515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。
| 以太网头 | ip头 | ip数据 |
ARP协议
ARP协议由来：计算机通信基本靠吼，即广播的方式，所有上层的包到最后都要封装成以以太网头，然后通过以太网协议发送，在谈及以太网协议的时候，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，如果获取目标主机的mac就需要arp协议
arp协议功能：以广播方式发送数据包，获取目标主机的mac地址
协议工作方式：每台主机ip都是已知的
例如：主机172.16.10.10/24访问172.16.10.11/24
一：首先通过ip地址和子网掩码区分出自己所处的子网
| 场景 | 数据包地址 |
| 同一子网 | 目标主机mac，目标主机ip |
| 不同子网 | 网关mac，目标主机ip |
二、分析172.16.10.10/24访问172.16.10.11/24处于同一网络(如果不是同一网络，那么下表中目标ip为172.16.10.1,通过arp获取的是网关的mac)
| 源mac | 目标mac | 源ip | 目标ip | 数据部分 | |
| 发送端主机 | 发送端mac | FF:FF:FF:FF:FF:FF | 172.16.10.10/24 | 172.16.10.11/24 | 数据 |
三、这个包会以广播的方式在发送端所处的子网内传输，所有主机接收后拆开包，发现目标主机是自己的就拆开包，就响应，返回自己的mac。
1.3.4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0-65535,0-1023为系统占用端口
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ip数据包不必再分割。
|
以太网头 |
ip 头 |
tcp头 |
数据 |
udp协议：
不可靠传输，“报头”部分只有8个字节，总长度不超过65535字节，正好放进去一个ip数据包。
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以太网头 |
ip 头 |
udp头 |
数据 |
1.3.5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”。
1.3.6 socket
我们知道两个进程如果需要进行通讯最基本的一个前提能能够唯一的标示一个进程，在本地进程通讯中我们可以使用PID来唯一标示一个进程，但PID只在本地唯一，网络中的两个进程PID冲突几率很大，这时候我们需要另辟它径了，我们知道IP层的ip地址可以唯一标示主机，而TCP层协议和端口号可以唯一标示主机的一个进程，这样我们可以利用ip地址＋协议＋端口号唯一标示网络中的一个进程。
能够唯一标示网络中的进程后，它们就可以利用socket进行通信了，什么是socket呢？我们经常把socket翻译为套接字，socket是在应用层和传输层之间的一个抽象层，它把TCP/IP层复杂的操作抽象为几个简单的接口供应用层调用已实现进程在网络中通信。
socket起源于UNIX，在Unix一切皆文件哲学的思想下，socket是一种"打开—读/写—关闭"模式的实现，服务器和客户端各自维护一个"文件"，在建立连接打开后，可以向自己文件写入内容供对方读取或者读取对方内容，通讯结束时关闭文件。
