网络通信原理和过程
当时查http协议的时候了解的一些网络底层的知识，感觉挺有意思的，就把多位博主的资料整料梳理出来整理到一堆，就当是一篇科普文吧。
一、网络的五层模型
如何分层有不同的模型，有的模型分七层，有的分四层。我觉得，把互联网分成五层，比较容易解释。
如上图所示，最底下的一层叫做"实体层"（Physical Layer），最上面的一层叫做"应用层"（Application Layer），中间的三层（自下而上）分别是"链接层"（Link Layer）、"网络层"（Network Layer）和"传输层"（Transport Layer）。越下面的层，越靠近硬件；越上面的层，越靠近用户。
一、层与协议
互联网的每一层，都定义了很多协议。这些协议的总称，就叫做"互联网协议"（Internet Protocol Suite）。它们是互联网的核心，下面介绍每一层的功能，主要就是介绍每一层的主要协议。
二、实体层：
内容小结：电脑连接起来的物理手段
实体层，它就是把电脑连接起来的物理手段。它主要规定了网络的一些电气特性，作用是负责传送0和1的电信号。
三、链接层：
链接层，它在"实体层"的上方，通过以太网协议在同一个子网络里发送数据包。
以太网规定，一组电信号构成一个数据包，叫做"帧"（Frame）。每一帧分成两个部分：标头（Head）和数据（Data）。
"标头"包含数据包的一些说明项，比如发送者、接受者、数据类型等等；"数据"则是数据包的具体内容。
"标头"的长度，固定为18字节。"数据"的长度，最短为46字节，最长为1500字节。因此，整个"帧"最短为64字节，最长为1518字节。如果数据很长，就必须分割成多个包进行发送。
"标头"中发送者和接受者的信息：以太网规定，连入网络的所有设备，都必须具有"网卡"接口。数据包是从一块网卡，传送到另一块网卡。网卡的地址，就是数据包的发送地址和接收地址，这叫做MAC地址。
每块网卡出厂的时候，都有一个全世界独一无二的MAC地址，长度是48个二进制位，通常用12个十六进制数表示。
前6个十六进制数是厂商编号，后6个是该厂商的网卡流水号。有了MAC地址，就可以定位网卡和数据包的路径了。
以太网向本网络内所有计算机发送，让每台计算机自己判断，是否为接收方。
上图中，1号计算机向2号计算机发送一个数据包，同一个子网络的3号、4号、5号计算机都会收到这个包。它们读取这个包的"标头"，找到接收方的MAC地址，然后与自身的MAC地址相比较，如果两者相同，就接受这个包，做进一步处理，否则就丢弃这个包。这种发送方式就叫做"广播"（broadcasting）。
有了数据包的定义、网卡的MAC地址、广播的发送方式，"链接层"就可以在多台计算机之间传送数据了。
四、网络层（互联网）：
内容小结：ip到ip的数据传送，是否是在同一子网络，不在统一子网络的话，先把包发送给本网络网关，本网关再找另一个ip所在的网关
如果是同一个子网络，就采用广播方式发送，否则就采用"路由"方式发送。（"路由"的意思，就是指如何向不同的子网络分发数据包，这是一个很大的主题，本文不涉及。）
网络层使用ip地址，使得我们能够区分不同的计算机是否属于同一个子网络。
于是，每台计算机有了两种地址，一种是MAC地址，另一种是网络地址。两种地址之间没有任何联系，MAC地址是绑定在网卡上的，网络地址则是管理员分配的。
ip地址确定计算机所在的子网络，MAC地址则将数据包送到该子网络中的目标网卡。先处理网络地址，然后再处理MAC地址。
规定网络地址的协议，叫做IP协议。它所定义的地址，就被称为IP地址，互联网上的每一台计算机，都会分配到一个IP地址。
目前，广泛采用的是IP协议第四版，简称IPv4。这个版本规定，ip地址由32个二进制位（每段8位，一共4段）组成，四段，分成两个部分，前一部分代表网络，后一部分代表主机。
"子网掩码"（subnet mask）：用于判断两台计算机是否属于同一个子网络，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172.16.254.1，子网络掩码是11111111.11111111.11111111.00000000，写成十进制就是255.255.255.0，那么网络部分是前3段，主机部分是最后一段，处于同一个子网络的电脑，它们IP地址的网络部分必定是相同的。
比如，已知IP地址172.16.254.1和172.16.254.233的子网掩码都是255.255.255.0，可知他们的网络部分是相同的都是172.16.254，因此它们在同一个子网络。
B类地址 : 128.0.0.0 ~ 191.255.0.0
C类地址 : 192.0.0.0 ~ 223.255.255.0
内网的计算机通过一个公共的网关访问Internet。内网的计算机可向Internet上的其他计算机发送连接请求，但Internet上其他的计算机无法向内网的计算机发送连接请求。
Class A 10.0.0.0-10.255.255.255，默认子网掩码:255.0.0.0
Class B 172.16.0.0-172.31.255.255，默认子网掩码:255.240.0.0
Class C 192.168.0.0-192.168.255.255，默认子网掩码:255.255.0.0
内网是可以上网的.内网需要一台服务器或路由器做网关,通过它来上网。
假设公司A在广州和上海有办事处, 而他们在当地都有自己的专用网. 那么怎么将这两个专用网连接起来呢?利用公用的因特网当做通信载体, 这就是虚拟专用网VPN
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。
根据IP协议发送的数据，就叫做IP数据包。不难想象，其中必定包括IP地址信息。
但是前面说过，以太网数据包只包含MAC地址，并没有IP地址的栏位。那么是否需要修改数据定义，再添加一个栏位呢？
回答是不需要，我们可以把IP数据包直接放进以太网数据包的"数据"部分，因此完全不用修改以太网的规格。这就是互联网分层结构的好处：上层的变动完全不涉及下层的结构。
"标头"部分主要包括版本、长度、IP地址等信息，"数据"部分则是IP数据包的具体内容。它放进以太网数据包后，以太网数据包就变成了下面这样。
这里又可以分成两种情况。第一种情况，如果两台主机不在同一个子网络，那么事实上没有办法得到对方的MAC地址，只能把数据包传送到两个子网络连接处的"网关"（gateway），让网关去处理。
第二种情况，如果两台主机在同一个子网络，那么我们可以用ARP协议，得到对方的MAC地址。ARP协议也是发出一个数据包（包含在以太网数据包中），其中包含它所要查询主机的IP地址，在对方的MAC地址这一栏，填的是FF:FF:FF:FF:FF:FF，表示这是一个"广播"地址。它所在子网络的每一台主机，都会收到这个数据包，从中取出IP地址，与自身的IP地址进行比较。如果两者相同，都做出回复，向对方报告自己的MAC地址，否则就丢弃这个包。
总之，有了ARP协议之后，我们就可以得到同一个子网络内的主机MAC地址，可以把数据包发送到任意一台主机之上了。
五、传输层
有了MAC地址和IP地址，我们已经可以在互联网上任意两台主机上建立通信。
接下来需要一个参数，表示这个数据包到底供哪个程序（进程）使用。这个参数就叫做"端口"（port），它其实是每一个使用网卡的程序的编号。每个数据包都发到主机的特定端口，所以不同的程序就能取到自己所需要的数据。
"端口"是0到65535之间的一个整数，正好16个二进制位。0到1023的端口被系统占用，用户只能选用大于1023的端口。不管是浏览网页还是在线聊天，应用程序会随机选用一个端口，然后与服务器的相应端口联系。
"传输层"的功能，就是建立"端口到端口"的通信。相比之下，"网络层"的功能是建立"主机到主机"的通信。只要确定主机和端口，我们就能实现程序之间的交流。因此，Unix系统就把主机+端口，叫做"套接字"（socket）。有了它，就可以进行网络应用程序开发了。
现在，我们必须在数据包中加入端口信息，这就需要新的协议。最简单的实现叫做UDP协议，它的格式几乎就是在数据前面，加上端口号。
"标头"部分主要定义了发出端口和接收端口，"数据"部分就是具体的内容。然后，把整个UDP数据包放入IP数据包的"数据"部分，而前面说过，IP数据包又是放在以太网数据包之中的，所以整个以太网数据包现在变成了下面这样：
UDP数据包非常简单，"标头"部分一共只有8个字节，总长度不超过65,535字节，正好放进一个IP数据包。
5.3 TCP协议
每一条TCP连接只能有2个端点, TCP是点对点的，端点叫套接字(socket)
每发出一个数据包都要求确认。如果有一个数据包遗失，就收不到确认，发出方就知道有必要重发这个数据包了。因此，TCP协议能够确保数据不会遗失。它的缺点是过程复杂、实现困难、消耗较多的资源。
TCP数据包和UDP数据包一样，都是内嵌在IP数据包的"数据"部分。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。
TCP三次握手见文章：
六、应用层
应用程序收到"传输层"的数据，接下来就要进行解读。由于互联网是开放架构，数据来源五花八门，必须事先规定好格式，否则根本无法解读。
应用层协议最著名的就是HTTP, FTP了, 还有一个重要的DNS。
举例来说，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"。
这是最高的一层，直接面对用户。它的数据就放在TCP数据包的"数据"部分。因此，现在的以太网的数据包就变成下面这样。
二、网关
我们已经知道，网络通信就是交换数据包。电脑A向电脑B发送一个数据包，后者收到了，回复一个数据包，从而实现两台电脑之间的通信。数据包的结构，基本上是下面这样：
有了这两个地址，数据包才能准确送到接收者手中。但是，前面说过，MAC地址有局限性，如果两台电脑不在同一个子网络，就无法知道对方的MAC地址，必须通过网关（gateway）转发。
上图中，1号电脑要向4号电脑发送一个数据包。它先判断4号电脑是否在同一个子网络，结果发现不是（后文介绍判断方法），于是就把这个数据包发到网关A。网关A通过路由协议，发现4号电脑位于子网络B，又把数据包发给网关B，网关B再转发到4号电脑。
1号电脑把数据包发到网关A，必须知道网关A的MAC地址。所以，数据包的目标地址，实际上分成两种情况：
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场景 |
数据包地址 |
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同一个子网络 |
对方的MAC地址，对方的IP地址 |
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非同一个子网络 |
网关的MAC地址，对方的IP地址 |
发送数据包之前，电脑必须判断对方是否在同一个子网络，然后选择相应的MAC地址。接下来，我们就来看，实际使用中，这个过程是怎么完成的。
三、用户的上网设置
通常你必须做一些设置。有时，管理员（或者ISP）会告诉你下面四个参数，你把它们填入操作系统，计算机就能连上网了：
* 本机的IP地址 * 子网掩码 * 网关的IP地址 * DNS的IP地址
这四个参数缺一不可，后文会解释为什么需要知道它们才能上网。由于它们是给定的，计算机每次开机，都会分到同样的IP地址，所以这种情况被称作"静态IP地址上网"。
但是，这样的设置很专业，普通用户望而生畏，而且如果一台电脑的IP地址保持不变，其他电脑就不能使用这个地址，不够灵活。出于这两个原因，大多数用户使用"动态IP地址上网"。
所谓"动态IP地址"，指计算机开机后，会自动分配到一个IP地址，不用人为设定。它使用的协议叫做DHCP协议。
这个协议规定，每一个子网络中，有一台计算机负责管理本网络的所有IP地址，它叫做"DHCP服务器"。新的计算机加入网络，必须向"DHCP服务器"发送一个"DHCP请求"数据包，申请IP地址和相关的网络参数。
前面说过，如果两台计算机在同一个子网络，必须知道对方的MAC地址和IP地址，才能发送数据包。但是，新加入的计算机不知道这两个地址，怎么发送数据包呢？
首先，它是一种应用层协议，建立在UDP协议之上，所以整个数据包是这样的：
（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。
这个部分，需要记住的就是一点：不管是"静态IP地址"还是"动态IP地址"，电脑上网的首要步骤，是确定四个参数。这四个值很重要，值得重复一遍：
* 本机的IP地址 * 子网掩码 * 网关的IP地址 * DNS的IP地址
有了这几个数值，电脑就可以上网"冲浪"了。接下来，我们来看一个实例，当用户访问网页的时候，互联网协议是怎么运作的。
四、访问网页过程解析
* 本机的IP地址：192.168.1.100 * 子网掩码：255.255.255.0 * 网关的IP地址：192.168.1.1 * DNS的IP地址：8.8.8.8
输入网址：
然后他打开浏览器，想要访问Google，在地址栏输入了网址：www.google.com。
URL的格式 : <协议>://<主机>:<端口>/<路径>, 端口和路径有时可省略.
使用HTTP协议的URL : http://<主机>:<端口>/<路径>, HTTP默认端口号是80
我们知道，发送数据包，必须要知道对方的IP地址。但是，现在，我们只知道网址www.google.com，不知道它的IP地址。
DNS协议可以帮助我们，将这个网址转换成IP地址。已知DNS服务器为8.8.8.8，于是我们向这个地址发送一个DNS数据包（53端口）。
然后，DNS服务器做出响应，告诉我们Google的IP地址是172.194.72.105。于是，我们知道了对方的IP地址。
接下来，我们要判断，这个IP地址是不是在同一个子网络，这就要用到子网掩码。
已知子网掩码是255.255.255.0，本机用它对自己的IP地址192.168.1.100，做一个二进制的AND运算（两个数位都为1，结果为1，否则为0），计算结果为192.168.1.0；然后对Google的IP地址172.194.72.105也做一个AND运算，计算结果为172.194.72.0。这两个结果不相等，所以结论是，Google与本机不在同一个子网络。
因此，我们要向Google发送数据包，必须通过网关192.168.1.1转发，也就是说，接收方的MAC地址将是网关的MAC地址。
4.4 应用层协议（http协议）
每一次HTTP请求就需要建立一次TCP连接和释放TCP连接.
HTTP是无连接, 无状态的. 每一次请求都是作为一次新请求.
GET 请求通常用于查询、获取数据，而 POST 请求则用于发送数据
GET 请求的参数在URL中, 因此绝不能用GET请求传输敏感数据, 而POST 请求的参数在请求头中, 安全性略高于GET请求
ps : POST请求的数据也是以明文的形式存放在请求头中, 因此也不安全
万维网使用Cookie来跟踪用户, 表示HTTP服务器和用户之间传递的状态信息.
1. 用户浏览某网站, 该网站的服务器为用户产生一个唯一的识别码, 并以此为索引在服务器后端数据库中产生一个项目2. 返回给用户的HTTP响应报文中添加一条 "Set-cookie", 值为该识别码, 如1233. 用户的浏览器将该cookie保存起来, 在用于继续浏览该网站时发送的每一个HTTP请求都会有一行 Cookie: 123于是, 这个网站就知道Cookie为123的这个用户做了什么, 为这个用户维护一个独立的列表(如购物车)
当然, Cookie是把双刃剑, 方便的同时也带有危险性, 例如隐私泄露等, 用户可以自行决定是否使用Cookie
Cookie是保存在客户端上的, 而Session是保存在服务器中. 当服务器收到用户发出的Cookie时, 会根据Cookie中的SessionID来查找对应的Session, 如没有则会生成一个新的SessionID返回给用户。
总而言之, Cookie和Session就是同一样东西存放地方不同而已.
HTTPS协议在HTTP协议的基础上, 在HTTP和TCP中间加入了一层SSL/TLS加密层, 解决了HTTP不安全的问题: 冒充, 篡改, 窃听三大风险.
GET / HTTP/1.1 Host: www.google.com Connection: keep-alive User-Agent: Mozilla/5.0 (Windows NT 6.1) ...... Accept: text/html,application/xhtml+xml,application/xml;q=0.9,*/*;q=0.8 Accept-Encoding: gzip,deflate,sdch Accept-Language: zh-CN,zh;q=0.8 Accept-Charset: GBK,utf-8;q=0.7,*;q=0.3 Cookie: ... ...
我们假定这个部分的长度为4960字节，它会被嵌在TCP数据包之中。
TCP数据包需要设置端口，接收方（Google）的HTTP端口默认是80，发送方（本机）的端口是一个随机生成的1024-65535之间的整数，假定为51775。
TCP数据包的标头长度为20字节，加上嵌入HTTP的数据包，总长度变为4980字节。
然后，TCP数据包再嵌入IP数据包。IP数据包需要设置双方的IP地址，这是已知的，发送方是192.168.1.100（本机），接收方是172.194.72.105（Google）。
IP数据包的标头长度为20字节，加上嵌入的TCP数据包，总长度变为5000字节。
最后，IP数据包嵌入以太网数据包。以太网数据包需要设置双方的MAC地址，发送方为本机的网卡MAC地址，接收方为网关192.168.1.1的MAC地址（通过ARP协议得到）。
以太网数据包的数据部分，最大长度为1500字节，而现在的IP数据包长度为5000字节。因此，IP数据包必须分割成四个包。因为每个包都有自己的IP标头（20字节），所以四个包的IP数据包的长度分别为1500、1500、1500、560。
经过多个网关的转发，Google的服务器172.194.72.105，收到了这四个以太网数据包。
根据IP标头的序号，Google将四个包拼起来，取出完整的TCP数据包，然后读出里面的"HTTP请求"，接着做出"HTTP响应"，再用TCP协议发回来。
