网络基础

目录

网络基础

一、计算机网络背景

1.1.网络发展

二、网络协议

2.1.协议初识

2.2.协议分层

2.3.OSI七层模型

2.4.TCP/IP五层模型

2.5.TCP/IP协议的诞生

2.6.TCP/IP与操作系统

三、网络传输基本流程

3.1.局域网通信原理

3.2.网络协议栈

3.3.网络中的地址管理

四、socket编程基础

4.1.源IP与目的IP地址

4.2.端口号

4.3.端口号 VS PID

4.4.socket套接字

4.5.传输层的典型代表

4.6.网络字节序

五、socket编程接口

5.1.socket常见API

5.2.sockaddr结构

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一、计算机网络背景

1.1.网络发展

早期通过软盘对计算机数据进行拷贝，中间需要人的参与，效率低下

计算机是人类的工具，人需要协作，注定计算机之间要协作

所以网络的产生是必然的，从局部开始产生，再发展到整体

网络发展：

美国军方创建阿帕网，90年代公开后，组件了互联网，在世界商业化

随着路由器、交换机这些新网络设备的诞生，许多通信厂商得到发展

比如：华为、诺基亚，生产网络通信设备，进而使运营商也开始发展

比如：联通、电信、移动，进行大量的基础设施建设，比如通信设施

独立模式：

计算机之间相互独立

网络互联：

多台计算机连接在一起，完成数据共享

局域网LAN：

计算机数量更多，通过交换机和路由器连接在一起

广域网WAN：

将远隔千里的计算机连在一起

二、网络协议

2.1.协议初识

协议的本质：一种约定，减少通信的成本，用于快速形成共识

计算机之间的传播媒介是光信号和电信号

通过"频率"或''强弱"来表示0和1这样的信息

完善的协议需要更多更细致的规定，并且让参与的人都要遵守

计算机的生产厂商、计算机的操作系统、计算机的网络设备

如何让这些不同厂商之间生产的计算机能够相互顺畅地通信

就需要约定一个共同的标准，让各厂商遵守，就是网络协议

网络协议的标准：多种局域网通信标准+一种广域网通信标准

ISO（国际标准化组织）：OSI模型定义了网络通信的七层协议结构，只生产标准，不实现代码

2.2.协议分层

协议也是软件，在设计上为了更好地模块化，解耦合，也是层状结构

分层之后可以无障碍地替换任意一层，实现分层解耦，增强可维护性

• 普通用户视角：

两个人之间在直接通信，两个电话之间在直接通信

在用户层的视角下，只有同层之间才能够之间通信

• 工程师视角：

将人说的话交给电话机，电话机将声音采集，压缩，加密后

通过特定的协议方式，将声音信息发送到另一个人的电话机

对方通过解密，解压，通过听筒将声音播放，获取声音信息

2.3.OSI七层模型

OSI（Open System Interconnection）：开放系统互联

2.4.TCP/IP五层模型

五层模型：物理层（不关注）、数据链路层、网络层、传输层、应用层（包含表示层和会话层）

物理层：负责光电信号的传递方式，决定了最大传输速率、传输距离、抗干扰性，是集线器的工作

数据链路层：负责设备之间数据帧的传输和识别，网卡驱动、帧同步、冲突检测，是交换机的工作

网络层：负责地址管理和路由选择，通过IP地址表示主机，通过路由表规划线路，是路由器的工作

传输层：负责两台主机的数据传输，通过TCP传输控制协议，使数据可靠的从主机发送到目标主机

应用层：负责应用程序之间的沟通，比如：电子邮件传输、文件传输协议、网路远程访问协议

2.5.TCP/IP协议的诞生

本地通信：所有的计算机设备通过线连接起来（I/O总线、系统总线）

计算机中的冯诺依曼架构，本身就是一个通过总线连接的网络架构

通过内部的硬件协议（内存与其他设备、磁盘与其他设备）来通信

网络通信：多台主机通过网络通信，其本质也是从设备到设备

与本地通信的唯一区别在于线变长了，主机间的距离变远了，就会有新的问题产生

• 问题1：如何处理收到的数据呢 —— 应用层
• 问题2：在传输时数据丢失问题 —— 传输层
• 问题3：如何定位目标主机问题 —— 互联网层
• 问题4：如何确定当下要去哪里 —— 网卡层

TCP/IP协议的本质：一种网络长距离通信的解决方案

2.6.TCP/IP与操作系统

操作系统中存在许多协议，网络中还有报文，报文中存在许多协议字段

操作系统需要对协议与报文进行管理，先描述，再组织

协议的朴素理解：通信双方都认识的结构化的数据类型

结构体是协议约定的计算机表达，通过结构体对象来建立共识

快递单用C语言表示就是一个struct结构体

快递单就是收发双方的一种协议

三、网络传输基本流程

3.1.局域网通信原理

 局域网通信的标准

• 以太网（Ethernet）
• 令牌环网
• 无线LAN（WiFi）

每台主机在局域网中，都要有一个唯一的网卡标识符来确保主机唯一性：MAC地址

MAC地址用来识别数据链路层中相连的节点，长度为6个字节

MAC地址在网卡出厂时就确定了，不能修改，通常是唯一的

在同一个局域网的两台主机能够直接通信

一台主机向局域网内所有主机发送含有目标主机的信息，只有目标主机处理，其他主机抛弃  

以太假说：以前物理学家猜测宇宙充满一种叫"以太"的介质，认为光必须靠以太传播

（迈克尔逊-莫雷实验否定了以太的存在）

以太网中，任何时刻只允许一台机器向网络发送数据

当多台同时发送，会发生数据干扰，称之为数据碰撞

在没有交换机的情况下，一个以太网就是一个碰撞域

所有发送数据的主机要进行碰撞检测和碰撞避免（碰撞避免算法）

以太网的本质是共享的资源，即临界资源，通过碰撞检测和碰撞避免维持互斥属性

3.2.网络协议栈

主机之间通信本质：两个网络协议栈在通信，数据发送的原始动力主要是用户

网络协议栈的每一层都要有对应的协议，协议信息被称为协议报头（结构体变量）

报文：协议报头 + 有效载荷

用户发送的数据，必须贯穿网络协议栈（操作系统是网卡的管理者），由网卡发送给目标主机

发送端自顶向下封装报文（入栈），接收端同层解包，将报头和有效载荷进行分离（出栈）

同层之间都认为自己在和对方同层协议在直接通信

不考虑应用层协议，任何协议都包含了两种字段

• 报头必须要做到能和有效载荷进行分离的能力
• 报头必须要将自己的有效载荷交付给上层的一个具体的协议

底层收到的报文如果不是发给该主机，主机在数据链路层就会将报文丢弃

• 应用层：请求与应答
• 传输层：数据段
• 网络层：数据报
• 数据链路层：数据帧

网卡的驱动程序默认只把发送给目标主机的报文向上交付

但网卡的混杂模式会无脑地将收到的报文向上交付（抓包工具原理）

• 整体框图

• 数据封装

• 数据分用

3.3.网络中的地址管理

IP协议：IPv4（4字节）和IPv6（16个字节）版本，默认指IPv4

IP地址用来标识全球范围内主机的唯一性

IPv4协议的IP地址是一个4字节的32位整数

点分十进制的字符串表示IP地址，每一个数字表示一个字节（0 ~ 255）

例如：192.168.0.1

下图的路由器含有IP地址和两张网卡，分别连接以太网和令牌环网这两个子网

同一个子网，它的IP地址的前几位是类似的，只要有网络层，就会有路由功能

源IP为198开头的主机A并不知道上层交付的目标IP为172开头的主机B在哪里

但主机A一定能确定，报文绝对不是发给本地网络的主机的，因为IP开头不同

所以主机A一定会把报文发送给路由器，路由过程中，IP地址不变、MAC地址

一直在变，MAC地址只会在本地局域网中有效

网络层 + IP的本质意义：给网络封装一个虚拟层，让世界所有网络都叫做IP网络

（网络的底层可以是以太网、无线LAN、令牌环，而从网络层往上都只有IP网络）

四、socket编程基础

4.1.源IP与目的IP地址

数据传输到目标主机不是目的，用户使用数据才是目的

比如：QQ聊天是用户在聊，浏览器网页是用户在看

用户通过启动QQ、浏览器进程，看到聊天信息、网页信息

进程是用户在系统中的代表，进程获取数据相当于用户获取数据

所以数据传到主机是手段，数据交给主机内的进程才是最终目的

上网只有两种行为

• 从远端服务器获取数据下载
• 将本地数据上传远端服务器

进程（内存）<=>  网卡  <=> 网络

网络通信的本质：两个不同主机的进程进行数据交互（I/O），即进程间通信（IPC）

让不同的进程看到同一份资源：网络

4.2.端口号

端口号（port）：传输协议层的内容，为2个字节的16位整数

作用：用来标识一个进程，告诉OS当前的数据要交给哪个进程处理

• 0 ~ 1023：知名端口号，比如HTTP，FTP，SSH等应用层协议，它们的端口号固定
• 1024 ~ 65535：操作系统动态分配的端口号，客户端程序的端口号

4.3.端口号 VS PID

不是所有的进程都要进行网络通信

PID是一个系统的概念，如果将来在系统层发生变化，那么在网络层也要改变

设计端口号，就可以将进程标识在系统层与网络层进行解耦合

一个进程PID可以绑定多个Port端口号，但一个Port端口号只能标识唯一的进程

4.4.socket套接字

网络通信：互联网内唯二的两个进程在进行进程间通信，使用IP + port标识唯一性

IP地址+端口号：表示互联网中某一台主机的某一个网络进程

{srcIP，srcPort，dstIP，dstPort}：这样的4元组表示互联网内唯二的两个进程

socket套接字： IP地址 + port端口号

4.5.传输层的典型代表

传输层是属于操作系统内核的

如果通过网络协议栈进行通信

要调用传输层提供的系统调用

TCP协议（Transmission Control Protocol）：传输控制协议

特点：有连接（电话）、可靠传输（丢了、超时了会重传）、面向字节流（接自来水）

做更多工作，复杂且占用资源多，使用场景：支付交易

UDP协议（User Datagram Protocol）：用户数据报协议

特点：无连接（对讲机）、不可靠传输（丢了、超时了不管）、面向数据报（快递、信封）

多更少工作，简单且维护性强，使用场景：直播流媒体

4.6.网络字节序

内存中的多字节数据相对于内存地址有大小端之分

磁盘文件中的多字节数据相对于文件中的偏移地址有大小端之分

网络数据流也有大小端之分

发送主机将缓冲区的数据按内存地址从低到高发出

接收主机将字节按内存地址从低到高保存到缓冲区

网络数据流规定：先发出的数据是低地址，后发出的数据是高地址

TCP/IP协议规定，网络数据流采用大端字节序，所有发送到网络上的数据都必须是大端的

为了使网络程序具有可移植性，同样的C代码在大端和小端计算机都能允许，可调用库函数做

网络字节序和主机字节序的转换

h表示host主机，n表示net网络，l表示32位长整数，s表示16位短整数

htonl：将32位长整数从主机字节序转为网络字节序

主机为小端，将参数做相应大小端转换后返回

主机为大端，将参数原封不动地返回，不转换

五、socket编程接口

5.1.socket常见API

// 创建 socket ⽂件描述符 (TCP/UDP, 客户端 + 服务器)
int socket(int domain, int type, int protocol);
// 绑定端⼝号 (TCP/UDP, 服务器)
int bind(int socket, const struct sockaddr *address, socklen_t address_len);
// 开始监听socket (TCP, 服务器)
int listen(int socket, int backlog);
// 接收请求 (TCP, 服务器)
int accept(int socket, struct sockaddr* address, socklen_t* address_len);
// 建⽴连接 (TCP, 客户端)
int connect(int sockfd, const struct sockaddr *addr, socklen_t addrlen);

5.2.sockaddr结构

System V标准：本地进程间通信

POSIX标准：网络进程间通信（也能进行本地通信）

socket会有很多的种类来满足不同的应用场景

• 网络socket
• 本地socket（Unix域间通信）
• 原始socket

而socket的设计者指向提供一种通信接口

如果address→sin_family == AF_INET，则为网络通信

如果address→sin_family == AF_UNIX，则为本地通信

本质就是：继承 + 多态