【网络初识】从零开始彻底了解网络编程(一)

本篇博客给大家带来的是网络的知识点.
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一. 网络发展史

1. 独立模式
计算机之间相互独立;

2. 网络互联
随着时代的发展，越来越需要计算机之间互相通信，共享软件和数据，即以多个计算机协同工作来完成业务，就有了网络互连。
网络互连：将多台计算机连接在⼀起，完成数据共享。
数据共享本质是网络数据传输，即计算机之间通过网络来传输数据，也称为网络通信。
根据网络互连的规模不同，可以划分为局域网和广域网。

①局域网LAN
局域网，即 Local Area Network，简称LAN。
Local 即标识了局域网是本地，局部组建的⼀种私有网络。
局域网内的主机之间能方便的进行网络通信，又称为内网；局域网和局域网之间在没有连接的情况下，是无法通信的。局域网组建网络的方式有很多种：

Ⅰ基于网线直连

2. 基于集线器组建

3. 基于交换机组建

4. 基于交换机和路由器组建

② 广域网WAN
广域网，即 Wide Area Network，简称WAN。
通过路由器，将多个局域网连接起来，在物理上组成很大范围的网络，就形成了广域网。广域网内部的局域网都属于其子网。

如果有北、中、南等分公司，甚至海外分公司，把这些分公司以专线方式连接起来，即称为“广域网”。
如果属于全球化的公共广域网，则称为互联网(又称公网，外网），属于广域网的一个子集。
有时在不严格的环境下说的广域网，其实是指互联网。
所谓 “局域网” 和 “广域网” 只是一个相对的概念。比如，我们有 “天朝特色” 的广域网，也可以看做一个比较大的局域网。

2. 网络通信基础

网络互连的目的是进行网络通信，也即是网络数据传输，更具体一点，是网络主机中的不同进程间，基于网络传输数据。那么，在组建的网络中，如何判断到底是从哪台主机，将数据传输到那台主机呢？这就需要使用IP地址来标识。

2.1 IP地址

①IP地址概念
IP地址主要用于标识网络主机、其他网络设备（如路由器）的网络地址。简单说，IP地址用于定位主机的网络地址。
就像我们发送快递一样，需要知道对方的收货地址，快递员才能将包裹送到目的地。

② IP地址格式
IP地址是一个32位的二进制数，通常被分割为4个“8位二进制数”（也就是4个字节），如：
01100100.00000100.00000101.00000110.
通常用“点分十进制”的方式来表示，即 a.b.c.d 的形式（a,b,c,d都是0~255之间的十进制整数).
如：100.4.5.6。

2.2 端口号

①端口号概念
在网络通信中，IP地址用于标识主机网络地址，端口号可以标识主机中发送数据、接收数据的进程。
简单说：端口号用于定位主机中的进程。类似发送快递时，不光需要指定收货地址（IP地址），还需要指定收货人（端口号）。

② 格式
端口号是0~65535范围的数字，在网络通信中，进程可以通过绑定⼀个端口号，来发送及接收网络数据。

③ 问题：有了IP地址和端口号，可以定位到网络中唯一的一个进程，但还存在一个问题，网络通信是基于二进制0/1数据来传输，如何告诉对方发送的数据是什么样的呢？

网络通信传输的数据类型可能有多种：图片，视频，文本等。同⼀个类型的数据，格式可能也不同，如发送一个文本字符串“你好！”：如何标识发送的数据是文本类型，及文本的编码格式呢？
基于网络数据传输，需要使用协议来规定双方的数据格式。

2.3 认识协议

① 概念
协议，网络协议的简称，网络协议是网络通信（即网络数据传输）经过的所有网络设备都必须共同遵从的一组约定、规则。如怎么样建立连接、怎么样互相识别等。只有遵守这个约定，计算机之间才能相互通信交流。
协议（protocol）最终体现为在网络上传输的数据包的格式。

② 作用
为什么需要协议？
就好比见网友，彼此协商胸口插支玫瑰花见面，这就是一种提前的约定，也可以称之为协议。
计算机之间的传输媒介是光信号和电信号。通过 “频率” 和 “强弱” 来表示 0 和 1 这样的信息。要想传递各种不同的信息，就需要约定好双方的数据格式。
计算机生产厂商有很多；
计算机操作系统，也有很多；
计算机网络硬件设备，还是有很多；
如何让这些不同厂商之间生产的计算机能够相互顺畅的通信?
就需要有人站出来，约定一个共同的标准，大家都来遵守，这就是 网络协议；

③ 五元组
在TCP/IP协议中，用五元组来标识一个网络通信：
Ⅰ 源IP：标识源主机.
Ⅱ 源端口号：标识源主机中该次通信发送数据的进程.
Ⅲ 目的IP：标识目的主机.
Ⅳ 目的端口号：标识目的主机中该次通信接收数据的进程.
Ⅴ 协议号：标识发送进程和接收进程双方约定的数据格式.

五元组在网络通信中的作用，类似于发送快递：

2.3.1 协议分层

①什么是协议分层?
协议分层类似于打电话时，定义不同的层次的协议：

在这个例子中，我们的协议只有两层；但是实际的网络通信会更加复杂，需要分更多的层次。

② 分层的作用?

分层最大的好处，类似于面向接口编程：定义好两层间的接口规范，让双方遵循这个规范来对接。
在代码中，类似于定义好一个接⼝，一方为接口的实现类（提供方，提供服务），一方为接口的使用类（使用方，提供使用服务）：
Ⅰ 对于使用方来说，并不关心提供方是如何实现的，只需要使用接口即可.
Ⅱ 对于提供方来说，利用封装的特性，隐藏了实现的细节，只需要开放接口即可。
这样能更好的扩展和维护，如下图：

2.3.2 TCP/IP

实际组建网络时，以 OSI 七层模型设计中的部分分层，即是以下 TCP/IP 五层（或四层）模型来实现。

① 应用层：负责应用程序间沟通，如简单电子邮件传输（SMTP）、文件传输协议（FTP）、网络远程访问协议（Telnet）等。我们的网络编程主要就是针对应用层。
② 传输层：负责两台主机之间的数据传输。如传输控制协议 (TCP)，能够确保数据可靠的从源主机发送到目标主机。
③ 网络层：负责地址管理和路由选择。例如在IP协议中，通过IP地址来标识一台主机，并通过路由表的方式规划出两台主机之间的数据传输的线路（路由）。路由器（Router）工作在网路层。
④ 数据链路层：负责设备之间的数据帧的传送和识别。例如网卡设备的驱动、帧同步(就是说从网线上检测到什么信号算作新帧的开始)、冲突检测(如果检测到冲突就自动重发)、数据差错校验等工作。有以太网、令牌环网，无线LAN等标准。交换机（Switch）工作在数据链路层。
⑤ 物理层：负责光/电信号的传递方式。比如现在以太网通用的网线(双绞 线)、早期以太网采用的的同轴电缆(现在主要用于有线电视)、光纤，现在的wifi无线网使用电磁波等都属于物理层的概念。物理层的能力决定了最大传输速率、传输距离、抗干扰性等。集线器（Hub）工作在物理层。

封装和分用
① 不同的协议层对数据包有不同的称谓，在传输层叫做段(segment)，在网络层叫做数据报(datagram)，在链路层叫做帧(frame).
② 应用层数据通过协议栈发到网络上时，每层协议都要加上一个数据首部(header)，称为封装(Encapsulation).
③ 首部信息中包含了一些类似于首部有多长，载荷(payload)有多长，上层协议是什么等信息.
④ 数据封装成帧后发到传输介质上，到达目的主机后每层协议再剥掉相应的首部，根据首部中的 “上层协议字段” 将数据交给对应的上层协议处理.

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