【网络原理 1】网络编程原理基础知识-优快云博客

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。

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。

二、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）。

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。

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。

三、认识协议

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。

作⽤

为什么需要协议？比特就业课就好⽐⻅⽹友，彼此协商胸⼝插⽀玫瑰花⻅⾯，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；

四、协议分层

对于⽹络协议来说，往往分成⼏个层次进⾏定义。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。

分层的作⽤

为什么需要⽹络协议的分层？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，使⽤服务）：

• 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

• 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：

五、TCP/IP五层（或四层）模型

TCP/IP模型是一种用于描述计算机网络中数据传输过程的分层架构。通常将其分为四层或五层，取决于不同的划分方法。以下是TCP/IP模型的各个层次及其功能：

五层模型

1. 物理层（Physical Layer）：
- 这是最低层，涉及网络的物理连接和信号传输方式。它定义了数据在物理介质上如何传输，例如电缆、光纤、无线电波等。

2. 数据链路层（Data Link Layer）：
- 此层处理直接连接的设备之间的通信，主要关注数据帧的传输。它包括错误检测、帧同步和流量控制等功能。常见的协议有以太网、Wi-Fi等。

3. 网络层（Network Layer）：
- 这一层负责数据包在网络中的路由和转发。它处理逻辑地址（如IP地址）和路由选择，确保数据包可以从源设备到达目标设备。IP（Internet Protocol）是这一层的主要协议。

4. 传输层（Transport Layer）：
- 这一层提供端到端的数据传输服务。它负责分段、数据完整性和流量控制。TCP（Transmission Control Protocol）和UDP（User Datagram Protocol）是这一层的主要协议。TCP提供可靠的连接，UDP则是不可靠的。

5. 应用层（Application Layer）：
- 这是最高层，直接与用户应用程序交互。它负责提供特定的网络服务，例如HTTP、FTP、SMTP、DNS等。

四层模型

四层模型是另一种看待TCP/IP架构的方法，在这种模型中，通常合并物理层和数据链路层为一个层级，称为**网络接口层（Network Interface Layer）**，其他层次与五层模型相同：

1. **网络接口层（Network Interface Layer）**：
- 包括物理和数据链路相关的功能，处理设备之间的直接通信。

2. **网络层（Network Layer）**：
- 与五层模型中的网络层相同，负责数据包的路由和IP地址的管理。

3. **传输层（Transport Layer）**：
- 与五层模型中的传输层相同，处理端到端通信。

4. **应用层（Application Layer）**：
- 负责与应用程序交互，提供高级网络服务。

这两种模型都用于描述网络通信的不同方面，四层模型更接近实际的TCP/IP结构，而五层模型则提供了更详细的分层视角。

六、封装和分⽤

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)。
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)。
⾸部信息中包了⼀些类似于⾸部有多⻓，载荷(payload)有多⻓，上层协议是什么等信息。
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。

下图为数据封装的过程

下图为数据分⽤的过程

两台主机之间的网络通信流程

通常如下：

建立连接：客户端向服务器发送连接请求。
服务器响应：服务器接受连接请求并回复确认。
数据传输：客户端向服务器发送数据请求，服务器接收并处理请求，并返回相应的数据。
断开连接：通信结束后，客户端或服务器可以选择关闭连接。

总结

IP地址（Internet Protocol Address）：它是分配给设备以在网络上识别和通信的唯一标识符。IPv4地址由32位二进制数表示，通常以点分十进制表示，如192.168.1.1。IPv6地址则由128位二进制数表示，通常以八组十六进制数表示。
端口号（Port Number）：在网络通信中，端口号用于标识特定的应用程序或服务。它是一个16位的数字，范围从0到65535。常见的端口号有一些预留给特定的服务，比如HTTP的80端口，HTTPS的443端口等。
协议（Protocol）：网络通信中的协议是一组规则和约定，用于设备之间的通信。常见的网络协议包括TCP（Transmission Control Protocol）、UDP（User Datagram Protocol）、HTTP（Hypertext Transfer Protocol）、HTTPS（HTTP Secure）等。
协议分层（Protocol Layering）：网络协议分层是指将网络通信划分为不同的层次，每个层次负责不同的功能。常见的网络协议分层体系是OSI模型（Open Systems Interconnection model），包括物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层和应用层。
封装（Encapsulation）：封装是指在发送端将数据添加到协议的头部和尾部，形成一个数据包或帧，以便在网络中传输。在接收端，数据包或帧被解封，以获取原始数据。
分用（Multiplexing）：分用是将多个数据流合并到一个信道或介质中传输的过程。多路复用技术允许多个信号通过同一信道传输，从而提高了通信效率。
客户端（Client）：客户端是指向服务器请求服务或资源的设备或程序。它通常是在用户端运行的软件，例如Web浏览器。
服务器（Server）：服务器是指提供服务或资源的设备或程序。它通常是在网络中运行的软件，如Web服务器、邮件服务器等。
请求（Request）：请求是客户端向服务器发送的消息，请求特定的服务或资源。例如，在Web浏览器中输入网址并按下回车键就是向服务器发送请求的行为。
响应（Response）：响应是服务器对客户端请求的回复，包含请求的服务或资源。例如，当客户端请求一个网页时，服务器会发送包含该网页内容的响应。
建立连接：客户端向服务器发送连接请求。
服务器响应：服务器接受连接请求并回复确认。
数据传输：客户端向服务器发送数据请求，服务器接收并处理请求，并返回相应的数据。
断开连接：通信结束后，客户端或服务器可以选择关闭连接。