网络的位置
我们通常在手机或者电脑上使用的APP，比如抖音、快手、淘宝等，这些APP都是在应用层的。用户在应用层的各种请求最终会下达给操作系统，操作系统内除了进程管理、文件管理、内存管理、驱动管理之外，还有一个内嵌的软件协议栈，协议栈将用户的数据进行各种封包后，通过网卡将数据传递到网络当中，数据在网络内部经过各种路由转发，最终将数据传送到了目标服务器。
目标服务器本身也是一台计算机，该计算机的操作系统就是Linux，而我们在访问目标服务器时使用的可能是Windows、安卓或者IOS等操作系统。此外，对端服务器也有自己的协议栈，对端服务器将拿到数据通过协议栈进行各种解包操作后上交给应用层，在对端服务器的应用层就有一个对应的软件服务器，比如抖音服务器、快手服务器、淘宝服务器等，软件服务器内部对收到的用户请求进行各种分析处理后，再将对应的数据以相同的方式返回给用户。
需要注意的是，不同操作系统的进程管理、文件管理、内存管理、驱动管理的实现方式可能是不一样的。比如Windows和Linux实现多线程的方式是不一样的，Linux当中的线程是用轻量级进程模拟的，而Windows当中是有真正意义上的线程的。
而协议栈是网络标准组织定义的，是具有全球性质的，所有的操作系统都必须支持。也就是说，虽然客户端和服务端可能使用的是不同种类的操作系统，但每个操作系统实现网络协议栈的方法包括各种细节都是一样的，因此双方对数据进行的封包和解包操作都是一样的。
我们知道的是，操作系统中包含进程管理、文件管理、内存管理、驱动管理这四大模块，操作系统层与用户层之间有着系统调用层，操作系统层往下是驱动层，而驱动层再往下就是各种硬件设备了。
操作系统中的进程管理、文件管理、内存管理、驱动管理是隶属于系统部分的，系统部分的核心工作就是管理好各种软硬件资源，对上提供一个良好稳定的运行环境。
操作系统中除了有这四大管理模块，还有与网络协议栈有着密切的关系。网络协议栈主要负责数据的通信，其自顶向下可分为四层，分别是应用层、传输层、网络层、数据链路层。
网络协议栈各部分所处位置：
·应用层是位于用户层的。 这部分代码是由网络协议的开发人员来编写的，比如HTTP协议、HTTPS协议以及SSH协议等。
·传输层和网络层是位于操作系统层的。 其中传输层最经典的协议叫做TCP协议，网络层最经典的协议叫做IP协议，这就是我们平常所说的TCP/IP协议。
·数据链路层是位于驱动层的。 其负责真正的数据传输。
整个网络协议栈呈现出一种层状结构，该协议栈贯穿整个体系结构。
网络协议栈的其他分层方法
在其他书上可能将网络协议栈分为了五层，这多出来的一层就是最底层的物理层，物理层主要就是利用传输介质为数据链路层提供物理连接，实现比特流的透明传输，是与硬件强相关的。
其次，有的书还会将数据链路层和物理层统称为网络接口层，也有人会将网络层叫做网际层。
将通信过程进行抽象
此时我们可以将通信过程进行抽象，可以将通信理解成不是两台机器在通信，而是这两台机器当中的网络协议栈之间在进行通信。
网络协议栈中各层的功能
数据链路层和物理层
要实现通信我们首先要能够将数据发送出去，而数据链路层和物理层就是负责数据真正的发送过程的。
网络层
在数据链路层和物理层的支持下，现在能够将数据发送出去了，但是我们还应该知道数据应该往哪里发，而网络层完成的就是数据转发，解决了数据去哪里的问题。
传输层
现在有了发送数据的能力，也知道数据应该往哪里发，但是我们并不能保证发出去的数据能够成功的到达对端主机，比如在传输过程中可能会出现丢包或对端主机关机，甚至对端服务器出错，导致数据传送出现问题。而传输层的工作就是处理传输时遇到的问题，主要是保证数据可靠性。
应用层
也就是说，网络协议栈的下三层能够保证把数据交付给对端主机，但现在我们还需要明确的是，我们将数据发送给对端主机的目的是什么，而这就是应用层要解决的问题。应用层需要根据特定的通信目的，对数据进行分析与处理，以达到某种业务性的目的。
因此网络协议栈的下三层主要的完成的工作就是处理通信细节，而应用层主要完成的就是某种具体的业务细节
因此网络协议栈的顶层应用层对应的就是某种具体的业务细节，而位于应用层之下的各层就对应处理各种通信细节。
网络协议栈分层的目的
实际上，我们在设计协议栈的时候也可以不进行分层，将各个层的功能全部写在一起，将这些小模块合并成一个更大的模块。但这样的设计方式对设计人员的要求就非常高了，设计人员必须能够编写从物理层到应用层的整个通信过程的代码，并且最终设计出来的代码的可维护性和可扩展性是很低的。
层状结构的本质是软件工程上面的解耦，此时层与层之间只有接口的相互调用关系，此时我们就可以让研究不同领域的开发人员编写不同层的代码，最后再将各层的代码联调起来，由于每一层的代码都是对应领域的专业人员编写的，因此代码联调后整体的性能也是很高的。
并且这样的层状结构可以增加代码的可维护性和可扩展性。比如有一天你觉得数据链路层的代码已经无法承担起通信的能力了，那么此时我们就可以用一个新的协议对它进行替换，而其他各层对应的协议都不用换，这就叫做可扩展性。而如果协议栈的某一层出现了问题，我们只要确定了是哪一层出了问题，就可以直接去对应层去找问题，这就叫做代码的可维护性。
计算机网络背景
网络发展
独立模式：计算机之间相互独立
在早期的时候，计算机之间是相互独立的，此时如果多个计算机要协同完成某种业务，那么就只能等一台计算机处理完后再将数据传递给下一台计算机，然后下一台计算机再进行相应的业务处理，效率非常低下。
网络互联: 多台计算机连接在一起, 完成数据共享;
局域网LAN: 计算机数量更多了, 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都连在一起;
当然，你可能还听说过城域网和校园网这样的概念，城域网实际就是在一个城市范围内所建立的计算机通信网，而校园网对应的就是在一个校园范围内所建立的计算机通信网。城域网和校园网实际也是一种相对的概念，我们都可以将它们看作一个大的局域网。
认识协议
“协议”本质就是一种约定，通信双方只要曾经做过某种约定，之后就可以使用这种约定来完成某种事情。而网络协议是通信计算机双方必须共同遵从的一组约定，因此我们一定要将这种约定用计算机语言表达出来，此时双方计算机才能识别约定的相关内容。
举个简单的例子
比如通信计算机双方曾经做过如下约定：
- 如果code的值为1，则表示需要将data的值存储进数据库。
- 如果code的值为2，则表示需要将data的值写入日志信息。
- 如果code的值为3，则表示需要将data的值进行打印输出。
就是一个位段结构，我们是可以通过位段来表示某种协议规定的，而实际上计算机网络里面的协议报头也就是通过位段来实现的。
我们有了这样的约定后，当甲计算机向乙计算机发送类似于{1, 0x1234}的数据时，乙计算机识别到code的值是1，于是就知道了甲计算机是让自己将data的值存储进数据库，这是一种纯软件的约定方案。
另外我们应该都知道，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，因此要想传递各种不同的信息，就需要约定好双方的数据格式，这就是一种纯硬件的一种约定方案。
协议应该由谁来定制
在当前这个互联网时代，计算机生产商有很多，计算机操作系统也有很多，计算机网络硬件设备更是多种多样，那我们是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的呢？这时候就需要有人站出来，约定一个共同的标准，并且让大家都来遵守这个标准，这就是网络协议。
而那个站出来的人一定是该领域当中的佼佼者，因为网络协议的定制本质就是规则的定制，你要站出来制定规则那么一定要同行业的其他人都认可你。比如5G标准的定义，华为就是那个站出来的人，华为在通信领域已经具备很强的通信能力了，在这个行业里它就是所谓的佼佼者。
正所谓“一流的企业做标准，二流的企业做品牌，三流的企业做产品”。但是标准的定制有一部分是公益性、开源性的，它制定标准的目的是为了让我们的世界变得更好；而标准的定制还有一部分是具有一定盈利性质的，当你需要使用这项技术时就会收取部分专利费，此时就能将曾经做的技术投入进行变现。
网络协议初始
协议分层
协议分层的好处
网络协议栈设计成层状结构，其目的就是为了将层与层之间进行解耦，保证代码的可维护性和可扩展性。
比如在打电话的时候，站在工程师的角度实际这两个人并不是直接进行沟通的，而是甲的电话将甲说的话记录下来，经过一系列编码转码后，通过通信网络将信息从甲的电话传递到了乙的电话，然后信息在乙的电话中再经过对应的编码转码，最后乙才通过话筒听到了甲所说的话。
其中，人与人之间通信使用的是汉语，我们可以将其称为语言层；而电话和电话之间通信使用的是电话系统相关的一些接口，我们可以将其称之为通信设备层。
后来随着科技的发展，我们都用上了智能手机，此时我们下层使用的通信设备变了，或是这部电话卖到了其他国家，此时上层使用的通信语言变了，但我们仍然可以正常沟通。
分层最大的好处在于“封装”，在分层情况下，将某层的协议进行替换后，通信双方之间是不会受到影响的。
理解各层之间直接通信
从上述例子我们还可以看出，虽然在打电话时我们并不是直接进行沟通的，但是我们可以认为我们是在直接进行沟通，并且这两台电话也不是直接在进行沟通的，数据经过电话后，还需要各种基站，各种电信网络来进行数据转发，但是这两台电话依旧可以认为是直接在和对方电话进行通信的。
因此对于网络协议我们需要有一个基本的认识：关于通信，同层协议可以认为自己在和对方层直接进行通信，从而达到简化对于网络协议栈的理解。
也就是说，在网络协议栈中我们可以认为通信双方的应用层之间直接在进行通信，也可以认为通信双方的传输层之间直接在进行通信，对于网络层和数据链路层也同样如此。
OSI七层模型
上面我们说的是TCP/IP四层协议，而实际当初那个站出来的人定的协议叫做OSI七层协议：
·OSI（Open System Interconnection，开放系统互联）七层网络模型称为开方式系统互联参考模型，是一个逻辑上的定义和规范。
·OSI把网络从逻辑上分为了七层，每一层都有相关的、相对应的物理设备，比如路由器，交换机。
·OSI七层模型是一种框架性的设计方法，其最主要的功能就是帮助不同类型的主机实现数据传输，比如手机和电视之间数据的传输。
·OSI七层模型最大的优点是将服务、接口和协议这三个概念明确地区分开来，概念清楚，理论也比较完整，通过七个层次化的结构模型使不同的系统不同的网络之间实现可靠的通讯。
·但是，OSI七层模型既复杂又不实用，所以后来在具体实现的时候就对其进行了调整，于是就有了我们现在看到的TCP/IP四层协议。
OSI七层模型如下：
TCP/IP五层（或四层）模型
TCP/IP是一组协议的代名词，它还包括许多协议，共同组成了TCP/IP协议簇。TCP/IP通讯协议采用了五层的层级结构，每一层都呼叫它的下一层所提供的网络来完成自己的需求。
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无线网使用的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）就是工作在物理层的。
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、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。数据链路层底层的网络通信标准有很多，如以太网、令牌环网、无线LAN等。交换机（Switch）就是工作在数据链路层的。
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数据传输的线路（路由）。路由器（Router）就是工作在网络层的。
传输层： 负责两台主机之间的数据传输。例如传输控制协议（TCP），能够确保数据可靠的从源主机发送到目标主机。
应用层： 负责应用程序间沟通。比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的。
与OSI七层模型各层的对应关系：
可以看到，它们的下面几层几乎是没有区别的，操作系统对应的是传输层和网络层，数据链路层和物理层都是对应在驱动层的，而TCP/IP协议当中的应用层就对应到OSI七层协议当中的应用层、表示层和会话层。
一般而言：
对于一台主机，它的操作系统内核实现了从传输层到物理层的内容。
对于一台路由器，它实现了从网络层到物理层的内容。
对于一台交换机，它实现了从数据链路层到物理层的内容。
对于集线器，它只实现了物理层的内容。
但这并不是绝对的，比如很多交换机也实现了网络层的转发，很多路由器也实现了部分传输层的内容（比如端口转发）。
网络传输的基本流程
我们这里以两台主机进行文件传输为例，此时各层对应的协议如下：
跨网段的主机的文件传输. 数据从一台计算机到另一台计算机传输过程中要经过一个或多个路由器。
数据包封装和分用
下图为数据分用的过程
网络中的地址管理
认识IP地址
IP地址是在IP协议中，用来标识网络中不同主机的地址。
对于IPv4来说，IP地址是一个4字节，32位的整数。
我们通常也使用“点分十进制”的字符串表示IP地址，例如192.168.0.1，用点分割的每一个数字表示一个字节，范围是0-255。
需要注意的是，IP协议有两个版本，分别是IPv4和IPv6。IPv4用32个比特位来标识IP地址，而IPv6用128个比特位来标识IP地址。
认识MAC地址
MAC地址用来识别数据链路层中相连的节点。
长度为48位，及6个字节，一般用16进制数字加上冒号的形式来表示（例如：08:00:27:03:fb:19）。
在网卡出厂时就确定了，不能修改。MAC地址通常是唯一的（虚拟机中的MAC地址不是真实的MAC地址，可能会冲突，也有些网卡支持用户配置MAC地址）。
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