网络通信基础-osi七层模型及协议简介，socket 层简介
<p>目录
一、网络通信的原理
1.1、互联网的本质就是一系列的网络协议
1.2、 osi七层协议
1.3、 tcp/ip五层模型讲解
1.3.1、 物理层
1.3.2、 数据链路层--以太网协议
1.3.3 网络层--IP 协议
子网掩码
ARP 协议
1.3.4 传输层--Tcp/Udp 协议
1.3.5 应用层
交换机
常用端口号
二、socket层
套接字工作流程
Tcp 三次握手与四次挥手
Tcp 协议比 Udp 协议更加可靠的原因
一、网络通信的原理
1.1、互联网的本质就是一系列的网络协议
一台硬件设备有了操作系统、有了软件之后，就可以正常使用了，显然这台设备仅限于自己使用，不能与其他同样的设备进行交流，因此，想要做到设备之间的交流，需要通过一种手段把设备链接起来</p>
<p>这种手段就是 Internet</p>
<p>什么是 Internet?</p>
<p>其实两台计算机之间通信与两个人打电话之间通信的原理是一样的（中国有很多地区，不同的地区有不同的方言，为了全中国人都可以听懂，大家统一讲普通话）</p>
<p>普通话属于中国国内人与人之间通信的标准，那如果是两个国家的人交流呢？很显然是使用英语</p>
<p>如果把计算机看成分布于世界各地的人，那么连接两台计算机之间的internet实际上就是一系列统一的标准，这些标准称之为互联网协议，互联网的本质就是一系列的协议，总称为‘互联网协议’（Internet Protocol Suite).</p>
<p>互联网协议的功能：定义计算机如何接入internet，以及接入internet的计算机通信的标准。</p>
<p>1.2、 osi七层协议
协议：规定数据的组织格式；</p>
<p>互联网协议按照功能不同分为osi七层或tcp/ip五层或tcp/ip四层</p>
<p>每层运行常见物理设备</p>
<p>OSI七层协议数据传输的封包与解包过程</p>
<p>1.3、 tcp/ip五层模型讲解
我们将应用层，表示层，会话层并作应用层，从tcp／ip五层协议的角度来阐述每层的由来与功能，首先，用户感知到的只是最上面一层应用层，自上而下每层都依赖于下一层，所以我们从最下一层开始切入，比较好理解</p>
<p>1.3.1、 物理层
物理层由来：上面提到，孤立的计算机之间要想一起玩，就必须接入internet，言外之意就是计算机之间必须完成组网</p>
<p>物理层功能：主要是基于电器特性发送高低电压(电信号)，高电压对应数字1，低电压对应数字0</p>
<p>很明显，这样将 0 1 信号传输过去是不能分辨出数据的，必须要对数据进行分组</p>
<p>1.3.2、 数据链路层–以太网协议
数据链路层由来：单纯的电信号0和1没有任何意义，必须规定电信号多少位一组，每组什么意思</p>
<p>数据链路层的功能：定义了电信号的分组方式</p>
<p>以太网协议</p>
<p>早期的时候各个公司都有自己的分组方式，后来形成了统一的标准，即以太网协议ethernet</p>
<p>ethernet规定</p>
<p>一组电信号构成一个数据帧，叫做‘帧’
每一数据帧分成：报头head和数据data两部分
但凡接入互联网的主机必须有一块网卡，每块网卡出厂时都会镶嵌上一块独一无二的 mac 地址
head data
head包含：(固定18个字节)</p>
<p>发送者／源地址，6个字节
接收者／目标地址，6个字节
数据类型，6个字节
data包含：(最短46字节，最长1500字节)</p>
<p>head长度＋data长度＝最短64字节，最长1518字节，超过最大限制就分片发送</p>
<p>广播</p>
<p>ethernet采用最原始的方式，广播的方式进行通信，即计算机通信基本靠吼</p>
<p>由于每个Mac 地址对应唯一的一台计算机，因此只要找到目标的 Mac 地址那么就能找到目标计算机</p>
<p>1.3.3 网络层–IP 协议
网络层由来：有了ethernet、mac地址、广播的发送方式，世界上的计算机就可以彼此通信了</p>
<p>问题是世界范围的互联网是由一个个彼此隔离的小的局域网组成的，那么如果所有的通信都采用以太网的广播方式，那么一台机器发送的包全世界都会收到，这就不仅仅是效率低的问题了，这会是一种灾难</p>
<p>每一个小的局域网都应该有一个网关，网关相当于出入口，每一网关都应该有两个地址：</p>
<p>1、处于局域网的地址；</p>
<p>2、对外的地址，用于联通公网的；</p>
<p>网络层所需要达成的目的：</p>
<p>1、引入一套新的地址用来区分不同的广播域／子网，这套地址即网络地址</p>
<p>2、每一个广播域但凡要连接外部，一定要有一个网关帮内部的计算机转发包到公网</p>
<p>3、网关与外界通信，走的是路由协议</p>
<p>综上，一台计算机的 Mac地址是独一无二的，但是，Mac 地址仅限于在一个子网中传播信息，为了将子网中的数据精准的传输给另一个子网中的目设备，即子网与子网之间需要一个协议来标识各个子网的地址。</p>
<p>基于网络层的协议就是 IP 协议</p>
<p>网络层 IP 协议 的一些规定：</p>
<p>一组数据构成一个数据包，叫做‘包’
每一数据包分成：头head和数据data两部分
规定网络地址的协议叫ip协议，它定义的地址称之为ip地址，广泛采用的v4版本即ipv4，它规定网络地址由32位2进制表示
范围0.0.0.0-255.255.255.255
一个ip地址通常写成四段十进制数，例：172.16.10.1
ip数据包</p>
<p>ip数据包也分为head和data部分，无须为ip包定义单独的栏位，直接放入以太网包的data部分ß</p>
<p>head：长度为20到60字节</p>
<p>data：最长为65,515字节。</p>
<p>而以太网数据包的”数据”部分，最长只有1500字节。因此，如果IP数据包超过了1500字节，它就需要分割成几个以太网数据包，分开发送了。</p>
<p>以太网头 ip 头 ip数据
有了一个 IP 地址和 Mac 地址之后，我们就能标识全世界独一无二的计算机</p>
<p>IP 地址分成两个部分：</p>
<p>网络部分：标识子网
主机部分：标识主机
注意：单纯的ip地址段只是标识了ip地址的种类，从网络部分或主机部分都无法辨识一个ip所处的子网</p>
<p>例：172.16.10.1与172.16.10.2并不能确定二者处于同一子网</p>
<p>子网掩码
所谓”子网掩码”，就是表示子网络特征的一个参数。</p>
<p>它在形式上等同于IP地址，也是一个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。</p>
<p>比如，IP地址172.16.10.1，如果已知网络部分是前24位，主机部分是后8位，那么子网络掩码就是11111111.11111111.11111111.00000000，写成十进制就是255.255.255.0</p>
<p>知道”子网掩码”，我们就能判断，任意两个IP地址是否处在同一个子网络。方法是将两个IP地址与子网掩码分别进行AND运算（两个数位都为1，运算结果为1，否则为0），然后比较结果是否相同，如果是的话，就表明它们在同一个子网络中，否则就不是。</p>
<p>比如，已知IP地址172.16.10.1和172.16.10.2的子网掩码都是255.255.255.0，请问它们是否在同一个子网络？两者与子网掩码分别进行AND运算，</p>
<p>172.16.10.1： 10101100.00010000.00001010.000000001</p>
<p>255255.255.255.0: 11111111.11111111.11111111.00000000</p>
<p>AND运算得网络地址结果： 10101100.00010000.00001010.000000001-> 172.16.10.0</p>
<p>172.16.10.2： 10101100.00010000.00001010.000000010</p>
<p>255255.255.255.0: 11111111.11111111.11111111.00000000</p>
<p>AND运算得网络地址结果： 10101100.00010000.00001010.000000001-> 172.16.10.0</p>
<p>结果都是172.16.10.0，因此它们在同一个子网络。
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ARP 协议
ARP 协议负责把 IP 解析成 Mac 地址 (因此基于 ARP 协议只需要拿到 IP 地址就能确定 一台计算机 )</p>
<p>arp协议由来：</p>
<p>arp协议由来：计算机通信基本靠吼，即广播的方式，所有上层的包到最后都要封装上以太网头，然后通过以太网协议发送，在谈及以太网协议时候，我门了解到</p>
<p>通信是基于mac的广播方式实现，计算机在发包时，获取自身的mac是容易的，如何获取目标主机的mac，就需要通过arp协议</p>
<p>ARP协议工作方式：每台主机ip都是已知的</p>
<p>一：首先通过ip地址和子网掩码区分出自己所处的子网</p>
<p>二：分析是否处于同一网络</p>
<p>如果一样，证明证明二者在同一个局域网中，只需要走交换机即可</p>
<p>在局域网中，此时只需要Mac 地址即可，然而此时只有 目标主机的IP 地址</p>
<p>此时就需要 ARP 协议把目标主机的IP 地址转换成 Mac 地址，过程为以下几步：</p>
<p>首先，发送一个 ARP 协议包，数据格式如下：</p>
<p>其次，交换机会先解析这个包，解析出目标 Mac 地址为：FF:FF:FF:FF:FF:FF</p>
<p>最后，再将包封装，将这个 ARP 协议包发给局域网中的所有设备</p>
<p>源mac 目标mac 源ip 目标ip 数据部分
发送端主机 发送端mac FF:FF:FF:FF:FF:FF 172.16.10.10/24 172.16.10.11/24 数据
目标 Mac 地址为：FF:FF:FF:FF:FF:FF；作用为–>接受到包的设备返回给源设备 Mac 地址</p>
<p>三：这个包会以广播的方式在发送端所处的自网内传输，所有主机接收后拆开包，发现目标ip为自己的，就响应，返回自己的mac，此时原设备的 Mac 地址与目标 Mac 地址都已经确定了。</p>
<p>如果不是同一网络,那么 Mac 地址就无效了</p>
<p>交换机收到包以后，将包发送个网关(路由器)，此时需要获得网关的 Mac 地址，因此同样需要发送 ARP 协议包</p>
<p>源mac 目标mac 源ip 目标ip 数据部分
发送端主机 发送端mac FF:FF:FF:FF:FF:FF 172.16.10.10/24 网关的 ip地址x 数据
局域网中的网关的 ip地址为：每个局域网中的第一个地址。（局域网 192.168.0.0 那么网关：192.168.0.1）</p>
<p>网关将 Mac 地址返回之后，此时需要将真正的数据包发送给网关：</p>
<p>源mac 目标mac 源ip 目标ip 数据部分
发送端主机 发送端mac 网关的 Mac 172.16.10.10/24 目标主机的 IP 数据
网关开始解析数据包，发现目标 IP 地址并不是局域网中的 IP，网关就要开始将数据包进行转发。</p>
<p>注意：此时需要将数据包的源ip 换成网关的对外的 IP 地址，在数据包的转发过程中，每一次的转发都需要将源ip 换掉。</p>
<p>1.3.4 传输层–Tcp/Udp 协议
网络层的ip帮我们区分子网，以太网层的mac帮我们找到主机，然后大家使用的都是应用程序，你的电脑上可能同时开启qq，暴风影音，等多个应用程序，那么我们通过ip和mac找到了一台特定的主机，如何标识这台主机上的应用程序，答案就是端口，端口即应用程序与网卡关联的编号。</p>
<p>传输层功能：建立端口到端口的通信</p>
<p>补充：端口范围0-65535，0-1023为系统占用端口</p>
<p>Tcp协议：可靠传输，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。</p>
<p>以太网头 ip 头 tcp头 数据
udp协议：不可靠传输，”报头”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。</p>
<p>以太网头 ip头 udp头 数据
1.3.5 应用层
这一层就是应用软件，可以根据程序员自己进行开发，也就是说不同的程序可以有各自的协议。</p>
<p>交换机
交换机为什么是二层设备？</p>
<p>当交换机收到一个数据包之后，需要搞清楚这个数据需要发给网关还是局域网中的其他设备，就需要交换机按照以太网协议把数据包给解析下，得到目标的 Mac 地址之后，在将包给封装成原来的包。由于交换机是基于二层（以太网协议）进行数据传输的，所以叫做二层设备。</p>
<p>什么是交换机学习？</p>
<p>交换机中，信息的通信都是靠广播。但是，如果在确定了原 Mac 与目标 Mac 的前提下，再进行广播，无疑信息传输的效率会非常地低，此时就有了交换机学习的概念。交换机内会有一张"表"，会记录下连接交换机设备的 Mac 地址。此时，只有目标 Mac 地址不在"表"中 和 FF:FF:FF:FF:FF:FF，才会进行广播。</p>
<p>常用端口号
应用程序 熟知端口 传输层协议
FTP 21,20 TCP
DNS 53 UDP
TELNET 69 TCP
SMTP 25 TCP
HTTP 80 TCP
SSH 22 TCP
MYSQL 3306 TCP
DNS: 把网址解析成 IP地址</p>
<p>二、socket层
Socket是应用层与TCP/IP协议族通信的中间软件抽象层，它是一组接口。在设计模式中，Socket其实就是一个门面模式，它把复杂的TCP/IP协议族隐藏在Socket接口后面，对用户来说，一组简单的接口就是全部，让Socket去组织数据，以符合指定的协议。</p>
<p>所以，我们无需深入理解tcp/udp协议，socket已经为我们封装好了，我们只需要遵循socket的规定去编程，写出的程序自然就是遵循tcp/udp标准的</p>
<p>套接字工作流程
一个生活中的场景。你要打电话给一个朋友，先拨号，朋友听到电话铃声后提起电话，这时你和你的朋友就建立起了连接，就可以讲话了。等交流结束，挂断电话结束此次交谈。 生活中的场景就解释了这工作原理</p>
<p>Tcp 三次握手与四次挥手</p>
<p>建立链接(三次握手)：</p>
<p>1、客户端向服务端发送建立链接的请求；</p>
<p>2、服务端回复请求，同意建立链接，并且同时向客户端发送建立链接请求</p>
<p>3、客户端收到服务端的请求之后，同意建立，则双方的链接成功建立</p>
<p>断开链接（四次挥手）：</p>
<p>1、客户端向服务端发送断开链接的请求；</p>
<p>2、服务端回复请求，同意断开链接</p>
<p>3、等待服务端给客户端传递的数据全部传送结束，并且同时向客户端发送断开链接请求</p>
<p>4、客户端收到服务端的断开请求之后，同意断开，则双方的链接断开</p>
<p>Tcp 协议比 Udp 协议更加可靠的原因
tcp 协议发送消息会有反馈机制，而不是在于 tcp 协议拥有双向通道；</p>
<p>基于 tcp 协议发送的消息会在本地先保存信息，如果对方确认收到信息，才会删除</p>
<p>否则会在一定的时间内多次的发送，直到对方确认或者超时位置</p>
<p>udp 协议发送数据之后会立刻将数据删除，不等待对方进行确认
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