网络原理概述

全世界几十亿台电脑/手机，能够通过网络一起进行通讯，这么神奇的事情是怎么做到的？

先从简单的开始分析，两台电脑要进行通讯，需要怎么做？

我们需要通过“物理媒介”(光缆/电缆/无线电波)把两者连接起来。而物理媒介可以传输“物理信号”(电压/振幅等)。

物理信号传递什么信息呢？
比如电压，高压表示1，低压表示0。那么高/低压代表1/0，这也就是基础物理信号所代表的意义，需要制定协议。

这就是实体层，它就是把电脑连接起来的物理手段，主要规定了一些物理特性，作用负责传递0和1的电信号。
物理信号—(协议)—>电信号

0/1电信号，没有任何意义，怎么传递信息？
单纯的0/1的确没有意义，我们需要制定规则来赋予它意义。
比如，我们制定电信号的基本数据结构为“帧”(Frame)，以帧为单位进行数据传输。
我们规定0/1的某种组合代表，帧的开始和结束、帧的标头Head(包含发送者/接受者/数据类型 信息)、帧的数据Body，这也就形成了一个有基本结构的数据包。

这就是 连接层，它把电信号的基本数据结构进行了规则制定。发送者和接受者都按照规定来解读固定结构的电信号。
电信号—(以太网协议)—>有基本结构的数据包

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数据包基本结构中标头Head内包含的“发送者/接受者”信息是怎么确定的？
每台电脑要上网都需要“网卡”，数据包就是通过网卡接入/传出的。每一块网卡，都有一个独一无二的MAC地址，长度是48个二进制位，通常用12个十六进制数表示。网卡就像是我们的门牌号。

我的网卡只知道接收者网卡的MAC地址，怎么知道接收者的位置信息，把数据包传给它呢？
我的网卡会向本网络所有计算机发送数据包(广播)，让每台计算机自己判断，是否为接收方，它们读取这个数据包的“标头”，把MAC地址进行对比，来选择接受/丢弃 数据包。

连接层通过“网卡MAC地址”与“广播方式”发送数据包，这样效率太低了。为了效率更高，我们又规定了一个新的地址系统，以网络地址表示门牌号。
IP协议：该地址系统就是IP协议，他所定义的地址就是IP地址。目前广泛应用的是IP协议第四版，简称IPv4,这个版本规定，网络地址由32个二进制位组成。
IP协议功能简单理解：
1、互联网上的每台计算机都会被分配一个IP地址。
2、确定哪些地址在同一网络。通过IP地址和子网掩码可以计算出网络地址和主机号。若两个IP的网络地址相同，主机号不同，则处于同一子网中。

IP数据包：根据IP协议发送的数据包，叫IP数据包。IP数据包是在“以太网数据包”的Body数据部分内进行定义(因此完全不用修改以太网的规格。这就是互联网分层的好处，上层的变动不涉及下层的结构)，其标头Head内的发送者/接收者是IP地址了，不是MAC地址了。

这就是 网络层，他制定了新的地址系统(IP地址系统)。IP地址是由路由网关分配的，我发送数据包，不再是给每一台计算机发送了。而是给网关发送，网关X确定是发送给自己网内计算机的，再分发给该IP计算机，提高了效率。

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有了MAC地址和IP地址，我们已经可以让网络上任意两台主机建立通信。接下来的问题是，同一台主机上有许多程序都需要用到网络，比如一边浏览网页，一边qq聊天，当一个数据包，从互联网发来的时候，我们需要一个参数来确定这个数据包到底供哪个程序(进程)使用，这个参数就叫“端口”，他其实是每一个使用网卡的程序的编号，每一个数据包发送到主机特定端口，所以不同的程序就能取到自己所需的数据。

端口：是0～65535之间的一个整数，正好16个二进制位。0～1023的端口被系统占用，用户只能选用大于1023的端口。不管聊天还是浏览网页，应用程序会随机选用一个端口，然后与服务器的响应端口联系。

这就是传输层，建立“端口”到“端口”的通信。相比之下，“网络层”的功能是建立主机到主机的通信。只要确定“主机”和“端口”，我们就能实现程序之间的交流。因此，Uinx系统就把主机和端口叫做“套接字”(socket)。有了它就可以进行网络应用开发了。

UDP协议：我们现在必须在数据包中加入端口信息，这就需要新的协。UDP协议，标头部分主要定义了“发出端口/接受端口”，数据部分就是具体的内容，让后把整个UDP数据包放入IP数据包的数据Body部分。

TCP协议：UDP协议简单，但可靠性差，数据包发出后，无法知道对方是否接收到。于是TCP协议诞生，它发出的每一个数据包，都要求确认，如果有一个数据包丢失，就收不到确认，发出方就知道有必要重发这个数据包。因此TCP协议能确保数据包不会丢失，缺点是过程复杂，实现困难，消耗资源多。

传输层

应用程序收到“传输层的数据”，接下来就要进行解读。由于互联网是开放架构，数据来源五花八门，必须事先规定好格式，否则根本无法解读。
举例来说，TCP协议可以为各种个样的程序传递数据，比如Email、WWW、FTP等。那么，必须有不同协议规定电子邮件、网页、FTP的数据格式，这些应用程序协议就构成了应用层。

这就是应用层，最高的一层，直接面对用户。它的数据就放在TCP数据包的数据Body部分。因此，现在的以太网的数据包就变成了下面这样。

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小结：

网络上的传递的数据包，基本上就是经过这几个层的包装。

网络通讯就是交换数据包，发送数据包需要知道两个地址：
1、MAC地址。
2、对方IP地址。
若两台电脑在同一个子网中，若接受方确定IP符合，会向对方报告自己的MAC地址。
若两台电脑不在同一个子网中，就无法知道对方的MAC地址，必须把数据包通过网关A(需要知道网关A的MAC地址)转发。路由协议，发现目标IP位于子网络B中，又把数据包发给网关B，网关B再把数据包转发给相应主机。

我们上网需要我们填写4个参数(太专业对用户不友好、如果IP不变其它电脑不能使用这个IP，不够灵活)，本机IP地址、子网掩码、网关IP、DNS的IP。大多数用户使用“动态IP地址上网”，计算机开机后自动分配一个IP地址，它使用的协议是DHCP协议。它规定，每一个子网络中，有一台计算机负责管理本网络的所有IP地址，它叫做"DHCP服务器"。新的计算机加入网络，必须向"DHCP服务器"发送一个"DHCP请求"数据包，申请IP地址和相关的网络参数。

我们输入了www.google.com，首先通过DNS协议我们得到域名对应的IP地址，通过子网掩码(计算出该IP的网络地址)判断我们是否在同一子网，如果不在同一子网，我们通过我们子网的网关(得知道网关IP，然后又请求网关IP得到网关MAC，再通过网关转发)。浏览网页用的是HTTP协议。TCP数据包需要设置端口(根据TCP协议)，然后TCP数据包嵌入IP数据包(根据IP协议)，最后嵌入以太网数据包(根据以太网协议)。经过多个网关转发，谷歌服务器收到以太网数据包。