网络通信基础——网络协议_网络通信协议

一、概念

  计算机网络中实现通信必须有一些约定，即通信协议， 对速率、传输代码、代码结构、传输控制步骤、出错控制等制定标准。只有遵守这个约定，计算机之间才能相互通信交流。通常由三要素组成：

1. 语法：即数据与控制信息的结构或格式；
2. 语义：即需要发出何种控制信息，完成何种动作以及做出何种响应；
   语义主要用来说明通信双方应当怎么做。用于协调与差错处理的控制信息。
3. 时序：即事件实现顺序的详细说明。
   时序定义了何时进行通信，先讲什么，后讲什么，讲话的速度等。比如是采用同步传输还是异步传输。
     协议（protocol）最终体现为在网络上传输的数据包的格式。

二、作用

  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。

三、五元组

  在TCP/IP协议中，用五元组来标识一个网络通信：

1. 源IP：标识源主机
2. 源端口号：标识源主机中该次通信发送数据的进程
3. 目的IP：标识目的主机
4. 目的端口号：标识目的主机中该次通信接收数据的进程
5. 协议号：标识发送进程和接收进程双方约定的数据格式
   
     可以在cmd中，输入 netstat -ano 查看网络数据传输中的五元组信息：
   
     如果需要过滤（一般是通过端口号或进程PID过滤），可以使用 netstat -ano | findstr 过滤字符串

四、协议分层

1、协议封层的思想

  在制定协议时，把复杂成份分解成一些简单的成份，再将它们复合起来。最常用的复合方式是层次方式，即同层间可以通信、上一层可以调用下一层，而与再下一层不发生关系 。各层互不影响，利于系统的开发和扩展。

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，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，即可以很方便的对其中的某层/某些协议进行灵活的替换。

  这样能更好的扩展和维护，如下图：

3、OSI 七层模型

  OSI：即 Open System Interconnection，开放系统互连。

• OSI 七层网络模型是一个逻辑上的定义和规范：把网络从逻辑上分为了7层。
• 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；
• 它的最大优点是将服务、接口和协议这三个概念明确地区分，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。

  OSI 七层模型划分为以下七层：


  OSI 七层模型既复杂又不实用：所以 OSI 七层模型没有落地、实现。
  实际组建网络时，只是以 OSI 七层模型设计中的部分分层，也即是以下 TCP/IP 五层（或四层）模型来实现。

4、TCP/IP 五层模型（TCP/IP 协议簇）

1. 传输层协议中有两个非常重要的协议：
   • 传输控制协议TCP(Transmission Control Protocol)
   • 用户数据报协议 UDP(User Datagram Protocol)
2. TCP/IP 以其两个主要协议：传输控制协议（ TCP) 和网络互联协议（ IP) 而得名，实际上是一组协议，包括多个具有不同功能且互为关联的协议。
3. IP(Internet Protocol) 协议是网络层的主要协议，支持网间互连的数据通信。
4. TCP/IP 协议模型从更实用的角度出发，形成了高效的五（四）层体系结构，即物理链路层、 IP 层、传输层和应用层 。
5. TCP/IP通讯协议采用了5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。
   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。（只关注起点和终点，不关注具体的通信细节）
   3. 网络层：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。（针对网络上的任意两台主机，完成一个通信路径的规划，以及具体传输）
   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。（实现两个相邻设备之间的数据通信）
   5. 物理层：负责光/电信号的传递方式。（硬件设备，网络通信的基础设施）
      
        物理层我们考虑的比较少。因此很多时候也可以称为 TCP/IP四层模型。

5、 网络设备所在分层

1. 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，也即是TCP/IP五层模型的下四层；
2. 对于一台路由器，它实现了从网络层到物理层，也即是TCP/IP五层模型的下三层；
3. 对于一台交换机，它实现了从数据链路层到物理层，也即是TCP/IP五层模型的下两层；
4. 对于集线器，它只实现了物理层；
     注意我们这里说的是传统意义上的交换机和路由器，也称为二层交换机（工作在TCP/IP五层模型的下两层）、三层路由器（工作在TCP/IP五层模型的下三层）

6、网络分层对应

  网络数据传输时，经过不同的网络节点（主机、路由器）时，网络分层需要对应。
以下为同一个网段内的两台主机进行文件传输：

  以下为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

7、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。

  下图为数据封装的过程：

  数据分用过程：

  数据封装和分用举例：