网络分层与协议

一、基本概念

1. 网络通信

• 网络是什么？网络是用物理链路将工作站或主机相连在一起，组成数据链路，从而达到资源共享和通信的目的。
• 这里的物理链路不仅仅指的是我们能够看得到的双绞线、光纤，也可能是无线电波。
• 网络通信，狭义的讲，可以理解为计算机与计算机之间基于网络进行的数据交换。当然，这个过程中也有人与计算机的交互。

2. 协议

• 在计算机通信当中，也差不多，就是约定好咱们交互时的数据格式是什么，每个数据项什么意思，然后你收到之后应该怎么处理或怎么回应。
• 简单来说，互联网协议就是在互联网上传输数据的规则。当然，协议是非常多的，比如TCP、UDP、IP协议、FTP协议等等。

二、网络分层

• 标准的七层网络分层，也就是OSI七层模型。
• TCP/IP五层模型和TCP/IP四层模型是从OSI七层优化而来。
• TCP/IP五层模型包括：应用层、传输层、网络层、数据链路层和物理层。

三、物理层

• 这一层就是把各个网络设备连接起来，让其可以传输0 1 0 1的电信号。

• 基本上是用双绞线、光纤、无线电波的方式来实现物理层。

• 网络设备连接起来之后，就可以基于它来发送高低电压(电信号)进行通信，高电压对应数字1，低电压对应数字0。

• `0和1信号本身没有任何的现实意义，所有需要用另一层用来规定不同0、1组合的意义。

四、数据链路层（以太网协议）

1. 作用

• 用于处理电信号、设置发送和接收地址。
• 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。

2. 以太网协议

• 数据链路层的功能就是通过规定一套协议来定义电信号的分组方式，以及规定不同的组代表什么意思，从而双方计算机都能够进行识别，这个协议就是“以太网协议”。

• 规定一组电信号构成一个数据包，我们把这个数据包称之为帧。

• 每一个桢由包头(Head)和数据(Data)两部分组成。

• 其中Head包含数据包的一些说明信息，包括发送者、接收者、数据类型；Data则是数据包的具体内容。

3. MAC地址

• 以太网协议规定，连入网络的所有设备都必须具有网卡。
• 数据包的发送地址和接收地址指的就是网卡地址，也就是MAC地址。
• 两个MAC地址分别是发收者和接收者。

4. 通信方式

• 以太网中通过广播的方式进行通信、
• 在同一个子网中，计算机1要向计算机4发送一个数据包，数据包中包含接收方的MAC地址。
• 计算机1向本网络内所有计算机都发送（以广播的方式），这时同一子网中的每台计算机 （包括2、3）都会收到这个数据包的。
• 然后每台计算机都会把数据包的MAC地址取出来，与自身的MAC地址进行对比，如果两者相同，则接受这个数据包，否则就丢弃这个数据包。
• 计算机4发现包含自己的MAC地址，于是就进行响应。

五、网络层（IP协议）

1. 作用

• 在同一个子网下，通过以太网广播形式发送数据；
• 如果不在同一个子网，通过IP地址判断是哪个子网，到达子网后再通过MAC地址通信。
• 网络层引入一套新的协议用来区分不同的子网，于是就有了IP 协议。

2. IP 协议

IP地址与MAC地址区别（逻辑地址与物理地址）

• 网络地址协议，叫做IP协议。相对于上面讲到的MAC地址， IP 地址可以理解成逻辑地址，
• 也就是说 MAC 地址是物理上的地址，是固定的。IP 地址是动态分配的，是不固定的。

IP数据包

• 通过IP协议发送的数据，就叫做IP数据包，也分为“包头”和“数据”两个部分：“包头”部分主要包括版本、长度、IP地址等信息；“数据”部分则是IP数据包的具体内容。

IP地址组成

• IP地址分成两部分：网络部分（标识子网）和主机部分（标识主机）。

子网掩码

• 子网掩码就是用来标识同一局域网中的 IP 地址的信息的。

• 两台计算机的 IP 地址分别和子网掩码进行一种AND 运算。如果结果相同，两台计算机就在同一局域网中，否则就不在同一局域网中。

3. ARP协议

• 有了IP协议，可以判断计算机属于哪个子网了。在链路层时我们通过MAC地址进行通信的，现在只有目标的IP地址，如何才能拿到它的MAC地址呢？这就要用到ARP协议。
• ARP协议可以通过广播的方式发送数据包，获取目标主机的MAC地址。ARP不是一个单纯的数据链路层的协议, 而是一个介于数据链路层和网络层之间的协议。（如果不再同一个域名内，获取到的是两个子网中间的网关的MAC地址）
• 具体实现为：发送端主机通过广播的方式发送数据包，所有主机接收后拆开包，如果发现目标IP为自己就响应，返回MAC地址。

4. DNS域名解析协议

但是，我们一般不是直接输入IP地址，而是输入域名，那么就需要将域名转换为IP地址，才能进行访问。

• DNS 是域名系统 (Domain Name System) 的缩写，提供的是一种主机名到 IP 地址的转换服务，就是我们常说的域名系统。DNS 协议是应用层协议。
• 将域名解析为IP地址，客户端向DNS服务器发送域名查询请求，DNS服务器告知客户机Web服务器的 IP 地址。（DNS服务器有自己的IP地址）

六、传输层（TCP/UDP）

1. 作用

前面确定了某个计算机，这里确定某个程序。

• 经过数据链路层和网络层的支持，我们已经可以正常在两台计算机之间进行通讯了，但是计算机会同时运行着许多程序，比如同时开着QQ与WX，那么怎么区分消息是QQ的还是WX的呢？
• 通常我们会看到计算机上运行的不同程序都会分配不同的端口，而传输层的功能就是建立端口到端口的通信，使得数据能够正确的传送给不同的应用程序。
• 至此，用IP + 端口，已经能实现唯一确定互联网上一个程序，进而实现网络间的程序通信了。

2. 协议（TCP/UDP）

• 传输层最常见的两大协议是 TCP（传输控制） 协议和 UDP（用户数据报） 协议。
• UDP协议简单且容易实现，这是它的优点。但同样也有缺点，就是进行通信时不知道对方是否接收到数据了。
• TCP的优点是能够确保数据不会遗失，安全可靠的传输。缺点是过程复杂、实现困难、消耗较多的资源。

七、应用层（HTTP）

1. 作用

• 应用层的功能就是规定了应用程序的数据格式。我们经常用的电子邮件、HTTP协议以及FTP数据的格式，就是在应用层定义的。

3. 协议

• 常见的HTTP是超文本传输协议，所谓超文本，就是超越了普通文本的文本，它是文字、图片、视频等的混合体，最关键有超链接，能从一个超文本跳转到另外一个超文本。

• HTML 就是最常见的超文本。它本身只是纯文字文件，但内部用很多标签定义了图片、视频等的链接，再经过浏览器的解释，呈现给我们的就是一个文字、有画面的网页了。

• 应用层不止HTTP协议，只是在浏览器常见，不同类型的应用有不同的协议。

• 应用层的主要协议有：FTP（文件传送协议、21端口）、Telnet（远程登录协议）、DNS（域名解析协议）、SMTP（邮件传送协议、25端口），POP3协议（邮局协议），HTTP协议（Hyper Text Transfer Protocol、80端口）。

八、总结

• 物理层：传输电信号
• 数据链路层：规定电信号的格式，通过MAC地址确定目标主机，可以广播通信
• 网络层：划分子网络，通过IP地址判断在哪个子网络，到达子网络再广播通信
• 传输层：通过端口号确定通讯程序
• 应用层：规定了应用程序的数据格式