【网络初识】IP地址，端口号的概念；TCP/IP五层模型；封装和分用

文章目录

1. 局域网LAN
2. 广域网WAN
3. 网络通信基础
- 3.1 IP地址
- 3.2 端口号
4. 认识协议
5. 五元组
6. 协议分层
- 6.1 OSI七层模型
- 6.2 TCP/IP五层模型
- 6.3 封装和分用

1. 局域网LAN

局域网，即Local Area Network，简称LAN，

Local标识了局域网是本地，局部组件的一种私有网络

局域网内的主机之间能方便的进行网络通信，又称为内网；局域网和局域网之间在没有连接的情况下，是无法通信的

局域网组建网络的方式：

2. 广域网WAN

广域网，Wide Area Network，简称WAN

通过路由器，将多个局域网连接起来，在物理上组成很大范围的网络，就形成了广域网。广域网内部的局域网都属于其子网

3. 网络通信基础

网络互联的目的是进行网络通信，也就是网络数据传输，具体来说就是网络主机中不同进程见，基于网络传输数据。

那么，在组建的网络中，如何判断到底是从哪台主机将数据传输到哪台主机呢？这就需要使用IP地址来标识。

3.1 IP地址

IP地址主要用于标识网络主机、其他网络设备（如路由器）的网络地址。简单说，IP地址用于定位主机的网络地址。

IP地址是一个32位的二进制数，通常被分割为4个"8位二进制树"，也就是4个字节，

比如：01100100.00000100.00000101.00000110

为了便于读写，通常用"点分十进制"的方式来标识，即 a.b.c.d 的形式（a,b,c,d都是0~255之间的十进制整数）。如：100.4.5.6。

特殊的IP：127.*的IP地址用于本机环回测试，一般是127.0.0.1，本机环回主要用于本机到本机的网络通信，对于开发网络通信的程序(网络编程)而言，常见的开发方式都是本机到本机的网络通信

IP地址解决了网络通信时，定位网络主机的问题，但是还存在一个问题，传输到目的主机后，主机上的进程可能会有很多，具体由哪个进程来接收这个数据呢？这就需要端口号来标识

3.2 端口号

在网络通信中，IP地址用于标识主机网络地址，端口号可以标识主机中发送数据、接收数据的进程。

简单说：端口号用于定位主机中的进程，

类似发送快递时，不光需要指定收货地址（IP地址），还需要指定收货人（端口号）。

端口号是0~65535范围的数字，在网络通信中，进程可以通过绑定一个端口号，来发送及接收网络数据。

注意：两个不同的进程，不能绑定同一个端口号，但一个进程可以绑定多个端口号

4. 认识协议

协议，网络协议的简称，网络协议是网络通信（即网络数据传输）经过的所有网络设备都必须共同遵从的一组约定、规则。如怎么样建立连接、怎么样互相识别等。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：

语法：即数据与控制信息的结构或格式；类似于打电话时，双方要使用同样的语言：普通话

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。

时序：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

协议最终体现为在网络上传出的数据包的格式

为什么需要协议

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。

计算机生产厂商有很多；
计算机操作系统，也有很多；
计算机网络硬件设备，还是有很多；
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? 就需要有人站出来，约定一个共同的标准，大家都来遵守，这就是网络协议；

知名协议的默认端口

系统端口号范围为 0 ~ 65535，其中：0 ~ 1023 为知名端口号，这些端口预留给服务端程序绑定广泛使用的应用层协议，如：
22端口：预留给SSH服务器绑定SSH协议
21端口：预留给FTP服务器绑定FTP协议
23端口：预留给Telnet服务器绑定Telnet协议
80端口：预留给HTTP服务器绑定HTTP协议
443端口：预留给HTTPS服务器绑定HTTPS协议

上只是说明 0 ~ 1023 范围的知名端口号用于绑定知名协议，但某个服务器也可以使用其他 1024 ~65535 范围内的端口来绑定知名协议。

5. 五元组

在TCP/IP协议中，用五元组来标识一个网络通信：

源IP：标识源主机
源端口号：标识源主机中该次通信发送数据的进程
目的IP：标识目的主机
目的端口号：标识目的主机中该次通信接收数据的进程
协议号：标识发送进程和接收进程双方约定的数据格式

6. 协议分层

类似于打电话时，定义不同层次的协议

此处的分层只是分了两层，达到了封装的效果，把实现细节隐藏起来，降低人们使用的成本，可以很方便的对其中某层或某些协议进行灵活的替换，

网络中涉及到的协议很多，无法通过一个协议，包含所有的功能，就需要拆分出多个协议，为了更好的组织这些协议，就按照这些协议的种类进行分类，于是就有了"协议分层"。

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。

6.1 OSI七层模型

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。

6.2 TCP/IP五层模型

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。
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。
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的数据传输的线路（路由）。路由器（Router）工作在网路层。
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。
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）工作在物理层。

下层协议给上层协议提供了一些功能支撑，上层协议依赖于下层协议

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。

网络设备所在分层
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；
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；
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；
对于集线器，它只实现了物理层；

6.3 封装和分用

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)。
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)。
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。
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。

数据封装：

数据分用：