【Linux】计算机网络的背景和协议分层

网络发展

从一开始计算机作为一台台单机使用到现在网络飞速发展从局域网Lan建立起局域网到广域网Wan将远隔千里的电脑联系在一起网络极大的促进了社会的发展和人类之间的交流自从同一台主机进程间相互通信开始网络的出现就是必然的。

协议

何为协议

何为协议顾名思义协议是双方都要遵守的 “约定” 而在计算机的世界里数据都是光电信号用01表示强弱要想传递好各种各样的信息就要约定好对应的格式

举个简单的例子在现代社会我们使用纸币交易而在古代我们使用银子交易这些交易方式其实就是“协议”

网络协议

为什么要有网络协议
1、计算机硬件设备很多都是由不同的厂商生产
2、计算机操作系统也很多。

为了让这么多厂商生产出来这么多产品能够相互的流畅的通信自然就需要一套标准让大家都要遵守在这种要求下网络协议就自然诞生咯

协议分层

协议为什么要分层我们先来看一下网络传输带来的问题

1、首先网络传输是长距离传输容易出现数据异常的问题比如丢失。
2、其次网络中主机数量非常庞大如何定位一台主机。
3、然后如何进行数据转发、路径选择
4、最后选择好路径又要如何在硬件上传输

为什么会带来这么多问题 很简单数据传输的距离变长了而已。
这些问题是有上下关系的比如定位问题解决后如何数据转发路径选择选择好路径又如何在硬件上传输

基于这样的特点网络被设计为高内聚、低耦合的 层状结构 这样每一层都只关注自己同层的功能使用下一层的接口任何一层出现问题都不会直接影响另外一层。

高内聚把相关的问题放在一起设计出解决方案
低耦合按照不同的功能设计不同的模块

OSI七层模型

在这样的要求下第一个网络标准协议模型就制定出来了该模型非常完善的制定了网络中的各个层的功能在真正设计的时候由于有些层与应用高度相关因此我们重点来学习另一个模型

TCP/IP五层模型四层

TCP/IP是一组协议的代名词他们共同组成了TCP/IP协议族

• 1、物理层 负责光电信号的传递方式 物理层的能力决定了最大传输速率、传输距离、抗干扰性等. 集线器工作在物理层
• 2、数据链路层负责设备之间的数据帧的传送和识别。冲突检测(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. 交换机工作在数据链路层.
• 3、网络层负责地址管理和路由选择。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). 路由器工作在网路层.
• 4、传输层负责两台主机间的数据传输。
• 5、应用层负责应用程序间的数据传输。比如Http协议、SMTP电子邮件传输、FTP文本传输协议、Telnet网络远程访问协议

同层协议都要有两个功能
1、报头要和有效载荷分离
2、报头必须支持将有效载荷交付给上层哪个具体协议TCPUDP

封装报头+有效载荷 —>发送给下一层
分用将二者分开并将有效载荷交予上一层

基本通信流程

根据冯诺依曼体系结构操作系统是计算机软件和硬件的管理者要使用网卡这个硬件设备就需要使用操作系统提供的接口这也就注定了网络一定会贯穿操作系统而传输层和网络层正是被设计进了操作系统里操作系统可以有很多种但是网络只能有一种。

如果不那么做有人使用ip有人不用会直接无法通信。

跨网段的传输基本流程如图中间要经过一个或多个路由器路由器一定是级联至少两个子网的路由器工作在IP层而正是通过这样的方式IP层屏蔽了底层子网之间的差异可以说IP是整个网络世界的基石这样印证了那句话在计算机设计哲学里任何一个问题都可以在之间添加一层软件层。

mac地址和ip地址

在网络传输里通常会有两个地址即mac地址和ip地址通俗点来讲目的ip地址就是最终目标而目的mac地址决定下一站去哪里。即目的ip是不变的而目的mac地址是一直在变化的。

需要注意的是mac地址是全球唯一的每一台网络设备都要有自己唯一的mac地址而ip地址则是一台主机在公网内的唯一标识。

网络通信本质

理解本质之前我们先要想一个问题网络通信是两个主机在通信吗

对也不对网络通信不单单是两台主机在通信在主机接收到对方的数据后要向上交付交给对应的进程来处理而网络通信的本质就是进程间通信。

暴漏自己的进程pid是不理智的因此使用端口号来代替pid一个进程可以绑定多个端口号但一个端口号不可以被多个进程绑定

我们把这种通过[源ip源端口 + 目的ip目的端口]的通信方式称为socket通信即套接字通信。