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前言

欢迎观看Linux系列文章！！第1篇主要讲述了网络协议的基本概念和网络传输流程，其中提到了OSI七层模型和TCP/IP协议，以及局域网传播和跨网段传播的基本流程。

网络协议

什么是网络协议

本质是一种约定，用于快速形成共识作，减少通信成本。

计算机之间的传输媒介是光电信号，通过频率或者强弱来表示0和1的这样的信息。要想传递不同的信息，就需要约定好双方的数据格式。

但是计算机生产厂商很多，操作系统很多，网络硬件设备也很多，为了在这些不同之间找到一个公约数，需要有人带头，约定共同的标准，所有人都来遵守。从此，这个约定才能真正成为网络协议。

能定制协议标准的组织和公司（了解即可）

他们只生产标准，但是不写代码实现。

1、国际标准化组织：
IEEE、ISO（定义了OSI网络通信七层模型）、ITU

2、 区域标准化组织：
ETSI、ASTAP

3、公司
主要是自研的各种标准软件协议栈

4、民间国际组织
IETF

5、官方机构
FCC

协议分层

协议本身也是软件，为了更好的进行模块化，解耦合，也是被设计成层状结构的。

软件分层的好处

1️⃣关注点分离
每层只负责一类职责，比如界面展示、业务规则、数据存取，代码逻辑更清晰。
2️⃣降低耦合
层与层之间通过接口交互，上层不依赖下层的具体实现，修改一层时影响范围更小。
3️⃣提高可维护性
出问题时容易定位到某一层；修改需求时通常只需改对应层，不必全盘重构。
4️⃣增强可测试性
可以单独测试业务逻辑层，并通过 Mock 替换数据层或外部服务，单元测试更容易。
5️⃣便于替换技术栈
换数据库、换前端框架、换通信协议时，只要接口不变，其他层可以少改甚至不改。
6️⃣促进复用
通用能力如下沉到基础层或服务层，可被多个模块、多个应用复用。
7️⃣支持团队协作
团队可按层分工，只要提前约定好接口，前后端、业务开发、数据开发可以并行推进。
8️⃣易于扩展
新增功能可在相应层添加，比如新增一种支付方式只需扩展业务层和接口层。
9️⃣统一处理横切关注点
认证、授权、日志、事务、缓存、异常处理等可以在层边界统一实现，避免散落各处。
🔟提升可移植性和演进能力

OSI七层模型

最大的优点是将服务、接口和协议这三个概念明确区分，理论完整，但是复杂又不实用。

实际生产，主要还是TCP/IP协议

TCP/IP协议

有时会把物理层和数据链路层合为一层——网络接口层。

为什么使用TCP/IP协议

本地通信和网络通信本质上都是设备到设备的通信，计算机内部的冯诺依曼结构也是一个网络结构。唯一的区别就是距离变长了。

距离变长会引发新的问题：
1.主机之间怎么处理和使用数据？
2.数据更容易丢失，怎么办？
3.主机间更难定位，怎么办？
4.数据当下要立马去哪个设备？

TCP/IP协议就是以上问题的一个解决方案，通过协议分层，解决不同种类的问题。

应用层解决问题1、传输层解决问题2、传输层解决问题3、网络接口层解决问题4。

什么是TCP/IP协议

本身是一种网络长距离通信的解决方案。
该协议可以分层，是因为出现的问题也可以分层。

TCP/IP协议与操作系统的关系

网卡（网络接口层）就是底层硬件；
数据链路层在驱动程序中；
网络层和传输层两层被集成在内核中；
应用层在OS上层，由用户实现。

不同的操作系统之间可能内部层级结构和Linux有出入，但是只要都使用了TCP/IP协议，就可以做到互相通信。

这个协议最核心的就是传输层和网络层，最著名的协议分别是TCP协议和IP协议，所以就把这个协议统称为TCP/IP协议。

由图可知，从上至下所有层级，整个协议栈涉及硬件、驱动、os、用户，所以这个协议必需IT各行各业进行支持和配合。

深层理解协议

协议在代码层面，本质上就是一个约定好的结构体。

约定好数据结构体对象DATA的内部结构一致，在发送和接受数据之后，因为主机之间对数据DATA的结构体定义相同，因此就可以快速建立共识，完成数据解析。

协议栈是分层的，每层都有双方，都有协议。同层之间也可以互相认识对方的协议。

网络传输基本流程

局域网（以太网）网络通信原理

局域网通信时在内部是透明公开的，通信内容会让所有的人收到，但是只有指定的主机会对收到的数据进行响应处理（泛洪）。

· 在以太网中，任何时刻只允许一台机器像网络中发送数据。
· 多台主机同时发送时会出现数据干扰，我们叫作数据碰撞。
·没有交换机的情况下，一个以太网就是一个碰撞域。
· 所有发送数据的主机要进行碰撞检测和碰撞避免。

所以，一个局域网内主机越多，网速可能就会变得越慢，因为要花时间做碰撞检测和碰撞避免，而且数据干扰也越难避免。

以太网是主机之间共享的资源，所以可以说以太网就是临界资源，这些碰撞避免和检测算法就是为了保证主机之间通信的互斥性。

要指定一个主机，就需要每台主机有一个唯一的标识——MAC地址。

补充：通信方式除了以太网，还有令牌环网和无线lan。
令牌环网就是在以太网通信的基础上加入一个令牌，令牌会传递，拿到令牌的才可以进行通信。这个令牌其实就是一个互斥锁。
无线lan可以认为是无线版的以太网。
该补充了解即可。

MAC地址

MAC地址，即物理地址，用来识别数据链路层中相连的节点；

格式：长度48bit（即6byte），一般用16进制和冒号的形式来表示（如12:34:56:78:90:AB）。

MAC地址具有唯一性，通常是全球唯一的，但是一般只需要在一个子网内是唯一的就行了。

数据的封装和解包分用

主机间通信，本质上是两个协议栈在通信，而且每一层之间都要有协议。所以发送报文的时候，每一层都要加上每一层的协议信息在报头。

封装时：每一层会给报文添加一个报头，这个报头叫协议报头，除了报头之外剩下的部分都叫有效载荷，再把报文发送给下层。
解包和分用时：把和自己同层同协议的协议报头和有效载荷进行分离，把报头留下进行解析，把有效载荷发送给上层。

1️⃣先不考虑应用层协议，对于任何协议而言：1、报头必须能做到可以和有效载荷进行分离；2、报文中必须包含如何将自己的有效载荷交付给上一层的具体协议。

2️⃣当发送完整报文到网络上之后，在链路层分离出链路层报头后，如果解析出目标主机MAC和本机不符，报文就会立刻被丢弃，不会再进行解包了。

3️⃣封装和解包的过程顺序跟栈操作是一样的。封装的过程其实是入栈操作，依次将报头入栈；解包的过程其实是出栈操作，依次将报头出栈。这就是为什么要把协议做成栈结构，叫作协议栈的原因。

4️⃣
应用层的报文——请求与应答；
传输层的报文——数据段；
网络层的报文——数据报；
链路层的报文——数据帧。

5️⃣网卡的混杂模式：即使目标网卡MAC地址不匹配，也会把报文继续向上解包。这也是很多抓包工具的工作原理。

为什么要自顶向下封装？

因为网卡在最下层，而且发送报文只能由网卡完成，同时操作系统是网卡的管理者，所以必须贯穿操作系统栈和协议栈。

跨网络传输流程

网络中的地址管理——IP地址

IP地址用来在全球范围内唯一标识主机。（公网IP）

IP地址有两个版本：IPv4和IPv6。IPv4地址有4byte，IPv6地址有6byte，IPv6是用来解决IPv4地址严重不足的问题。但是因为一些现实因素，现在依旧还是IPv4为主，用NAT网络转换来应对地址不足的问题。

和MAC地址不同，虽然都是用来标识唯一性的，两者用来标识目标，IP更远更广，MAC更近，主要在局域网中唯一标识。

当主机A向主机B发送报文时，发现目标主机B不在当前局域网内，就会把报文发送给路由器，路由器也是一个主机。路由器解析报文之后，能帮你找到你目标主机的目标子网，然后重新封装后，再发送给目标子网中，再目标子网中的主机B就能收到报文，且比对MAC地址之后匹配，最终发送成功（大致传输方向如此，细节会在以后说）。

而在路由过程中，IP地址一直不变，MAC地址一直在变，MAC地址只在局域网中有效。

IP网络层的意义：提供网络虚拟层，让世界的所有网络都是IP网络，屏蔽最底层网络的差异。

查看自己主机的IP和MAC

Windows：

ipconfig /all

Linux:

ifconfig

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