网络编程预备知识
1.?? ?網絡通信
?? ??? ?通信/通訊需要具備兩個基本的條件：
?? ??? ?(1)?? ?物理媒介(物理層面)
?? ??? ?(2)?? ?協議(軟件層面)
?? ??? ??? ?網絡協議。
?? ??? ?
?? ?2.?? ?網絡協議層次模型
?? ??? ?互聯網的本質是一系列的網絡協議，處于互聯網上的兩臺計算機如果要進行通信，就需要遵守這些
?? ??? ?協議，就如同我們開車上路要遵守交通規則一樣的。
?? ??? ?簡單來說，協議就是計算機之間通過網絡實現通信時事先達成的一種“約定”。
?? ??? ?這種“約定”：使那些不同廠商之間的設備，不同CPU以及不同操作系統組成的計算機之間，
?? ??? ?只要遵守相同的協議就可以實現通信啦。
?? ??? ?
?? ??? ?協議可以分為很多種，每一個協議都明確界定了它的行為規范，2臺計算機之間必須能夠
?? ??? ?支持相同的協議，并且遵守相同的協議進行處理，才能實現相互通訊。
?? ??? ?
?? ??? ?那么這些協議根據功能的不同分工不同我們劃分為不同的層次，即每一個層次都有不同的功能
?? ??? ?常見的劃分：
?? ??? ?<重點>
?? ??? ?如圖<OSI網絡七層協議.png>較為詳細的交代了不同層之間是如何組合和通信的。
?? ??? ?發送方從最高層開始，從上到下按順序傳輸數據，每一層接受到由上層處理的數據時，
?? ??? ?添加該層的首部并可能會對數據進行處理，而接收方則將順序反過來，從首層開始，
?? ??? ?將數據的內容與該層對應的首部拆開，傳輸給上一層。
?? ??? ?
?? ??? ?說白了，數據在發送是是數據從應用層到物理層的一個打包的過程，接收時是數據從物理層到
?? ??? ?應用層的一個解包的過程。
?? ??? ?
?? ??? ?各層的大體功能和作用，如下：
?? ??? ?(1)?? ?應用層
?? ??? ??? ?應用層是直接面向用戶的程序或服務。
?? ??? ??? ?比如我們要發送數據是先由用戶進程傳遞給應用層。
?? ??? ??? ?而接收數據也是由應用層直接呈現給用戶進程。
?? ??? ??? ?應用層要完成用戶希望在網絡上完成的各種工作，因為用戶可能對于發送數據有各種不同的
?? ??? ??? ?要求。
?? ??? ??? ?這一層可以想象成快遞公司的收件員。
?? ??? ??? ?工作于這一層的協議接觸的比較多的主要有：FTP/HTTP等。
?? ??? ??? ?
?? ??? ?(2)?? ?表示層
?? ??? ??? ?表示層是為異種機通信提供一種公共語言，以便能進行互操作。常見的
?? ??? ??? ?協議有ASCII/SSL/TLS等。
?? ??? ??? ?
?? ??? ??? ?如果是linux和window的兩臺異種機進行通信是不能直接進行通信的，
?? ??? ??? ?此時就需要表示層幫助我們去解決不同系統之間的通信語法問題。
?? ??? ??? ?
?? ??? ??? ?數據的加密、壓縮、打包等功能也在這一層完成。
?? ??? ??? ?
?? ??? ?(3)?? ?會話層
?? ??? ??? ?會話層的作用就是建立或斷開和管理應用程序之間的通信。
?? ??? ??? ?會話層可以把其看成是快遞公司的調度員。
?? ??? ??? ?它管理者快遞的相關信息，比如快遞啥時候發過去，送這一單規定需要多少的時間等等。
?? ??? ??? ?它也要做同步管理，就好比我把東西運過去之后，但是那邊沒有人接受，那么這種情況
?? ??? ??? ?就是沒有同步。
?? ??? ??? ?
?? ??? ?(4)?? ?傳輸層?? ??? ??? ?<重點>
?? ??? ??? ?傳輸層起著可靠傳輸的作用。
?? ??? ??? ?確保數據被可靠的傳送到目的地址。
?? ??? ??? ?此層有兩個具有代表性的協議：TCP 與 UDP
?? ??? ??? ?1.?? ?TCP：Transport Control Protocol傳輸層控制協議
?? ??? ??? ??? ?它是一種面向連接的傳輸層協議，它能夠提供高可靠性的通信。
?? ??? ??? ??? ?
?? ??? ??? ??? ?就是說TCP協議是在確定對方能通信的情況下才會傳輸數據，如果對方不能通信
?? ??? ??? ??? ?那么我們可能會一直發送請求，直至對方回應為止，一旦回應，那么通信雙方
?? ??? ??? ??? ?就建立連接，開始傳輸數據。
?? ??? ??? ??? ?
?? ??? ??? ??? ?傳輸數據的過程中，有可能有數據丟失，一旦丟失，TCP就會繼續重發。
?? ??? ??? ??? ?比如：
?? ??? ??? ??? ??? ?我現在發了10000個包出去，另外一臺接收方就要告訴我接收到了這10000個包。
?? ??? ??? ??? ??? ?如果丟了一些包，那么接受方就需要告訴發送方丟掉了哪些包。
?? ??? ??? ??? ??? ?那么發送方就會將丟掉的包重新再發一遍。
?? ??? ??? ??? ??? ?就能夠高可靠性的保證對方完整無誤的接收到我發送過去的數據啦。
?? ??? ??? ??? ??? ?
?? ??? ??? ??? ?所以，TCP協議是數據無誤、數據無丟失、數據無失序、數據無重復到達的
?? ??? ??? ??? ?通信協議，所以TCP協議一般是用于發送大量的數據。
?? ??? ??? ??? ?
?? ??? ??? ?2.?? ?UDP：User Datagram?? ?Protocol 用戶數據報協議
?? ??? ??? ??? ?它是不可靠的無連接的協議。
?? ??? ??? ??? ?在數據發送前，因為不需要進行連接，所以可以高效率的數據傳輸。
?? ??? ??? ??? ??? ?
?? ??? ??? ??? ?TCP和UDP不太一樣，UDP它不會去確認目標是否能夠通信，它就只管往外發送數據
?? ??? ??? ??? ?至于對方能不能夠接受到數據，有沒有丟包它一概不管。
?? ??? ??? ??? ?
?? ??? ??? ??? ?UDP一般用于發送少量的數據。
?? ??? ??? ??? ?
?? ??? ??? ?這兩種協議各有各有的好處，TCP更可靠與穩定，而UDP雖然沒有那么可靠但是效率高。
?? ??? ??? ?所以現在應用的更多反而是UDP。
?? ??? ??? ?
?? ??? ?(5)?? ?網絡層
?? ??? ??? ?網絡層負責將數據傳輸到目標地址。
?? ??? ??? ?這一層主要負責尋址和路由選擇。主要的協議有：IP/ICMP兩個協議組成。
?? ??? ??? ?
?? ??? ??? ?網絡層負責找出一條相對更加高效的鏈路將數據傳遞過去。
?? ??? ??? ?傳輸的地址使用的是IP地址。
?? ??? ??? ?IP地址和我們的住址實際上有點相像。
?? ??? ??? ?IP地址通過不斷的去轉發到更近的IP地址，最終可以到達目的地址。
?? ??? ??? ?如何去選擇這條路，就看網絡層。
?? ??? ??? ?
?? ??? ?(6)?? ?數據鏈路層
?? ??? ??? ?互聯設備之間傳送和識別數據幀。
?? ??? ??? ?
?? ??? ??? ?在鏈路層中，需要將比特流組合成字節的組合。
?? ??? ??? ?
?? ??? ??? ?對數據進行處理封裝成數據幀和傳遞、錯誤檢測的層就是數據鏈路層。
?? ??? ?
?? ??? ?(7)?? ?物理層
?? ??? ??? ?它的最主要的作用是通過光信號或電信號傳輸比特流。
?? ??? ??? ?物理層所承載的就是實物。
?? ??? ??? ?如：將貨物運往目的地的交通工具就是物理層。
?? ??? ??? ?物理層是七層模型中的物理基礎，沒有它就談不上數據傳輸。
?? ??? ??? ?比如：網線、網卡(每一個網卡在出廠的時候設定一個全世界唯一的一個MAC地址，
?? ??? ??? ?一個48bits的數)。
?? ??? ??? ?
?? ?3.?? ?常用的網絡設備
?? ??? ?我們知道如果兩臺電腦通過網線直連的話是能夠直接進行通信的。
?? ??? ?此時這兩臺電腦就組成一個小小的局域網，局域網內只有兩臺通信設備。
?? ??? ?但是這種使用場景非常少見，更常見的是多個設備之間互聯，也就是說一個局域網內
?? ??? ?可以有很多個通信設備。
?? ??? ?但是問題是，一臺計算機只有一個網口，怎么讓一臺計算機與另外多臺計算機互聯呢？
?? ??? ?
?? ??? ?此時我們就需要用到交換機(switch)。
?? ??? ?
?? ??? ?交換機：簡單的來說，可以提供大量的網絡端口將多臺網絡設備連接成一個局域網。
?? ??? ?交換機內部擁有一根總線，交換機所有的端口都掛接到這條總線上面，也就意味著
?? ??? ?多臺網絡設備只要通過接口連接到交換機上，那么這些網絡設備從物理層面上來說，
?? ??? ?就是互通的。
?? ??? ??? ?
?? ??? ?連接上同一個交換機上的網絡設備如果要進行通信的話，那么可以使用廣播的方式進行。
?? ??? ?
?? ??? ?路由器：
?? ??? ??? ?路由器的功能是將不同的子網(局域網)之間的數據進行傳遞，我們把這個過程稱之為尋址。
?? ??? ??? ?
?? ??? ??? ?通過最終地址，在路由表上進行匹配，通過算法確定下一個轉發地址。
?? ??? ??? ?這個地址可能是中間地址，也可能是最終到達的地址。
?? ?
?? ??? ?調制調解器(貓)：
?? ??? ??? ?是調制器和解調器的縮寫。
?? ??? ??? ?是一種硬件。
?? ??? ??? ?我們網絡信號的傳遞大部分都是光信號/電信號(模擬信號)，而計算機只能夠識別數字信號(1/0)。
?? ??? ??? ?所以計算機從網絡上接收到這些信息之后，需要將其翻譯成計算機能夠看懂的數字信號，
?? ??? ??? ?說白了，功能有點類似于AD DA轉換。
?? ??? ??? ?
?? ??? ?網關：連接兩個不同子網的門戶
?? ?4.?? ?網絡數據的傳輸過程
?? ??? ?分層傳輸、數據封裝、拆包的過程。
?? ??? ?
?? ??? ?注意：
?? ??? ??? ?有人說我們既然網卡都有一個唯一的MAC地址，或者說通過MAC地址就可以找到唯一的
?? ??? ??? ?一張網卡，那么通過MAC地址就應該能夠可以實現任意一臺主機和另外一臺主機進行通信了
?? ??? ??? ?那么為什么還需要IP地址？
?? ??? ??? ?
?? ??? ??? ?網絡層負責IP地址。
?? ??? ??? ?數據鏈路層(或者TCP/IP模型中的物理層)負責MAC地址
?? ??? ??? ?以太網協議就依靠MAC地址發送數據的。
?? ??? ??? ?
?? ??? ??? ?理論上，單單依靠MAC地址，上海的網卡就可以找到北京的網卡。
?? ??? ??? ?但是，這樣做有一個很大的缺點。
?? ??? ??? ?以太網協議會以廣播的形式發送數據，也就是說只要處于同一局域網的設備都會收到。
?? ??? ??? ?這樣做，效率很低，而且廣播方式只局限于發送者所在的子網絡。
?? ??? ??? ?如果通信雙方不在同一個子網絡，廣播是傳不過去的。
?? ??? ??? ?如果傳播到外網上去，互聯網上的每一臺計算機都會收到這個包，那么就會造成網絡擁堵。
?? ??? ??? ?
?? ??? ??? ?因此，必須要找到一種方式，去區分哪些MAC地址屬于同一個子網絡，哪些不是屬于同一個
?? ??? ??? ?子網絡。如果是處于同一個子網絡，就采用廣播的形式發送，否則就采用"路由"的形式發送。
?? ??? ??? ?
?? ??? ??? ?導致了“網絡層”的誕生。它的作用是引進一套新的地址，使得我們能夠區分不同的計算機
?? ??? ??? ?是否屬于同一個子網絡。這套地址就叫做“網絡地址”，簡稱“網址”。
?? ??? ??? ?
?? ??? ??? ?在網絡層出現之后，每臺計算機有了兩種地址，一種是MAC地址，另一種是IP地址。
?? ??? ??? ?MAC地址是由硬件(網卡)決定的，一般是不能改的。
?? ??? ??? ?IP地址由軟件來決定的，是可以隨意更改的。
?? ??? ??? ?
?? ??? ??? ?所以，網絡地址幫助我們確定計算機所在的子網絡，MAC地址則將數據報發送到
?? ??? ??? ?該子網絡中目標網卡。
?? ??? ??? ?
?? ?5.?? ?互聯網地址(IP地址)
?? ??? ?IP地址：(Internet Protocol Address)網絡協議地址
?? ??? ?
?? ??? ?常見的IP地址有兩類：
?? ??? ?IPv4:32bits?? ??? ?IPv6:128bits
?? ??? ?
?? ??? ?目前為止應用更多的是IPv4,IPv6開始在教育網中開始大量使用。
?? ??? ?理論上IPv4提供2^32個IP，IPv6能提供2^128個IP。
?? ??? ?IPv4地址有32bits，這32個bits中各個bit的含義：
?? ??? ??? ?
?? ??? ??? ?IPv4 32bits
?? ??? ??? ??? ?網段號：
?? ??? ??? ??? ??? ?用來標識某個網段
?? ??? ??? ??? ??? ?比如處于同一路由器下的設備處于同一網段。
?? ??? ??? ??? ??? ?他們是能夠直接通信的，
?? ??? ??? ??? ??? ?在IP地址連續的高位上。
?? ??? ??? ??? ?
?? ??? ??? ??? ?
?? ??? ??? ??? ?主機號：
?? ??? ??? ??? ??? ?用來標識特定的網段中的特定的主機的。
?? ??? ??? ??? ??? ?在IP地址的連續的低位上。
?? ??? ??? ??? ??? ?
?? ??? ??? ??? ?如：
?? ??? ??? ??? ??? ?192.168.31.30(IP地址是以點分十進制的形式表示)
?? ??? ??? ??? ??? ?每8bits一個十進制數字，中間以 . 分隔開
?? ??? ??? ??? ??? ?
?? ??? ??? ??? ??? ?網段號和主機號相加==32bits。
?? ??? ??? ??? ??? ?
?? ?IP地址的分類：
?? ?類別?? ??? ??? ?分段?? ??? ??? ??? ??? ? ? IP地址的范圍 ?? ??? ??? ? ? ? 私有地址范圍
?? ?A?? ? 0 網段號(7bits) (主機號24bits) ? 0.0.0.0 ~ 127.255.255.255 ? ?10.0.0.0 ~ 10.255.255.255
?? ?B?? ?1 0 網段號(14bits) (主機號16bits) 128.0.0.0 ~ 191.255.255.255 ?172.16.0.0 ~ 172.31.255.255
?? ?C?? ?1 1 0 網段號(21bits) (主機號8bits)192.0.0.0 ~ 223.255.255.255 ?192.168.0.0 ~ 192.168.255.255
?? ?D?? ?1 1 1 0 多播組號(28bits)?? ??? ? ?224.0.0.0 ~ 239.255.255.255 ?
?? ?E?? ?1 1 1 1 0 (留著以后用)?? ??? ??? ? ?240.0.0.0 ~ 247.255.255.255
?? ?
?? ??? ??? ?在設置IP地址時，一般需要設置另外一個稱之為子網掩碼的東西。
?? ??? ??? ?Netmask:子網掩碼
?? ??? ??? ??? ?
?? ??? ??? ?就是用來指定一個IP地址中，哪些bits是網段號，哪些bits是主機號。
?? ??? ??? ?
?? ??? ??? ?簡單的來說，Netmask中為1是網段號，為0的是主機號。
?? ??? ??? ?
?? ??? ??? ?Netmask：255.255.255.0
?? ??? ??? ??? ?192.168.31.30
?? ??? ??? ??? ?
?? ??? ??? ??? ?192.168.1.4 和 192.168.3.5 不是同一個網段
?? ??? ??? ??? ?192.168.1.5 和 192.168.1.6 是處于同一個網段
?? ??? ??? ??? ?
?? ??? ??? ??? ?并不是所有的子網掩碼都是合法的。
?? ??? ??? ??? ?
?? ??? ??? ??? ?255.255.114.0
?? ??? ??? ??? ??? ?1111 1111 ?1111 1111 1110 0010 0000 0000//不合法的
?? ??? ??? ??? ??? ?
?? ??? ??? ??? ?255.255.192.0
?? ??? ??? ??? ??? ?1111 1111 ?1111 1111 1100 0000 0000 0000//合法的
?? ??? ?
?? ??? ??? ?我們知道一臺計算機可以擁有一個獨立的IP地址，一個局域網也可以擁有一個獨立的IP
?? ??? ??? ?地址(對外就好像只有一臺計算機)，對于目前廣泛使用的IPv4，它的資源是非常有限的，
?? ??? ??? ?一臺計算機一個IP地址是不現實的，往往是一個局域網才能擁有一個IP地址。
?? ??? ??? ?
?? ??? ??? ?在因特網上進行通信的時候，必須要知道對方的IP地址。實際上數據包中已經附帶了
?? ??? ??? ?對方的IP地址，把數據包發送給路由器以后，路由器會根據IP地址找到對方的位置，
?? ??? ??? ?完成一次數據的傳遞。
?? ??? ??? ?
?? ??? ??? ?那么一個局域網往往才能擁有一個獨立的IP.
?? ??? ??? ?IP地址僅僅只能夠定位到一個局域網，無法定位到處于這個局域網內的哪臺主機
?? ??? ??? ?那么我們就需要用到MAC地址。
?? ??? ??? ?
?? ??? ??? ?其實真正能夠唯一標識一臺計算機的是MAC地址，MAC地址是在全世界都是唯一的。
?? ??? ??? ?MAC是固定的，在出廠的時候就已經設定好了的(一般是不可被更改的)。
?? ??? ??? ?局域網中的路由器/交換機會記錄每臺計算機的MAC地址。
?? ??? ??? ?
?? ??? ??? ?數據包中除了會附帶對方的IP地址，也會附帶對方的MAC地址，當數據包到達局域網之后
?? ??? ??? ?路由器/交換機會根據數據包中的MAC地址找到對應的計算機，然后就把這個數據包
?? ??? ??? ?轉交給計算機，這樣就完成了數據的傳遞嗎？
?? ??? ?
?? ??? ??? ?有了IP地址和MAC地址，雖然可以找到目標計算機，但仍然不能進行通信，
?? ??? ??? ?僅有IP地址和MAC地址，計算機雖然可以正確的接收到數據，但是卻不知道
?? ??? ??? ?要將數據包交給那個網絡程序(進程)來處理，所以通信失敗。
?? ??? ??? ?
?? ??? ??? ?為了區分不同的網絡程序，計算機會為每一個網絡程序都分配一個第一無二的端口號(Port Number)
?? ??? ??? ?
?? ?6.?? ?端口號
?? ??? ?TCP和UDP采用16bits的端口號來表示網絡程序。
?? ??? ?網絡應用程序從傳輸層的角度來看可以分為：
?? ??? ??? ?TCP應用
?? ??? ??? ?UDP應用
?? ??? ?TCP的端口號和UDP的端口號是獨立的。
?? ??? ?所以一臺上的網絡應用程序由：
?? ??? ??? ?MAC地址 + IP地址 + 傳輸層協議(TCP/UDP) + 端口號 來確定。
?? ??? ??? ?
?? ??? ?端口號并不是說你想指定就指定的，由IANA來管理的。
?? ??? ??? ?比如：
?? ??? ??? ??? ?ftp服務-->21端口
?? ??? ??? ??? ?http服務-->80端口
?? ??? ??? ??? ?....
?? ??? ?端口號其實說白了就是一個0~65535的一個數字。?
?? ?
?? ?7.?? ?網絡字節序的問題
?? ??? ?UDP/TCP/IP協議規定：
?? ??? ?把接收到的第一個字節當做高位字節看待，這就要求發送端發送的第一個字節是高位字節。
?? ??? ?
?? ??? ?網絡字節序是大端字節序。
總結
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