思維路線

目的是要鏈接互聯(lián)網(wǎng)中的其他計算機

物理層 用物理介質(zhì)鏈接其他計算機

數(shù)據(jù)鏈路層 用MAC地址來通訊,但僅限于同一局域網(wǎng)

網(wǎng)絡(luò)層 用ip確定全球范圍的某個局域網(wǎng)中的某一臺計算機

傳輸層 用端口來確定 某一計算機中的某一個進程

應(yīng)用層 組織自己的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),例如json, xml等用于在兩個應(yīng)用程序間交換數(shù)據(jù)

本章目錄

一.C/S構(gòu)架

二.網(wǎng)絡(luò)通訊的基本要素

三.網(wǎng)絡(luò)通訊協(xié)議

什么是網(wǎng)絡(luò)編程

網(wǎng)絡(luò)通常指的是計算機中的互聯(lián)網(wǎng),是由多臺計算機通過網(wǎng)線或其他媒介相互鏈接組成的

編寫基于網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用程序的過程序稱之為網(wǎng)絡(luò)編程

為什么要學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)編程

我們已經(jīng)知道計算機,由硬件 操作系統(tǒng),應(yīng)用程序組成,有了這三個元素,就可以在自己的電腦上運行一些應(yīng)用程序了,比如玩玩紙牌,掃掃雷什么的

如果要想與其他計算機一起玩,就必須要讓你的計算機和其他計算機能夠互相傳遞數(shù)據(jù)

小明和小芳是一對戀人,為了美好的未來,小明離開家鄉(xiāng),來到上海學(xué)習(xí)python,在這里小明看到了傳說中的東方明珠電視塔,激動萬分的他用手里的數(shù)碼相機拍攝了照片,想要與遠在老家的小芳分享,雖然小明和小芳的電腦連著一條網(wǎng)線,由于不會使用網(wǎng)絡(luò)編程,小明只好騎著馬兒,翻越千山萬水,將照片送到小芳的手中,由于路途太遠,小芳已經(jīng)嫁人了,小明痛下決心一定要掌握網(wǎng)絡(luò)編程,讓下一個小芳在任何地方都能看到自己的照片

學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)編程就是要學(xué)習(xí)利用網(wǎng)絡(luò)來與另一臺計算機相互傳輸數(shù)據(jù), 開發(fā)出支持網(wǎng)絡(luò)通訊的應(yīng)用程序,這樣即使足不出戶也能盡知天下事

一.C/S構(gòu)架

學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)編程就是要通過網(wǎng)絡(luò)來訪問另一臺計算的數(shù)據(jù),這樣必然需要至少兩臺計算機,一臺計算機上放著要分享的數(shù)據(jù)和用于分享數(shù)據(jù)的程序,另一臺計算機上運行訪問數(shù)據(jù)的程序,

我們把提供數(shù)據(jù)的一方稱之為服務(wù)器(Server),把訪問數(shù)據(jù)的一方稱為客戶端(Client)

這就是C/S構(gòu)架:

電腦上要看視頻就需要裝看視頻的程序.例如騰訊視頻,它就是客戶端程序,騰訊公司的機房里運行著騰訊視頻的服務(wù)器程序,所以它也是C/S構(gòu)架的程序

另外瀏覽器也可以訪問服務(wù)器上的網(wǎng)頁數(shù)據(jù),稱之為B/S,其本質(zhì)上也是C/S只不過客戶端是瀏覽器

二.網(wǎng)絡(luò)通訊的基本要素

兩臺計算機要想通訊,必須要具備兩個基本要素

1.物理連接介質(zhì),包括網(wǎng)線,無線電,光纖等

2.通訊協(xié)議

下面我們來分析為什么需要這兩個東西

1.物理連接介質(zhì)

人類說話需要有空氣來傳播震動,眼睛要看東西需要有光來傳播,沒有空氣,沒有光,則無法溝通,(不要鉆牛角尖,用手摸啥的...);光和空氣就是物理介質(zhì)

再比如電話機 要打通電話則必須先接通電話線,電流才能沿著電話線到達另一臺電話機,電話線則是物理介質(zhì)

2.通訊協(xié)議

什么是協(xié)議?

協(xié)議就是標準,大家要遵循相同的標準才能正常交流通訊

兩個人要交流,必須說雙方都能理解的語言,想象一下一個說新疆話的人打電話給說閩南語的人,基本說了等于沒說 雙方都能理解的語言就是,就是標準,就是協(xié)議

為什么要制定協(xié)議?

在計算機中,鏈接介質(zhì) 通常是網(wǎng)線,網(wǎng)線本質(zhì)就是一條電線,可以傳播電流,而電流可以按照強弱,被理解為0和1

那問題是,一臺計算機被電了一下是什么意思?被電了兩下又是什么意思? 這就必須由發(fā)送方和接收方共同商定出一套標準,從而可以知道0和1表示的含義

如何使用協(xié)議?

然而作為應(yīng)用程序開發(fā)者,物理介質(zhì)顯然不是我們需要關(guān)心的,比如如何牽網(wǎng)線

所以通訊協(xié)議是我們學(xué)習(xí)的重點

三.網(wǎng)絡(luò)通訊協(xié)議

協(xié)議是由發(fā)送方和接受方共同制定的,考慮到計算機已經(jīng)發(fā)展了這么多年,所以制定的協(xié)議過程很顯然我們沒有機會參與了,要做的是了解通訊協(xié)議中的各種規(guī)定

OSI七層模型

1.什么是OSI

Open System Interconnection Reference Model,，開放式系統(tǒng)互聯(lián)通信參考模型,縮寫為OSI,是由國際標準組織推出的,其實就是一大堆協(xié)議,OSI把整個通訊過程劃分為七層,簡稱OSI七層模型

上圖中最右邊就是完整的七層模型,是最完整的通訊模型,雖然很詳盡,但是整個通訊流程的復(fù)雜度較高,后期為了降低學(xué)習(xí)難度,將其進行了簡化,于是又了中間的五層,和左邊的四層

其中應(yīng)用層,表示層和會話層都是屬于應(yīng)用程序?qū)拥?是一個整體,故將其合并為應(yīng)用層,由此得到中間的五層,這是我們學(xué)習(xí)的重點!

2.為什么需要OSI

早期各個計算機廠商都有自己的一套網(wǎng)絡(luò)通訊協(xié)議,但是各不相同,導(dǎo)致了不同廠商的計算機之間無法進行網(wǎng)絡(luò)通訊,就像下圖一樣,如果四川人說四川話,上海人說上海話,將無法通信,必須統(tǒng)一說普通話!

無論是四川還是上海都是中國人,如果只在中國內(nèi)進行通訊,掌握了普通話就沒問題了,但是要不要和其他國家的人通訊呢?

與不同國家的人通訊則需要掌握不同國家的語言,但是全世界有那么多國家和語言,不可能全部掌握,這就需要大家統(tǒng)一下了,找一種語言作為全世界通用語言,就是英語!

這樣一來,只要你能聽懂英語,會說英語,全世界的人都能通訊了

總結(jié):OSI就是相當(dāng)于計算機界的通用語言,只要按照OSI規(guī)定的標準來通訊,就能夠與全世界任何一臺所有計算機通訊

那這OSI種的七層到底是干什么的呢?

OSI各層工作原理解析

應(yīng)用層,表示層,會話層都屬于應(yīng)用程序?qū)用嫠灾攸c討論簡化后的五層;

為了方便理解,從下往上

一.物理層

物理層的由來,在通訊的基本要素一節(jié)已經(jīng)討論過了,兩臺原本相互獨立的計算機,想要通訊,必須建立物理連接,連接的方式多種多樣,包括電纜,光纜,無線電等;

物理層的功能:基于電子器件發(fā)送電流信號,根據(jù)電流的高低可以對應(yīng)到數(shù)字0和1,也就是二進制數(shù)據(jù)

二.數(shù)據(jù)鏈路層

數(shù)據(jù)鏈路層的由來:單純的電信號0和1沒有任何意義，必須規(guī)定電信號多少位一組,，每組什么意思

以太網(wǎng)協(xié)議:

以太網(wǎng)協(xié)議(Ethernet)工作在數(shù)據(jù)鏈路層,其規(guī)定了電信號分組方式,以及一組電信號應(yīng)該包含哪些內(nèi)容

ethernet規(guī)定如下:

• 一組電信號構(gòu)成一個數(shù)據(jù)包,，叫做‘幀’

• 每一數(shù)據(jù)幀分成：報頭head和數(shù)據(jù)data兩部分

head包含：(固定18個字節(jié))

• 發(fā)送者／源地址，6個字節(jié)

• 接收者／目標地址,，6個字節(jié)

• 數(shù)據(jù)類型(標簽+以太類型),，6個字節(jié)

data包含：(最短46字節(jié)，最長1500字節(jié))

• 數(shù)據(jù)包的具體內(nèi)容

head長度＋data長度＝最短64字節(jié),，最長1518字節(jié),，超過最大限制就分片發(fā)送

mac地址:

head中包含的源和目標地址指的是什么地址呢?

ethernet規(guī)定接入internet的設(shè)備都必須具備網(wǎng)卡，發(fā)送端和接收端的地址便是指網(wǎng)卡的地址,，即mac地址

mac地址：每塊網(wǎng)卡出廠時都被燒制上一個世界唯一的mac地址,，長度為48位2進制，通常由12位16進制數(shù)表示（前六位是廠商編號,，后六位是流水線號）

廣播:

有了mac地址,，同一網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的兩臺主機就可以通信了

ethernet采用最原始的方式，廣播的方式進行通信,，即計算機通信基本靠吼

廣播有什么問題嗎?如果這個網(wǎng)絡(luò)中有100臺電腦,大家都在同一時間都在互相通訊,那是什么情況,

相當(dāng)于村頭掛著100個大喇叭,大家都在使勁喊,結(jié)果是要聽清楚說的什么內(nèi)容非常費勁兒

回到計算機中,100臺電腦都在那兒廣播,傳輸速度一定是有限的,嚴重浪費了網(wǎng)絡(luò)資源

所以,處在局域網(wǎng)中間的設(shè)備即交換機(上圖的中間那個小東西)

交換機不僅負責(zé)讓網(wǎng)絡(luò)中的計算機能夠互相通信,還要優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)傳輸,

如何優(yōu)化呢?

當(dāng)pc1想要與pc2通訊前

1.需要知道pc2的MAC地址,所以必須先將這個信息廣播給所有的計算機,

2.這個信息必須先交給交換機,再由交換機廣播出去,

3.pc2收到消息消息后發(fā)現(xiàn)目標MAC是自己,就回復(fù)數(shù)據(jù)給發(fā)送方,

4.而回復(fù)也必須先交給交換機,此時交換機就會記錄pc2的MAC地址與網(wǎng)口號的對應(yīng)關(guān)系存到自己的緩存中,

5.下一次在要給pc2發(fā)數(shù)據(jù)時從緩存中查找pc2的MAC地址,

6.如果找到了就直接單獨給pc2發(fā)送,不在需要廣播,

7.如果沒有則重復(fù)之前的廣播過程

這一優(yōu)化功能稱之為自動學(xué)習(xí)功能

第一次鏈接某計算機時 必須廣播獲取MAC地址

只要鏈接過一次 MAC地址就被交換機記錄下了下一次就不用廣播了

交換機的工作原理類似類似于早期的電話交換機,電話線打到總臺,總臺問你要找?guī)滋?,然后將電話線插到相應(yīng)的口上

三.網(wǎng)絡(luò)層

1.網(wǎng)絡(luò)層由來：

有了ethernet,、mac地址、廣播的發(fā)送方式,，世界上的計算機就可以彼此通信了

2.以太網(wǎng)通訊存在的問題:

世界范圍的互聯(lián)網(wǎng)是由一個個彼此隔離的小的局域網(wǎng)組成的,，如果所有的計算機都采用以太網(wǎng)的廣播方式來尋找其他計算機，那么一臺機器發(fā)送的包全世界都會收到,，這就不僅僅是效率低的問題了,，這會是一種災(zāi)難,(廣播風(fēng)暴就是這么產(chǎn)生的)

結(jié)論：必須找出一種方法來區(qū)分哪些計算機屬于同一廣播域，哪些不是,，如果是就采用廣播的方式發(fā)送,，如果不是，就采用路由的方式（向不同廣播域／子網(wǎng)分發(fā)數(shù)據(jù)包）,，mac地址是無法區(qū)分的,，它只跟廠商有關(guān);

網(wǎng)絡(luò)層功能：引入一套新的地址用來區(qū)分不同的廣播域／子網(wǎng)，這套地址即網(wǎng)絡(luò)地址,網(wǎng)絡(luò)地址到底長什么樣,又是如何區(qū)分子網(wǎng)的?

3.IP協(xié)議

IP協(xié)議是工作在網(wǎng)絡(luò)層的協(xié)議,全稱:Internet Protocol Address,翻譯為互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議地址

3.1 IP地址(重點)

• ip協(xié)議定義的地址稱之為ip地址,，廣泛采用的v4版本即ipv4,，它規(guī)定網(wǎng)絡(luò)地址由32位2進制表示

• 范圍0.0.0.0-255.255.255.255

• 一個ip地址通常寫成四段十進制數(shù)，例：192.168.10.1

• 網(wǎng)絡(luò)號：標識子網(wǎng)

• 主機號：標識主機

IP地址的分類:

A類保留給政府機構(gòu)

10.0.0.1 - 10.255.255.254

B類分配給中等規(guī)模公司

172.16.0.1 - 172.31.255.254

C類分配給任何需要的人

192.168.0.1 - 192.168.255.254

D類用于組播

E類用于實驗

我們的電腦ip通常都是C類的,以192.168開頭,正因為C類任何人都可以用

3.2 子網(wǎng)掩碼(了解)

什么是子網(wǎng)掩碼

子網(wǎng)掩碼是一個32位地址，用于屏蔽IP地址的一部分以區(qū)別網(wǎng)絡(luò)標識和主機標識,，并說明該IP地址是在局域網(wǎng)上,，還是在遠程網(wǎng)上。

它的網(wǎng)絡(luò)部分全部為1,，主機部分全部為0,。比如，IP地址172.16.10.1,，如果已知網(wǎng)絡(luò)部分是前24位,，主機部分是后8位，那么子網(wǎng)絡(luò)掩碼就是11111111.11111111.11111111.00000000,，寫成十進制就是255.255.255.0,。

為什么需要子網(wǎng)掩碼

單純的ip地址段只是標識了ip地址的種類，無法辨識一個ip所處的子網(wǎng)

例：192.168.10.1與192.168.10.2并不能確定二者處于同一子網(wǎng),因為不清楚哪些位表示網(wǎng)絡(luò)號,哪些表示主機號

子網(wǎng)掩碼如何判斷兩個ip是否屬于同一個子網(wǎng)

知道”子網(wǎng)掩碼”,，我們就能判斷,，任意兩個IP地址是否處在同一個子網(wǎng)絡(luò)。方法是將兩個IP地址與子網(wǎng)掩碼分別進行AND運算（兩個數(shù)位都為1,，運算結(jié)果為1,，否則為0），然后比較結(jié)果是否相同,，如果是的話,，就表明它們在同一個子網(wǎng)絡(luò)中，否則就不是,。

總結(jié)一下,，IP協(xié)議的作用主要有兩個,，一個是為每一臺計算機分配IP地址，另一個是確定哪些地址在同一個子網(wǎng)絡(luò),。

3.3 IP數(shù)據(jù)包(了解)

ip數(shù)據(jù)包也分為head和data部分,，無須為ip包定義單獨的欄位，直接放入以太網(wǎng)包的data部分

head：長度為20到60字節(jié)

data：最長為65,515字節(jié),。

而以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包的”數(shù)據(jù)”部分,，最長只有1500字節(jié)。因此,，如果IP數(shù)據(jù)包超過了1500字節(jié),，它就需要分割成幾個以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀，分開發(fā)送了,。

3.4 ARP協(xié)議(了解)

ARP協(xié)議的由來:IP是通常是動態(tài)分配的,是一個邏輯地址,而數(shù)據(jù)傳輸則必須依賴MAC地址,那如何才能通過IP得到對方的MAC地址呢? 這就需要ARP協(xié)議了

arp協(xié)議功能：廣播的方式發(fā)送數(shù)據(jù)包,，獲取目標主機的mac地址

首先明確每臺主機ip都是已知的,并可以通過子網(wǎng)掩碼來判斷是否屬于同一子網(wǎng)

案例1：主機192.168.1.101訪問192.168.1.102

是同一子網(wǎng)內(nèi) ARP請求幀內(nèi)容:

1.FF:FF:FF:FF:FF:FF是一個特殊的MAC地址 交換機在看到這個地址時會將這個數(shù)據(jù)向網(wǎng)內(nèi)所有主機進行廣播

2.192.168.1.102 收到ARP請求后 回復(fù)自己的MAC給 源MAC主機

3.發(fā)送方(192.168.1.101)收到回復(fù)后,會將對方的ip的MAC地址映射關(guān)系存儲到緩存中,以便下次使用

ps:arp -a 可以查看ARP緩存列表

確定對方MAC地址后的數(shù)據(jù)幀內(nèi)容:

案例2：主機192.168.1.101訪問192.168.111.101

交換機發(fā)現(xiàn)目標IP不在當(dāng)前子網(wǎng)中,

1.交換機發(fā)起ARP請求,將目標IP設(shè)置為對方的網(wǎng)關(guān)IP,默認情況下,網(wǎng)關(guān)的主機號都為1; 所以接收方(192.168.111.101)的網(wǎng)關(guān)為192.168.111.1

發(fā)送方網(wǎng)關(guān)發(fā)起的ARP數(shù)據(jù)幀:

2.對方網(wǎng)關(guān)收到請求后發(fā)現(xiàn)ip是自己的ip則回復(fù)ARP請求,將其MAC地址告知發(fā)送方網(wǎng)關(guān),

3.發(fā)送方網(wǎng)關(guān)將對方的網(wǎng)關(guān)的MAC地址與IP存儲到自己的ARP緩存中,

4.告知發(fā)送方(192.168.1.101)對方網(wǎng)關(guān)的MAC地址,發(fā)送方同樣將對方網(wǎng)關(guān)MAC與目標IP映射關(guān)系存儲到,本機ARP緩存中

至此ARP請求結(jié)束可以開始傳輸數(shù)據(jù)

后續(xù)確定了MAC地址后發(fā)送的數(shù)據(jù)幀內(nèi)容:

總結(jié):ARP通過廣播的方式來獲取MAC地址, 不在同一子網(wǎng)時 ARP得到的時對方網(wǎng)關(guān)的MAC地址,數(shù)據(jù)到達對方網(wǎng)關(guān)后,由網(wǎng)關(guān)根據(jù)IP交給對應(yīng)的主機,當(dāng)然對方網(wǎng)關(guān)獲取主機MAC也是通過ARP

ps:路由器 交換機都可以稱之為網(wǎng)關(guān)!

四.傳輸層(重點)

傳輸層的由來:

通過物理層建立鏈接通道

通過數(shù)據(jù)鏈路層的MAC,可以定位到某個局域網(wǎng)中的某臺主機,

通過網(wǎng)絡(luò)層的IP地址,子網(wǎng)掩碼,可以定位到全球范圍某一局域網(wǎng)下的某臺主機

那么問題來了:

一臺計算機上是不可能只運行一個應(yīng)用程序的,比如同時登陸qq和微信,那接收到的數(shù)據(jù)到底是交給微信還是qq呢?

答案就是:端口號,端口是需要聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用程序與網(wǎng)卡關(guān)聯(lián)的編號

傳輸層功能：建立端口到端口的通信

補充：端口范圍0-65535，0-1023為系統(tǒng)占用端口

TCP與UDP是工作在傳輸層的協(xié)議:

TCP協(xié)議

可靠傳輸,，TCP數(shù)據(jù)包沒有長度限制,，理論上可以無限長，但是為了保證網(wǎng)絡(luò)的效率,，通常TCP數(shù)據(jù)包的長度不會超過IP數(shù)據(jù)包的長度,，以確保單個TCP數(shù)據(jù)包不必再分割。

TCP之所以可靠,是因為在傳輸數(shù)據(jù)前需要三次握手確認建立鏈接

三次握手:

三次握手的過程實際上實在確認我發(fā)的你能收到,你發(fā)的我也能收到,從而保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)牡目煽啃?

鏈接是一個虛擬的概念,不實際存在,只要三次握手成功即表示連接建立成功!

問題是三次握手時的確能保障數(shù)據(jù)傳輸是可靠的,那么握手后的數(shù)據(jù)要如何保證傳輸成功呢?

TCP協(xié)議要求在發(fā)送數(shù)據(jù)后,必須接收到對方的回復(fù)信息才能確認數(shù)據(jù)成功發(fā)送,如果一段時內(nèi)沒有收到回復(fù)信息,會自動重新發(fā)送,如果重試的次數(shù)過多則表示鏈接可能已經(jīng)中斷!

四次揮手:

四次揮手的目的是保證雙方的數(shù)據(jù)傳輸已經(jīng)全部完成,同樣是為了保證數(shù)據(jù)的完整性

總結(jié)

其優(yōu)點很明顯:能夠保證數(shù)據(jù)傳輸是完整的

缺點:由于每次都需要傳輸確認信息,導(dǎo)致傳輸效率降低

場景:多用于必須保證數(shù)據(jù)完整性的場景,例如文本信息,支付信息等!

UDP協(xié)議

不可靠傳輸,，”報頭”部分一共只有8個字節(jié),，總長度不超過65,535字節(jié)，正好放進一個IP數(shù)據(jù)包,。

UDP協(xié)議采取的方式與TCP完全不同,其根本不關(guān)心,對方是否收到數(shù)據(jù),甚至不關(guān)心,對方的地址是否有效,只要將數(shù)據(jù)報發(fā)送到網(wǎng)絡(luò),便什么都不管了!

總結(jié)

優(yōu)點:由于不需要傳輸確認信息,所以傳輸效率高于TCP協(xié)議

缺點:傳輸數(shù)據(jù)可能不完整

場景:視頻聊天,語音聊天等,不要求數(shù)據(jù)完整性,但是對傳輸速度要求較高

五.應(yīng)用層

應(yīng)用層由來：用戶使用的都是應(yīng)用程序,，均工作于應(yīng)用層，互聯(lián)網(wǎng)是開放的,，大家都可以開發(fā)自己的應(yīng)用程序,，用什么樣的數(shù)據(jù)格式來傳輸，就需要由應(yīng)用程序開發(fā)者自己來制定

應(yīng)用層功能：規(guī)定應(yīng)用程序的數(shù)據(jù)格式,。

例：TCP協(xié)議可以為各種各樣的程序傳遞數(shù)據(jù),，比如Email、WWW,、FTP等等,。那么，必須有不同協(xié)議規(guī)定電子郵件,、網(wǎng)頁,、FTP數(shù)據(jù)的格式，這些應(yīng)用程序協(xié)議就構(gòu)成了”應(yīng)用層”,。

至此一連串高低電壓就通過層層協(xié)議,變成了我們在應(yīng)用程序中看到的各種數(shù)據(jù)