网络编程介绍，C/S 架构，网络通讯协议，osi七层

　　　　网络编程：

什么是网络编程：

　　网络通常指的是计算机中的互联网,是由多台计算机通过网线或其他媒介相互链接组成的

　　编写基于网络的应用程序的过程序称之为网络编程

为什么要学习网络编程：

　　我们已经知道计算机,由硬件 操作系统,应用程序组成,有了这三个元素,就可以在自己的电脑上运行一些应用程序了,比如玩玩纸牌,扫扫雷什么的

如果要想与其他计算机一起玩,就必须要让你的计算机和其他计算机能够互相传递数据

　　学习网络编程就是要学习利用网络来与另一台计算机相互传输数据, 开发出支持网络通讯的应用程序,这样即使足不出户也能尽知天下事

　　　　　　C/S架构

 

学习网络编程就是要通过网络来访问另一台计算的数据,这样必然需要至少两台计算机,一台计算机上放着要分享的数据和用于分享数据的程序,另一台计算机上运行访问数据的程序,

 

我们把提供数据的一方称之为服务器(Server),把访问数据的一方称为客户端(Client)

 

这就是C/S构架:

网络通讯的基本要素

1. 物理连接介质：

　　网线，光纤，无线电等。

2.通讯协议：

　　通讯协议是由发送方与接收方共同商定出的一套标准，约定中包括对数据格式，同步方式，传播速度，传送步骤，检纠错方式以及控制字符定义等问题作出统一规定

通信双方必须共同遵守，它也叫做链路控制规程

　　　　　　OSI七层模型

什么是OSI？

Open System Interconnection Reference Model，开放式系统互联通信参考模型,缩写为OSI,是由国际标准组织推出的,其实就是一大堆协议,OSI把整个通讯过程划分为七层,简称OSI七层模型

上图中最右边就是完整的七层模型,是最完整的通讯模型,虽然很详尽,但是整个通讯流程的复杂度较高,后期为了降低学习难度,将其进行了简化,于是又了中间的五层,和左边的四层

​

其中应用层,表示层和会话层都是属于应用程序层的,是一个整体,故将其合并为应用层,由此得到中间的五层,这是我们学习的重点!

　　应用层   传输层   网络层   数据链路层   物理层

为什么需要OSI：

　　OSI就是相当于计算机界的通用语言,只要按照OSI规定的标准来通讯,就能够与全世界任何一台所有计算机通讯

OSI五层工作原理解析

1. 物理层

　　物理层的由来,在通讯的基本要素一节已经讨论过了,两台原本相互独立的计算机,想要通讯,必须建立物理连接,连接的方式多种多样,包括电缆,光缆,无线电等;

2.数据链路层

　　1.以太网协议：

　　　　以太网协议(Ethernet)工作在数据链路层,其规定了电信号分组方式,以及一组电信号应该包含哪些内容

ethernet规定如下:

• 一组电信号构成一个数据包，叫做‘帧’

• 每一数据帧分成：报头head和数据data两部分

head包含：(固定18个字节)

• 发送者／源地址，6个字节

• 接收者／目标地址，6个字节

• 数据类型(标签+以太类型)，6个字节

data包含：(最短46字节，最长1500字节)

• 数据包的具体内容

head长度＋data长度＝最短64字节，最长1518字节，超过最大限制就分片发送

　　　　2.mac地址：

　　　　　　head中包含的源和目标地址指的是什么地址呢?

　　　　　　   ethernet规定接入internet的设备都必须具备网卡，发送端和接收端的地址便是指网卡的地址，即mac地址

 

　　　　　　   mac地址：每块网卡出厂时都被烧制上一个世界唯一的mac地址，长度为48位2进制，通常由12位16进制数表示（前六位是厂商编号，后六位是流水线号）

　

　　　　3.广播：

　　　　　　有了mac地址，同一网络内的两台主机就可以通信了

　　　　　　   ethernet采用最原始的方式，广播的方式进行通信，即计算机通信基本靠吼

 　　　　5.广播的问题：

　　　　　　如果这个网络中有100台电脑,大家都在同一时间都在互相通讯,传输速度一定是有限的,这样做就严重浪费了网络资源

 　　　　　　 所以,  就有了交换机的存在，意思大概就是连接一个局域网的网关

　　　　　　　交换机不仅负责让网络中的计算机能够互相通信,还要优化网络传输：　　　　

　　　　　　　　如何优化呢?

　　　　　　　　当pc1想要与pc2通讯前

　　　　　　　　1.需要知道pc2的MAC地址,所以必须先将这个信息广播给所有的计算机,

　　　　　　　　2.这个信息必须先交给交换机,再由交换机广播出去,

　　　　　　　　3.pc2收到消息消息后发现目标MAC是自己,就回复数据给发送方,

　　　　　　　　4.而回复也必须先交给交换机,此时交换机就会记录pc2的MAC地址与网口号的对应关系存到自己的缓存中,

　　　　　　　　5.下一次在要给pc2发数据时从缓存中查找pc2的MAC地址,

　　　　　　　　6.如果找到了就直接单独给pc2发送,不在需要广播,

　　　　　　　　7.如果没有则重复之前的广播过程

　　　　　　　　这一优化功能称之为自动学习功能

3.网络层

　　1.网络层的由来：

　　　　　　有了ethernet、mac地址、广播的发送方式，世界上的计算机就可以彼此通信了

　　2.以太网通讯存在的问题：

　　　　世界范围的互联网是由一个个彼此隔离的小的局域网组成的，如果所有的计算机都采用以太网的广播方式来寻找其他计算机，

　　　　  那么一台机器发送的包全世界都会收到，这就不仅仅是效率低的问题了，这会是一种灾难,(广播风暴就是这么产生的)

　　　　结论：必须找出一种方法来区分哪些计算机属于同一广播域，哪些不是，如果是就采用广播的方式发送，如果不是，就采用路由的方式（向不同广播域／子网分发数据包），

　　　　　　　　　mac地址是无法区分的，它只跟厂商有关;

 

　　　　　　　　　网络层功能：引入一套新的地址用来区分不同的广播域／子网，这套地址即网络地址,网络地址到底长什么样,又是如何区分子网的?

　　3.IP协议

　　IP协议是工作在网络层的协议,全称:Internet Protocol Address,翻译为互联网协议地址

 

　　3.1 IP地址(重点)　　

• • • 　　　　ip协议定义的地址称之为ip地址，广泛采用的v4版本即ipv4，它规定网络地址由32位2进制表示

    • 　　　　范围0.0.0.0-255.255.255.255

    • 　　　　一个ip地址通常写成四段十进制数，例：192.168.10.1

    • 　　　　网络号：标识子网

    • 　　　　主机号：标识主机

 

 

　　IP地址的分类:

 

　　A类保留给政府机构

 

　　1.0.0.0---126.0.0.0

 

　　B类分配给中等规模公司

 

　　128.0.0.0---191.255.0.0

 

　　C类分配给任何需要的人

 

　　192.168.0.1 - 192.168.255.254

 

　　D类用于组播

 

　　E类用于实验

 

　　我们的电脑ip通常都是C类的,以192.168开头,正因为C类任何人都可以用

　　

　　4.子网掩码

　

什么是子网掩码

 

子网掩码是一个32位地址，用于屏蔽IP地址的一部分以区别网络标识和主机标识，并说明该IP地址是在局域网上，还是在远程网上。

 

它的网络部分全部为1，主机部分全部为0。比如，IP地址172.16.10.1，如果已知网络部分是前24位，主机部分是后8位，那么子网络掩码就是11111111.11111111.11111111.00000000，写成十进制就是255.255.255.0。

 

为什么需要子网掩码

 

单纯的ip地址段只是标识了ip地址的种类，无法辨识一个ip所处的子网 例：192.168.10.1与192.168.10.2并不能确定二者处于同一子网,因为不清楚哪些位表示网络号,哪些表示主机号

 

子网掩码如何判断两个ip是否属于同一个子网

 

知道”子网掩码”，我们就能判断，任意两个IP地址是否处在同一个子网络。方法是将两个IP地址与子网掩码分别进行AND运算（两个数位都为1，运算结果为1，否则为0），然后比较结果是否相同，如果是的话，就表明它们在同一个子网络中，否则就不是。

 

案例: 已知IP地址172.16.10.1和172.16.10.2的子网掩码都是255.255.255.0，请问它们是否在同一个子网络？两者与子网掩码分别进行AND运算，
    
172.16.10.1：10101100.00010000.00001010.000000001
255255.255.255.0:11111111.11111111.11111111.00000000
AND运算得网络地址结果：10101100.00010000.00001010.000000001->172.16.10.0
​
172.16.10.2：10101100.00010000.00001010.000000010
255255.255.255.0:11111111.11111111.11111111.00000000
AND运算得网络地址结果：10101100.00010000.00001010.000000001->172.16.10.0
结果都是172.16.10.0，因此它们在同一个子网络。

 

总结一下，IP协议的作用主要有两个，一个是为每一台计算机分配IP地址，另一个是确定哪些地址在同一个子网络。

 

3.3 IP数据包(了解)

 

ip数据包也分为head和data部分，无须为ip包定义单独的栏位，直接放入以太网包的data部分

 

head：长度为20到60字节

 

data：最长为65,515字节。

 

而以太网数据包的”数据”部分，最长只有1500字节。因此，如果IP数据包超过了1500字节，它就需要分割成几个以太网数据帧，分开发送了。

 

 

3.4 ARP协议(了解)

 

ARP协议的由来:IP是通常是动态分配的,是一个逻辑地址,而数据传输则必须依赖MAC地址,那如何才能通过IP得到对方的MAC地址呢? 这就需要ARP协议了

 

arp协议功能：广播的方式发送数据包，获取目标主机的mac地址

 

 

 

首先明确每台主机ip都是已知的,并可以通过子网掩码来判断是否属于同一子网

 

案例1：主机192.168.1.101访问192.168.1.102

 

是同一子网内 ARP请求帧内容:

 

 

1.FF:FF:FF:FF:FF:FF是一个特殊的MAC地址 交换机在看到这个地址时会将这个数据向网内所有主机进行广播

 

2.192.168.1.102 收到ARP请求后 回复自己的MAC给 源MAC主机

 

3.发送方(192.168.1.101)收到回复后,会将对方的ip的MAC地址映射关系存储到缓存中,以便下次使用

 

ps:arp -a 可以查看ARP缓存列表

 

 

确定对方MAC地址后的数据帧内容:

 

 

 

 

案例2：主机192.168.1.101访问192.168.111.101

 

交换机发现目标IP不在当前子网中,

 

1.交换机发起ARP请求,将目标IP设置为对方的网关IP,默认情况下,网关的主机号都为1; 所以接收方(192.168.111.101)的网关为192.168.111.1

 

发送方交换机发起的ARP数据帧:

 

 

2.对方网关收到请求后发现ip是自己的ip则回复ARP请求,将其MAC地址告知发送方交换机,

 

3.发送方交换机将,对方的网关与的MAC地址与IP存储到自己的ARP缓存中,

 

4.告知发送方(192.168.1.101)对方网关的MAC地址,发送方同样将对方网关MAC与目标IP映射关系存储到,本机ARP缓存中

 

至此ARP请求结束可以开始传输数据

 

 

 

后续确定了MAC地址后发送的数据帧内容:

 

 

 

 

 

 

总结:ARP通过广播的方式来获取MAC地址, 不在同一子网时 ARP得到的时对方网关的MAC地址,数据到达对方网关后,由网关根据IP交给对应的主机,当然对方网关获取主机MAC也是通过ARP

 

ps:路由器 交换机都可以称之为网关!

　　　　　

4.传输层（重点）*****

传输层的由来:

通过物理层简历链接通道

通过数据链路层的MAC,可以定位到某个局域网中的某台主机,

通过网络层的IP地址,子网掩码,可以定位到全球范围某一局域网下的某台主机

那么问题来了:

一台计算机上是不可能只运行一个应用程序的,比如同时登陆qq和微信,那接收到的数据到底是交给微信还是qq呢?

答案就是:端口号,端口是需要联网的应用程序与网卡关联的编号

传输层功能：建立端口到端口的通信

补充：端口范围0-65535，0-1023为系统占用端口

 

TCP与UDP是工作在传输层的协议:

TCP协议

可靠传输，TCP数据包没有长度限制，理论上可以无限长，但是为了保证网络的效率，通常TCP数据包的长度不会超过IP数据包的长度，以确保单个TCP数据包不必再分割。

TCP之所以可靠,是因为在传输数据前需要三次握手确认建立链接

三次握手:

三次握手的过程实际上实在确认我发的你能收到,你发的我也能收到,从而保证数据传输的的可靠性,

链接是一个虚拟的概念,不实际存在,只要三次握手成功即表示连接建立成功!

问题是三次握手时的确能保障数据传输是可靠的,那么握手后的数据要如何保证传输成功呢?

TCP协议要求在发送数据后,必须接收到对方的回复信息才能确认数据成功发送,如果一段时内没有收到回复信息,会自动重新发送,如果重试的次数过多则表示链接可能已经中断!

 

四次挥手:

四次挥手的目的是保证双方的数据传输已经全部完成,同样是为了保证数据的完整性

总结

其优点很明显:能够保证数据传输是完整的

缺点:由于每次都需要传输确认信息,导致传输效率降低

场景:多用于必须保证数据完整性的场景,例如文本信息,支付信息等!

 

UDP协议

不可靠传输，”报头”部分一共只有8个字节，总长度不超过65,535字节，正好放进一个IP数据包。

UDP协议采取的方式与TCP完全不同,其根本不关心,对方是否收到数据,甚至不关心,对方的地址是否有效,只要将数据报发送到网络,便什么都不管了!

总结

优点:由于不需要传输确认信息,所以传输效率高于TCP协议

缺点:传输数据可能不完整

场景:视频聊天,语音聊天等,不要求数据完整性,但是对传输速度要求较高

5.应用层

应用层由来：用户使用的都是应用程序，均工作于应用层，互联网是开放的，大家都可以开发自己的应用程序，用什么样的数据格式来传输，就需要由应用程序开发者自己来制定

应用层功能：规定应用程序的数据格式。

例：TCP协议可以为各种各样的程序传递数据，比如Email、WWW、FTP等等。那么，必须有不同协议规定电子邮件、网页、FTP数据的格式，这些应用程序协议就构成了”应用层”。

至此一连串高低电压就通过层层协议,变成了我们在应用程序中看到的各种数据