网络通信协议（网络通信协议有哪些）

　　网络通信协议（网络通信协议有哪些）
　　思维路线
　　目的是要链接互联网中的其他计算机
　　物理层 用物理介质链接其他计算机
　　数据链路层 用MAC地址来通讯,但仅限于同一局域网
　　网络层 用ip确定全球范围的某个局域网中的某一台计算机
　　传输层 用端口来确定 某一计算机中的某一个进程
　　应用层 组织自己的数据结构,例如json, xml等用于在两个应用程序间交换数据
　　本章目录
　　一.C/S构架
　　二.网络通讯的基本要素
　　三.网络通讯协议什么是网络编程
　　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
　　小明和小芳是一对恋人,为了美好的未来,小明离开家乡,来到上海学习python,在这里小明看到了传说中的东方明珠电视塔,激动万分的他用手里的数码相机拍摄了照片,想要与远在老家的小芳分享,虽然小明和小芳的电脑连着一条网线,由于不会使用网络编程,小明只好骑着马儿,翻越千山万水,将照片送到小芳的手中,由于路途太远,小芳已经嫁人了,小明痛下决心一定要掌握网络编程,让下一个小芳在任何地方都能看到自己的照片
　　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一.C/S构架
　　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:
　　电脑上要看视频就需要装看视频的程序.例如腾讯视频,它就是客户端程序,腾讯公司的机房里运行着腾讯视频的服务器程序,所以它也是C/S构架的程序
　　另外浏览器也可以访问服务器上的网页数据,称之为B/S,其本质上也是C/S只不过客户端是浏览器二.网络通讯的基本要素
　　两台计算机要想通讯,必须要具备两个基本要素
　　1.物理连接介质,包括网线,无线电,光纤等
　　2.通讯协议
　　下面我们来分析为什么需要这两个东西
　　1.物理连接介质
　　人类说话需要有空气来传播震动,眼睛要看东西需要有光来传播,没有空气,没有光,则无法沟通,(不要钻牛角尖,用手摸啥的...);光和空气就是物理介质
　　再比如电话机 要打通电话则必须先接通电话线,电流才能沿着电话线到达另一台电话机,电话线则是物理介质
　　2.通讯协议
　　什么是协议?
　　协议就是标准,大家要遵循相同的标准才能正常交流通讯
　　两个人要交流,必须说双方都能理解的语言,想象一下一个说新疆话的人打电话给说闽南语的人,基本说了等于没说 双方都能理解的语言就是,就是标准,就是协议
　　为什么要制定协议?
　　在计算机中,链接介质 通常是网线,网线本质就是一条电线,可以传播电流,而电流可以按照强弱,被理解为0和1
　　那问题是,一台计算机被电了一下是什么意思?被电了两下又是什么意思? 这就必须由发送方和接收方共同商定出一套标准,从而可以知道0和1表示的含义
　　如何使用协议?
　　然而作为应用程序开发者,物理介质显然不是我们需要关心的,比如如何牵网线
　　所以通讯协议是我们学习的重点三.网络通讯协议
　　协议是由发送方和接受方共同制定的,考虑到计算机已经发展了这么多年,所以制定的协议过程很显然我们没有机会参与了,要做的是了解通讯协议中的各种规定
　　OSI七层模型
　　1.什么是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!
　　2.为什么需要OSI
　　早期各个计算机厂商都有自己的一套网络通讯协议,但是各不相同,导致了不同厂商的计算机之间无法进行网络通讯,就像下图一样,如果四川人说四川话,上海人说上海话,将无法通信,必须统一说普通话!
　　无论是四川还是上海都是中国人,如果只在中国内进行通讯,掌握了普通话就没问题了,但是要不要和其他国家的人通讯呢?
　　与不同国家的人通讯则需要掌握不同国家的语言,但是全世界有那么多国家和语言,不可能全部掌握,这就需要大家统一下了,找一种语言作为全世界通用语言,就是英语!
　　这样一来,只要你能听懂英语,会说英语,全世界的人都能通讯了
　　总结: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
　　那这OSI种的七层到底是干什么的呢?
　　OSI各层工作原理解析
　　应用层,表示层,会话层都属于应用程序层面所以重点讨论简化后的五层;
　　为了方便理解,从下往上
　　一.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;
　　物理层的功能:基于电子器件发送电流信号,根据电流的高低可以对应到数字0和1,也就是二进制数据
　　二.数据链路层
　　数据链路层的由来:单纯的电信号0和1没有任何意义，必须规定电信号多少位一组，每组什么意思
　　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
　　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）
　　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
　　广播有什么问题吗?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,那是什么情况,
　　相当于村头挂着100个大喇叭,大家都在使劲喊,结果是要听清楚说的什么内容非常费劲儿
　　回到计算机中,100台电脑都在那儿广播,传输速度一定是有限的,严重浪费了网络资源
　　所以,处在局域网中间的设备即交换机(上图的中间那个小东西)
　　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
　　第一次链接某计算机时 必须广播获取MAC地址
　　只要链接过一次 MAC地址就被交换机记录下了下一次就不用广播了
　　交换机的工作原理类似类似于早期的电话交换机,电话线打到总台,总台问你要找几号?,然后将电话线插到相应的口上
　　三.网络层
　　1.网络层由来：
　　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
　　10.0.0.1 - 10.255.255.254
　　B类分配给中等规模公司
　　172.16.0.1 - 172.31.255.254
　　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
　　3.2 子网掩码(了解)
　　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
　　发送方网关发起的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地址告知发送方网关,
　　3.发送方网关将对方的网关的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!
　　四.传输层(重点)
　　传输层的由来:
　　通过物理层建立链接通道
　　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
　　五.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