计算机网络部分基础知识

网络协议的意义

单台主机内部的设备之间需要发送和接收消息，那么和相隔很远的两台主机之间发送消息有什么区别呢？两台主机通过网络发送消息，相当于两个网卡设备之间进行通信，最大的区别在于距离变长了。而距离变长带来的结果就是：

1. 会面临数据包丢包的问题

2. 需要解决目标主机的定位问题

3. 如何保证经过无数台设备转发，数据仍能准确被接收

为了解决这些问题，就有了协议，协议本质上就是一种约定，两套主机约定好一定的数据格式，这样能保证不同厂商生产的计算机也能顺畅地通信，并且网络通信的分层协议各层能够处理丢包、定位的问题。网络协议的范围非常广泛，从硬件到软件，能保证不同的机器都能无障碍地接入互联网：厂商要想让机器接入互联网就要遵守协议。

网络的层状结构

在网络通信的过程中，为了保证把数据可靠地从一台主机送到另一台主机，并且另一台主机能对数据作相应的处理，我们需要：

1. 保证把数据交给下一跳主机

2. 进行路径选择，定位目标主机

3. 如果报文出现错误或丢失怎么办

4. 如何使用送达的数据

这些问题都需要有协议来解决，所以协议是很多的，为了更好地编码实现协议，就对协议进行了分层，我们把网络看作是层状结构。

为了方便理解协议分层的好处，我们举一个现实生活中的例子，我们在和亲人打电话的时候，并不是直接和对方沟通，而是我们电话把我们的声音发送到对方的电话，再由对方的电话发出声音让对方听到。这个事件实际上也可以分为两层：语言层和通信设备层，语言层由汉语协议保证顺利交流，通信设备层由电话协议保证能够正常通信。那和外国友人打电话呢？语言层的协议切换为英语协议，但通信设备层并不需要修改协议，这实际上把各层的协议进行了解耦合，每层只需要专注于解决一件事情，并且都能够认为是同层的协议在进行直接通信。

我们最常用的TCP/IP五层协议模型中，数据链路层协议保证把数据送到下一跳主机，网络层协议解决转发过程中的路径选择和确认目标定位问题，传输层解决报文出现错误或丢包的问题，应用层负责对接收到的数据进行处理，而物理层则负责光电信号的传递方式。

网络协议与系统

现在我们已经知道网络协议是分层的，那么各层协议与一台主机具体是什么关系呢？

网络协议应用层就在计算机的用户层，传输层和网络层协议位于操作系统的内核中，众所周知，用户想要访问计算机的硬件通常必须调用操作系统提供的接口，操作系统调用驱动程序来使用底层硬件，而数据链路层在计算机的驱动程序层。因为如果用户想进行网络通信，就必须访问网卡，所以自顶向下过程中贯穿了网络协议栈的每一层，这保证了用户会使用协议。

再进一步，主机A向主机B发送数据时，首先由主机B的网卡接收到数据，然后要想把数据送到主机B的用户层，就需要自底向上贯穿网络协议栈的每一层。

计算机在进行网络通信的过程中可能会受到很多报文，为了对这些报文进行管理，就需要有对应的数据结构，把对报文的管理转化为对数据结构的增删查改

网络传输的基本流程

大家网购的时候有没有注意过，我们收到的快递不止是买的东西，上面还有一张快递单，上面有寄件人、收件人、物品信息等等内容。这能保证快递公司在运货的过程中始终知道收件人的地址，并且由于上面写的信息双方都看得懂，收件人也能知道寄件人的地址，这实际上也是一种协议。

类似的，数据在传输的过程中，数据报文也不止有内容，而是报头加内容，那么报头实际上是什么样的呢？

可以看到，所谓的报头其实就是结构体字段，操作系统内协议的源码相同，则双方主机都能识别结构体字段，这就相当于双方共同遵守一个约定，这就是协议。

下图是TCP/IP数据的封装和解包流程，封装过程：在应用层把数据发送到发送缓冲区，交付到传输层后添加TCP报头，继续向下交付到网络层，添加IP报头，继续向下交付到数据链路层，添加以太网包头。解包过程：逐层读取到报头后，把剩下的有效载荷交付给上一层。

因此在进行封装时，一定要考虑之后对方解包的过程，每一层的协议都需要解决以下两个问题：

1. 如何将报文中的报头和有效载荷进行分离

2. 如何将自己的有效载荷交付给上层的协议

网络中的地址管理

局域网中的主机能够直接进行通信，每个网卡都有独一无二的mac地址，当局域网中的一台主机向另一台主机发送信息时，实际上是给所有主机发送广播信息，但只有目标主机的mac地址与信息匹配，其他主机则会将信息丢弃。而IP地址分为公网IP和内网IP，当我们提到IP地址可以用来表示互联网中唯一的一台主机时，指的是公网IP，内网IP是可以出现重复的，具体情况我们在后面的文章进行说明。

为了更好地理解IP地址与mac地址之间的关系，举一个例子，唐僧师徒前往西天取经，到了女儿国后，女儿国国王问他从哪儿来到哪儿去，唐僧说贫僧自东土大唐而来，前往西天取经，国王接着问，那你上一站是哪儿，下一站要去哪儿，唐僧说上一站是火焰山，但是只知道最终目的地是西天，而不知道下一站是哪，需要国王告知，国王告知唐僧，下一站是黑风岭，最后唐僧师徒离开女儿国，前往下一站。这个过程中，他们的最终目的地是不变的，但是每到一个站点，他们的下一站都会改变，这个最终目的地就相当于是目的IP地址，而每次到的下一站就相当于mac地址，国王实际上就相当于路由器。所以IP地址的意义是什么呢？有了IP地址，我们就能根据路由表进行路径选择。mac地址的意义呢？有了mac地址，数据就能在局域网中正确传输。