文章目录一、网络的进化1. 早期独立模式2. 革新网络互连的诞生3. 局域网与广域网二、网络通信如何精准传递数据1. IP地址2. 端口号3. 网络协议4. 五元组三、协议分层1. 为什么需要分层2. OSI七层模型与TCP/IP五层模型1OSI七层模型2TCP/IP五层模型3. 网络设备的分层分工四、数据的封装与分用1. 封装数据打包2. 分用数据拆包一、网络的进化1. 早期独立模式网络诞生之前计算机处于“独立工作”状态。每台终端各自存储数据、运行业务比如终端A处理业务a、终端B处理业务b若要切换业务只能物理移动到对应主机前操作。这种模式下数据无法共享不同终端的业务无法协同效率极低。2. 革新网络互连的诞生随着业务需求升级人们迫切需要计算机之间共享软件、数据协同完成复杂任务网络互连应运而生。简单说网络互连就是将多台计算机连接起来实现数据传输也称网络通信。而根据连接规模的不同网络被划分为两大核心类型局域网LAN和广域网WAN。3. 局域网与广域网局域网LAN本地组建的私有网络比如公司办公室、家庭里的设备连接。局域网内的主机能快速通信也称“内网通信”但未连接的局域网之间无法直接交互。组建方式灵活可通过网线直连、集线器Hub、交换机Switch或交换机路由器的组合实现。广域网WAN通过路由器将多个局域网连接覆盖更大地理范围的网络。比如跨国公司将东京、大阪、洛杉矶的分公司用专线连接就形成了企业广域网而全球化的公共广域网就是我们常说的互联网公网、外网它是广域网的一个子集。局域网和广域网是相对概念。比如有些区域性的广域网本质上也可以看作是一个“超大局域网”。二、网络通信如何精准传递数据网络互连的最终目的是通信但多台计算机之间传输数据首先要解决三个关键问题“发给谁”“谁来收”“数据怎么解读”。这就需要IP地址、端口号和网络协议的协同配合。1. IP地址IP地址的作用是标识网络中的主机或网络设备相当于现实中的“收货地址”——没有它数据就找不到目标主机。格式IP地址是32位二进制数通常拆分为4个字节用点分十进制表示如192.168.10.1每个部分的数值范围是0-255。功能定位网络中的唯一主机确保数据能从源主机传递到目标主机。2. 端口号有了IP地址数据能找到目标主机但主机上可能同时运行多个程序微信、浏览器这就需要端口号来明确“谁来接收数据”。格式端口号是0-65535之间的整数进程通过绑定端口号来收发数据。核心功能定位主机内的具体进程相当于“收货地址”后的“收货人”确保数据准确交付给对应程序。3. 网络协议解决了定位问题还需要统一数据格式——不同设备、不同操作系统、不同软件的数据类型文本、图片、视频和编码格式可能不同若没有统一规则数据接收方无法解读。协议网络协议是所有网络设备必须遵守的约定包括连接建立、数据格式、识别方式等最终体现为传输数据包的格式。协议的作用让不同厂商、不同系统的计算机能顺畅沟通。比如文本“你好”协议会明确标识它是“文本类型”及对应的编码格式。4. 五元组在TCP/IP协议中用五元组来唯一确定一次网络通信相当于给通信打上唯一标签源IP发送数据的主机地址源端口号发送主机中发起通信的进程目的IP接收数据的主机地址目的端口号接收主机中接收数据的进程协议号双方约定的数据格式规则。在Windows的cmd中输入netstat -ano查看五元组信息三、协议分层网络通信流程复杂从数据生成到物理传输涉及多个环节为了便于维护和扩展人们提出了“协议分层”思想——将复杂的通信流程拆分为多个独立层次每层专注于特定功能通过接口协同工作。1. 为什么需要分层分层的核心优势是“解耦”类似面向接口编程上层只需调用下层提供的服务无需关心下层的实现细节比如应用层不用管数据是通过网线还是无线传输下层的实现变更不影响上层比如将网线换成光纤应用层无需修改便于不同厂商分工开发只要遵守接口规范就能实现兼容。2. OSI七层模型与TCP/IP五层模型1OSI七层模型OSIOpen System Interconnection七层模型是逻辑上的规范将网络分为7层从下到上依次为物理层负责光/电信号传递界定网线、连接器规格双绞线、光纤数据链路层处理数据帧的传送与识别实现帧同步、冲突检测网络层管理地址与路由选择规划数据传输路径传输层确保两台主机间的数据可靠传输是否丢失、顺序是否正确会话层管理通信连接的建立、断开与维持表示层实现设备固有数据格式与网络标准格式的转换编码、加密应用层针对特定应用的协议邮件SMTP、文件传输FTP。但OSI七层模型过于复杂未实际落地仅作为理论参考。2TCP/IP五层模型TCP/IP模型是目前全球通用的网络协议体系采用5层结构常省略物理层称为四层模型每层功能与对应设备、协议分层核心功能典型设备/协议应用层应用程序间沟通提供具体网络服务协议HTTP、FTP、SMTP、Telnet对应应用程序传输层两台主机间的数据传输确保可靠性或高效性协议TCP可靠传输、UDP高效传输操作系统内核实现网络层地址管理与路由选择定位主机并规划传输路径协议IP、ICMP设备路由器数据链路层数据帧的传送与识别处理帧同步、冲突检测协议以太网设备交换机对应设备驱动程序物理层光/电信号传递定义传输介质网线、光纤与接口规格设备集线器传输介质双绞线、光纤、电磁波应用层对应应用程序也是与程序员打交道最多的层次传输层和网络层主要是由操作系统内核实现的数据链路层和物理层由设备驱动程序与网络接口体现数据链路层和物理层都负责同一局域网内相邻设备的数据传输目标一致、硬件绑定在一起边界模糊因此TCP/IP也可以认为是四层模型数据链路层和物理层合并为网络接口层这样的协议也称为TCP/IP协议栈类似于方法调用栈。3. 网络设备的分层分工不同网络设备对应TCP/IP模型的不同层次各司其职主机实现从应用层到物理层操作系统内核负责传输层至物理层路由器实现从网络层到物理层核心功能是路由选择交换机实现从数据链路层到物理层核心功能是帧转发集线器仅实现物理层仅负责信号放大与转发。四、数据的封装与分用数据从源主机发送到目标主机会经历“封装”与“分用”两个过程这是协议分层的具体体现。1. 封装数据打包应用层生成的数据向下传递时每层协议都会在数据前添加“首部”包含该层的控制信息如协议类型、数据长度这个过程称为“封装”应用层数据 → 传输层添加TCP/UDP首部 → 成为“段”TCP数据包 TCP报头HeaderTCP载荷PayLoad。TCP报头包含TCP功能相关属性TCP载荷包括应用层数据包传输层段 → 网络层添加IP首部 → 成为“数据报”IP数据包 IP报头IP载荷整个传输层的数据包。IP报头包含源IP与目的IP网络层数据报 → 数据链路层添加以太网首部与尾部 → 成为“帧”以太网数据帧 帧头载荷帧尾数据链路层帧 → 物理层网卡转换为光/电信号通过传输介质发送。TCP协议和IP协议不关心载荷内容是什么2. 分用数据拆包数据到达目标主机后会从物理层向上传递每层协议剥掉自己添加的首部根据首部中的“上层协议字段”将数据交给对应的上层协议处理这个过程称为“分用”物理层接收光/电信号 → 转换为数据链路层帧二进制数据数据链路层剥掉以太网首部/尾部 → 交给网络层根据帧类型网络层剥掉IP首部 → 交给传输层根据协议号传输层剥掉TCP/UDP首部 → 交给应用层根据端口号应用层接收数据呈现给用户如浏览器显示网页、微信显示消息。