OSI TCP 以太网 网络基础
网络基础
基础知识
局域网（LAN）和广域网（WAN）是一个相对的概念，根据覆盖范围而定。
协议是指计算机网络中用于通信的规则和标准。它定义了通信实体之间传递数据的格式、顺序、控制信息和处理方法等。协议确保不同设备和系统能够相互理解和交换信息。为了解决以下问题：
- 由于计算机的传输媒介是光信号和电信号，想要传递不同的信息，就需要约定好双方的数据格式。
- 如何处理发送的数据。
- 长距离的数据丢失问题。
- 如何定位主机的问题。
- 如何保证数据准确的到达下一个设备。
端口号，IP
端口号在网络通信时是需要相互交换的，因为网络通信的本质就是进程间通信。
云服务器禁止直接绑定公网IP。并且一般不会固定IP地址，一般将其置为
0，即任意地址绑定，这样凡是发送到本主机的数据，都会根据端口号向上交付。而客户端，也是要绑定的，只不过不需要用户显示的
bind，一般由OS自由随机选择绑定，只需要保证其在客户端主机上的唯一性就行。
端口号的范围划分
- 知名端口：
- 范围：0 到 1023
- 用途：这些端口号通常被分配给常见的网络服务和协议，例如：
- HTTP（80）
- HTTPS（443）
- FTP（21）
- SSH（22）
- DNS（53）
- 分配管理：这些端口号由互联网号码分配机构（IANA）管理，通常用于特定的标准服务。
- 注册端口：
- 范围：1024 到 49151
- 用途：这些端口号可以被应用程序或服务使用，但需要向 IANA 注册。通常分配给非标准的服务或应用程序，供其运行所需的通信使用。
- 实例：MySQL 数据库服务默认使用的端口 3306、PostgreSQL 默认端口 5432。
- 动态/私有端口：
- 范围：49152 到 65535
- 用途：这些端口号通常用于临时目的，比如客户端应用程序向服务器发起连接时动态分配的端口号。这些端口号不需要注册，适用于客户端-服务器通信中客户端的一侧。
- 实例：当一个客户端连接到服务器时，操作系统会自动为客户端分配一个动态端口。
客户端
Udp客户端的端口随机绑定,发生在第一个数据包被发送的时候。Tcp客户端的端口随机绑定，发生在connect的时候，要自动随机的进行bind。
套接字socket
在网络编程中，sockfd 是一个用于标识套接字的文件描述符。它是 socket() 函数创建的套接字的返回值，用于后续的网络通信操作。sockfd 是一个整数值，作为其他网络操作函数的参数之一。
协议分层
- 分层的目的：
- 高内聚。
- 低耦合。
- 便于封装。
- 维护。
OSI(open systems interconnection)七层模型
| 层级 | 名称 | 功能描述 |
|---|---|---|
| 7 | 应用层（Application Layer） | 为应用程序提供网络服务接口，例如文件传输、电子邮件等。 |
| 6 | 表示层（Presentation Layer） | 负责数据的表示、加密和解密、数据格式转换等。——序列，反序列化 |
| 5 | 会话层（Session Layer） | 管理和控制会话，包括建立、维护和终止通信会话。——管理对外提供的服务 |
| 4 | 传输层（Transport Layer） | 提供端到端的传输服务，确保数据可靠传输，负责流量控制和错误检测。 |
| 3 | 网络层（Network Layer） | 负责路径选择和逻辑地址（IP地址）的管理，提供数据包的转发和路由功能。 |
| 2 | 数据链路层（Data Link Layer） | 提供物理地址（MAC地址）管理和链路建立、维护、释放功能，负责帧的传输。 |
| 1 | 物理层（Physical Layer） | 负责比特流的传输，包括电缆、光纤、无线等物理媒介。 |
TCP/IP 模型
TCP/IP（Transmission Control Protocol/Internet Protocol）模型是实际互联网和网络通信的基础，它简化为四层或五层结构。
- 可以使用以下五个要素来标识一个通信：
- 源IP。
- 源端口号。
- 目的IP。
- 目的端口号。
- 协议号。
五层模型
| 层级 | 名称 | 功能描述 |
|---|---|---|
| 5 | 应用层 | 提供网络应用程序的接口，如HTTP、FTP、SMTP等协议。 |
| 4 | 传输层（Transport Layer） | 提供端到端的通信服务，确保数据可靠传输，使用协议如TCP、UDP。 |
| 3 | 网络层（Network Layer） | 负责地址管理和路由选择. 例如在IP协议中, 通过IP地址来标识一台主机, 并通过路由表的方式规划出两台主机之间的数据传输的线路(路由)**路由器(Router)工作在网络层 **。 |
| 2 | 数据链路层（Data Link Layer） | 负责数据帧的传输和错误检测，包含MAC地址的管理。 以太网、令牌环网（类似于线程中的锁)**交换机(Switch)通常工作在数据链路层或网络层 ** |
| 1 | 物理层（Physical Layer） | 负责比特流的传输，定义物理连接的硬件规范。集线器(Hub)工作在物理层 |
信息在不同层的名称
| 层级 | 数据名称 |
|---|---|
| 传输层 | 数据段，数据报 |
| 网络层 | 数据报 |
| 链路层 | 数据帧 |
网络通信
报文 = 报头 + 有效载荷
网络的层状结构中，每一层都有协议。消息从自顶向下每层协议都要加上一个数据首部（报头）(header),称为封装**。
通信的过程，就是封装和解包的过程。故几乎每一种协议，都要有报头和有效载荷分离的能力——分离和将自己有效载荷交付给上一次指定协议的能力——分用。
- 由冯诺依曼体系可知，网卡（外设）接受数据之后，要载入到内存由CPU处理。
sk_buff 的概念：
sk_buff是一个结构体，包含了网络包的数据以及各种元数据（如头部信息、状态标志、指针等）。它是网络协议栈中最基本的单元，用于表示和操作数据包。sk_buff 负责承载并传递数据包，同时记录了该数据包在它不仅包含了数据本身，还包含了协议栈所需的各种控制信息。发送报文的本质：
- 从发送方的角度来看，报文的发送过程实际上是一个 sk_buff 结构在协议栈中层层流动、逐步封装的过程。每个网络层协议对 sk_buff 进行相应的处理，直到数据包最终被发送到网络上。
- 简单来说，负责处理协议的指针移动到对应协议字段并进行处理，就是封装和解包的过程。
局域网通信原理
以太网通信：每台主机在局域网上，都要有自己唯一的一个标识。
每一台主机都会有一个
Mac地址——网卡在出厂时自带。 在发送数据时，源头mac和目的mac会被封装到报文中。根据mac地址可以匹配通信的主机。其实在局域网中，所有网卡设备都收到了这个保文，只是因为
mac不匹配，报文被丢弃了。但如果网卡处于混杂模式—— 指一台机器的网卡能够接收所有经过它的数据流，而不论其目的地址是否是它，那么数据可能被窃取。
可以通过在应用层进行加密，可以防止数据被抓包后窃取。
当局域网中发送的信息太多，就可能发生数据碰撞问题（产生碰撞域）。因此，任何一个时刻，只允许一台主机向局域网中发送数据——互斥访问。
交换机可以划分碰撞域。
访问局域网的过程类似于线程访问共享资源，只是实现细节和具体机制上有很大不同。
IP地址
IP地址（Internet Protocol Address）是分配给设备的一个唯一标识符，用于在网络中进行通信。它标识网络上的计算机、路由器、手机等设备，并允许它们相互识别和交换数据。
IP地址与mac地址
- 在数据传输的时候，Mac地址会随着设备变动而发生变化。而IP地址始终不变，为信息传递提供路径规划。
跨网段通信原理
当目标主机和源头主机不在同一个网段（是否在同一网段可以通过IP地址来判断），需要将数据传递给路由器设备来处理。
报文传递到路由器是局域网通信。
通过路由器的路由表到另一个网段，并且通过如
以太网，令牌环等方式来找到目的主机，，数据包在**每个路由器处都会重新封装局域网报头，并且更换发收的MAC地址**。
由上可知：IP协议屏蔽了底层网络的差异化，实现了上层的统一性。
IPv6和IPv4
IPv4和IPv6是两种不同版本的互联网协议（IP），它们都用于在网络上标识和定位设备，并负责数据包的路由和传输。但IPv6可以表示更多地址并支持更多特性。