网络通信基础

目录

一、为什么要学习网络编程？

1. 进程间通信方式

二、网络发展历史

1. 发展阶段

2. APRAnet阶段

3. TCP/IP协议阶段

三、 网络体系结构及OSI开放系统互联模型

1. 网络体系结构概念

2. OSI开放系统互联模型

3. TCP/IP协议族的体系结构

4. TCP/IP四层结构与OSI七层模型对应关系

解释

5. 数据封包和拆包的过程

6.  TCP/IP四层结构中常见的协议

应用层：

传输层：

网络层：

链路层：

其他相关知识

Linux内核的五大功能：

协议：

四、TCP和UDP异同（笔试面试）

共同点：

TCP —— 稳定

UDP —— 快速

TCP 3次握手和4次挥手

TCP三次握手（3-Way Handshake）

TCP四次挥手（4-Way Handshake）

标志位解释

总结：

五、网络基础相关的概念

5.1 字节序

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一、为什么要学习网络编程？

1. 进程间通信方式

• 内核提供三种：无名管道、有名管道、信号
• System V提供三种：消息队列、共享内存、信号灯集
• 进程间通信：这些通信方式通过内核空间完成，适用于同一主机内的多个进程之间。
• 跨主机通信：由于不同主机有不同的内核空间，以上方式无法支持跨主机的通信。
• 套接字通信：引入了第七种进程间通信方式，完成跨主机多进程通信。

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二、网络发展历史

1. 发展阶段

• APRAnet阶段：冷战产物
• TCP/IP协议阶段：最初只有TCP和IP两个协议
• OSI开放系统互联模型
• TCP/IP协议族（重要）
• 量子通信（可能）

2. APRAnet阶段

• 阿帕网是互联网的最早雏形
• 无法互联不同类型的计算机和操作系统
• 缺少纠错功能

3. TCP/IP协议阶段

在计算机网络中，为了确保数据能够有序交换，需要遵循一些事先约定的规则。这些规则明确规定了数据的格式以及同步问题。为了在网络中进行数据交换而建立的规则、标准和约定被称为 网络协议。

联网协议：它是一组定义如何在网络上传输信息的规则。

TCP/IP协议分为两个核心协议：

1. 传输控制协议 (TCP)：

   • TCP负责检测网络传输中的错误，确保数据的可靠传输。
   • 它通过面向连接的方式来传输数据，保证数据完整无误、无丢失、无重复。
   • TCP是用于确保通信双方之间可靠数据传输的重要协议。

2. 互联网协议 (IP)：

   • IP专门负责在不同网络之间进行互联，实现数据的路由和传输。
   • 它的主要任务是将数据包从源主机传送到目标主机，确保数据能够通过各种网络进行传递。

通过这两个协议的合作，TCP/IP协议族确保了网络中数据的可靠传输和不同网络之间的互联。

网络通信中的基本规则和约定：

在网络通信中，所谓的“约定俗成的规则”实际上是指一系列标准化的协议和规范，它们定义了数据如何在网络中传输和处理。这些规则类似于数学中的公理和定理，是网络通信的基础。以下是一些网络通信中的基本规则和约定：

1. 分层模型：网络通信通常遵循分层模型，如OSI七层模型或TCP/IP四层模型。每一层都有其特定的功能和协议，并且与相邻层通过接口交互。

2. 数据封装：在发送数据时，每一层都会在数据上添加自己的头部信息，这个过程称为封装。头部信息包含了该层所需的控制信息，如源地址、目的地址等。

3. 数据传输：数据在网络中以帧或包的形式传输。这些帧或包包含了数据本身以及必要的控制信息。

4. 寻址：每个网络设备都有一个唯一的地址（如IP地址），用于标识发送者和接收者。

5. 路由选择：数据包在网络中的传输路径由路由协议决定，这些协议负责选择最佳路径以确保数据的传输。

6. 流量控制：为了控制数据流的速率，防止网络拥塞，网络协议会使用流量控制机制，如滑动窗口协议。

7. 错误检测和纠正：网络协议包括错误检测和纠正机制，如校验和、序列号和重传机制，以确保数据的完整性和正确性。

8. 连接管理：在需要可靠传输的协议中，如TCP，会建立连接、维护连接状态，并在数据传输完成后释放连接。

9. 数据分段和重组：对于大于网络最大传输单元（MTU）的数据，需要在发送前进行分段，并在接收端重新组装。

10. 服务质量（QoS）：网络协议可以提供不同的服务质量，以确保关键数据流（如语音和视频）的优先级。

11. 安全性：网络通信中的安全性规则包括加密、认证和访问控制，以保护数据不被未授权访问。

12. 多路复用和解复用：在同一物理介质上，多个数据流可以同时传输，这需要网络协议来管理这些数据流的复用和解复用。

这些规则和约定是网络通信的基础，它们确保了数据能够在复杂的网络环境中高效、可靠地传输。就像数学中的1+1=2一样，这些规则是网络通信中的基本事实，我们不需要深入了解它们为什么是这样，只需要知道它们是网络通信的规则，并按照这些规则来设计和使用网络。

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三、 网络体系结构及OSI开放系统互联模型

1. 网络体系结构概念

• 每一层有独立功能，单层不可获取
• 功能相近的协议被组织在一起形成协议栈
• 分层的好处：
  • 各层独立，层与层之间只需要通过接口进行交互
  • 稳定性和灵活性：当一层发生变化时，其他层不受影响
  • 易于实现和维护
  • 促进标准化
  • 结构上不可分割，各层可以采用最合适的技术来实现

2. OSI开放系统互联模型

• OSI模型是由国际标准化组织（ISO）提出的理想化模型，包含七层：
  • 物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层、应用层

3. TCP/IP协议族的体系结构

• TCP/IP协议簇是互联网的事实标准，包含四层：

  • 应用层：如Telnet、FTP、HTTP、DNS、SMTP等
  • 传输层：TCP和UDP
  • 网络层：IP、ICMP、IGMP
  • 链路层：以太网、令牌环网、FDDI等

• 虽然TCP/IP体系结构只有四层，但其功能与OSI七层模型相同。

4. TCP/IP四层结构与OSI七层模型对应关系

OSI七层模型与TCP/IP四层结构之间有一定的对应关系，如下所示：

OSI层	功能	TCP/IP协议族
应用层	文件传输、电子邮件、文件服务、虚拟终端	TFTP, HTTP, SNMP, FTP, SMTP, DNS, Telnet
表示层	数据格式化、代码转换、数据加密	没有协议
会话层	解除或建立与别的节点的联系	没有协议
传输层	提供端对端的接口	TCP, UDP
网络层	为数据包选择路由	IP, ICMP, RIP, OSPF, BGP
数据链路层	传输有地址的帧以及错误检测	SLIP, CSLIP, PPP, ARP, RARP
物理层	以二进制数据形式在物理媒体上传输数据	ISO2110, IEEE802.1, IEEE802.2

解释

• 应用层（OSI层 7）与TCP/IP模型的应用层对应，涵盖文件传输、电子邮件、文件服务和虚拟终端等协议，如HTTP、FTP、SMTP等。
• 表示层（OSI层 6）负责数据格式化、代码转换和数据加密，在TCP/IP模型中没有明确的对应协议，通常这些功能可以通过应用层协议或其他中间协议实现。
• 会话层（OSI层 5）处理会话的建立和断开，但在TCP/IP模型中也没有单独的协议。这些功能通常由应用层协议来实现。
• 传输层（OSI层 4）在TCP/IP模型中由TCP和UDP协议负责，提供端对端的数据传输。
• 网络层（OSI层 3）由IP、ICMP、RIP、OSPF、BGP等协议处理，负责数据包的路由和转发。
• 数据链路层（OSI层 2）在TCP/IP模型中由SLIP、CSLIP、PPP、ARP、RARP协议管理，负责帧的传输、错误检测等。
• 物理层（OSI层 1）在TCP/IP模型中由协议如ISO2110和IEEE802.x负责，处理在物理媒介上传输的比特流。

这种对比表明，TCP/IP协议族是简化版的网络模型，其将OSI模型的七层合并为四层，省略了表示层和会话层的独立协议功能。

5. 数据封包和拆包的过程

• MTU（最大传输单元）：数据大于MTU时，需要分包传输。
• 指令：使用ifconfig查看MTU。

6.  TCP/IP四层结构中常见的协议

应用层：

• HTTP（超文本传输协议）：万维网的数据通信基础
• FTP（文件传输协议）：用于文件传输，使用TCP
• TFTP（简单文件传输协议）：使用UDP传输
• SMTP（简单邮件传输协议）：电子邮件传输协议

传输层：

• TCP：面向连接、可靠、基于字节流的协议
• UDP：无连接、不可靠、快速传输的协议

网络层：

• IP：实现多个网络间的信息传输
• ICMP：用于传递控制消息（如ping命令）
• IGMP：组播协议，用于主机和组播路由器之间的通信

链路层：

• ARP（地址解析协议）：通过IP地址获取MAC地址
• RARP（逆向地址解析协议）：通过MAC地址获取IP地址

其他相关知识

Linux内核的五大功能：

• 内存管理：分配和回收内存
• 进程管理：时间片轮转、上下文切换
• 文件管理：将二进制数据转换为人类可读的字符
• 设备管理：在Linux中“一切皆文件”
• 网络管理：管理网络协议栈

协议：

• 协议是一组准则，发送方和接收方遵循这些准则进行数据发送和解析。

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四、TCP和UDP异同（笔试面试）

共同点：

• TCP和UDP：都属于传输层的协议

TCP —— 稳定

1. 提供面向连接的、可靠的数据传输服务
2. 传输过程中：
   • 数据无误、无丢失、无失序、无重复
   • TCP会给每个数据包编上编号（序列号）
   • 每个序列号都需要应答包回应，若无应答，则重新发送直到正确为止
3. 数据传输效率低，耗费资源多
4. 数据收发不同步：
   • 为提高效率，TCP会将多个小的、发送间隔短的数据包合并成一个包发送，这一现象称为“沾包”现象
   • 该沾包算法称为 Nagle算法
5. TCP的使用场景：对传输质量要求较高、需要可靠通信或传输大量数据的场合
   • 例如：账户登录、大型文件下载等

UDP —— 快速

1. 面向无连接的、不保证数据可靠的协议，尽最大努力传输的协议
2. 数据传输过程中，可能出现数据丢失、重复、失序现象
3. 数据传输效率高，实时性高
4. 限制每次传输的数据大小，超出部分直接忽略
5. 收发是同步的，不会发生沾包现象
6. UDP的使用场景：适用于发送小尺寸数据，且接收端难以应答的场合
   • 例如：广播、音视频通信软件等

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TCP 3次握手和4次挥手

TCP三次握手（3-Way Handshake）

TCP连接的建立采用“三次握手”过程完成，确保客户端和服务器之间的连接能够可靠地建立。其过程如下：

1. 客户端发送SYN包
   客户端发送一个带有SYN标志的数据包到服务器，告诉服务器客户端希望建立连接。这个数据包中会包含一个初始的序列号（seq）。

   客户端 → 服务器: SYN(seq=x)

2. 服务器响应SYN-ACK包
   服务器收到客户端的SYN包后，确认收到并准备建立连接。服务器会发送一个SYN-ACK包，其中包含自己的序列号，并确认客户端的序列号（即ack = x + 1）。

   服务器 → 客户端: SYN-ACK(seq=y, ack=x+1)

3. 客户端确认ACK包
   客户端收到服务器的SYN-ACK包后，客户端发送一个带ACK标志的数据包，表示确认建立连接。此时客户端确认服务器的序列号，并将其返回（即ack = y + 1）。至此，连接建立完成。

   客户端 → 服务器: ACK(seq=x+1, ack=y+1)

连接建立完毕，双方可以开始数据传输。

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TCP四次挥手（4-Way Handshake）

TCP连接的关闭采用“四次挥手”过程完成，确保双方都能优雅地关闭连接。其过程如下：

1. 客户端发送FIN包
   客户端想关闭连接时，首先发送一个带FIN标志的数据包，告诉服务器客户端没有数据要发送了，但可能仍然会接收数据。此时，客户端进入FIN_WAIT_1状态。

   客户端 → 服务器: FIN(seq=u)

2. 服务器确认FIN包
   服务器收到客户端的FIN包后，发送一个带ACK标志的数据包，表示确认客户端请求关闭连接。服务器进入CLOSE_WAIT状态，等待将数据传输完毕。客户端处于FIN_WAIT_2状态。

   服务器 → 客户端: ACK(seq=v, ack=u+1)

3. 服务器发送FIN包
   服务器准备关闭连接时，发送一个带FIN标志的数据包，告诉客户端自己没有数据要发送了。此时，服务器进入LAST_ACK状态。

   服务器 → 客户端: FIN(seq=w)

4. 客户端确认FIN包
   客户端收到服务器的FIN包后，发送一个带ACK标志的数据包，表示确认关闭连接。客户端进入TIME_WAIT状态，等待足够的时间确保服务器收到确认包后再完全关闭连接。服务器进入CLOSED状态，连接完全关闭。

   客户端 → 服务器: ACK(seq=u+1, ack=w+1)

连接关闭完毕。

通过三次握手和四次挥手，TCP能够确保数据传输的可靠性和连接的有序关闭。

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标志位解释

在TCP三次握手和四次挥手中，SYN、SYN-ACK、ACK、FIN都是标志位，用来控制连接的建立和断开。以下是它们的英文全称及含义：

1. SYN (Synchronize)
   用于同步序列号，表示请求建立连接。客户端向服务器发送SYN包，请求建立连接时，初始化一个序列号。

2. SYN-ACK (Synchronize-Acknowledge)
   是服务器对SYN包的回应，表示服务器同意建立连接，并确认客户端发送的SYN包。服务器会为连接分配一个序列号，并通过ACK确认收到客户端的SYN。

3. ACK (Acknowledge)
   确认包，表示确认收到数据或请求。无论是在三次握手中的最后一步，还是四次挥手中的中间步骤，ACK用于确认双方的数据传输。

4. FIN (Finish)
   终止标志位，表示请求关闭连接。客户端或服务器发送FIN包，表示没有数据要发送，准备关闭连接。

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总结：

• 三次握手: 主要用于连接的建立，确保双方都能接收和发送数据。
• 四次挥手: 主要用于连接的关闭，确保数据传输完成后双方都可以正常关闭连接。
• SYN：同步连接请求。
• SYN-ACK：对同步请求的确认响应。
• ACK：确认消息，表示接收到数据或请求。
• FIN：终止连接请求。

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五、网络基础相关的概念

5.1 字节序

1. 主机字节序（Endianness）：不同类型的CPU在处理多字节整数时有两种存储方式：

   • 大端存储（Big Endian）：高位字节存储在低地址端。
   • 小端存储（Little Endian）：低位字节存储在低地址端。

2. 判断主机是大端还是小端存储： 使用联合体 union 判断主机字节序，例子中的 mmm.n = 0x87654321; 会在内存中存储为 87 65 43 21。若字节序为大端，输出为 87；若为小端，输出为 21。

   typedef union {
       int n;
       char a;
   } kkk;
   int main(int argc, const char *argv[]) {
       kkk mmm;
       mmm.n = 0x87654321;
       char *p = &mmm.a;
       p = p + 3;
       printf("*p = %d\n", *p);
       if (mmm.a == 0x87) {
           printf("大端\n");
       }
       if (mmm.a == 0x21) {
           printf("小端\n");
       }
       return 0;
   }
   

3. 手动将小端存储转换为大端存储： 通过交换字节顺序的方式手动转换小端到大端。

   typedef union {
       int n;
       char a[4];
   } kkk;
   int main(int argc, const char *argv[]) {
       kkk mmm;
       mmm.n = 0x87654321;
       char *p1 = &mmm.a;
       char *p2 = p1 + 3;
       char t;
       t = *p1;
       *p1 = *p2;
       *p2 = t;
       p1++;
       p2--;
       t = *p1;
       *p1 = *p2;
       *p2 = t;
       printf("%#x\n", mmm.n);
       return 0;
   }
   

4. 网络字节序：

   • 在网络中，传输数据时，多字节整数需遵循网络字节序（大端存储）。无论主机字节序是大端还是小端，发送的数据都会转换为网络字节序。
   • 系统提供的字节序转换函数：

     • htonl(uint32_t hostlong)：主机字节序转网络字节序（4字节）。
     • htons(uint16_t hostshort)：主机字节序转网络字节序（2字节）。
     • ntohl(uint32_t netlong)：网络字节序转主机字节序（4字节）。
     • ntohs(uint16_t netshort)：网络字节序转主机字节序（2字节）。

   示例代码：

   #include <arpa/inet.h>
   int main(int argc, const char *argv[]) {
       int num = 0x12345678;  // 4字节整数
       int k = htonl(num);     // 主机转网络字节序
       printf("%x\n", k);
       printf("%x\n", ntohl(k));  // 网络转主机字节序
       return 0;
   }
   

5.2 IP地址的转换

• inet_addr：将点分十进制的IP地址转换为网络字节序的二进制数据。
• inet_ntoa：将网络字节序的IP地址转换为点分十进制形式。

示例代码：

#include <arpa/inet.h>
int main(int argc, const char *argv[]) {
    in_addr_t kkk = inet_addr("192.168.1.1");  // IP转网络字节序
    printf("%x\n", kkk);

    struct in_addr mmm;
    mmm.s_addr = kkk;
    char *p = inet_ntoa(mmm);  // 网络字节序转IP
    printf("%s\n", p);
    return 0;
}

5.3 子网掩码

1. 子网掩码的概念：

   • 子网掩码用于划分网络与主机的部分，进一步分割网络空间，确定每个IP地址属于哪个子网。
   • IP地址的格式：IP地址 = 网络号 + 子网号 + 主机号。

2. 子网掩码的例子：

   • 默认子网掩码：

     • C类网络：255.255.255.0，对应网络部分24位，主机部分8位。
     • A类网络：255.0.0.0，对应网络部分8位，主机部分24位。
     • B类网络：255.255.0.0，对应网络部分16位，主机部分16位。

   示例：192.168.125.161 与子网掩码 255.255.255.0 进行与运算，得到子网网段为 192.168.125.0。

3. CIDR表示法：

   • CIDR（Classless Inter-Domain Routing）表示法使用斜杠后跟子网掩码的位数，例如 192.168.125.128/25。

4. 特殊IP地址：

   • 网络地址：如 192.168.125.0，表示网络本身，无法分配给主机。
   • 广播地址：如 192.168.125.255，用于广播数据包。
   • 网关地址：如 192.168.125.1，通常是子网的网关地址。

5.4 端口号

1. 端口号：

   • 端口号是主机中某个进程的标识，TCP和UDP通信时，通过端口号来区分不同的进程。
   • 端口号范围：0 到 65535。

     • 知名端口：0-1023（例如 HTTP 80、FTP 21）。
     • 注册端口：1024-49151（用于应用程序）。
     • 动态端口：49152-65535（客户端使用）。

2. TCP和UDP端口号是独立的，即一个IP地址可以同时通过TCP和UDP协议使用不同的端口号。

5.5 域名解析

1. 域名：

   • 用字符标识网络中的计算机，类似于人的名字，易于记忆和输入。

2. DNS（域名系统）：

   • 域名和IP地址之间的转换通过DNS完成。
   • DNS服务器：负责将域名解析为对应的IP地址。

3. 域名结构：

   • 域名从右到左分为不同的层级：

     • com（顶级域名，TLD），如 .com 表示商业组织。
     • baidu（二级域名）。
     • www（三级域名）。

原文地址：https://blog.csdn.net/2201_75783063/article/details/143864897

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