网络基础——网络传输基本流程

网络传输基本流程

学习完协议的相关知识后，我们需要来了解一下网络传输的基本流程。以便后序网络编程中能够快速上手，并理解对应的原理！

在了解网络传输基本流程时，我们始终秉持一个观念：
网络的发展，是从局部到整体的！

局域网通信

既然是从局部到整体，我们就需要先来了解一下局域网的通信方式！

局域网不同的通信方式

我们知道，在早期的时候，不同的机构、组织在使用计算机的时候是需要通信交流的。但是，那个时候也没有大范围的网络通信技术！所以，必然会存在着很多的局部通信网络！

也就是局域网的通信方式：
所以，一开始肯定是有很多局域网的通信标准的！但是经过时间的流逝、科技的发展，最终局域网通信的技术只剩下三种：

1.以太网
2.无限LAN
3.令牌环网

其中，以太网是目前最常用的，也是需要我们重点了解的！后序我们都是通过以太网来进行相关概念的讲解！讲解完相关概念后，我们再回过头来了解一下另外两种方式即可！

认识MAC地址

MAC地址：用于识别数据链路层中相连的节点；
长度：48位（6个字节），通常以16进制加冒号表示（如 08:00:27:03:fb:19）
特性：

• 网卡出厂时固定，一般不可修改；
• 通常全球唯一（虚拟机MAC地址为模拟，可能冲突）；
• 部分网卡支持用户手动配置。

还记得我们曾经在协议相关内容说的：
数据链路层会解决当前下一个要去的节点！那么要如何找到下一个节点呢？用MAC地址！

因为每个能够通信的设备都是会有网卡的！所以，都会有对应的MAC地址！所以，数据链路层就可以通过MAC地址来确定下一个要去的位置是哪里。

了解以太网的通信原理

我们来看一张图：

既然每个网卡都有MAC地址，那么，当一台主机要发送数据到另一台主机的时候，就可以定义一个protocol(协议)，就是一个struct类型的协议(这里简单理解，实际是更复杂的)：

struct protocol{src的MAC地址dest的MAC地址data，发送的数据//...
};

然后把这个协议发送到以太网上，然后所有的主机其实都会接收到！因为所有的主机都连在了这个以太网上。这个过程叫做泛洪！

其他的主机会接收到这个通信的协议，然后判断一下目的地的MAC地址是否和自己的MAC地址相同，如果不相同就丢弃。相同就接收！

(Tips：Mac地址是可以自行查询的：)

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上述我们是大概知道以太网是怎么通过Mac地址来进行通信的了，但是这里会有如下几个细节需要我们特别的注意：

• 以太网中，任意时刻只能有一个主机在发送数据
• 如果有多台同时发送，会发生数据干扰，我们称之为数据碰撞
• 在没有交换机的前提下，以太网就是一个碰撞域！
• 所有发送数据的主机要进行碰撞检测和碰撞避免(有对应的算法进行操作)

通过上面的描述，我们是否想起来一些比较熟悉的概念？

这个以太网，需要被多台机器使用，这不就是一个共享资源吗？
而发送数据的进行通信的多台机器，不就是多个执行流么？

所以，以太网中，任意时刻只能有一个主机在发送数据，就类似于线程的互斥！因为要保证一台机器发送数据的安全！这不就相当于通过上锁来保护资源吗！所以，以太网也是临界资源！
以太网是一个碰撞域，所以需要有对应的碰撞避免算法来尽可能地避免碰撞！这不就是要去保护线程数据安全吗？

故这里我们通过线程学习的相关概念，就能很好的理解以太网下的一些相关特性！

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这里还需要说明一下：
因为以太网的通信方式是所有的主机都可以看到！所以，是有那么一种可能，通过调整网卡的接收方式，无论怎么样都把信息接收！这就可能会导致信息泄露！

当然，后序是有对应的加密方式的，这个以后再说！

重新理解主机间通信

从这里开始，我们就不能地再简单认为，主机间的通信就是单纯的两台计算机在通信！
我们需要看成两个TCP/IP协议栈在进行通信！

因为大部分时间下，双方需要通信的需求，都是由人提出来的！而人是属于用户层的，即TCP/IP协议的最顶层！

网络通信是需要遵守该协议的！所以，通信必然是需要先从用户层贯穿到协议的底层的！

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现在，我们来理解一下，两台主机是如何通过协议栈来进行通信的：

需要说明几点：

• 网络协议栈，每一层都都有对应的协议
• 每一层只能认识该层对应的协议
• 向下传输数据叫做封装，向上传输数据叫做解包！

理解了相关概念，我们来理解通信过程(假设主机A给主机B发送数据进行通信)：

首先，协议栈每一层都有对应的协议。每一层只看的懂这一层的协议！所以，当A发送了一个数据，向下贯穿协议栈的时候，每经过一层，都需要带上每一层对应的协议报头！我们称这个过程为封装！通过A的网卡发送给B，最后B网卡得到的，就是带有若干个协议报头的数据！

然后，为了能够让B用户得到对应的数据，需要继续向上传送。因为每一层只能认识本层的协议，没经过一层，只能解掉一个报头！解报头的过程，被叫做解包！而每一层解包后剩下的，就是这一层的有效荷载！最后通过不段向上解包，最终把数据交付给用户！
(网上不断解包的过程被称为解包和分用！)

小小总结一下：
我们先不考虑任何的协议：
对端同层，必须要先解包：分离报头和有效荷载！

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同时，每一个报头都必须要能做到：
1.分离报头和有效荷载
2.能够交付给上一层具体的协议(有些层的协议可能会有多种情况)！
这些情况必然是可以通过代码来进行控制的，这些我们不用担心！

同时，每一个协议栈底层还得做到：不是发送给本主机的数据，应该直接丢弃！
当然，有些软件可能会通过调整网卡接收方式(混杂模式)，不丢弃数据！这也被叫做抓包！

理解协议栈

我们刚刚一直在说协议栈，那么我们应该如何理解这个协议栈呢？
我们知道，发送数据的一方是不断地向下封装对应层的协议报头。而接收数据的一方数据是不断地向上进行解包和分用！

这个顺序，不就是很像栈的先进先出吗？

通过上图我们就明白了，为何有协议栈的说法了！

总结

• 报头部分，就是对应协议层的结构体字段，我们一般叫做报头
• 除了报头，剩下的叫做有效载荷
• 故，报文 = 报头 + 有效载荷

每一层都有报文，每一层的报文都是上述方式理解的！
但是，正因每一层都有，所以需要做一下区分：

• 协议层数据包称谓：  • 应用层：请求与应答• 传输层：数据段（segment）  • 网络层：数据报（datagram）  • 链路层：数据帧（frame）  • 封装（Encapsulation）：  • 应用层数据通过协议栈发送时，每层协议添加首部（header）  • 首部包含信息：首部长度、载荷（payload）长度、上层协议类型等  • 数据传输与解封装：  • 封装后的帧通过传输介质发送到目标主机  • 每层协议逐层剥离首部，根据首部中的"上层协议字段"将数据交给对应上层协议处理

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简化硬件层，每个通信的主机都应该看为如下的协议栈(4层)：

数据报文通过网卡进行发送！

数据封装的过程：

即我们理解为不断地将协议报头入栈！

数据解包分用的过程：

每个协议报头都能够做到脱离当前报文，并且交付给上层的具体协议！

通信过程：

内核和用户的区分就是在(传输层 + 网络层)。应用层更多关注的是如何控制程序，如何处理接收到的数据！而内核部分更多的关注通信的细节实现！

所以，最后显现的结果就是：
每一层都认为直接和对方相同层直接通信！

了解无限LAN和令牌环网

局域网的通信还有两种方法，我们简单了解一下即可！

无线LAN（WLAN）

• 基于IEEE 802.11标准，使用无线电波传输数据
• 典型代表：Wi-Fi，支持灵活组网和移动接入
• 采用CSMA/CA机制避免信号冲突

令牌环网（Token Ring）

• 基于IEEE 802.5标准，使用物理环形拓扑
• 通过"令牌"控制传输权限，避免数据冲突
• 早期局域网技术，现已基本被以太网取代

跨网络传输

这个部分，我们来谈论一下跨网络传输的相关话题！

认识IP地址

首先，我们需要先来认识一下IP地址：

IP协议有两个版本, IPv4和IPv6。后序凡是提到IP协议, 没有特殊说明的, 默认都是指IPv4

简单来说，IP地址就是用来表示主机在全球的唯一性的：

• IP 地址是在 IP 协议中, 用来标识网络中不同主机的地址;
• 对于 IPv4 来说, IP 地址是一个 4 字节, 32 位的整数;
• 我们通常也使用 “点分十进制” 的字符串表示 IP 地址, 例如 192.168.0.1 ; 用点分割的每一个数字表示一个字节, 范围是 0 - 255;

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这里会有几个问题：
1.IPv4既然是用来表示主机唯一性的，但是32位表示只能表示42亿台主机？这不够用吧！
2.不够用的情况下，是如何解决的呢？

第一个问题：
答案是必然的！IPv4的地址数是远远不够用的！每台主机(电脑、手机、入网设备)都是要有一个地址的！所以，IPv4的地址数量必然是不够的！

第二个问题：
在我国，一些方面会使用IPv6协议来解决这个问题！但是，当今世界，仍然是使用IPv4协议为主！所以，会如何解决的呢？

学习过《计算机网络》这门课程的就知道：
IP地址分为公网和内网！公网IP是不能重复的！但是不同公网下出现了一样的IP地址是可以的！其实就是网络的划分！
(这里不做讲解，知道有这么一回事即可！)

只有公网IP在全球范围内能标识主机的唯一性！

IP地址和MAC地址的对比

但是，我们前面在讲MAC地址的时候，也说到了：
MAC地址一般来说，在全球也是具有唯一性的！那么，为什么还会有MAC和IP地址的区别呢？

这里使用一个通俗的例子来进行讲解：
假设我们要从广州去往北京，开车去，那肯定是不太可能一天到的，所以需要规划前进路线！
在这个途中，起点是广州，终点是北京！

所以，我们就可以规划路线的时候(随意规划)：
1.广州 -> 南昌
2.南昌 -> 武汉
3.武汉 -> 郑州
4.郑州 -> 石家庄
5.石家庄 -> 北京

在上述过程中：我们的起点始终是广州，重点是北京！其他城市，是临时的中转站！
就像坐高铁一样，总是会有途径的下一站！(个别直达列车除外)

这里对于IP地址和MAC地址也是一样的！一般来说，跨网络通信距离比较长的时候，是很难直接将通信数据发送到对方主机的！
所以，就会先前往第一个路由器，然后通过路由转发到达下一个，知道最后达到目标主机！

总结：

源头	目的地
从哪来 -> 源IP地址	去哪里 -> 目标IP地址
上一站哪来 -> 源MAC地址	下一站去哪 -> 目标MAC地址

跨网络传输流程理解

现在，有了上述理解的概念，我们来看看跨网络通信的大致流程：

就以上述这个通信过程为样例，就假设两台主机底层发送信息使用的局域网不同！

跨网传输流程大致如下：

这里两态主机底层通信的局域网不同，但是没有关系！因为路由器重新封装协议报头的时候，会自动地想办法处理(报头的能力之一就是交付给上层对应的协议！)。

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上述过程中，IP源地址和目标IP地址是不变的！这是长远目标！
但是，源MAC地址和目标MAC地址是一直在变的！
->所以，哪怕MAC地址全球唯一，也只是在局域网内是有效的罢了！

还有一点就是，无论通信的主机使用的局域网通信技术是否相同，但是最终，都会被处理到上层网络层，统一使用IP协议！底层无论是使用无限LAN、以太网、令牌环网、自定义局域网…

最终，都会通过路由器重新封装，选择具体交付的局域网通信协议！但是，再往上传交付的时候，就需要统一交付给IP协议！这样子，世界上所有的网络，都叫做IP网络！

这样做是充分的体现了不同层之间内聚但又解耦的特性的！实际上，IP地址有了，不需要MAC地址也是可以的！但这就和之前学习c语言的编译过程一样：
需要站在前人的肩膀上来进行提效！如果直接把IP干到底层，那么所有的局域网通信都得修改！这是非常麻烦的事情！

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IP网络层存在的意义：提供网络虚拟层，让世界的所有网络都是IP网络，屏蔽底层网络的差异