2.1 什么是协议？#

• 定义：协议是一种通信双方共同遵守的“约定”或“标准”。它规定了数据的格式、传输方式和处理逻辑，确保不同厂商、不同操作系统的计算机能够顺畅通信。

• 必要性：

  • 计算机通过光/电信号（频率和强弱）表示 0 和 1。

  • 若双方仅约定格式但编码方式不同（如一个用频率表示 01，一个用强弱表示 01），则无法通信。

  • 因此，需要一个被业界普遍认可的组织（如IEEE、ISO、IETF）来制定统一、细致的标准，即网络协议。

• 朴素理解：从软件实现角度看，协议可以理解为通信双方都认识的结构化数据类型。例如，主机A和主机B都定义了相同的 struct protocol，双方发送和接收该结构体数据时就能准确解析其字段（如 a=10, b=20, c=30）。

2.2 协议分层#

• 分层思想：协议本质是复杂的软件，采用分层设计可以解耦合，使各层独立发展、易于维护。上层只需调用下层提供的服务接口，无需关心其内部实现。

• 类比说明：

  • 语言层（应用层）：负责沟通内容（如汉语、英语），变更语言不影响通信设备。

  • 通信设备层（物理/链路层）：负责信号传输（如电话、无线电），变更设备不影响沟通语言。

2.3 OSI 七层模型 vs. TCP/IP 五层模型#

• OSI 七层模型：一个逻辑上完善但复杂的参考模型（应用层、表示层、会话层、传输层、网络层、数据链路层、物理层）。

• TCP/IP 五层模型：工业界实际采用的标准，更实用。通常也将最底层的物理层和数据链路层视为一层，因此也常被称为四层模型。

• 操作系统内核通常实现传输层到物理层（或数据链路层）。

• 路由器实现网络层到物理层。

• 交换机实现数据链路层到物理层。

• 集线器仅实现物理层。

3.1 数据封装与解包#

• 封装 (Encapsulation)：数据从应用层向下传递时，每一层都会在原始数据前添加自己的协议报头 (Header)。

• 解包 (Decapsulation)：数据到达目标主机后，从物理层向上传递，每一层会剥离对应的报头，并根据报头信息将有效载荷交付给上层协议处理。

• 报文结构：报文 = 协议报头 + 有效载荷 (Payload)

• 不同层的协议数据单元 (PDU)：

  • 应用层：数据 (Data)

  • 传输层：数据段 (Segment)

  • 网络层：数据包/数据报 (Packet / Datagram)

  • 数据链路层：数据帧 (Frame)

  • 物理层：比特流 (Bits)

数据封装过程 数据分用过程

3.2 局域网通信原理#

• MAC地址 (Media Access Control Address)：

  • 长度 48 位（6 字节），通常用十六进制表示（如 08:00:27:03:fb:19）。

  • 在网卡出厂时固化，全球唯一（理想情况下）。

  • 作用：在局域网（数据链路层）中唯一标识一个网络接口，用于帧的精确投递。

• 通信过程：

  1. 主机A向主机E发送数据帧，帧头包含 源MAC地址(MacA) 和 目标MAC地址(MacE)。

  2. 该数据帧会被广播到局域网内所有主机。

  3. 主机B、C、D收到帧后，检查目标MAC地址与自身不符，直接丢弃。

  4. 主机E收到帧后，发现目标MAC地址是自身，则接收并处理。

• 以太网特性：

  • 同一时刻只允许一台主机发送数据。

  • 多台主机同时发送会导致数据碰撞，此时主机需执行碰撞避免算法，等待随机时间后重发。

  • 没有交换机时，一个以太网就是一个碰撞域（共享资源，具有互斥性）。

3.3 跨网络通信流程#

• IP地址 (Internet Protocol Address)：

  • 在IPv4中，长度为 32 位（4 字节）。

  • 常用“点分十进制”表示（如 192.168.0.1）。

  • 作用：在全球范围内（网络层）逻辑上唯一标识一台主机，是实现跨网络通信和路由选择的关键。

  • 区分MAC地址：

    • IP地址是长远目标，在端到端传输中保持不变（此处为简化理解），用于全局路由决策。

    • MAC地址是下一阶段目标，在每一段局域网传输中会改变，用于本地帧转发。

• 通信步骤：

• 

  1. 主机A（192.168.2.2）判断目标主机B（172.168.2.2）不在同一网段。

  2. 主机A将IP数据包封装成帧，目标MAC地址写为默认网关/路由器接口的MAC地址（MacLeft），发往路由器。

  3. 路由器收到帧后，解包到网络层，查看目标IP地址，查询路由表决定下一跳路径。

  4. 路由器将IP数据包重新封装成帧，源MAC地址改为自身出口的MAC地址（MacRight），目标MAC地址改为下一跳（可能是目标主机B或下一个路由器）的MAC地址，然后转发。

  5. 重复步骤3、4，直至数据包到达目标主机B。

  6. 主机B层层解包，最终将数据交付给应用进程。

IP网络层的核心意义：通过定义统一的IP协议和IP地址，屏蔽了下层各种异构网络（以太网、令牌环网、无线LAN等）的差异，向上层提供一个统一的、虚拟化的“IP网络”视图。

4.1 网络通信的本质：进程间通信 (IPC)#

4.1.2 端口号 (Port)#

• 定义：一个 2 字节 16 位的整数，用于在该主机内唯一标识一个网络进程。

• IP + Port：

  • IP：标识全网内唯一的一台主机。

  • Port：标识该主机内唯一的一个网络进程。

  • Socket（套接字） = IP + Port，可标识全网内唯一的进程。

• 四元组：{src_IP, src_Port, dst_IP, dst_Port} 唯一标识了互联网中通信的两个进程。

4.2 传输层协议：TCP 与 UDP#

网络功能属于 OS 内核。用户必须通过系统调用访问传输层功能。

4.3 网络字节序#

• 内存 vs 网络：

  • 主机可能有大端（高位存低地址）或小端（低位存低地址）之分。

  • 网络规定：所有发送到网络的数据必须采用大端字节序。

• 规则：先发出的数据是低地址，后发出的是高地址。

1
#include <arpa/inet.h>
2
uint32_t htonl(uint32_t hostlong);  // 主机 -> 网络 (Long)
3
uint16_t htons(uint16_t hostshort); // 主机 -> 网络 (Short)
4
uint32_t ntohl(uint32_t netlong);   // 网络 -> 主机 (Long)
5
uint16_t ntohs(uint16_t netshort);  // 网络 -> 主机 (Short)

4.4 Socket 编程接口与数据结构#

1
struct in_addr {
2
    in_addr_t s_addr; // 32位 IP 地址 (网络字节序)
3
};
4

5
struct sockaddr_in {
6
    sa_family_t    sin_family; // 地址族，如 AF_INET
7
    in_port_t      sin_port;   // 16位端口号 (网络字节序)
8
    struct in_addr sin_addr;   // 32位IP地址
9
    unsigned char  sin_zero[8]; // 填充，保证与 sockaddr 等大
10
};

4.5 常见 Socket API#

1
int socket(int domain, int type, int protocol);

1
int bind(int socket, const struct sockaddr *address, socklen_t address_len);

1
int listen(int socket, int backlog);

1
int accept(int socket, struct sockaddr* address, socklen_t* address_len);

1
int connect(int sockfd, const struct sockaddr *addr, socklen_t addrlen);