嵌入式学习——Linux高级编程复习（网络编程）—

1. 协议

通信双方约定的一套标准称为协议

2. OSI参考模型

OSI模型是由国际标准化组织（ISO）制定的一个概念性的网络通信模型，它将网络通信的功能分为七个层次，从下至上分别为：

物理层（Physical Layer）物理介质链接
数据链路层（Data Link Layer）局域网内的数据传输
网络层（Network Layer）数据路由（IP地址）
传输层（Transport Layer）传输数据的方式（TCP、UDP）
会话层（Session Layer）是否需要建立会话链接
表示层（Presentation Layer）数据是否加密
应用层（Application Layer）传输的数据（a.out）

每个层次都有明确的功能，提供特定的服务，并通过相邻层的接口与其交互。OSI模型为网络通信提供了一个逻辑分层的框架，便于理解、设计和故障排查，但它更多地作为一个理论模型存在，并未直接转化为实际的网络实现。

3. TCP/IP协议簇

TCP/IP是一个实际使用的、更为实际的网络通信协议集合，它最初由美国国防部研发，用于互联网的通信。TCP/IP模型通常被简化为四层或五层结构，对应OSI模型的部分层次合并，具体为：

网络接口层（Link Layer） 或 物理层与数据链路层：负责实际的数据传输，包括物理媒介的控制和数据链路的建立。
网络层（Internet Layer）：核心协议为IP（Internet Protocol），负责地址寻址和数据包的路由选择。
传输层（Transport Layer）：主要协议有TCP（Transmission Control Protocol）和UDP（User Datagram Protocol），分别提供面向连接的可靠数据传输服务和无连接的数据传输服务。
应用层（Application Layer）：包含多种协议，如HTTP、FTP、SMTP等，直接为用户提供服务，如文件传输、电子邮件、网页浏览等。

4. 应用层协议——FTP TFTP HTTP SMTP TELNET

TCP/IP协议簇（Transmission Control Protocol/Internet Protocol）是一个分层的网络协议模型，它定义了互联网上数据传输的标准规则。应用层处于TCP/IP四层模型的最顶层，直接与用户的应用程序交互，为用户提供各种网络服务。以下是应用层中一些重要协议的详细信息：

4.1 HTTP

1. 功能

用于在万维网上传输数据，特别是网页的浏览。HTTP定义了客户端（通常是浏览器）和服务器之间请求与响应的消息格式和交互方式。

2. 版本

HTTP/1.0, HTTP/1.1, HTTP/2, HTTP/3。每个新版本都旨在提高效率和性能。

3. 端口号

默认80 (HTTP), 443 (HTTPS - 加密的HTTP)。

端口号:唯一识别同一主机不同进程的号码
(0 - 65535)（不要使用10000以内的，10000以内的是系统的）

4.2 HTTPS

1. 功能

是HTTP的安全版本，通过TLS/SSL协议对通信进行加密，保护数据的安全性和隐私。

2. 端口

默认443

4.3 DNS

1. 功能：

将人类可读的域名转换为IP地址，也提供其他与域名相关的信息，如MX记录（邮件交换记录）。

2. 端口

通常使用53（UDP/TCP）。

4.4 POP3

1. 功能

用于从邮件服务器下载邮件到本地客户端，并可选择删除服务器上的副本。

2. 端口

默认110 (非SSL), 995 (SSL)。

4.5 FTP

4.6 TFTP

4.7 SMTP

4.8 TELNET

5. 传输层协议——TCP、UDP

5.1 UDP——用户数据报协议

1. 定义

UDP（User Datagram Protocol，用户数据报协议）是互联网协议套件中传输层的一个重要协议，它提供了一种无连接、不可靠、面向数据报的服务。与TCP（传输控制协议）相比，UDP更简单，开销更低，适用于对实时性和效率要求较高的应用场景。

2. 基本特征

（1）无连接

UDP在数据传输前不需要建立连接，发送数据前无需握手过程，减少了通信前的延迟，使得数据能够迅速发送出去。

（2）尽最大努力交付

UDP不保证数据包一定能够到达目的地，也不保证数据包的顺序和重复处理，数据传输的可靠性由上层协议或应用程序自己来保证。

（3）面向数据报

UDP以数据报为单位进行传输，每个数据报都是独立的，包含完整的源地址、目的地址和数据，适合一次性传输少量数据或者对实时性要求高的数据。

（4）头部开销小

UDP的头部只有8个字节，相比TCP的头部要简单得多，这使得UDP传输的效率更高。

（5）多播和广播支持

UDP协议天然支持多播和广播，能够向多个目标地址同时发送数据，适用于需要一对多通信的场景，如视频直播、在线游戏等。

3. 报文结构

（1）源端口

标识发送端的端口号，用于接收方回复

（2）目的端口

标识接收端的端口号，决定数据发送到哪个应用。

（3）长度

整个UDP报文的长度，包括头部和数据部分

（4）校验和

提供基本的错误检测，确保数据报在传输过程中没有被破坏。虽然简单，但并非所有实现都强制要求计算校验和。

4. 应用场景

（1）实时性要求高的应用

如在线游戏、VoIP（网络电话）、视频会议等，这些应用需要即时响应，可以容忍一定程度的数据丢失。

（2）广播或多播

如系统广播消息、视频直播、股票报价等，这些服务需要将数据同时发送给多个接收者。

（3）DNS查询

虽然DNS也支持TCP，但大部分查询使用UDP，因为查询请求和响应都很小，且对实时性有一定要求。

（4）数据包大小受限的环境

在带宽有限或网络条件较差的环境下，UDP较小的头部开销和无连接特性使其更为高效。

5.2 TCP——传输控制协议

1. 定义

TCP（Transmission Control Protocol，传输控制协议）是互联网协议套件中的一种面向连接的、可靠的、基于字节流的传输层通信协议。

2. TCP的特点和功能

（1）面向连接

在数据传输之前，TCP要求通信双方先通过三次握手建立连接。这确保了双方准备好进行数据传输，并为双方分配必要的资源。

（2）可靠性

TCP通过一系列机制确保数据的可靠传输，包括序列号、确认应答、重传机制、错误校验等。序列号用来标识发送的数据段，确保数据按顺序到达；确认应答（ACK）机制让接收方确认收到的数据；如果数据段丢失或损坏，发送方会重新发送。

（3）流量控制

TCP使用滑动窗口协议来控制发送方的速率，以防止接收方被过快的数据流淹没。接收方会告诉发送方其接收缓冲区的可用空间大小，发送方据此调整发送速率。

（4）拥塞控制

TCP还通过慢启动、拥塞避免、快速重传和快速恢复等算法来动态调整数据的发送速率，以应对网络拥塞的情况。

（5）全双工通信

TCP允许数据同时在两个方向上传输，即通信双方可以同时发送和接收数据，提高了通信效率。

（6）基于字节流

TCP将数据视为无结构的字节流，没有消息边界的概念。发送方可以连续不断地发送数据，接收方也可以按任意大小读取数据。

3. TCP头部结构

TCP头部包含了控制信息，用于指导数据的传输和确认过程，主要包括：

（1）源端口号和目的端口号

标识通信双方的应用进程

（2）序号

发送数据段中的第一个字节的编号，用于数据排序和重传控制。

（3）确认号

期望从对方接收到的下一个数据段的序号，用于确认数据接收。

（4）头部长度

（5）保留位

（6）标志位

（7）窗口大小

（8）校验和

（9）紧急指针

4. 连接管理

（1）三次握手

建立连接时，客户端发送SYN包到服务器，服务器回应SYN+ACK包，客户端再回ACK包，完成连接建立。

（4）四次挥手

关闭连接时，一方发送FIN包，对方回应ACK，然后对方发送FIN包，最后收到ACK，连接彻底关闭。

5. 应用场景

TCP因其可靠性和有序性，适用于那些对数据完整性要求高的应用，如Web浏览（HTTP）、文件传输（FTP）、电子邮件（SMTP/POP3/IMAP）、远程登录（SSH）等。尽管TCP提供高度可靠性，但相比UDP（User Datagram Protocol），其开销更大，延迟较高，不适合实时性要求极高的应用，如在线游戏、VoIP等。

6. 特点总结

                   1.安全、可靠
                   2.数据量大
                   3.占用资源开销大

7. 连接流程总结

               三次握手建立链接
               数据传输过程中双方通过序列号和确认号保障数据传输完整性
               四次挥手结束链接

6. 网络层协议

6.1 定义

网络层（Network Layer）是OSI模型和TCP/IP模型中的第三层，主要负责数据包的路由选择和转发，确保数据能够从源主机传输到目标主机。网络层协议关注的是将数据从一个网络传递到另一个网络，这是通过逻辑寻址和路径选择来实现的。

6.2 分类

以下是几种常见的网络层协议分类

1. IP（Internet Protocol，互联网协议）

（1）IPv4

目前互联网上最广泛使用的版本，提供32位地址空间，采用点分十进制表示法。支持无连接的数据报服务，不保证数据包的顺序和可靠性。