一、网络诞生背景及产生的诸多问题

1. 1 网络诞生背景

 计算机最初一定是相互独立的。但我们由很多工作需要相关协作完成，当时的解决办法是用某些硬件将数据进行拷贝交给其他人。但该过程中设计到人力，一旦设计到人力必然导致效率下降。这也为网络的诞生埋下伏笔！

 后来网络的诞生，让多台计算机连接在一起，数据共享，实现网络互联。随着计算机的数量越来越多，我们通过交换机和路由器将众多的计算机全部链接起来，构成了局域网LAN。但随着局域网的产生，我们来需要将相隔千里的计算机链接起来，比如将中国和美国的一些计算机连接起来，由此广域网的概念诞生！

1.2 网络诞生面临的困境

 网络的诞生本质上还是用于不同的主机间的相互通信。而在每台计算机内部，硬件之间的数据拷贝交换本身就是一种通信行为，而每台计算机中硬件的个数是有限的，并且由OS管控！而不同机器间通信，就是不同机器上的网卡间的相关通信。两者也是硬件间的通信，根本在于后者通信的距离变长,并且中间会经过其他众多设备！

 距离变长，经过众多设备比如会导致如下问题:

1. 如何保证数据准确的由一跳交给下一跳？
2. 在转发过程中，如何查找路径，定位目标主机？
3. 如果转发过程中发生数据丢包，如何解决？
4. 向目标设备发送数据成功后，目标设备如何使用接收到的数据？即如何处理接收到的数据？（即接收到的信息很杂，如何分辨处理这些信息）

二、网络协议栈（OSI七层模型、CP/IP五层模型）

 为了解决上述问题，OSI（Open System Interconnection，开放系统互连）定义出了相关协议 —— 网络协议栈！而协议本质上就是一种约定，每一种约定对于上述一种问题的解决办法！软件上，绝大部分优秀的软件都是分成的，这不仅可以完成不同软件间的解耦合，未来也非常方便对软件进行维护、更新、替换和优化等！每一层协议解决不同问题，从而将网络进行分层。网络从逻辑上分为了7层. 每一层都有相关、相对应的物理设备！

 OSI定义成了七层，但实践一般分为5层！

1. OSI 七层模型是一种框架性的设计方法，其最主要的功能使就是帮助不同类型的主机实现数据传输，它的最大优点是将服务、接口和协议这三个概念明确地区分开来，概念清楚，理论也比较完整！
2. 但实际过程中，应用层、表示层、会话层三层很难单独分开，因此将这三层统称为应用层。即右边CP/IP五层模型！！

 每一层协议解决的问题如下：

2.1 TCP/IP五层(或四层)模型

 由于TCP/IP在OS中，处于核心地位，因此我们将TCP/IP作为一组协议的代名词，它还包括许多协议，组成了TCP/IP协议簇。TCP/IP中，各层功能如下：

1. 物理层: 负责光/电信号的传递方式. 比如现在以太网通用的网线(双绞 线)、早期以太网采用的的同轴电缆(现在主要用于有线电视)、光纤, 现在的wifi无线网使用电磁波等都属于物理层的概念。物理层的能力决定了最大传输速率、传输距离、抗干扰性等. 集线器(Hub)工作在物理层.
2. 数据链路层: 负责设备之间的数据帧的传送和识别. 例如网卡设备的驱动、帧同步(就是说从网线上检测到什么信号算作新帧的开始)、冲突检测(如果检测到冲突就自动重发)、数据差错校验等工作. 有以太网、令牌环网, 无线LAN等标准. 交换机(Switch)工作在数据链路层.
3. 网络层: 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)工作在网路层.
4. 传输层: 负责两台主机之间的数据传输. 如传输控制协议 (TCP), 能够确保数据可靠的从源主机发送到目标主机.
5. 应用层: 负责应用程序间沟通，如简单电子邮件传输（SMTP）、文件传输协议（FTP）、网络远程访问协议（Telnet）等. 我们的网络编程主要就是针对应用层

三、网络和系统关系

 对于一台主机，网络部分核心物理设备为网卡，数据链路层工作在网卡的驱动程序中。在往上，网络层和传输层则是工作在操作系统中！再网上就到了用户层！

 所以对于一个合格的OS，不仅要实现内存管理、进程管理、文件管理以及驱动管理等工作，还需实现网络协议栈中的两层：网络层和传输层！当用户需要进行网络通信时，不能直接访问网卡设备，而需要贯穿操作系统；而贯穿操作系统本质就是在贯穿网络协议栈。而网络最核心的网络层和应用层是在OS中实现的，所以用户需要使用协议栈，本质就是在使用操作系统！所以OS要基于tcp/ip为我们提供网络对应的系统调用接口！

 不同的操作系统的内核实现可能差别很大，但对于网络协议的实现是基本一样的，尤其是传输层和网络层！相当于每台计算机都遵循相同的协议，相关的约定，从而保证所有计算机之间都能顺利通信，使得不同操作系统的主机能够进行可靠的通信！

四、网络传输流程

 在实际生活中，我们收到的快递除了物品本身外，还包含快递单。快递单中回填从相关信息：有谁发的，从哪里发给哪里…这些数据收和发两者都知道认识，更多的是给物流体系知道，指导快递的发送！所以长距离运输，快递 = 内容 + 快递单。而快递单本身就是一种约定，为接收双发知道，是一种协议，我们将之称为报头！

 收快递的过程中，实际收到的要比期望收到的东西要多，多出来的部分称为报文。而在计算机通常是由一个结构化字段表征，这个结构化字段定义的对象称为协议报头！

4.1 同一个局域网中的两台主机进行文件传输

1）两台主机通信原理

 在同一个作用域中，两台主机是可以直接发消息的！每台主机都存在一个网卡设备，在全球中每台计算机的网卡Mac地址都是唯一的。主机A向主机B发送消息"你好"时，除了内容本身，还包含相关协议。而协议中包含接收主机的Mac地址和发送主机的Mac地址。

 当主机A将数据发到局域网中时，当前局域网中的所有主机网卡设备都会收到该消息。但其他网卡收到消息后，发现接收方的Mac地址不是自己后会直接丢弃！但某一时刻，可能多台主机同时向局域网中发送消息，此时数据会发送碰撞，导致数据失效，而此时的局域网也被称为碰撞域。此时发送方会执行碰撞监测算法（在随机时间后重新发送）。即要正确的发送数据，任何时刻局域网中只允许一台主机在局域网中发送消息！

• 这种基于碰撞域、碰撞监测、碰撞避免的通信方式，并且碰撞是概率的。我们将这种局域网称为以太网！
• 碰撞域本身就是一个临界资源，而碰撞监测、避免和重发完成的就是互斥访问临界资源！

2）两台主机通信过程

 两台主机通信发送消息“你好”时，是通过网卡设备通过以太网推送给另一台主机的网卡设备的。所以需要贯穿网络协议栈，然后从上往下依次添加对应层的协议报头。当目标主机网卡接收到消息后，会从下往上依次解析，将报头和有效载荷进行分离，将有效载荷逐次传给上一层进行分用。

1. 报文 = 报头 + 有效载荷。应用层报文称为request&response；传输层报文称为数据段；网络层报文称为数据报；数据链路层报文称为数据帧。

4.2 跨网段的主机的文件传输

五、数据包封装和分用

 不同的协议层对数据包有不同的称谓，在应用层报文称为request&response；在传输层报文称为数据段；在网络层报文称为数据报；在数据链路层报文称为数据帧！

 应用层数据通过协议栈发到网络上时,每层协议都要加上一个数据首部(header),称为封装！疯转一定要考虑后续解包过程：①如何将报文中有效载荷和报头分开②如何将自己的有效载荷交给上一层那个协议。所以首部信息中包含了一些类似于首部有多长, 载荷(payload)有多长, 上层协议是什么等信息。

 数据封装成帧后发到传输介质上,到达目的主机后每层协议再剥掉相应的首部, 根据首部中的 “上层协议字段” 将数据交给对应的上层协议处理!

1) 数据封装的过程

2) 数据分用的过程

六 网络地址：ip VS MAC

6.1 MAC地址

 Mac地址一般是唯一的（虚拟机中的mac地址不是真实的mac地址, 可能会冲突; 也有些网卡支持用户配置mac地址)，用来识别数据链路层中相连的节点，知道数据局域网中如何从一跳到下一跳！