网络原理初识

本来想从网络的发展史开始写,之后再写网络的定义啥的,但快写完了才发现,这不课本教材吗,没劲,遂弃之,重撰,删芜就简.写点我认为,对程序员来说真正有用的东西

目录

IP地址

概念

格式

特殊地址

端口号

概念

格式 

协议

概念

 知名协议的默认端口

五元组

协议分层 

OSI七层模型 

TCP/IP网络模型 

应用层：服务交互接口

传输层：端到端连接管理

网络层：全局寻址与路由

数据链路层：局域网络传输

物理层：信号传输基础

封装与分用 

封装过程（发送端）

分用过程（接收端）

技术价值

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网络互连的目的是进行网络通信，也即是网络数据传输，更具体一点，是网络主机中的不同进程间，基于网络传输数据。 那么，在组建的网络中，如何判断到底是从哪台主机，将数据传输到那台主机呢？这就需要使用IP地址来标识。

IP地址

概念

IP地址主要用于标识网络主机、其他网络设备（如路由器）的网络地址。简单说，IP地址用于定位主机 的网络地址。就像快递员需要精确的收件地址才能派送包裹，网络世界中的数据传递也需要明确的定位标识。当北京的程序员向上海的服务器请求数据时，​​IP地址​​就如同包裹上的"城市+街道+门牌号"，指引着数据包跨越数千公里精准抵达目标设备。

格式

IPv4地址 基本结构

• ​​32位二进制数​​（4字节），分4段十进制表示
  示例：11000000.10101000.00000001.00000001 → 192.168.1.1
• ​​点分十进制记法​​：每字节转为0-255整数，用点分隔
  有效范围：0.0.0.0 ~ 255.255.255.255

IPv6地址基本结构

• ​​128位二进制数​​（16字节），分8组十六进制表示
  示例：2001:0db8:85a3:0000:0000:8a2e:0370:7334
• ​​压缩规则​​：
  • 前导零省略：0db8 → db8
  • 连续零块压缩：2001:0:0:0:0:0:0:1 → 2001::1

 

特殊地址

127.*的IP地址用于本机环回(loop back)测试，通常是127.0.0.1 本机环回主要用于本机到本机的网络通信（系统内部为了性能，不会走网络的方式传输），对于开发网络通信的程序（即网络编程）而言，常见的开发方式都是本机到本机的网络通信。

IP地址解决了网络通信时，定位网络主机的问题，但是还存在一个问题，传输到目的主机后，由哪个进程来接收这个数据呢？这就需要端口号来标识。

端口号

概念

在网络通信中，IP地址用于标识主机网络地址，端口号可以标识主机中发送数据、接收数据的进程。简单说：端口号用于定位主机中的进程。就像酒店的房间号​​,想象你要给某栋大楼里的朋友送快递：

• ​​IP地址​​ = 大楼地址（找到正确的建筑）
• ​​端口号​​ = 房间号（把包裹送到具体的收件人）

一台电脑就像一栋有很多房间（程序）的大楼，端口号告诉网络数据应该送到哪个"房间"（具体哪个软件收数据）。比如：

• 浏览器访问网站 → 找服务器的 ​​80号房间​​（HTTP协议）
• 微信视频通话 → 用 ​​随机空闲房间​​（如5000~60000之间的端口）

格式 

• ​​16位无符号整数​​（取值范围：0~65535）
• 在TCP/UDP协议头部中占据 ​​2字节存储空间​

分类标准 

类型	范围	用途说明	典型示例
知名端口	0~1023	系统级服务专用端口	HTTP=80, HTTPS=443
注册端口	1024~49151	用户级应用注册端口	MySQL=3306, Redis=6379
动态/私有端口	49152~65535	客户端临时使用端口	微信视频通话随机端口

有了IP地址和端口号，可以定位到网络中唯一的一个进程，但还存在一个问题，网络通信是基于二进制 0/1数据来传输，如何告诉对方发送的数据是什么样的呢？ 网络通信传输的数据类型可能有多种：图片，视频，文本等。同一个类型的数据，格式可能也不同，如 发送一个文本字符串“你好！”：如何标识发送的数据是文本类型，及文本的编码格式呢？ 基于网络数据传输，需要使用协议来规定双方的数据格式。

协议

概念

协议，网络协议的简称，网络协议是网络通信（即网络数据传输）经过的所有网络设备都必须共同遵从 的一组约定、规则。如怎么样建立连接、怎么样互相识别等。只有遵守这个约定，计算机之间才能相互 通信交流。通常由三要素组成,就像人类交流的语法规则,​​想象两个说不同语言的人要合作完成项目：

• ​​语法​​ = 单词排列顺序（英文用主谓宾，日文用主宾谓）
• ​​语义​​ = 词语真实含义（"提交"代表完成动作）
• ​​时序​​ = 对话节奏（A说完B才能回应）

网络协议就是计算机界的"多国语言词典"，规定数据如何打包、传输和解码。比如：

• ​​HTTP协议​​：浏览器和服务器约定好"问-答"格式

  浏览器问：GET /index.html  
  服务器答：200 OK + 网页内容  

• ​​TCP协议​​：像打电话要先说"喂？"，挂断前说"再见"

 知名协议的默认端口

系统端口号范围为 0 ~ 65535，其中：0 ~ 1023 为知名端口号，这些端口预留给服务端程序绑定广泛使 用的应用层协议，如：

端口号	协议名称	典型应用场景
​​20​​	FTP (Data Channel)	文件传输协议的数据通道
​​21​​	FTP (Control Channel)	FTP服务命令控制通道
​​22​​	SSH	安全加密的远程服务器管理
​​23​​	Telnet	明文远程终端协议（已逐步被SSH取代）
​​25​​	SMTP	邮件发送服务（如Postfix/Sendmail）
​​53​​	DNS	域名解析服务（UDP/TCP双协议支持）
​​67​​	DHCP Server	动态主机配置协议服务端
​​68​​	DHCP Client	客户端获取IP地址
​​80​​	HTTP	网页服务标准端口（Nginx/Apache）
​​110​​	POP3	邮件收取协议（明文传输）
​​123​​	NTP	网络时间协议同步
​​143​​	IMAP	邮件同步协议（支持多设备）
​​443​​	HTTPS	加密版HTTP（需部署SSL/TLS证书）
​​465​​	SMTPS	加密邮件提交端口
​​587​​	Submission	安全邮件提交端口（强制STARTTLS）
​​993​​	IMAPS	加密IMAP协议
​​995​​	POP3S	加密POP3协议

以上只是说明 0 ~ 1023 范围的知名端口号用于绑定知名协议，但某个服务器也可以使用其他 1024 ~ 65535 范围内的端口来绑定知名协议。

 

五元组

在TCP/IP协议中，用五元组来标识一个网络通信.五元组​​是网络通信的"分子级"标识符，由五个关键参数组合而成，能够​​唯一确定一条网络连接​​。其作用相当于快递系统中的完整物流信息，确保数据包精准送达目标应用。

 

组成要素 

参数项	数据示例	技术作用
源IP地址	192.168.1.100	标识数据发送设备的位置
源端口号	54321	定位发送主机的具体进程
目的IP地址	203.0.113.5	指定数据接收设备的网络坐标
目的端口号	443	确定接收主机的目标服务
传输层协议	TCP	定义通信规则（可靠/不可靠传输）

可以在cmd中，输入 netstat -ano 查看网络数据传输中的五元组信息：

协议分层 

协议分层​​是将复杂网络通信拆解为多个独立功能层，每层专注特定任务（如传输、寻址、数据格式化），通过标准接口向上提供服务、向下调用功能。协议分层如同建造摩天大楼的施工蓝图，将复杂的网络通信分解为多个功能模块。每个层级专注解决特定问题，通过标准接口与相邻层交互，这种设计使得：

• ​​技术演进独立​​：更新无线技术（Wi-Fi 6）无需修改上层HTTP协议
• ​​故障定位精准​​：网络不通时可逐层排查（先查物理连接再查IP配置）
• ​​开发效率提升​​：程序员可专注应用层开发，无需处理比特流转换

OSI七层模型 

只是个理论了解了解就行,OSI七层模型​​（开放式系统互联参考模型）是国际标准化组织（ISO）提出的​​网络通信理论框架​​，将通信过程划分为7个层级，每层定义明确功能，​​下层为上层提供服务​​，是全球网络协议设计的理论基础。

​​层级​​	​​名称​​	​​核心功能​​	​​关键协议/设备​​	​​数据单元​​
​​7​​	​​应用层​​	用户与网络的接口（文件传输、邮件收发）	HTTP、FTP、SMTP	​​报文/消息​​
​​6​​	​​表示层​​	数据格式转换（加密、压缩、编码）	SSL/TLS、JPEG、ASCII	​​格式化数据​​
​​5​​	​​会话层​​	建立/维护/断开会话（设备间对话逻辑）	NetBIOS、RPC、SSH	​​会话数据​​
​​4​​	​​传输层​​	端到端可靠传输（流量控制、错误校验）	TCP、UDP	​​数据段​​
​​3​​	​​网络层​​	逻辑寻址与路由（跨网络传输路径选择）	IP、ICMP、路由器	​​数据包​​
​​2​​	​​数据链路层​​	物理寻址与帧管理（局域网内设备通信）	以太网、MAC地址、交换机	​​数据帧​​
​​1​​	​​物理层​​	物理介质传输（电信号、光信号、无线电波）	网线、光纤、集线器	​​比特流​​

TCP/IP网络模型 

应用层：服务交互接口

应用层直接对接用户程序，定义应用程序间的通信规则。常见协议包括：

• HTTP协议：支撑网页浏览
• SMTP/POP3协议：实现邮件收发
• DNS协议：完成域名到IP地址的转换
• FTP协议：管理文件传输

数据在此层被封装为特定应用协议格式，例如网页请求会被包装为HTTP报文。程序员通过调用API接口，无需关心底层实现即可完成网络通信。

传输层：端到端连接管理

该层建立主机进程间的逻辑通信通道，核心协议包括：

​​TCP协议​​：提供面向连接的可靠传输

• 三次握手建立连接
• 数据分段与序列编号
• 流量控制与重传机制

​​UDP协议​​：支持无连接的快速传输

• 适用于实时音视频流
• 不保证数据完整性

端口号（0-65535）在此层标识具体应用进程，如80端口对应HTTP服务。TCP/UDP头部包含源端口、目的端口及校验信息。

网络层：全局寻址与路由

IP协议是本层核心，实现两大核心功能：

​​地址规划​​

• IPv4采用32位地址（如192.168.1.1）
• IPv6扩展为128位地址（如2001:0db8::1）
• 子网划分提升地址利用率

​​路由选择​​

• 路由器根据路由表转发数据包
• OSPF、BGP等路由协议维护网络拓扑
• NAT技术实现公私地址转换

数据包在此层添加IP头部，包含源/目的IP地址、TTL生存时间等字段。分片机制确保大数据包适配不同网络的最大传输单元（MTU）。

数据链路层：局域网络传输

管理同一物理网络内的设备通信：

• MAC地址（如00:1A:2B:3C:4D:5E）标识网卡设备
• 以太网协议规定帧结构（前导码+MAC头+数据+FCS）
• 交换机通过MAC地址表实现帧转发
• ARP协议解析IP地址到MAC地址的映射

错误检测通过帧校验序列（FCS）实现，使用CRC算法验证数据完整性。VLAN技术可在物理网络中创建逻辑子网。

物理层：信号传输基础

实现比特流的物理传输：

• 定义电气特性（电压标准）
• 规定接口规范（RJ45、光纤接口）
• 调制技术（QAM、OFDM）
• 传输介质（双绞线、同轴电缆、光纤、无线电波）

该层设备包括集线器、中继器等，负责将数字信号转换为电磁波、光信号或无线电波。传输速率、误码率、信噪比是主要技术指标。

封装与分用 

在TCP/IP网络模型中，​​封装（Encapsulation）​​和​​分用（Demultiplexing）​​是实现跨层通信的关键流程，二者共同构成数据收发的基础逻辑。

封装过程（发送端）

数据从应用层向物理层逐层加工：

​​应用层​​
原始数据（如HTTP请求）添加应用协议头（HTTP头），包含请求方法、URL路径等信息。

​​传输层​​
接收应用数据单元（ADU），添加TCP/UDP头部：

• 源端口 & 目的端口（标识应用程序）
• 序列号 & 确认号（TCP可靠性保障）
• 校验和（数据完整性验证）
  形成​​报文段（Segment）​​或​​数据报（Datagram）​​

​​网络层​​
附加IP头部生成​​数据包（Packet）​​，包含：

• 源IP & 目的IP（全球寻址）
• 协议类型（TCP=6/UDP=17）
• TTL（生存周期计数器）

​​数据链路层​​
封装为​​帧（Frame）​​，添加：

• 源MAC & 目的MAC（局域网寻址）
• VLAN标签（虚拟网络划分）
• FCS校验码（CRC循环冗余校验）

​​物理层​​
将二进制比特流转换为物理信号（电脉冲/光信号/电磁波），添加前导码实现时钟同步。

分用过程（接收端）

数据从物理层向应用层逆向解析：

​​物理层​​
将模拟信号还原为数字比特流，移除前导码。

​​数据链路层​​

• 校验FCS确认帧完整性
• 比对MAC地址决定是否接收
• 剥离帧头得到IP数据包

​​网络层​​

• 检查IP头部校验和
• 根据目的IP判断是否本机接收
• 分片数据包重组（若存在）

​​传输层​​

• 通过端口号定位目标应用程序
• TCP协议执行顺序重组和丢包重传
• 移除TCP/UDP头部传递应用数据

​​应用层​​
特定协议解析（如HTTP响应解析），将有效载荷交付用户程序。

技术价值

• ​​协议隔离性​​：各层仅需理解相邻层接口，无需感知其他层实现细节
• ​​模块化扩展​​：新协议可在特定层级独立部署（如HTTP/3在应用层升级）
• ​​错误隔离​​：物理层误码不会影响传输层连接管理
• ​​多路复用​​：单个IP地址可通过不同端口并发处理多种服务