Linux网络编程(一-网络相关知识点)

本文介绍: Linux网络编程

一、网络相关知识简介

一、网络相关知识简介

互联网通信的本质是数字通信，任何数字通信都离不开通信协议的制定，通信设备只有按照约定的、统一的方式去封装和解析信息，才能实现通信。互联网通信所要遵守的众多协议，被统称为TCP/IP。

TCP/IP是一个协议族，包含众多的协议。但对于网络应用开发人员，可能听到更多的是其中的应用层协议，比如HTTP、FTP、MQTT等。

HTTP协议是Hyper Text Transfer Protocol（超文本传输协议）的缩写，HTTP的应用最为广泛。比如大家日常使用电脑时的一个常规操作：打开电脑，打开浏览器，输入网址，最后按下回车，这一刻你就开启了HTTP通信。HTTP协议工作于架构之上，浏览器作为HTTP客户端通过URL向HTTP服务端即WEB服务器发送所有请求。Web服务器根据接收到的请求后，向客户端发送响应信息。借助这种浏览器和服务器之间的HTTP通信，我们能够足不出户地获得来自世界各个角落的信息。另外，网页不仅仅是大型服务器的专利，在物联网风潮盛行的今天，许多随处可见的小型设备（空调、冰箱、插座、路由器等），都内嵌网页，在物理链路畅通的情况下，用户可以用手机、平板电脑上的浏览器随时随地监控这些设备。

FTP（File Transfer Protocol）是文件传输协议的简称。FTP是工作在应用层的网络协议。FTP使得主机间可以共享文件，用于在两台设备之间传输文件（双向传输）。它也是一个客户端-服务端框架系统。用户可以通过一个支持FTP协议的客户端程序，连接到在远程主机上的FTP服务端程序，通过客户端程序向服务端程序发出命令，服务端程序执行用户所发出的命令，并将执行的结果返回到客户机。FTP除了基本的文件上传/下载功能外，还有目录操作、权限设置、身份验证机制，许多网盘的文件传输功能都是基于FTP实现的。

MQTT（消息队列遥测传输）是IBM公司于1990年设计并推出的一款通信协议，于2014年正式成为了一个OASIS开放标准。近年来，MQTT的应用呈现出爆炸性的增长势头，大有一统物联网的趋势。另外，MQTT在物联网以外的其他领域也得到了广泛的应用，比如许多公司在制作手机APP时，会使用MQTT来实现消息推送、即时聊天等功能。

二、网络协议的分层模型

2.1 OSI七层模型

OSI（Open System Interconnection，开放系统互连）七层网络模型称为开放式系统互联参考模型，是一个逻辑上的定义和规范。OSI把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，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，通过七个层次化的结构模型使不同的系统不同的网络之间实现可靠的通讯。

	分层名称	功能
7	应用层	针对特定应用的协议
6	表示层	设备固有数据格式和网络标准数据格式的转换
5	会话层	通信管理，负责建立和断开通信连接(数据流动的逻辑通路)，管理传输层以下的分层。
4	传输层	管理两个节点之间的数据传输，负责可靠传输(确保数据被可靠地传送到目标地址)
3	网络层	地址管理与路由选择
2	数据链路层	互联设备之间换送和识别数据帧
1	物理层	以 “0”、”1″ 代表电压的高低、灯光的闪灭，界定连接器和网线的规格

2.2 TCP/IP五层模型

TCP/IP通讯协议采用了五层的层级结构，每一层都呼叫它的下一层所提供的网络来完成自己的需求。

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。

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。

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。

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。

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，网络编程主要就是针对应用层。

2.3 协议层报文间的封装与拆封

网络模型中每一层都有自己的协议定制方案(物理层除外)，每个协议定制方案都有自己的协议首部(报头)，当用户发送数据时，将数据向下交给传输层，这是处于应用层的操作，对用户的数据进行封装添加相应的协议首部(报头)，比如MQTT、HTTP等协议，最后应用层通过调用传输层的接口来将数据递交到传输层中。传输层会在数据前面加上传输层首部（此处以TCP协议为例，图中的传输层首部为TCP首部，也可以是UDP首部），然后向下交给网络层。同样地，网络层会在数据前面加上网络层首部（IP首部），然后将数据向下交给链路层，链路层会对数据进行最后一次封装，即在数据前面加上链路层首部（此处使用以太网接口为例），然后将数据交给网卡。最后，网卡将数据转换成物理链路上的电平信号，数据就这样被发送到了网络中。数据的发送过程，可以概括为TCP/IP的各层协议对数据进行封装的过程，如图所示：

当设备的网卡接收到某个数据包后，它会将其放置在网卡的接收缓存中，并告知TCP/IP内核。然后TCP/IP内核就开始工作了，它会将数据包从接收缓存中取出，并逐层解析数据包中的协议首部信息，并最终将数据交给某个应用程序。数据的接收过程与发送过程正好相反，可以概括为TCP/IP的各层协议对数据进行解析的过程。

三、IP协议

IP协议（Internet Protocol），又称之为网际协议，IP协议处于网络层工作，它是整个TCP/IP协议栈的核心协议，上层协议都要依赖IP协议提供的服务，IP协议负责将数据报从源主机发送到目标主机，通过IP地址作为唯一识别码，简单来说，不同主机之间的IP地址是不一样的，在发送数据报的过程中，IP协议还可能对数据报进行分片处理，同时在接收数据报的时候还可能需要对分片的数据报进行重装等等。底层网络的差异化(以太网、令牌环网等)，可以通过IP协议进行统一化，IP协议以上的网络层都可以看作为相同协议。

3.1 MAC地址

MAC(Media Access Control)地址，意译为媒体访问控制，或称为物理地址，MAC地址是计算机的唯一位硬件编号，在网卡出厂时就已经确定，不能修改，其长度为48位，6个字节，一般用16进制数字加上冒号的形式来表示(例如: 08:00:27:03:fb:19)，MAC地址用来识别数据链路层中相连的节点。

3.2 IP地址

在TCP/IP设计之初，为了标识互联网中的每台主机的身份，设计人员为每个接入网络中的主机都分配一个IP地址（Internet Protocol Address），是一个32位的整数地址，只有合法的IP地址才能接入互联网中并且与其他主机进行通信，IP地址是软件地址，不是硬件地址，硬件MAC地址是存储在网卡中的，应用于本地网络中寻找目标主机。而IP地址能让一个网络中的主机能够与另一个网络中的主机进行通信，无需理会这些主机之间的MAC地址。

每个IP地址长度为32比特（4字节），因此总共有2^32个可能的IP地址，大约有40亿个IP地址能被使用的。这些地址一般按所谓点分十进制记法（dotted-decimal notation）书写，即地址中的每个字节用它的十进制形式书写，各字节间以点分隔开。例如， IP地址为192.168.0.122，192是该地址第一个8比特的十进制等价数，168是该地址第二个8比特的十进制等价数，依此类推。

3.3 MAC地址与IP地址区别

对于网络上的某一设备，如一台计算机或一台路由器，其IP地址是基于网络拓扑设计出的，同一台设备或计算机上，改动IP地址是很容易的（但必须唯一），而MAC则是生产厂商烧录好的，一般不能改动。

长度不同。IP地址为32位，MAC地址为48位。

分配依据不同。IP地址的分配是基于网络拓扑，MAC地址的分配是基于制造商。

寻址协议层不同。IP地址应用于OSI第三层，即网络层，而MAC地址应用在OSI第二层，即数据链路层。数据链路层协议可以使数据从一个节点传递到相同链路的另一个节点上（通过MAC地址），而网络层协议使数据可以从一个网络传递到另一个网络上（ARP根据目的IP地址，找到中间节点的MAC地址，通过中间节点传送，从而最终到达目的网络）。如下图所示，唐僧要去西天取经（东土大唐，西天）为源IP地址和目的IP地址，中间经过（东土大唐，宝象国）、（宝象国，乌鸡国）、(乌鸡国、西天)分别为源MAC地址和目的MAC地址，MAC源和目的地址根据路由过程而变化，IP源和目的地址在路由过程中始终不变。