網路通訊基礎

桃源氏發表於2024-03-20

網路通訊基礎

一、網路程式設計

[1]什麼是網路程式設計

  • 網路程式設計的前提和基礎是網際網路，網路程式設計就是基於網際網路編寫程式碼
  • 網路程式設計是指透過程式語言在計算機之間建立通訊的一種方式
  • 網路程式設計是在網際網路上進行資料傳輸的關鍵組成部分，使計算機能夠相互通訊、交換資訊和共享資源
  • 網路程式設計涉及了許多不同的技術和協議，這些協議規定了如何在網路上傳輸資料以及如何在網路上建立、管理和維護連線

[2]為什麼要學習網路程式設計

  • 學習網路程式設計的主要目的是為了開發基於客戶端/伺服器（C/S）架構的應用程式
  • 透過學習網路程式設計，可以掌握開發C/S應用程式所需的基本原理和技術，並使用各種程式設計框架來簡化開發過程。

[3]網路程式設計的發展史

（1）網路程式設計的來源

  • 網路程式設計起源於美國軍方的需求，他們希望實現不同計算機之間的資料互動
  • 為了突破資料只能在物理層面上的運輸，就開始研究如何透過計算機網路實現更高效的資料交換，從而誕生了網路程式設計技術

（2）實際運用

  • 隨著計算機硬體的發展和網際網路的普及，網路程式設計逐漸應用於各種領域，包括商業、教育、娛樂、科學研究等
  • 現在，我們可以透過網路程式設計技術開發各種型別的應用程式，例如網頁瀏覽器、社交媒體平臺、線上遊戲等

[4]早期的遠端通訊

（1）一開始：座機電話

  • 彼此打電話需要電話線
  • 早期的遠端通訊主要依賴於座機電話，人們透過撥號將語音訊號轉換成電訊號，然後透過電話線路將這些訊號傳送到另一端，接收方再將電訊號轉換回語音訊號

（2）後來：大屁股電腦

  • 資料互動需要插網線
  • 後來研發出來的個人計算機也可以透過調變解調器透過電話線進行除了聲音之外的資料傳輸
  • 這種方式稱之為非同步傳輸，雖然速度慢，但它是最早期的寬頻網路之一

（3）現在：智慧手機

  • 資料互動需要無限網路卡
    • 遠端通訊的前提是必須具備一個物理連結介質
  • 現在，我們可以透過無線網路（如Wi-Fi、蜂窩資料網路）與網際網路進行無縫通訊。
  • 智慧手機已經成為我們生活中不可或缺的一部分，我們可以隨時隨地訪問電子郵件、瀏覽網頁、觀看影片、下載音樂等

[5]網際網路協議

  • 不同計算機之間要想實現無障礙互動
    • 除了需要有物理連結介質之外還需要一套公有的標準
  • 網際網路協議是用於規範網路通訊的標準規則。
  • 它們定義瞭如何在網路上傳輸資料，以及如何在網路上建立、管理和維護連線。
  • 一些常見的網際網路協議包括：
    • TCP/IP：傳輸控制協議/因特網協議，是網際網路的基礎協議，負責確保資料包從源節點安全、可靠地傳輸到目的地節點。
    • HTTP：超文字傳輸協議，是Web的主要協議，用於在客戶端和伺服器之間傳輸HTML文件和其他型別的內容。
    • FTP：檔案傳輸協議，用於在計算機之間傳輸檔案。

二、作業系統

  • 作業系統：

    • （Operating System，簡稱OS）是管理和控制計算機硬體與軟體資源的計算機程式
    • 是直接執行在“裸機”上的最基本的系統軟體
    • 任何其他軟體都必須在作業系統的支援下才能執行。

    注：計算機(硬體)－>OS－>應用軟體

三、網際網路的本質

  • 網際網路的本質是一系列的網路協議

[1]引入

  • 一臺硬體裝置有了作業系統，然後裝上軟體之後我們就可以正常使用了
    • 然而我們也只能自己使用。
    • 像這樣，每個人都擁有一臺自己的機器，然而彼此孤立

[2]連線

  • 為了是獨立的機器連線起來，便應運而生了網際網路
  • 我們的個人計算機等裝置透過網際網路連線起來

[3]什麼是網際網路

  • 其實兩臺計算機之間通訊與兩個人打電話之間通訊的原理是一樣的（中國有很多地區，不同的地區有不同的方言，為了全中國人都可以聽懂，大家統一講普通話）
  • 如果普通話是中國國內的通用標準，那國際層面就需要更加全面的通訊標準，需要更加統一的語言：英語
  • 網際網路協議就是在計算機層面上資料連線互通的通用的標準

[4]結論

  • 連線兩臺計算機之間的 網際網路（Internet） 實際上就是一系列統一的標準
  • 這些標準稱之為網際網路協議，網際網路的本質就是一系列的協議，總稱為“網際網路協議”（Internet Protocol Suite)
  • 網際網路協議的功能：
    • 定義計算機如何接入 Internet，以及接入 Internet 的計算機通訊的標準。

四、OSI七層協議介紹

  • 網際網路協議按照功能不同分為OSI七層或TCP/IP五層或TCP/IP四層
  • TCP/IP四層
    • 應用層
    • 傳輸層
    • 網路層
    • 網路介面層
  • TCP/IP五層
    • 應用層
    • 傳輸層
    • 網路層
    • 資料鏈路層
    • 物理層
  • OSI七層
    • 應用層
    • 表示層
    • 會話層
    • 傳輸層
    • 網路層
    • 資料鏈路層
    • 物理層

五、TCP/IP五層

  • 我們將應用層，表示層，會話層並作應用層，從TCP／IP五層協議的角度來闡述每層的由來與功能，搞清楚了每層的主要協議

  • 首先，使用者感知到的只是最上面一層應用層，自上而下每層都依賴於下一層，所以我們從最下一層開始切入，比較好理解

  • 每層都執行特定的協議，越往上越靠近使用者，越往下越靠近硬體

[1]物理層

  • 上面提到，孤立的計算機之間要想一起玩，就必須接入internet，言外之意就是計算機之間必須完成組網
  • 功能：主要是基於電器特性傳送高低電壓(電訊號)，高電壓對應數字1，低電壓對應數字0

[2]資料鏈路層

  • 單純的電訊號0和1沒有任何意義，必須規定電訊號多少位一組，每組什麼意思
  • 定義了電訊號的分組方式

[補充]

（1）乙太網協議

  • 早期的時候各個公司都有自己的分組方式，後來形成了統一的標準，即乙太網協議ethernet
  • Ethernet規定：
    • 一組電訊號構成一個資料包，叫做‘幀’
    • 每一資料幀分成：報頭head和資料data兩部分
  • head包含：(固定18個位元組)
    • 傳送者／源地址，6個位元組
    • 接收者／目標地址，6個位元組
    • 資料型別，6個位元組
  • data包含：(最短46位元組，最長1500位元組)
    • 資料包的具體內容
  • head長度＋data長度＝最短64位元組，最長1518位元組，超過最大限制就分片傳送

（2）mac地址

  • head中包含的源和目標地址由來：ethernet規定接入internet的裝置都必須具備網路卡，傳送端和接收端的地址便是指網路卡的地址，即mac地址

  • mac地址：每塊網路卡出廠時都被燒製上一個世界唯一的mac地址，長度為48位2進位制，通常由12位16進位制數表示（前六位是廠商編號，後六位是流水線號）

  • 在cmd視窗輸入ipconfig/all即可檢視 WLAN 、 乙太網 等連線方式的 IP 地址、DNS 伺服器、實體地址（即 MAC 地址）等資訊。

（3）廣播

  • 有了mac地址，同一網路內的兩臺主機就可以通訊了（一臺主機透過arp協議獲取另外一臺主機的mac地址）
  • ethernet採用最原始的方式，廣播的方式進行通訊，即計算機通訊基本靠吼

[3]網路層

（0）知識補充

1.什麼是網際網路？
  • 網際網路是一種全球性的計算機網路，透過將數十億臺裝置、網路和資料中心互相連線的方式實現資訊共享。
  • 總結：將計算機連線起來的介質
2.網際網路建立的目的
  • 方便人們在全球範圍內進行資訊交流和資料交換。
  • 基於網際網路的資料互動可以使使用者在任何時間、任何地點獲取所需的資訊和服務，大大提高了資訊傳遞的速度和效率。
  • 總結：基於網際網路做資料互動
3.上網的本質
  • 或伺服器進行通訊。在這種通訊中，使用者可以透過傳送請求來獲取所需的資源，如網頁內容、電子郵件、檔案等，同時也可以向其他使用者提供自己的資源。
  • 基於網線去訪問其他計算機的資源

其實我們的計算機也可以稱之為伺服器/服務端(專門對外提供服務)

（1）網路層的由來

  • 有了ethernet、mac地址、廣播的傳送方式，世界上的計算機就可以彼此通訊了
  • 而如果全世界範圍內的資料傳輸不加以限制，一臺計算機傳送的資料全世界都會收到，就會造成很嚴重的後果

（2）網路層功能

  • 為了解決這個問題，就必須找出一種方式來區分哪些計算機屬於同一個廣播域，哪些不是
  • 區分了是否是同一個廣播域之後，如果是那麼就直接使用廣播的方式傳送資料，不是的就採用路由的方式（向不同廣播域／子網分發資料包）
  • 網路層其實就是引入一套新的地址用來區分不同的廣播域／子網，而這套地址即網路地址

（補充）

1.IP協議
  • 規定網路地址的協議叫IP協議，它定義的地址稱之為IP地址，廣泛採用的v4版本即ipv4，它規定網路地址由32位2進製表示
  • 範圍0.0.0.0-255.255.255.255
  • 一個IP地址通常寫成四段十進位制數
2.IP地址分成兩個部分
  • 網路部分：標識子網
  • 主機部分：標識主機
  • 注意：單純的IP地址段只是標識了IP地址的種類，從網路部分或主機部分都無法辨識一個IP所處的子網
  • 例：172.16.10.1與172.16.10.2並不能確定二者處於同一子網
3.子網掩碼
  • 所謂”子網掩碼”，就是表示子網路特徵的一個引數。
  • 它在形式上等同於IP地址，也是一個32位二進位制數字，它的網路部分全部為1，主機部分全部為0。
  • 知道”子網掩碼”，我們就能判斷，任意兩個IP地址是否處在同一個子網路。
    • 方法是將兩個IP地址與子網掩碼分別進行AND運算（兩個數位都為1，運算結果為1，否則為0），然後比較結果是否相同
    • 如果是的話，就表明它們在同一個子網路中，否則就不是。
4.IP資料包
  • IP資料包也分為head和data部分，無須為IP包定義單獨的欄位，直接放入乙太網包的data部分
    • head：長度為20到60位元組
    • data：最長為65,515位元組。
  • 而乙太網資料包的”資料”部分，最長只有1500位元組。
  • 因此，如果IP資料包超過了1500位元組，它就需要分割成幾個乙太網資料包，分開傳送了。

[4]傳輸層

（1）傳輸層的由來

  • 網路層的IP幫我們區分子網，乙太網層的mac幫我們找到主機，然後大家使用的都是應用程式，你的電腦上可能同時開啟QQ，暴風影音，等多個應用程式，
  • 那麼我們透過IP和mac找到了一臺特定的主機，如何標識這臺主機上的應用程式，答案就是埠，埠即應用程式與網路卡關聯的編號。

（2）傳輸層的功能

  • 建立埠到埠的通訊
  • 補充：埠範圍0-65535，0-1023為系統佔用埠

（3）TCP協議和UDP協議

1.TCP協議
  • 可靠的傳輸方式，TCP資料包沒有長度限制，理論上可以無限長
  • 但為了保證網路的效率，通常TCP資料包的長度不會超過IP資料包的長度，以確保單個TCP資料包不必再分割
  • 三次握手（建立連線）
    • 客戶端向服務端傳送連線請求（SYN，seq= 客戶端標識）
    • 服務端接收到連線請求，併傳送連線請求（SYN，seq= 客戶端標識 ——>ACK x = 服務端標識）
    • 客戶端建立連線
  • 四次揮手（斷開連線）
    • 客戶端向服務端傳送斷開請求（SYN，seq= 客戶端標識）
    • 服務端接收到連線請求
    • 服務端繼續處理從客戶端發來的未處理完的資料，向客戶端傳送斷開請求SYN，seq= 客戶端標識 ——>ACK x = 服務端標識
    • 客戶端收到斷開請求，然後斷開連線
  • 建立一個長久地連線，客戶端不斷地服務端傳送資料，服務端不斷地向客戶端相應資料
2.UDP協議
  • 不可靠傳輸，”報頭”部分一共只有8個位元組，總長度不超過65,535位元組，正好放進一個IP資料包。
  • 我只需要將資料打包一次性全部發給你

[5]應用層

  • 使用者使用的都是應用程式，均工作於應用層，網際網路是開發的，大家都可以開發自己的應用程式，資料多種多樣，必須規定好資料的組織形式

  • 規定應用程式的資料格式。

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