【Linux】网络基础 - 实践

目录

一. 计算机网络背景

二. 协议

1. 网络协议

2. OSI 七层模型

3. TCP/IP 五层模型

三. 网络传输基本流程

1. TCP/IP 协议

2. MAC 地址

3. 内容封装和分用

4. 认识 IP 地址

三. 认识端口号

1. 端口号划分

2. 端口号与进程 ID的关系

4. 理解 socket

四. 传输层的典型代表

1. TCP 协议

2. UDP 协议

五. 网络字节序

总结：

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一. 计算机网络背景

在早期，计算机体积庞大价格昂贵，一台计算机仅能供少数人在固定的地点进行运用，无法进行不同设备之间的数据互通，是一座巨大的信息孤岛。在 1950 年代，美国军方和科研机构开始尝试进行“点对点连接”，将多台终端电话线连接到一台中心计算机，实现“多终端共享单机资源”，本质是“集中式连接”。到了 20 世纪初，由文顿・瑟夫（Vint Cerf）和罗伯特・卡恩（Robert Kahn）设计的TCP/IP 协议，形成了互联网雏形，TCP 主要对资料进行“打包”，IP 负责寻址和路由，由此实现了网络互通。1990 年，万维网出现，将互联网从军事领域的专业工具，变成了大众服务，提出了三大科技，URL统一资源定位符用于定位资源，HTTP 万物互联时代，就是用于传递文字图片链接等资源，HTML 可以构建可视化网络界面。再后来，就4G/5G出现让互联网从连接人，到连接物体设备等等。

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在最开始进行软件开发的时候，每一台主机完成一个业务机制，开发效率低等待时间长。如下图， 业务 B 必须等待业务 A 创建完毕后才能开始进行，主机间的数据无法互相传递，这就导致开发效率极致低下。

后来，随着发展，我们开始使用终端服务器的途径，将一台主机作为终端服务器，主机 ABC 之间可以相互切换，共享数据由终端服务器进行管理，提升了开发效率

就有了路由器和交换机。这些计算机就组成了最初的局域网。就是再后来，开发主机越来越多，切换频率越来越高，我们便在其中加上一层中间层，将寻找主机切换主机的任务分离解耦出去，于

随着局域网不断增加，如何将这些一个一个的局域网连接在一起呢？按照上面的手段，我们只要求更多更大的路由器交换机即可。一个一个的局域网相连接便有了广域网。

二. 协议

协议本质是一种约定，在计算机中，协议就是对于信息传输的语法语义时序等一系列的统一规则，只有彼此之间达成了共识，我们才能搞定通信。就好比两个语言不互通的人无法进行交流，语言不互通无法知道对方想要表达的内容。

1. 网络协议

由上述可得出，计算机之间要通信，就需要有人站出来制定一个规则，大家必须遵守这个规则进行通信，于是便有了网络协议。

我们用打电话的例子进行类比

我们网络通信就像是打电话，在上层通信的两人必须使用共同的语言才能进行交流，下方的设备之间也要遵循共同的设备协议才能进行通信传输，网络的层状结构将每一层进行了解耦划分，每一层遵循每一层的协议，提高了可维护性。

网络是一个层状结构，是操作系统的一部分，经过层状结构，对每一个重要部分进行解耦，各个部分各司其职，涉及到软硬件互相通信。

2. OSI 七层模型

OSI 七层模型（Open Systems Interconnection Reference Model，开放系统互连参考模型）是由国际标准化组织（ISO）在 1984 年提出的网络通信分层规范，它将复杂的网络通信过程划分为 7 个独立的功能层级，每一层专注于解决特定的通信难题，通过标准化的接口建立层间协作。在 OSI 模型中，素材从发送方到接收方的传输遵循 “封装→传输→解封装” 的流程，每一层会对数据添加本层的 “头部信息”（类似快递包裹的标签）。

OSI 七层模型是理论上的理想模型，而实际互联网中广泛使用的是TCP/IP 四层模型（或简化为五层模型）。

3. TCP/IP 五层模型

TCP/IP协议是互联网核心通信协议套件，采用分层结构，每层结构负责协议特定功能，层与层之间通过接口协作，形成通信流程。下面我们就从下到上的了解每层结构

物理层：负责光/电信号的传输，通过光电信号的“频率”和“强弱”来表示数据0和1，从而达到数据传输的效果。物理层的能力决定了数据传输的最大速率最大距离抗干扰性强弱。

数据链路层：与物理硬件直接对接的一层，主要进行设备间的内容帧的传送和识别，他会将上层传下来的数据进行打包，做成数据帧。它会负责将帧进行封装发往相邻路由器，认识 MAC 地址，进行冲突控制，差错修复等问题。交换机工作在此处

网络层：负责地址管理和路由选择，决策数据的传输方向，路由器工作在此处。

传输层：负责两台主机之间的数据传输，保证数据的可靠性。

应用层：负责应用程序间沟通，为用户进程提供服务，针对不同的应用将数据传输到此处后进行不同的处理。

大家用快递运输的例子来便捷理解一下这几层，我们从上到下的理解

在应用层，我们确定了要寄什么物品；传输层保证我们将物品安全的送到快递站；网络层相当于快递站为我们的快递确定好运输线路怎么运输；数据链路层决定了我们的快递最后一公里怎么运输，将地址确定到我们的小区；物理层负责将快递运输出去。

三. 网络传输基础流程

我们硬件内部的东西，通信成本小，问题也少。就是在计算机的内部都是存在协议的，我们的各种硬件都会遵循着不同的协议，我们进行本地通信时，这些协议都

当我们主机之间距离变远了，网络通信就会带来新问题。

在传输的过程中，彼此的传输信号会被干扰导致数据损坏的问题，传输数据时谁来接收这份数据，怎么传输这份数据等等。

1. TCP/IP 协议

TCP/IP协议本质是一种解决方案，解决数据怎么发，发到哪，如何确保送达等问题。

IP 相当于地址的地址导航，给每一份联网的设备分配唯一一份 IP 地址，并负责在复杂网络中选择数据传输的路径。TCP 协议相当于运输保障系统，负责与收数据的对象交互确认，将数据拆分重组。

2. MAC 地址

mac 地址用来识别数据链路层中的节点；长度为 48 位，6 个字节，一般用 16 进制数字加冒号形式来表示（08:00:27:03:fb:19）

mac 地址是网络设备出厂时固化在网卡中的唯一物理标识，相当于网络中的身份证号码，用于在数据链路层识别和通信。它的核心作用就是确保在“近距离”网络中，确保素材精准传递到目标设备而不会发送给其他设备。

在以太网中，任何时刻只允许一台机器向网络中发送数据（锁使用），当同时有多台设备发送时就会产生资料干扰，我们称之为数据碰撞，所有发送主机都要进行碰撞检测和碰撞避免。发送数据时，每份主机都会受到这样一份材料，主机通过 mac 地址进行判定，该数据是否是发送给自己的，若不是发送给自己的，主机就不进行接收。

3. 数据封装和分用

明白了局域网通信原理，我们来看一个网段内两台主机发送信息的过程

数据由上层用户进行传输，进行一层一层的封装，借助硬件设备传到主机2当中，接着从下至上进行数据的解包，最后用户 B 成功的拿到了内容。

每层协议在拿到上一层打包的数据后，都会对该层素材进行报头添加；将数据传输到设备后，会将报文进行解析，一步一步的进行拆解最后上层解包拿到数据。相当于每一层都解析对应的报头，这也对应了我们上面说的层状结构的解耦。

简单说，传递的数据信息就是有效载荷，经过每一层加工进行报头添加，有效载荷和报头就组成了报文。

4. 认识 IP 地址

IP 协议分两种，一个是 IPv4 另一个是 IPv6，在市面上较为常用的是 IPv4 协议。IPv6 由于与 IPv4 不兼容，迁移成本高的原因其流通速度和普及速度相对较慢。所以我们后续所讲的 IP 地址默认为 IPv4

0 - 255就是IPv4 是一个 4 字节，32位整数的地址。大家通常用“点分十进制”的字符串来表示该地址（192.168.0.1），每一个数字范围

一种长远目标就是IP 地址，Mac 地址是下一阶段目标。IP 地址负责规划好起点和终点，Mac 地址负责从每一个阶段的起点和终点。

三. 认识端口号

一个2字节16位的整数，端口号用来标识进程，告诉操作系统当前数据要交给谁进行处理，就是端口号（port）是传输层协议的内容，端口号IP 地址 + 端口号 能够标识网络上某一台主机的某一个进程，一个端口号只能被一个进程所占用

1. 端口号划分

固定端口号。1024 - 65535 操作系统动态分配的端口号，用与客户端程序端口号。就是0 - 1023 知名端口号，一般

2. 端口号与进程 ID的关系

一个进程可以绑定多个端口号。就是一个端口号只能绑定一个进程，但当一个进程上有多个端口号时，后端服务器行同时监听多个端口。

4. 理解 socket

有了上面的知识我们得知，IP 地址能标识互联网中唯一一台主机，port 端口号能标识主机中唯一一个进程，那么IP + port 的形式就能标识互联网中唯一一个进程进程间通信，我们将就是，那么网络通信的本质就IP + port 的组合叫做套接字 socket

socket 的英文翻译就是插口插座的意思，类似网络通信，用插线连接起两边的插口。

四. 传输层的典型代表

1. TCP 协议

可以分片重组的。就是TCP 协议是传输层协议，是由系统调用的。它是有连接的，需要三次握手四次挥手，安全性高；它是可靠传输；面向字节流的，传输

2. UDP 协议

可靠传输；面向数据报传输，将一份一份完整的数据报进行传输就是UDP 协议也是传输层协议，由系统调用。它是无连接的，直接发送数据，速度快效率高；它不

五. 网络字节序

网络字节序时 TCP/IP 协议中规定的统一数据字节排序方式，用于解决不同计算机架构在多字节数据传输时的字节顺序冲突问题。在 TCP/IP 中统一采用大端字节序，即低地址高字节的方式。为了保证输出主机和接收主机字节序一致，我们使用体系接口进行大小端转换。

函数名	功能	适用场景
htons()	主机字节序 → 网络字节序（16 位整数）	端口号（16 位）转换
ntohs()	网络字节序 → 主机字节序（16 位整数）	从网络接收端口号后转换
htonl()	主机字节序 → 网络字节序（32 位整数）	IP 地址（32 位）转换
ntohl()	网络字节序 → 主机字节序（32 位整数）	从网络接收 IP 地址后转换

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总结：

至此，我们已系统梳理了网络编程中的四大核心支柱 ——端口号与进程 ID 的关联逻辑、TCP 与 UDP 的传输特性差异、网络字节序的统一标准，以及常用 Socket接口的采用规范。这些概念并非孤立存在，而是相互衔接、共同支撑起网络通信的完整流程：从进程通过Socket绑定端口获取通信 “身份”，到遵循网络字节序解决跨架构数据解析难题，再根据业务需求选择TCP 的可靠传输或UDP 的实时高效，最终利用标准化的接口实现数据的发送与接收。