网络基础知识

1 互联网本质

​ 互联网（英语：Internet）是指20世纪末期兴起电脑网络与电脑网络之间所串连成的庞大网络系统。这些网络以一些标准的网络协议相连。它是由从地方到全球范围内几百万个私人、学术界、企业和政府的网络所构成，通過电子，无线和光纤网络技术等等一系列广泛的技术联系在一起。互联网承载范围广泛的信息资源和服务，例如相互关系的超文本文件，还有万维网（WWW）的应用，电子邮件，通话，以及文件共享服务。

1.1 局域网

• 介绍

  又称内网，小范围内的私有网络，一个家庭内的网络、一个公司内的网络、一个校园内的网络都属于局域网

• 特点

  1、传输介质：早期的局域网多使用同轴电缆，后来发展为更加普遍的双绞线和光纤。
  2、网络拓扑：常见的网络拓扑有星形、环形和总线形等。
  3、网络协议：局域网中常用的网络协议有以太网、无线局域网（Wi-Fi）等。
  4、传输速度：局域网的传输速度较快，从最初的10Mbps发展到如今的千兆甚至万兆以太网。
  5、安全管理：局域网通常具有较强的安全性，可以通过物理隔离、网络隔离及数据加密等多种方式确保数据安全。

• 代表设备

  1、路由器

  2、交换机

  3、集线器

  4、网络桥接器

1.2 广域网

• 介绍

  又称外网、公网。是连接不同地区局域网或城域网计算机通信的远程网。通常跨接很大的物理范围，所覆盖的范围从几十公里到几千公里，它能连接多个地区、城市和国家，或横跨几个洲并能提供远距离通信，形成国际性的远程网络。广域网并不等同于互联网。

2 tcp/ip协议

TCP/IP（传输控制协议/网际协议）是指能够在多个不同网络间实现信息传输的协议簇。TCP/IP协议不仅仅指的是TCP和IP两个协议，而是指一个由FTP、SMTP、TCP、UDP、IP等协议构成的协议簇， 只是因为在TCP/IP协议中TCP协议和IP协议最具代表性，所以被称为TCP/IP协议。

2.1 三次握手

在TCP/IP协议中，TCP协议通过三次握手建立一个可靠的连接

• 第一次握手：客户端尝试连接服务器，向服务器发送 syn 包（同步序列编号Synchronize Sequence Numbers），syn=j，客户端进入 SYN_SEND 状态等待服务器确认
• 第二次握手：服务器接收客户端syn包并确认（ack=j+1），同时向客户端发送一个 SYN包（syn=k），即 SYN+ACK 包，此时服务器进入 SYN_RECV 状态
• 第三次握手：客户端收到服务器的SYN+ACK包，向服务器发送确认包ACK(ack=k+1），此包发送完毕，客户端和服务器进入ESTABLISHED状态，完成三次握手

2.2 四次挥手

建立TCP连接需要三次握手，终止TCP连接需要四次挥手

• 第一次挥手 客户端发出连接释放报文，并且停止发送数据。释放数据报文首部，FIN=1，其序列号为seq=u（等于前面已经传送过来的数据的最后一个字节的序号加1），此时，客户端进入FIN-WAIT-1（终止等待1）状态

• 第二次挥手 服务器端接收到连接释放报文后，发出确认报文，ACK=1，ack=u+1，并且带上自己的序列号seq=v，此时，服务端就进入了CLOSE-WAIT 关闭等待状态

• 第三次挥手 客户端接收到服务器端的确认请求后，客户端就会进入FIN-WAIT-2（终止等待2）状态，等待服务器发送连接释放报文，服务器将最后的数据发送完毕后，就向客户端发送连接释放报文，服务器就进入了LAST-ACK（最后确认）状态，等待客户端的确认。

• 第四次挥手 客户端收到服务器的连接释放报文后，必须发出确认，ACK=1，ack=w+1，而自己的序列号是seq=u+1，此时，客户端就进入了TIME-WAIT（时间等待）状态，但此时TCP连接还未终止，必须要经过2MSL后（最长报文寿命），当客户端撤销相应的TCB后，客户端才会进入CLOSED关闭状态，服务器端接收到确认报文后，会立即进入CLOSED关闭状态，到这里TCP连接就断开了，四次挥手完成

2.3 ip地址

• 简介

  IP地址（Internet Protocol Address）是指互联网协议地址，又译为网际协议地址。
  IP地址是IP协议提供的一种统一的地址格式，它为互联网上的每一个网络和每一台主机分配一个逻辑地址，以此来屏蔽物理地址的差异。

• 用途

  在单个局域网网段中，计算机与计算机之间可以使用网络访问层提供的 MAC 地址进行通信。如果在路由式网络中，计算机之间进行通信就不能利用 MAC 地址实现数据传输了：因为 MAC 地址不能跨路由接口运行；即使强行实现跨越，使用 MAC 地址传输数据也是非常麻烦的。

  这是由于内置在网卡里的固定 MAC 地址不能在地址空间上引入逻辑结构，使其无法具备真正的地址来表示国家、省、市、区、街道、路、号这类层次。因此，要进行数据传输，必须使用一种逻辑化、层次化的寻址方案对网络进行组织，这就是 IP 地址。

• 表示

  IP地址是长度是32 bit，由4个字节组成。为了阅读和书写方便，IP地址通常采用点分十进制数来表示。

  ip地址范围是00000000.00000000.00000000.00000000_{11111111.11111111.11111111.11111111，即0.0.0.0}255.255.255.255。

3 端口与端口号

在我们的日常开发过程中, 特别是后端的开发人员, 即便他没有真正理解端口的细节, 他还是会听过见过各类的端口, 这个东西几乎无处不在, 比如:

• mysql 缺省用的 3306 端口,
• redis 的 6379 端口,
• https默认用的 443端口,
• http默认用的80端口，
• ssh 用的 22 端口,
• 等等…

3.1 端口及特点

• 端口

  端口的作用就是给运行的应用程序提供传输数据的通道。

  

• 端口号

  操作系统为了统一管理这么多端口，就对端口进行了编号，这就是端口号，端口号其实就是一个数字，好比我们现实生活中的门牌号。

• 应用程序进行数据通信的流程

  • 首先通过IP地址找到对应的设备
  • 然后通过端口号找到对应的端口
  • 然后通过端口把数据传输给应用程序

3.2 端口号范围

• Well-Known Ports（即公认端口号）

  它是一些众人皆知著名的端口号，这些端口号固定分配给一些服务，我们上面提到的 HTTP 服务、 FTP服务等都属于这一类。知名端口号的范围是：0-1023

• Registered Ports（即注册端口）

  它是不可以动态调整的端口段，这些端口没有明确定义服务哪些特定的对象。不同的程序可以根据自己的需要自己定义，注册端口号的范围是：1024-49151

• Dynamic, private or ephemeral ports（即动态、私有或临时端口号）

  顾名思义，这些端口号是不可以注册的，这一段的端口被用作一些私人的或者定制化的服务，当然也可以用来做动态端口服务，这一段的范围是：49152–65535

4 tcp与udp

4.1 udp介绍

udp是一种面向无连接的协议，每个数据报都是一个独立的信息，包括完整的源地址或和目的地址，它在网络上以任何可能的路径传往目的地，因此能否到达目的地，到达目的地的时间以及内容的正确性都是不能被保证的。

• 特点

  1. 无需建立链接，数据到达后也无需确认
  2. 不可靠交付

• 适用场景

  • 通常用于可靠性较高的网络环境（局域网）或不要求可靠传输的场合
  • 也常用于客户机/服务器模式中。

• 举例

  • 网络游戏
  • 直播
  • 音视频传输

4.2 tcp介绍

tcp是一种面向连接的、可靠的、基于字节流的通讯协议。

• 特点

  1. 面向连接，提供了可靠的建立连接和拆除连接的方法
  2. 可靠交付

• 适用场景

  • TCP常用于不可靠的互联网中为应用程序提供面向连接的，可靠的，端到端字节流服务。

• 举例

  • 远程控制
  • 邮件
  • 点对点文件传输

5 socket介绍

• Socket（简称套接字）是进程间通信的一种方式。
• 它能实现不同主机间的进程通信，我们网络上各种各样的服务大多是基于Socket来完成通信的。
• 例如我们每天浏览网页、QQ聊天、收发email等等。

5.1 创建socket

python中使用socket模块的函数socket就可以完成。

该函数带有两个参数：

1. adderss family：可以选择AF_INET（用于internet进程间通信）或者AF_UNIX(用于同一台机器进程间通信)
2. Type：套接字类型，可以是SOCK_STREAM（流式套接字，主要用于TCP协议）或者SOCK_DGRAM（数据报套接字，主要用于UDP协议）

• 创建一个udp socket（udp套接字）

import socket

s = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_DGRAM)

• 创建一个tcp socket（tcp套接字）

import socket

s = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)