网络的拓扑结构

网络的拓扑结构

最初计算机的不同主机之间是不能通信的，只能处理各自独立的数据，但当需要三个不同数据需要合并时，三台主机之间就必须建立通信，交换机将不同的主机连接起来，这时就有了数据交换的能力。
随着主机的增多，就有了局域网的雏形。
当不同的局域网之间需要数据连通时，路由器将不同的局域网连接起来，就组成了覆盖范围更广的城域网或广域网

局域网（覆盖范围1km以内）
城域网（覆盖范围20km以内）
广域网（覆盖访问20km以上）

IP协议

IP地址：
ipv4： uint_32_t

--DHCP  动态地址分配
		谁用给谁分配
--NAT   网络地址转换
		给多台主机组织一个私网，私网中的主机使用私网的IP地址，对外通信时使用唯一的IP地址

ipv6: uint_8_t[16]
用于在网络中唯一标识一台主机
端口号：
unit16_t
在一台主机上唯一标识一个网络通信的进程。
网络中的每条数据都带有两条信息：源端端口号/对端端口号
IP地址和端口号搭配使用，表示一台主机上的哪一条数据，要发送到哪一台主机的哪一个进程上去。

TCP/IP模型：

通信协议：数据格式约定
通过网络中服务不同，使用的协议不同，划分了不同的协议分层。
协议分层：OSI/TCP/IP
OSI七层模型：应用层/表示层/会话层/传输层/网络层/链路层/物理层
TCP/IP五层模型：应用层/传输层/网络层/链路层/物理层
对于层状结构，尽管我们知道各层之前联系要依靠很多设备间接通信，但是由于这样的解耦合，我们仍然可以认为各层之间是直接沟通的：

应用层：负责应用程序之间的沟通 --- HTTP/FTP/DNS/DHCP....
传输层：负责端与端（两个节点）之间的数据传输 --- TCP/UDP
	应用层和传输层没有对饮的设备，只在通信双方的计算机中存在，甚至有的路由器中就包含了
网络层：负责地址管理与路由选择 --- 主机IP地址的描述 --- IP --- 路由器
链路层：负责相邻设备之间的数据传输 --- 网卡硬件地址的描述（mac地址的描述） --- 以太网协议 /令牌环网--- 交换机
物理层：负责物理光电信号的传输 --- 以太网协议 --- 网线、同轴电缆、光纤、wifi无线网使用的电磁波、调制解调器（猫）集线器

关键名词：

	集线器：光电信号在传输过程中是会衰减的，如果有这样一个设备可以对光电信号进行加强，使得光电信号可以传输的更远，
  就可以实现远距离数据传输。这个设备就是集线器
  	以太网：以太网的名字来源于20世纪20年代的物理学假说：“以太假说”，物理学家认为，光的传输是需要媒介的，
  太阳照到地球有八分钟的路程，那么是不是宇宙中充满了像“以太”这样的物质呢？当然这个假说被推翻了。
  但是当时参与演讲的还有两个计算机工程师，既然在物理学中不存在，但是在我们的局域网里是存在的呀，所以就命名了“以太网”作为互联网的网络标准。

层状结构的网络通信

在一台计算机主机中，从上到下由用户层、系统调用层、内核层、驱动、硬件组成，负责网卡驱动的部分就是网络通信，也叫网络协议栈（应用层、传输层、网络层、链路层）。网络通信时，两台主机之间的通信，是由两台主机的网络协议栈完成的，所以可以理解为，就是两个网络协议栈的通信。

在网络通信中，网络层负责将数据发送到哪里的问题，传输层负责数据真正的传输过程，这就好比一个武士，练就了一身武艺（传输层）他要杀人，也知道要杀谁（网络层），但是他可以保证一定能杀死吗？
这时候它就需要一把宝刀，可以保证他可以杀死对手并或者回来（传输层：负责处理数据传输过程中遇到的问题，保证数据安全可靠）
但是他为什么要啥人呢？他是一个刺客，客户要他杀谁，他就得去（应用层）

这样的层状结构，当网络通信出现问题时，可以根据问题快速找出错误位置，所以层状结构的本质就是：

1.软件工程上的解耦合，层与层之间只有接口的相互调用关系
2.增加代码的可维护性和可扩展性

局域网（物理层）通信：

在局域网通信中，本质是，所有的主机都收到了任何数据，只不过应该筛选提交上来了，收到发给自己的数据。
1.局域网中，网络本身的特性是要求，同一时刻只能有一个机器进行发送数据。
2.如果网络中的数据发生了“碰撞”，当前主机是可以检测到的
3.所有的主机都要进行“避免碰撞算法”（就是等一下再发）

MAC地址：
MAC地址就是局域网地址，也叫以太网地址或物理地址，顾名思义，就是局域网中数据传输的地址。用于在网络中标识一个网卡的位置，是全球唯一的。
MAC数据帧：
在数据经过链路层时，会对数据进程封包，封包的内容就包括源端的mac地址和对端的mac地址。组成的数据就是mac数据帧。

链路层封包完成之后，就会将数据扔进局域网中，所有的主机都收到了这个mac数据帧，

单项数据发送：若这个数据帧dest_src等于某一个主机（假设B）的src_mac，那么所有的主机经过解析之后，B知道，这是发给自己的，就向上层交付，其他主机知道这不是发给自己的，就丢弃。
广播发送数据：若这个数据帧的dest_mac等于FFFF……FFFF，即发送给全部主机，所有的主机都知道这是发送给自己的，就像上层交付。

网络通信中的数据封装与分用流程：

在一个局域网中，A端想要发送一个“你好”给B端，经历了TCP/IP的五层协议的封装与分用，每经过一层，对应的协议就会给有效数据添加报头，这个报头其实就是一个结构体，添加在缓冲区中数据的前面。

当报头添加完毕之后，可以进行传输了，根据IP协议的ip和port就可以找到对应的B端主机，将封装好的数据发送给B端。
B端收到数据之后，就会自下而上对数据进行解包，分用。

那么当前层是如何得知报头和有效载荷之间的分割呢？

	1.报头定长
	2.自定义描述字段

怎么知道，将有效载荷交付给哪个上层呢？

	每个报头结构体中都包含了一个type字段，可以确定有效载荷会交给谁
	也是因为 这一点，我们可以认为，服务端的某一层和客户端的某一层直接联系

这就是所有协议的共性：

广域网（互联网）通信

局域网链路层的网络不只是有以太网，还有令牌环网。
两者的区别就是，针对在网线中发生碰撞的处理方法不用，令牌环网是谁拿到令牌谁就发送数据。
其上层的方式相同，但是下层的组网方式是不同的。这就意味着，当局域网和局域网之前通信时，还要经过一些必要的过程。
当以太网的数据帧传输到路由器，路由器的物理层收到数据帧，向上交付给路由器的链路层，链路层完成解包，再讲有效载波交付到路由器的网络层。
网络层查看到数据的IP信息，就知道要发送给哪个局域网中的哪台主机，但是不是直接交给这台主机的网络层呢？
答案是绝对不是！
如果数据横跨两种不同组网方式的网络，那么还要使数据要能被对方网卡的驱动程序识别，所以路由器还必须向下层封包交付，再放入其网线碰撞域。

这个局域网的所有主机就开始识别，（以太网识别以太网，令牌环网识别令牌环网），最后收到数据，按照各自的格式向上交付。
这样的过程，保证了上层数据的完全一致，虽然下面的数据是不同的，但上层数据的交流完全不需要关心下层的不同。

IP地址：
上面的过程中，IP地址起着重要的作用：就是虚拟化了底层网络的差异（虚拟地址空间和一切皆文件也有这样的思想）
这样的虚拟化使得，上层交流不需要考虑下层的差异，使得通信变得方便起来。
上层只需要负责通信的内容，下层只需要构建好通信的方式，上层和上层之间的通信甚至不需要考虑下层。

网络字节序：

主机字节序：
字节序：cpu对内存中数据的存取顺序
主机字节序的分类：
大端字节序（低地址存高位）
小端字节序（低地址存低位）
主机字节序对网络通信的影响：造成数据二义
如下图，如果小端主机要发送一个整形1给一个大端主机，会按照小端字节顺序发送给大端主机，大端主机在收到数据之后，却会按照大端的字节序存入数据，这样一来小端主机发送的的整形1就变成了一个很大的数字。
网络字节序：
单单按照主机字节序的方式传输数据，一旦主机的大小端不同，就会造成数据二义，那么我们就需要制定一种数据传输的协议，避免这种事情的发生。
网络字节序：网络通信中的字节序标准（将自己的数据的字节序转换为标准的字节序之后再进行传输），避免因为主机字节序不同造成的数据二义。
网络字节序的标准——大端字节序
复习：
字节序针对的数据类型：存储单元大于一个字节的数据类型，short，int，long，float，double这种的。
char buf[]字符串是不需要考虑字节序的。
编写代码判断主机大小端：

Ⅰ
int a = 1;    char* b = (char*)&a;    if(b == 1){小端} 
（b[0] 就是低地址，b[3]就是高地址）--- 地址一般用下标来说
（0x00 00 00 01 从左到右就是比特位的从高到低）
Ⅱ
union{int a,char b;}tmp_t  tmp_t tmp; tmp.a = 1;  if(tmp.b == 1) {小端}
union联合体成员共用同一个空间，如果a值为1，在空间中存储为：01 00 00 00（小端）或 00 00 00 01（大端），
	而b是一个char类型，只获取一个字节大小，所以如果b，是01就是小端，b是00就是大端。

TCP和UDP

在网络通信协议分层中，我们应用层由程序员自己订立或选择，往下的各层由系统搞定。
在传输层我们说到两个协议：TCP和UDP
经常会被问到的问题是：在网络通信程序编程时，到底在传输层使用TCP协议好还是UDP协议好？
其实是不分好坏的，存在即合理。
tcp协议 是传输控制协议，它是面向连接，面向字节流，是可靠传输。
udp协议 是用户数据报协议，它是无连接的，面向数据报，是不可靠传输。
tcp保证可靠传输，但是速度没有udp快。
tcp应用于安全性要求高于实时性的场景，udp适用于实时性要求高于安全性的场景