【网络编程开发】1.网络结构 2.IP地址与端口号 3.字节序

网络编程开发

两台计算机要互相传送文件需解决很多问题：

  1. 必须有一条传送数据的通路。
  2. 发起方必须激活通路。
  3. 要告诉网络如何识别接收方。
  4. 发起方要清楚对方是否已开机，且与网络连接正常。
  5. 发起方要清楚对方是否准备好接收和存储文件。
  6. 若文件格式不兼容，要完成格式的转换。
  7. 要处理各种差错和意外事故，保证收到正确的文件。

1.网络结构

OSI七层体系结构、TCP/IP四层协议与五层体系结构是计算机网络中三个关键的概念，它们各自代表了不同的网络设计哲学和实现方式。

首先，OSI（开放式系统互联）七层模型是由国际标准化组织（ISO）提出的一个用于理解和设计网络系统的框架。它包括物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层和应用层。每一层都有特定的功能和协议，旨在促进不同计算机系统之间的互操作性。

其次，TCP/IP（传输控制协议/网际协议）四层模型则是实际在互联网中使用的模型，它包括网络接口层、网际层、传输层和应用层。TCP/IP模型以其实用性和灵活性而广受欢迎，是目前互联网的基础。

最后，五层体系结构是一个折中的模型，结合了OSI和TCP/IP的优点，通常用于教学和简化概念的理解。它包括物理层、数据链路层、网络层、运输层和应用层。

下面是 OSI七层模型与 TCP/IP四层模型历史渊源：

  1. 网络分层的必要性：网络分层是为了将复杂的网络问题分解成更小、更易管理的子问题。每一层只与紧邻的层直接通信，降低了设计的复杂性，并允许每一层独立地进行改进和发展。
  2. 早期网络体系结构的多样性：在OSI模型提出之前，不同的公司和组织开发了自己的网络体系结构，如IBM的SNA。这些体系结构虽然采用了分层的方法，但层次划分和功能分配各不相同。
  3. ISO的介入与OSI模型的诞生：为了统一网络体系结构，ISO在1977年提出了OSI参考模型，旨在创建一个统一的标准，使不同的网络能够互联。
  4. TCP/IP的兴起：尽管OSI模型得到了国际标准的地位，但TCP/IP因其早期在ARPANET中的应用和互联网的迅速发展而成为了事实上的标准。
  5. 五层体系结构的提出：为了在教学和设计中简化概念，同时保留OSI和TCP/IP的优点，提出了五层体系结构。这种模型在保持层次化设计的同时，减少了层次的数量，使得理解和应用更为直观。

OSI七层体系结构

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高层，负责主机之间的数据传输功能
应用层（Applications Layer）：网络服务与最终用户的一个接口
表示层（Presentation Layer）：数据的表示、安全、压缩
会话层 （Session Layer）：建立、管理、中止会话
低层：负责网络之间的数据传输功能
运输层 （Transport Layer）：定义传输数据的协议端口号，以及流控和差错校验
网络层 （Network Layer）：进行逻辑地址寻址、差错校验等功能
数据链路层 （Data Link Layer）：建立逻辑连接、进行硬件地址寻址、差错校验等功能
物理层 （Physical Layer）：建立、维护、断开物理连接

TCP/IP四层体系结构

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  • 是事实上的国际标准

  • 实质上TCP/IP只有最上面的三层，最下面的网络接口层（链路层）并没有具体内容

  • 链路层所使用的各种局域网标准是由IEEE的802委员会下属的各工作组负责制定的

  • 路由器在转发分组时最高只用到网际层，没有使用运输层和应用层。

  • 现在互联网使用的 TCP/IP 体系结构已经发生了演变，即某些应用程序可以直接使用 IP 层，或甚至直接使用最下面的网络接口层。

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五层体系结构

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计算机网络的五层体系结构包括应用层、运输层、网络层、数据链路层和物理层。这个模型结合了OSI七层模型和TCP/IP四层模型的优点，旨在简化网络设计并易于理解。以下是对各层功能的详细分析：

  1. 应用层
    • 主要功能：应用层是五层体系结构中的最高层，直接为用户的应用程序提供服务。它负责确定进程之间通信的性质，以满足用户的需要。应用层处理数据的格式和语义，使得源端和目标端能够理解和处理数据内容。
    • 常见协议：应用层协议包括HTTP（用于网页浏览）、FTP（文件传输协议）、SMTP（简单邮件传输协议）等。这些协议定义了如何通过网络进行特定的数据处理和传输。
  2. 运输层
    • 主要功能：运输层负责主机中两个进程之间的通信。它提供了端到端的数据传输服务，确保数据的完整性和顺序。运输层通过端口号来区分同一台机器上运行的不同应用程序，从而实现多路复用。
    • 核心协议：运输层的核心协议包括TCP（传输控制协议）和UDP（用户数据报协议）。TCP提供可靠的连接导向服务，而UDP则提供快速的无连接服务。
  3. 网络层
    • 主要功能：网络层负责为分组交换网上的不同主机提供通信。它通过使用逻辑地址（如IP地址）来确定数据包的最佳传输路径。网络层还处理路由选择、分组的分段与重组以及拥塞控制。
    • 关键设备：路由器是网络层的关键设备，它根据网络层的地址信息来决定数据包的转发路径。
  4. 数据链路层
    • 主要功能：数据链路层的主要任务是将原始比特流划分为逻辑数据单元（帧），并通过物理网络进行传输。这一层还负责错误检测和校正，以确保数据的可靠传输。它还定义了如何格式化数据以进行传输，以及如何控制对物理介质的访问。
    • 设备例子：交换机是数据链路层的关键设备，它根据数据帧的MAC地址来进行局部网络内的数据传递。
  5. 物理层
    • 主要功能：物理层负责在传输媒体（如电缆、光纤）上建立、维护和终止物理连接。它处理与物理设备相关的所有功能，包括电压变化、信号调制和比特率控制等。物理层的主要作用是传输比特流，即由1和0组成的数据序列。
    • 硬件标准：物理层的硬件标准包括网线的接口类型、光纤的接口类型以及各种传输介质的传输速率等。

这种分层的设计思想不仅简化了网络系统的设计与教学，也促进了不同网络系统之间的互操作性和兼容性。

2.IP地址与端口号

IP地址简介

IP地址是互联网协议（IP）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。

为了全面理解IP地址的重要性和功能，以下将从多个角度进行分析：

  1. IP地址的定义与作用
    • 定义：IP地址是一个由数字组成的标识符，用于标识互联网上的设备。这个地址确保数据能够被正确地发送到目标设备。
    • 作用：IP地址使得终端设备之间的通信成为可能，无论这些设备的物理位置如何。它允许数据包在全球范围内的网络中路由和传输。
  2. IP地址的发展历程
    • 起源：随着互联网的发展，需要一个统一的地址系统来识别和定位连网的设备。因此，IP地址的概念应运而生。
    • 发展：最初的IP地址设计是基于32位的IPv4协议，随着互联网用户数量的增加，IPv4地址逐渐不足以满足需求，这导致了新版本IPv6的推出，它使用128位地址长度，极大地扩展了地址空间。
  3. IP地址的类型
    • 公有地址：公有地址在互联网中是唯一的，用于公网上的设备，使得这些设备可以直接从互联网访问。
    • 私有地址：私有地址用于内部网络中，如家庭、企业的内部网络。这些地址不能直接在互联网中使用，需要通过网络地址转换（NAT）技术转换为公有地址后才能访问互联网。
  4. IP地址的编址方式
    • IP地址根据网络ID的不同分为5种类型，分别是A类地址、B类地址、C类地址、D类地址和E类地址
  5. IP地址的分配与管理
    • 手动分配：网络管理员可以手动配置每个设备的IP地址，这种方法适用于小规模网络。
    • 自动分配：通过DHCP（动态主机配置协议）服务器自动分配IP地址，当设备连接到网络时，会自动获取一个IP地址。这种方式简化了网络管理，特别是在设备频繁变动的大型网络中。

此外，在深入了解IP地址的配置和管理之后，还需要考虑一些实际操作时的注意事项：

  1. 子网划分：通过子网划分，可以将一个大网络划分为多个小网络，有助于优化网络的管理和安全性。
  2. 无类间路由：无类间路由（CIDR）是一种用于IP网络路由的技术，它旨在解决IPv4地址耗尽的问题，通过更灵活的路由策略来减少IP浪费。
  3. IPv6过渡：随着IPv4地址的耗尽，越来越多的网络正在向IPv6过渡。这一过程中需要解决两种协议的兼容性问题，确保平滑过渡。

IP地址表示方法

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IP地址的分类

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IP地址根据网络ID的不同分为5种类型，分别是A类地址、B类地址、C类地址、D类地址和E类地址。以下是对各类IP地址的详细阐述：

  1. A类IP地址：A类地址主要设计用于大型网络，其由1字节的网络地址和3字节的主机地址组成。网络地址的最高位必须是“0”，可用的A类网络有127个，每个网络能容纳约1677万个主机。地址范围从1.0.0.0到127.0.0.0，其中127.0.0.1是特殊的回环测试地址，用于本地机器的测试。
  2. B类IP地址：B类地址适用于中型网络，包含2个字节的网络地址和2个字节的主机地址。这类地址的网络部分以“10”开头，地址范围为128.0.0.0至191.255.255.255。每个B类网络可以容纳约6万多个主机。
  3. C类IP地址：C类地址是为小型网络设计的，包括3字节的网络地址和1字节的主机地址。这些地址的网络部分以“110”开始，地址范围从192.0.0.0到223.255.255.255。每个C类网络可容纳254个主机。
  4. D类IP地址：D类地址用于多点广播（Multicast）。它们的第一个字节以“1110”开始，专门保留用于多点广播。多点广播地址用来一次寻址一组计算机，通常标识共享同一协议的一组计算机。这类地址的范围是从224.0.0.0到239.255.255.255。
  5. E类IP地址：E类地址以“1111”开始，被保留用于将来使用或研究目的。这类地址的范围是从240.0.0.0到255.255.255.254，而255.255.255.255被定义为广播地址。

此外，在IP地址中还特别定义了一些私有地址范围，这些地址不会被路由到互联网上，而是用于内部网络中。私有地址范围包括：

  • A类私有地址：10.0.0.0至10.255.255.255
  • B类私有地址：172.16.0.0至172.31.255.255
  • C类私有地址：192.168.0.0至192.168.255.255

了解这些分类对于正确配置网络设备和进行网络规划至关重要。每一类地址的设计都旨在满足不同规模网络的需求，从而有效管理IP地址资源并优化网络性能。

无类间路由（CIDR）

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  • CIDR表示法将IP地址与斜杠“/”和前缀长度结合，例如192.168.1.1/24，其中24是前缀长度，表示网络部分的位数。

优点：

  • CIDR通过精确的地址分配避免了传统分类方式中的地址浪费，尤其在IPv4地址资源紧张的情况下，这一点显得尤为重要。
  • 通过聚合相邻的地址块，CIDR减少了路由表中的条目数量，从而提高了路由器的性能和网络的稳定性。
  • CIDR允许根据需要划分子网，不再受传统类别的限制，这使得网络管理员可以更好地适应组织内部结构的变化。

子网掩码

  • 位数：32 位。
  • 目的：让机器从 IP 地址迅速算出网络地址。
  • 由一连串 1 和接着的一连串 0 组成，而 1 的个数就是网络前缀的长度。

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默认地址的子网掩码

在实际应用中，子网掩码与IP地址结合使用，通过对IP地址和子网掩码进行逻辑AND操作，可以得到网络地址，从而确定某台主机是否处于同一网络或子网内。

IPv6表示

  • 在 IPv6 中，每个地址占 128 位，地址空间大于 3.4 1038 。
  • 使用冒号十六进制记法(colon hexadecimal notation, 简写为 colon hex)：16 位的值用十六进制值表示，各值之间用冒号分隔。
//点分十进制数记法：
104.230.140.100.255.255.255.255.0.0.17.128.150.10.255.255
//冒号十六进制记法：
68E6:8C64:FFFF:FFFF:0000:1180:960A:FFFF
//冒号十六进制记法（零压缩）：
68E6:8C64:FFFF:FFFF:0:1180:960A:FFFF

零压缩

零压缩 (zero compression)：一串连续的零可以用一对冒号取代。

例：

FF05:0:0:0:0:0:0:B3
//压缩为：
FF05::B3

注意：在任一地址中，只能使用一次零压缩。

端口号

端口号的作用是区分不同的应用程序和会话，解决的问题是网络通信中不同应用的识别和服务定位。在深入理解端口号的重要性和应用之后，可以发现端口号不仅仅是简单的数字标识，而是网络通信中不可或缺的一部分。

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  1. 区分应用程序
    • 识别服务：端口号使得操作系统能够识别并转发数据到正确的应用程序。
    • 多任务处理：通过端口号，同一台计算机上的多个程序可以同时进行网络通信而不会相互干扰。
  2. 支持并发操作
    • 独立通信：每个应用程序可以独立地发起和接收数据，端口号确保了数据传输的准确性和独立性。
    • 资源优化：系统能更有效地管理网络资源和处理进程，提高了整体的网络效率。
  3. 网络安全控制
    • 过滤数据：端口号使防火墙能够基于特定的端口来允许或阻止数据流，增强了安全性。
    • 防止冲突：为不同的应用程序分配不同的端口号，避免了地址冲突和服务混乱的问题。
  4. 实现动态分配
    • 灵活通信：系统可以根据需要动态分配端口号，使得网络通信更为灵活和高效。
    • 自动释放：使用完的端口可以被释放重用，优化了端口资源的利用率。
  5. 提供远程访问
    • 访问控制：端口号允许外部设备通过特定的端口访问内部运行的服务，如HTTP服务通常监听80端口。
    • 安全隔离：通过限制可访问的端口，系统可以更好地控制哪些服务可以从外部访问，增加了安全性。

端口的类型

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常用端口

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BSD端口

BSD端口，也称为BSD套接口，是UNIX系统中通用的网络接口，支持多种网络类型和内部进程间的通信机制。

  1. 概念功能
    • BSD套接口是UNIX系统下用于网络通信的一种标准接口。
    • 它不仅支持各种网络类型，还能用于同一台计算机内部不同进程之间的通信。
  2. 主要特点
    • BSD套接口能够处理多种类型的套接口，每种套接口都有自己的寻址方法。
    • 与管道不同，套接口对于可以容纳的数据大小没有限制。
  3. 套接口类型
    • 流式套接口提供可靠的双向顺序数据流连接，如TCP协议所使用。
    • 数据报套接口提供双向数据传输但不保证数据的完整到达，如UDP协议所使用。
  4. 通信模式
    • 在客户机/服务器模式下，服务器通过套接口提供服务，而客户机则使用这些服务。
    • 服务器创建一个套接口并绑定到特定地址，然后监听来自客户机的连接请求。

BSD保留端口和用户端口的不同用途

  • 0-1023： BSD保留端口，也叫系统端口，这些端口只有系统特许的进程才能使用
  • 1024~65535为用户端口，其中：
    • 1024-5000： BSD临时端口，一般的应用程序使用1024到4999来进行通讯；
    • 5001-65535：BSD服务器(非特权)端口，用来给用户自定义端口。

3.字节序

字节序分为大端序和小端序，大端序和小端序是两种不同的字节存储顺序。在计算机系统中，由于历史和技术的原因，不同的处理器架构采用了不同的字节序策略。以下是对大端序和小端序的相关介绍：

  1. 概念理解：
    • 大端序（Big-endian）：将最高位字节（即最重要的字节）存储在内存的最低地址处，最低位字节存储在最高地址处。
    • 小端序（Little-endian）：将最低位字节存储在内存的最低地址处，最高位字节存储在最高地址处。
  2. 实例演示：
    • 假设有一个32位整数0x12345678，如果采用大端序存储，则内存中从低地址到高地址的顺序为0x12 0x34 0x56 0x78；而采用小端序时，顺序则为0x78 0x56 0x34 0x12。这种区别对于设计跨平台的软件和进行网络通信尤为重要，因为不同的处理器可能采用不同的字节序。
  3. 应用场景：
    • 大端序：通常被许多网络协议采用，因此也被称为网络字节序。此外，某些处理器如PowerPC也默认使用大端序。
    • 小端序：多数现代个人电脑和服务器采用的x86及x86_64架构支持小端序。由于其与处理器的读取顺序一致，这在一定程度上能提高数据处理的效率。

示例

查看主机字节序

#include <stdio.h>
uint32_t val32 = 0x11223344;
uint8_t val8 = *( (uint8_t *)&val32 );
if(val8 == 0x44)
	printf("本机是小端字节序\n");
else
	printf("本机是大端字节序\n");

  1. 定义了一个无符号32位整型变量val32，并且初始化为0x11223344

  2. 定义一个8位的无符号整型变量val8，并且将强转以后的val32的数据赋值给val8

  3. 这样做的目的是获取变量val32第一个字节的值，后面就可通过判断val8的值是0x44或者0x11来确定主机字节序是大端还是小端

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