计算机网络的核心是连接与通信，从底层的物理信号到上层的应用服务，各层协议协同工作

---------------------------------------------------------------------------------------

一.计算机网络分类（按范围）

1•个人区域网（PAN）

通常是几米到几十米，用于连接个人设备，如手机、平板、手表等，包括蓝牙Bluetooth、紫蜂Zigbee（低功耗设备）、红外线IrDA（遥控器）

2•局域网（LAN）

通常覆盖一个建筑物，用于小范围内实现高速数据传输，包括以太网Ethernet（有线设备），Wi-Fi（无线设备）

3•城域网（MAN）

通常覆盖一个城市，用于连接多个局域网，提供城域范围内的数据传输服务，如光纤网络

4•广域网（WAN）

通常覆盖一个国家，用于连接多个局域网和城域网，实现长距离数据传输，如互联网Internet、企业专用网

---------------------------------------------------------------------------------------

二.计算机网络分层模型

将复杂网络通信划分为若干层，每一层执行特定功能，并为上一层提供服务，两层之间通过接口交互

1•OSI模型（国际标准模型）

物理层--数据链路层--网络层--传输层--会话层--表示层--应用层

2•TCP / IP模型（实践模型）

--链路层：包含物理层和数据链路层，涉及在物理网络（通过有线与无线媒介）上的数据通信，还负责帧同步、错误检测、校正等，包括以太网、Wi-Fi、PPP协议

--互联网层：负责将数据报文段从原地址路由到目的地址，定义了在各种网络结构中如何接发数据包，定义计算机设备地址，包括IP协议

--传输层：管理端到端的通信，负责为不同主机上的应用程序提供数据传输，定义设备应用地址（端口号），包括TCP、UDP协议

--应用层：使用下层提供的服务创建用户数据，实现客户的与服务端之间的通信，包括HTTP、SSH、MQTT协议

注意：后端编程是应用层中聚焦于服务器端逻辑实现的部分，前端编程是应用层直接面向用户的界面与交互层，两者协同完成整个应用的功能

3•数据传输单位

协议数据单元（PDU）：包括头部（PCI）和负载（SDU），是各层交换信息的数据单位，在网络层称为数据包、在传输层称为报文段或数据报、在数据链路层称为帧

负载（SDU）：是通信协议的特定层次上传递的数据单元，数据传递到下一层会进行封装，并附加控制信息PCI，转换成PDU

头部（PCI）：是PDU的元数据部分，包括传输数据的控制信息，比如地址、端口号、控制标志、协议类型等，使得网络或传输实体能理解如何处理SDU

4•IP协议（网络层）

网络通信最基础的协议之一，分配IP地址给连接到计算机网络的每个设备的唯一标识符

IPv4：从0.0.0.0到256.256.256.256

IPv6：为了解决IPv4地址数量不足问题，设计出IPv6

私有IP地址：仅在局域网中使用的IP地址，不能直接访问互联网，也无法被互联网上的设备直接访问

公有IP地址：由互联网服务提供商分配，是设备在互联网上的唯一标识

静态IP地址：手动分配，不会改变，适用于需要长期保持相同IP的设备，如服务器

动态IP地址：由服务器动态分配，每次连接网络时可能会改变，适用于普通用户设备，如手机、电脑

路由器：工作在网络层，用于连接不同的网络，将数据包传输到目的地

5•DNS协议（应用层）

域名解析协议，用于将易读的域名（www.com）转换为计算机可以识别的IP地址

递归查询：输入域名-查询本地缓存静态文件-查询本地DNS服务器--查询根域名服务器--查询顶级域名服务器（查询不到该域名IP地址才会向上递归查询）

6•数据链路层

在两个网络实体之间提供数据链路的连接，负责导线（无线或有线媒介）一端到一端的数据传输

MAC地址：是网络设备的硬件地址，用在局域网（LAN）中唯一的设备ID

ARP协议：将IP地址转换为物理MAC地址，用于局域网中已知目标设备IP地址，不知MAC地址时，获得目标设备的MAC地址（通过IP地址广播获得）

7•物理层

负责传输数据的物理通道（模拟信号、物理信号），负责比特传输、物理连接、信号编码和调制、数据速率控制、传输模式、物理拓扑

RS232协议与RS485协议：RS232常用于短距离点对点通信，如鼠标、键盘；RS485常用于长距离多点通信，如工业自动化系统

---------------------------------------------------------------------------------------

三•TCP协议

TCP：面向连接的协议，数据交换前，两个通信段必须建立连接，包含可靠传输、流量控制、拥塞控制、数据排序、端到端通信

1•报文段格式

16 位源端口号--16位目的端口号：用于区分网络服务，实现端到端通信

32位序列号：用于标识数据字节流，给每个字节分配标号，TCP能根据标号重新排序乱序到达的报文段，实现数据排序

32位确认序列号：用于接收到数据的确认，是发送方期望从对方收到的下一字节的标号，也是对之前收到的数据的确认，实现可靠传输

4位数据偏移：用于表示TCP头部长度，除了固定20字节部分，还可以包含可变长度的选项字段，将首部与数据部分区分开来

6位保留位：还未确定功能，必须为0

6位控制位：URG（紧急标志）、ACK（确认标志）、PSH（立即上传标志）、RST（链接错误标志）、SYN（建立连接标志）、FIN（断开连接标志），控制不同行为

16位窗口大小位：用于控制对方发送的数据量，以避免接收区缓冲区溢出，实现流量控制

注意：TCP连接中，双方各自维护一个缓冲区，为防止缓冲区溢出，使用滑动窗口机制控制发送方的发送速率，接收方会在返回的ACK报文段设置窗口大小位

16位TCP校验和：用于检查整个报文段的错误，实现可靠传输

16位紧急指针数据偏移量：当URG标志为1时，代表为紧急数据，表明从当前序列号开始的紧急数据的字节偏移量

选项区：可能包含的各种可选字段

填充区：TCP是在32位体系结构设计，为了内存对齐以提升效率，需要确保头部长度为32位的整数倍

2•TCP状态

-- CLOSED：初始状态和最终状态，表示没有连接，也没有正在进行通信

-- LISTEN：服务器端监听来自客户端的连接请求，等待SYN报文进入连接

-- SYN_SENT：客户端发送SYN包连接请求到服务器端，转入SYN_SENT状态等待服务器确认

-- SYN_RECEIVED：服务器端接收到客户端的SYN报文后，响应SYN+ACK报文，同时进入SYN_RECEIVED状态，代表服务器端已同意连接请求

-- ESTABLISHED：服务器端和客户端连接已建立，可以进行数据传输，三次握手成功后，双方都会进入的状态

注意：以上为TCP的连接建立过程，又称为三次握手（客户端发送SYN-服务端发送SYN和ACK-客户端发送ACK）

-- FIN_WAIT_1：当一端已完成数据传输任务后，会发送FIN报文，表示已经完成数据发送，进入该状态

-- CLOSE_WAIT：接收到对方发送的FIN报文后，进入该状态，代表连接一方没有数据发送，但是本端可能还有需要发送的数据

-- FIN_WAIT_2：在发送FIN报文后，且对方回应ACK响应后，进入该状态，等待连接一方的FIN报文

-- TIME_WAIT：接收到对方的FIN报文并发送ACK响应后，进入该状态，该状态会持续一段时间，确保对方接收到最后一个ACK报文

注意：以上为TCP连接释放过程，又称为四次挥手（客户端发送FIN-服务端发送ACK-服务端发送FIN和ACK-客户端发送ACK）

3•拥塞控制

由于网络或其他环境因素影响，导致网络传输能力受限，发送方无法在超时前收到ACK，不断重传导致进一步加剧拥堵，所以设立拥塞窗口，由发送方维护

--慢启动：每接收到一个ACK，拥塞窗口的初始大小翻倍，这一阶段窗口大小呈指数增长

--拥塞避免：当拥塞窗口大小到达设立的慢启动阈值，进入该阶段，此阶段每接收到一个ACK，窗口大小加1，此阶段窗口大小呈线性增长

--超时重传：当出现报文段的丢失，则将慢启动阈值设为当前窗口大小的一半，然后将窗口大小设为初始值，重新开启慢启动阶段

--快速重传：累计确认的方式使得某个报文段发生丢失，即便收到了后面的数据也会回应相同的ACK，当连续接收到3个重复的ACK时，判定相应的报文段丢失，立即重传

--快速恢复：当发生快速重传后，将慢启动阈值设为当前拥塞窗口大小一半，且拥塞窗口直接设置为阈值，不执行慢启动

区别：接收窗口是接收方发送给发送方的ACK报文中设置可接收数据速度，拥塞窗口是发送方认为网络可以承担的发送数据速度，实际发送速率是他俩的最小值

注意：可使用可视化工具wireshark进行三次握手、数据传输、四次挥手的消息监测

4•TCP开发常用函数

套接字作为操作系统提供的网络编程接口（API），其内部已经封装了大量的底层网络通信细节，让开发者无需直接处理复杂的协议逻辑（可分层选择协议）

套接字内部实现：TCP（连接、各种机制、释放）、UDP、地址与端口管理、数据缓冲与I/O处理、连接状态管理、错误处理与信号通知等

套接字组成：网络地址（通常使用IP）、端口号（标识设备上的特定应用或进程）、协议（如TCP与UDP定义传输规则）

4•1 单连接服务端进程（使用IPv4为例）

--定义地址结构体：使用IPv4地址结构体的定义，struct  sockaddr_in  server_addr,client_addr，并使用memset（&addr，0，sizeof（addr）清空内容

--填写结构体中服务端地址协议：server_addr.sin_family = AF_INET，由于定义的IPv4地址结构体，所以此处必须选用AF_INET表达使用IPv4协议地址

--填写结构体中服务端IP地址：server_addr.sin_addr.s_addr = htonl（INADDR_ANY），让服务器绑定本机的所有可用IP地址（宏定义）

注意：htonl表示字节转换，网络协议要求使用大端字节序，主机CPU可能使用小端字节序，需要将主机字节序转换为网络字节序（htonl、htons、ntohs、ntohl）

--填写结构体服务端端口号：server_addr.sin_port = htons（1234），其中htons，h表示host，n表示net，s表示short，最终实现将端口号写入地址结构体

--创建：socket（通信域，创建类型，补充协议），通信域常使用AF_INET，表示使用IPv4互联网协议；创建类型常使用SOCK_STREAM或SOCK_DGRAM，表示使用TCP或UDP协议传输；补充协议涉及硬件补充设施，使用0会自动进行选择补充协议；函数成功会返回int类型的文件描述符sockfd

--绑定地址：bind（sockfd，结构体地址指针sockaddr，结构体地址长度），将sockaddr指定的地址绑定文件描述符sockfd（此处使用&server_addr）

--服务端监听：listen（sockfd，还未接收等待连接的队列长度），将地址绑定后，可以直接进入监听状态

--获取客户端连接：accept（sockfd，接收的客户端的地址，地址长度的指针），建立连接，可以接收到客户端的地址（此处地址使用&client_addr），并返回int类型客户端文件描述符clientfd，使用该文件描述符进行数据的传输，若没有客户端连接，则服务端将挂起等待

--创建发送消息进程与接收消息线程：使用pthread_create创建线程read_from_client、write_to_client，并将客户端描述符clientfd传入线程

--接收消息线程：malloc设置接收缓冲区，使用recv接收客户端描述符的数据，即客户端传送的数据，若返回值为0则代表客户端主动关闭连接，free释放接收缓冲区

--发送消息线程：接收控制台信息使用send发送数据给客户端描述符

--收尾：使用pthread_join收尾子线程，使用close关闭服务端和客户端文件描述符

4•2 单连接客户端进程（使用IPv4为例）

--定义地址结构体：使用IPv4地址结构体的定义，struct  sockaddr_in  server_addr,client_addr，并使用memset（&addr，0，sizeof（addr）清空内容

--填写结构体中客户端地址协议：client_addr.sin_family = AF_INET

--填写结构体中客户端IP地址：inet_pton（AF_INET，“192.168.0.0”，&client_addr.sin_addr.s_addr），让客户端绑定特定IP地址

--填写结构体客户端端口号：client_addr.sin_port = htons（5678）

--填写结构体中服务端地址协议：server_addr.sin_family = AF_INET

--填写结构体中服务端IP地址：inet_pton（AF_INET，“0.0.0.0”，&server_addr.sin_addr.s_addr），使用时需写上服务端的IP地址

--填写结构体服务端端口号：server_addr.sin_port = htons（1234）

--创建：socket（通信域，创建类型，补充协议），通信域常使用AF_INET，表示使用IPv4互联网协议；创建类型常使用SOCK_STREAM或SOCK_DGRAM，表示使用TCP或UDP协议传输；补充协议涉及硬件补充设施，使用0会自动进行选择补充协议；函数成功会返回int类型的文件描述符sockfd

--绑定地址：bind（sockfd，结构体地址指针sockaddr，结构体地址长度），将sockaddr指定的地址绑定文件描述符sockfd（此处使用&client_addr）

--主动连接服务端：connect（sockfd，连接的服务端地址，地址长度的指针），前提需要服务端处于挂起状态，返回值可以判断是否连接成功（此处使用&server_addr）

--创建发送消息进程与接收消息线程：使用pthread_create创建线程read_from_server、write_to_server，并将客户端描述符sockfd传入线程

--接收消息线程：malloc设置接收缓冲区，使用recv接收客户端描述符的数据，即服务端传送的数据，若返回值为0则代表服务端主动关闭连接，free释放接收缓冲区

--发送消息线程：接收控制台信息使用send发送数据给客户端描述符

--收尾：使用pthread_join收尾子线程，使用close关闭客户端文件描述符

注意：TCP连接是全双工属性，套接字读写操作各自对应发送、接收缓冲区的机制，所以可以实现同时的双向传输

4•3 多连接

服务端获取多个客户端连接：套入while（1）不断accept客户端，获得clientfd并创建与其对接的线程或进程，进行收发客户端信息

客户端连接服务端：客户端可以不绑定地址，直接由系统自动分配一个空闲的端口号给客户端

---------------------------------------------------------------------------------------

四•UDP协议

UDP：面向无连接的协议，通信前不需要建立连接，直接发送数据报，传输效率高，适用于对实时性要求高但可容忍少量数据丢失的场景，如直播、游戏、视频通话等

1•区别

相比TCP，UDP不存在握手与挥手，服务端不需要listen、accept，客户端不需要connect，两端都不能确定对方是否收到消息（发送方需要知道接收方地址）

2•UDP开发常用函数

2•1 服务端进程

--定义地址结构体--填写结构体中服务端地址协议--填写结构体中服务端IP地址--填写结构体服务端端口号--创建socket--绑定地址bind

--接收数据：recvfrom（sockfd，buf，1024，0，&client_addr，地址长度），将客户端发送的数据接收到buf中

--回复数据：sendto（sockfd，buf，4，0，&client_addr，地址长度），将buf内数据发送给客户端

2•2 客户端进程

--定义地址结构体--填写结构体中服务端地址协议--填写结构体中服务端IP地址--填写结构体服务端端口号--创建socket（客户端不需要绑定地址）

--接收数据：recvfrom（sockfd，buf，1024，0，&server_addr，地址长度），将服务端发送的数据接收到buf中

--发送数据：sendto（sockfd，buf，4，0，&server_addr，地址长度），将buf内数据发送给服务端

---------------------------------------------------------------------------------------

五.Socket IPC（进程通信）

专门处理同一台机器上的进程间通信，属于本地通信（不用走网卡）

1•定义结构体套接字

struct sockaddr_un socket_addr、client_addr；memset（&socket_addr，0，sizeof（socket_addr））

2•服务端流程

--创建套接字：socket（AF_UNIX，SOCK_STREAM，0），返回服务端描述符sockfd

--绑定路径：socket_addr.sun_family = AF_UNIX； strcpy（socket_addr.sun_path，unix_domain.socket），不同进程通过unix_domain.socket路径找到套接字

--绑定本地地址：bind（sockfd，&socket_addr，sizeof（socket_addr）），使套接字与该路径关联

--监听：listen（sockfd，5）

--接收：accept（sockfd，&client_addr，sizeof（client_addr）），返回客户端描述符connfd

3•客户端流程

--创建套接字：socket（AF_UNIX，SOCK_STREAM，0），返回客户端描述符sockfd

--绑定路径：client_addr.sun_family = AF_UNIX； strcpy（client_addr.sun_path，unix_domain.socket），和服务器端绑定相同路径才能找到

--连接：connect（sockfd，&client_addr，sizeof（client_addr））

4•收尾

--close（sockfd）、close（connfd）、服务器需要unlink（socket_addr.sun_path），避免下次绑定报错