【Linux网络编程二】网络基础2（网络框架）

一.数据如何跨网络传输

在上一篇网络基础中，理解了在局域网下两台主机是如何通信，进行数据的传输的。
在同一个局域网下，两台主机是可以直接通信的，那么如果在不同的局域网下，两台主机该如何通信呢？也就是在跨网络情况下，数据是如何传输的呢？

1.前提知识①：跨网络的主机之间的文件传输，数据从一台计算机到另一台计算机传输的过程中，必须要经过一个或多个路由器！
2.也就是要将数据发送给其他局域网下的一台主机，需要先将数据传输给路由器。再由路由器转发给另一台主机。原因：因为另一台主机的ip地址不是属于当前局域网，是其他子网的，所以必须通过路由器。
3.前提知识②：路由器也是当前局域网下的一台主机，普通机子。
4.所以把数据交给路由器，本质也是在局域网下通信！
因为路由器就是局域网下的一台主机。

网络通信核心就是贯穿协议栈，数据从应用层封装报头到达传输层，再封装到达网络层，在该层，封装的报头里会存储目的本机ip地址和目的ip地址，最后封装报头到达数据链路层，然后通过以太网发送到网络中。在该局域网下的所有主机都会接收到消息，但只有路由器能接收到。

因为在该层会分析报文里的目的ip是否是子网内的，如果不是子网内部的，就需要跨网络。就将数据传给路由器。

因为路由器就是一台主机，它是位于网络层的，所以它底层也具有数据链路层，可以接收其他主机发送的消息。

所以在数据链路层会分离报头，解析报文，根据报文里的目的ip是否需要跨网络，来决定传递的是对端主机还是路由器。如果目的ip是本子网内的那么是发送给对端主机，如果不是本子网的ip那么就是发送给路由器。

路由器在网络层就接收到了报文，并且检测到报头里的目的ip，发现是发送给C局域网里的一台主机，所有它就将报文往下交付，重新封装C域网里的协议报头。

然后属于C局域网的目的主机在数据链路层就会接收到报文。分离报头，解析报文，发现是发送给自己的，就会将有效载荷往上层发送，最后发送给上层应用。

注意，不同局域网中，底层的协议可能是不一样的，比如A局域网在数据链路层使用的是以太网协议，而C局域网在数据链路层使用的是令牌环网。但在跨网络通信中，是不影响的。因为路由器帮它们做了转换。

1.源ip和目的ip

ip地址可以标识一台主机的唯一性，所以通过ip地址就可以定位到主机位置，所以两个ip地址就可以服务器托管网形成一个路径，一个为源ip地址，一个为目的ip地址。

2.路由器的使命

所以路由器可以屏蔽底层网络的差异化，不管底层网络采用的是什么类型的协议都可以实现通信，因为它会帮我们重新封装报头。

3.Mac地址的使命

认识MAC地址
MAC地址用来识别数据链路层中相连的节点;
长度为48位, 及6个字节. 一般用16进制数字加上冒号的形式来表示(例如: 08:00:27:03:fb:19)
在网卡出厂时就确定了, 不能修改. mac地址通常是唯一的(虚拟机中的mac地址不是真实的mac地址, 可
能会冲突; 也有些网卡支持用户配置mac地址).

二.网络通信的本质

网络通信时，到底是谁在通信？是双方的主机在进行通信吗？
并不是！而是双方主机上的应用层的各自应用在通信。
而各自的应用都是由进程控制的，也就是要使用应用层软件，需要先启动这些软件，也就是启动进程。

所以网络通信的本质就是进程间通信！
而进程间通信需要看到同一份资源，这份资源是什么呢？
它就是网络！让不同的主机看到相同的资源。每台主机都可以使用网络。

三.端口号

端口号是标识一台主机应用层上的各种应用的，而每一个应用本质就是进程，所以端口号是用来标识应用层上的各种进程的。
一旦服务器托管网知道端口号后，就知道要将数据发给哪个应用(进程)。
所以在传输层封装报头时，会将发送方进程的端口号和接收方进程的端口号存储，这样在对端主机的传输层就知道要将有效载荷发送给哪个进程。并且对端主机也知道是本主机哪个进程发送给它的。

1.存在意义

网络通信本质就是进程通信，而进程通信，你首先需要知道是哪两个进程在通信，如何找到这两个进程呢？
因为ip地址可以标识唯一的主机，而端口号可以标识一台主机上的唯一应用进程。所以通信进程=ip+port；

所以ip+port这种方式就可以标识全网唯一的一个进程。
这种方式被称为socket(套接字)

所以只有知道进程的ip和端口号。才可以进行通信。
所以在封装报头时，会将对方进程的ip和port和自己的ip和por存储在报头里。这样就可以找到对方的进程。也可以让对方的进程找到我自己。

【存在疑惑】为什么用端口号来唯一标识进程？每一个进程不是有pid吗？它不也是唯一标识进程的吗,为什么不适应pid来标识？

2.实现原理

每一个进程在网络通信之前，都需要绑定一个端口号。
这个端口号是能够唯一标识该进程的。
绑定端口号的本质：就是随机生成一个端口号，或者你设置一个数字，经过哈希运算，放入哈希表里，如果哈希表里存在元素，则绑定失败，需要重新绑定别的端口号。如果哈希表里没有元素，就将该进程的pid存放进去，通过pid就可以找到进程。
所以在我们的应用层，进程想要通信需要先绑定端口号，而进程绑定端口号，就是将进程的pid绑定到哈希表里。

当对端主机的传输层接收到一个报文，就会根据该报文里的目的端口号，进行哈希运算，找到哈希表里的进程，就找到了应用。

补充：

四.认识协议

TCP和UDP都是属于传输层的协议，是将在传输层的数据发送给上层应用。或者接收上层应用发送来的数据。

1.TCP协议

2.UDP协议

TCP相比较UDP是可靠的，但这不是说UDP传输不可靠，最好不要使用UDP等。可靠是相对的而言的，传输过程中肯定会存在丢失情况。而TCP是花了大代价建立管道，才保证了可靠传输的，所以维护成本要比UDP高的多，而UDP维护成本低，使用简单。

五.网络字节序

因为不同的主机上存在着大端存储和小段存储两种存储序列。网络通信我们要求统一序列，这样才能正常通信，不然一台主机是大端机器，一台主机是小段机器，那么注定一台机器发送的消息，另一台机器是看不懂的或者不准确的。

所以数据在网络中传输时，要求是按照统一的字节序，在传输层TCP/IP协议中就规定，网络数据流全部采用的是大端字节序。

不管主机是大端机还是小端机，都要使用大端字节序来网络传输，如果是大端机那么可以直接传输，如果是小端机，需要先转换成大端字节序才可以进行传输。

在网络中传输的数据都需要按照网络字节序来进行传输。

而系统也为我们提供了一系列便捷的系统调用接口来转换字节序列。
可以让主机序列转换成网络序列，也可以让网络序列转换成主机序列。

六.通用网络接口

网络编程的种类具有多种，分为域间套接字编程，原始套接字编程，网络套接字编程，三种套接字编程。

域间套接字编程是用于同一台机器上的网络通信。
原始套接字编程主要用户网络工具。
网络套接字编程才是用于用户简单网络通信。

系统想让网络接口统一抽象化。这就要求这个网络接口的参数类型必须是统一的。

这几种套接字结构体对开头都是16位地址，这个地址就是代表着你是什么类型的编程，AF_INET就代表是网络通信，AF_UNIX就代表是域间通信，所以我们就可以封装一个统一的结构体对象，这个结构体对象开头也是16位地址，用来判断是什么类型的套接字编程。

所以系统就封装了一个统一的函数接口，该接口需要的是一个统一的结构体对象，通过判断该结构体对象的前16位地址来判断是什么类型的编程。然后直接就使用该类型的套接字编程。


虽然使用的是统一接口，参数都要求是sockaddr结构类型，但是你要使用什么类型套接字，还是定义该类型的结构体对象，在调用接口时，只需要强转成统一接口的指针类型即可。

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