python全栈开发之网络协议

一.互联网通信原理

互联网的本质就是一系列通信协议，协议的功能为：定义计算机如何接入Internet，以及接入Internet的计算机通信标准。

互联网协议按照功能不同分为osi七层或tcp/ip五层或tcp/ip四层。

二.TCP/IP五层模型

1.物理层

不同的计算时通过光缆、电缆、双绞线、无线电波等进行数据传输。

核心功能：主要是基于电器特性发送高低（电信号），高电压对应数字1，低电压对应数字0.

2.数据链路层

数据链路层的由来：单纯的电信号0和1没有意义，必须规定多少位为一组，每一组代表什么意思。

数据链路层的功能：定义了电信号的分组方式。

以太网协议（统一的分布方式）

规定：一组电信号构成一个数据包，叫做“帧”；每一数据帧分成报头head和数据data部分。其中head包括：

发送者/源地址，6个字节

接受者/目标地址，6个字节

数据类型，6个字节

head长度+data长度=最短64个字节，最长1518个字节，超过最大限度就分片发送。

Mac地址

接入Internet的计算机必需有块网卡，发送端和接收端的的地址即Mac地址，并且在出厂时已经被厂商烧制在网卡上，长度为48位二进制数，通常用12位十六进制的数表示（前六位是厂商编号，后六位是流水线号）。

广播

有了Mac地址，同一网络内的计算机就可以通信（一台主机通过ARP协议获取另一台主机的Mac地址）。

3.网络层

世界网路有一个个局域网组成，以太网包只能在一个局域网内发送，一个局域网是一个广播域，跨广播通信只能通过路由转发。

为了高效率的通信，必需有一种方法来区分哪些计算机位于统一广播域，哪些需要通过广播发送，哪些通过路由发送。

网络层的功能：引入一套新的地址用来区分不同的广播网/子网，即网络地址。

IP协议：

规定网络地址，广泛采用IPV4版本，规定由32位二进制表示，范围为0.0.0.0.~255.255.255.255,通常写成四段十进制数。

IP地址（两部分）：

网络部分：标识子网

主机部分：标识主机

单纯的IP地址段只标识了IP地址的种类，单纯从网络部分或主机部分不能确定是否位于同一子网内。

子网掩码：

它是表示子网特征的一个参数，形式上等同于IP地址，也是一个32位二进制数字，它的网络部分全部为1，主机部分全部为0，判断两个IP地址是否在同一子网中，进行AND运算，如果结果一样，就是位于同一子网中。

IP协议的作用：为每一台计算机分配IP地址，确定哪些地址位于同一子网中。

IP数据包：

IP数据包分为head和data部分，无需为IP包定义单独的栏位，直接放入以太网data部分。

head：长度为20到60字节

data：最长为65515字节

以太网的数据包“数据部分”只有1500字节，IP包超过了1500字节，被分割成多个以太网包分开发送。

ARP协议：

由来：计算机通信靠广播的方式，所有上层的包到最后都要封装上以太网头，通过以太网协议发送。

通信是基于mac的广播方式实现，计算机在发包时，获取自身的mac是容易的，如何获取目标主机的mac，就需要通过arp协议（广播的方式发送数据包，获取目标主机Mac地址）

4.传输层

传输层的由来：网络层的ip帮助我们区分子网，以太网层Mac帮助我们找到主机，找到了特定的计算机，通过端口识别应用程序（即应用程序与网卡关联的编号）

功能：建立端口到端口的通信，范围0~1023为系统占用端口，1024~65535为应用程序端口。

TCP协议：

可靠传输，TCP数据包没有长度限制，理论上可以无限长，但是为了保证网络的效率，通常TCP数据包的长度不会超过IP数据包的长度，以确保单个TCP数据包不必再分割。

以太网头

ip 头

tcp头

数据

UDP协议：

不可靠传输，”报头”部分一共只有8个字节，总长度不超过65,535字节，正好放进一个IP数据包。

以太网头

ip头

udp头

数据

5.应用层

TCP协议可以为各种各样的程序传递数据，比如Email、WWW、FTP等等。那么，必须有不同协议规定电子邮件、网页、FTP数据的格式，这些应用程序协议就构成了”应用层”。