网络编程基础：必备知识与协议详解

在计算机网络中，设计之初就确定了其简洁且可靠的特性，能够连接多种类型的计算设备。

一、网络的基本特点

网络中的各个节点同等重要，并且具备冗余路由以确保通信的高可靠性。

二、OSI七层模型与TCP/IP四层模型

理论上，网络分为七层：物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层和应用层。而在实际应用中，通常使用TCP/IP四层模型：链路层、网络层、传输层和应用层。

1. 链路层负责设备间的数据帧传输（如网卡和交换机），确保设备间的互联互通。

2. 网络层负责主机间的数据包传输（如路由器），确保每个数据包能准确到达目的主机。常用协议包括IP（互联网协议）、ICMP（互联网控制消息协议）和IGMP（互联网组管理协议）。

3. 传输层负责不同主机上进程之间的数据传输。通过Socket套接字实现，常用协议有TCP（传输控制协议）和UDP（用户数据报协议）。

4. 应用层负责应用程序间的通信，例如QQ、微信等。常用协议有FTP（文件传输协议）、TFTP（简单文件传输协议）、Telnet（远程登录）、HTTP（超文本传输协议）。

三、TCP协议详解

TCP是一个工作在传输层的面向连接的网络通信协议，提供可靠的数据传输服务，适用于文件下载、视频流和邮件发送等场景。

特点：

1. 面向连接：每次通信需经历建立、使用和释放连接的过程。

2. 安全可靠但效率较低。

3. 数据包必须得到确认，否则会重传，这是DOS/DDOS攻击的基础。

4. 数据包保持顺序一致。

5. 具备完善的错误检查和重传机制。

6. 每个数据包包含序号和确认序号。

7. 不支持广播和多播。

四、UDP协议详解

UDP是另一个工作在传输层的无连接网络通信协议，适用于实时性要求较高的应用，如在线视频（RTP流媒体服务）、ARP广播、DHCP、NTP和DNS。

特点：

1. 无连接：每次通信无需建立连接。

2. 相对不可靠但效率较高。

3. 不保证数据包的顺序。

4. 缺乏完善的错误检查和重传机制。

5. 支持广播和多播。

五、IP地址分类

根据首几位的二进制值，IP地址可分为A、B、C、D和E类：

A类：0.0.0.1~126.255.255.254，共约16,777,214个地址；首位为0，127.x.x.x用于本地回环。

B类：128.0.0.1~191.255.255.254，共约65,534个地址；前两位为10。

C类：192.0.0.1~223.255.255.254，共约254个地址；前三位为110。

D类：224.0.0.1~239.255.255.254，用于多播。

E类：保留地址。

六、端口与端口号

端口可以理解为计算机的通信窗口，程序通过端口进行通信。TCP/IP协议使用端口号标识通信进程，区分同一系统内的多个进程。每个运行的网络程序都有一个进程号（PID）和至少一个端口号（Port）。端口号范围为0~65535，其中0号端口不能使用，1~1023为已知端口，如FTP-21、HTTP-80、TFTP-69、SSH-22等。

TCP和UDP各自维护独立的端口号，各有65536个端口。

七、字节序

字节序指多字节数据的存储顺序，分为小端格式和大端格式。小端格式将低字节数据存储在低地址，大端格式则相反。个人电脑通常采用小端格式，而网络通信使用大端格式。因此，在异构计算机之间通信时，需要将字节序转换为网络字节序。