想入门网络编程？——网络通信的基本概念
我们在接触网络编程的时候，如果还没有在大学缓慢的排课安排下学习那门传说中的“计算机网络”课的话，往往会由于难以理解各种专业名词而一头雾水，今天就让我们从网络通信的基本名词入手，来尝试入门网络编程吧：
目录
核心要素
节点（Node）
终端节点（End Node）
网络节点（Network Node）
混合节点
链路（Link）
物理链路
逻辑链路
拓扑结构（Topology）
总线型（Bus）
星形（Star）
环形（Ring）
网状（Mesh）
数据与信号
数据（Data）
信号（Signal）
协议（Protocol）
地址与标识
物理地址（MAC地址）
网络层的逻辑标识（IP地址）
IP地址与MAC地址的映射：ARP协议
端口号（Port Number）
数据传输的基本流程
应用层
传输层
网络层
网络接口层
网络通信的核心在于——让不同的设备之间能传递数据，且想要解决任何让数据从发送方安全、高效、准确地到达接收方
核心要素
节点（Node）
网络中参与数据传输或转发的实体（设备）
终端节点（End Node）
直接产生或消费数据的设备，核心功能是运行应用程序（如浏览器，微信等），并通过网络接口（网卡）接入网络
网络节点（Network Node）
负责数据转发的设备，如路由器（Router）、交换机（Swich）、网关（Gateway）、防火墙（Firewall）等，核心功能是解析数据中的地址信息，选择传输路径，实现不同子网或网络的互连
混合节点
部分设备兼具服务终端和网络节点的功能，如家庭无线路由器既作为终端接入网络，又作为网络节点转发手机电脑的数据
链路（Link）
连接两个节点的物理或逻辑通道，是数据传输的物理载体
物理链路
基于硬件的传输介质
如有线的双绞线（UTP），光纤（时候长距离传输）等
再如无线的无线电波（WiFi），微波（点对点远距离传输）等
逻辑链路
在物理链路上通过协议划分的虚拟通道，如VPN（基于 IPsec 协议在公网中建立的加密链路），VLAN（虚拟局域网，通过交换机划分的逻辑隔离链路）
链路有三个关键指标：带宽（Bandwidth：链路的最大数据传输速率），延迟（Latency：数据从发送方到接收方的时间），误码率（BER：传输中出错的比特数与总比特数的比值）
拓扑结构（Topology）
网络中节点与链路的几何排列方式，直接影响网络的可靠性、成本和性能
总线型（Bus）
所有节点连接到一条共享链路上（早期以太网），缺点是单链路故障会导致全网瘫痪
星形（Star）
所有节点通过链路连接到中心节点（交换机，路由器），优点是易于扩展和故障排查，是现代局域网的主流拓扑
环形（Ring）
节点首尾相连形成闭环（令牌环网），缺点是单节点故障会中断环路
网状（Mesh）
节点之间有多条冗余链路（互联网核心骨干网），优点是可靠性，但成本高
数据与信号
网络通信的核心是信息的传递，而信息必须通过“数据”和“信号”两个载体实现物理传输
数据（Data）
信息的数字化表示，是网络通信的处理对象，数据分为模拟数据（连续变化的物理量，范围无限）和数字数据（图片，文本等，范围有限）
而数字数据的核心是“二进制化”，所有数字数据会被转化为比特流，这是计算机和网络的“通用语言”，这种“二进制化”称为编码（Encoding）
信号（Signal）
信号是数据在物理介质中的物理表现形式，是数据的 “传输载体”，信号同样分为模拟信号和数字信号
协议（Protocol）
通信的规则体系，保证数据有序，正确传输
协议有三要素：语法（数据的格式和结构，规定“如何表示数据”，如TCP头部固定为20个字节，且固定了其表示的内容），语义（规定了字段的含义，规定字段和数据代表了什么），时序（数据传输的节奏和顺序）
协议可以按功能分为：物理层协议（以太网物理层规范），数据链路层协议（PPP），网络层协议（IP），传输层协议（TCP / UDP），应用层协议（HTTP）
值得注意的是，协议之间存在着“依赖关系”：高层协议需要依赖低层协议提供的服务（如 HTTP 依赖 TCP 提供的可靠传输， TCP 依赖 IP 提供的路由服务）
地址与标识
网络中需通过“地址”精确定位通信对象，不同层级的地址作用范围不同
物理地址（MAC地址）
定义：由 IEEE 分配的 48 位二进制地址（通常表示为 6 组十六进制数，如00:1A:2B:3C:4D:5E），固化在网络接口卡（NIC）的固件中，全球唯一
作用范围：仅在同一广播域内有效，即“直接相连的局域网”，跨网段通信时，MAC地址会被替换成路由器接口的MAC地址（动态变化），交换机通过MAC地址表确保数据在局域网内被正确转发
获取方式：通过 ARP（地址解析协议）实现 IP 地址到 MAC 地址的映射（同一局域网内）。
值得注意的是，MAC地址在需要跨网段传输时会动态更新，目标MAC会被动态替换成“下一跳设备的MAC”，而IP地址保持不变
网络层的逻辑标识（IP地址）
定义：IP 地址是网络层的核心标识，用于在 “整个互联网” 中定位设备，解决 “跨网段通信” 的路径选择问题，分为IPv4和IPv6两类
作用范围：在整个互联网中有效，路由器通过 IP 地址选择跨网络的传输路径
IP地址与MAC地址的映射：ARP协议
IP 地址（逻辑标识）和 MAC 地址（物理标识）分属不同层级，需通过ARP（Address Resolution Protocol，地址解析协议） 建立映射
端口号（Port Number）
定义：传输层的16位整数（0-65535），用于标识节点上的应用程序
作用：同一设备上可能有多个应用程序同时进行网络通信，端口号用于区分数据应该交付给哪个程序
数据传输的基本流程
这里以浏览网页的过程为例
应用层
浏览器通过DNS协议，将网址转换为对应服务器的IP地址
传输层
使用TCP协议，与服务器建立可靠连接
网络层
通过IP协议，确定从你的设备到百度服务器的传输路线
网络接口层
将 IP 数据报转换为可在物理介质（网线、Wi-Fi）中传输的信号，并通过 MAC 地址完成局域网内的交付