网络通信协议基础知识（个人学习概括）

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一、WiFi（无线局域网技术）

WiFi是一种基于IEEE 802.11标准的无线局域网技术，旨在实现设备间的无线通信。它是一种非常流行的无线网络传输技术，允许电子设备如智能手机、平板电脑和笔记本电脑等在没有有线连接的情况下相互传输数据或连接到互联网。

1.1WiFi特征

WiFi网络最显著的功能是能够将有线网络信号转换成无线信号，供各类设备无线上网使用。

1.1.1理论和物质基础

1理论基础

WPA:WEP、WPA、WPA2、WPA3，这些是不同级别的WiFi安全加密标准，逐步提升了无线网络的安全性能。

无线网络标准协议：无线网络标准协议是对于实现设备间的无线通信。广泛应用的无线网络标准协议是IEEE 802.11标准系列

ISM频段是专为工业、科学和医学应用而设的一系列无线电频率区间，由国际通信联盟无线电通信局定义。ISM频段的特点是无需授权即可使用，用户只需遵守一定的发射功率限制，以避免对其他频段造成干扰。

2物质基础

射频：射频传输信息的基础是调频、调相或调幅。

信道：信道是具有一定频宽的射频，每个信道 都有自己的中心频率（如同 CCTV-1 的 200MHz）

DHCP：DHCP服务器的工作原理主要涉及几个关键步骤。当一个DHCP客户端设备接入网络并请求IP地址时，它会向网络广播一个DHCP DISCOVER数据包。DHCP服务器收到此数据包后，会提供一个未被使用的IP地址，通过DHCP OFFER数据包发送给客户端。接下来，客户端回复DHCP REQUEST数据包，确认接受该IP地址。最后，服务器以DHCP ACK数据包响应，正式分配该IP地址给客户端。这一流程确保了网络中每个设备都能获得唯一的IP地址，从而进行有效通信。

1.1.2存在载体形式

1实际载体

AP:无线接入点（Access Point）是无线网络的关键组成部分，它的主要功能是将有线网络信号转换为无线信号，供其他设备接入。

STA：无线工作站（Station）可以是任何一个具有无线网络功能的设备，如Wi-Fi路由器、平板电脑、智能手机、笔记本电脑等

STA接入过程是无线终端设备连接和进行网络通信的关键步骤，涉及扫描、认证和关联三个主要阶段。

softAP:SoftAP即软接入点模式，是通过软件配置让无线设备充当无线接入点（Access Point，简称AP）的一种功能。

APstation：APstation（Access Point Station）是接入点（Access Point）的客户端。接入点是无线局域网中的一种设备，它能够将有线网络信号转换成无线信号，供其他设备（如电脑、手机等）接入。

2无线实现

从技术原理来看，WiFi使用电磁波作为信号载体，通过射频发射器产生变化的电流（交流电），然后由铜导线传输到天线，以电磁波形式辐射出来。这些射频频段主要集中在2.4GHz和5GHz附近。这种利用无线电波进行通讯的方式是无线通信的基础，确保了信号能够在空气中传播。

1.2WiFi延伸

1.2.1WLAN

WiFi主要用于实现设备间的无线连接和数据传输；WLAN不局限于任何特定技术标准，理论上可以包含多种无线通信标准，如蓝牙、Wi-Fi、WiMAX等。

如上图：WiFi为图中单一技术，而WLAN囊括多种无线通信标准

1FAT AP架构

FAT AP集成了WLAN的物理层、业务数据加密、用户认证、QoS、网络管理、漫游技术以及其他应用层的功能。这种AP可以独立工作，不需要其他设备的配合即可构成一个完整的无线网络解决方案。

家用WiFi和小型场所常用FAT AP架构。

2FIT AP架构

FIT AP采用“零配置”，所有配置都集中到AC上，便于集中管理。这种集中管理方式使FIT AP解决方案更易于维护，并具有一些FAT AP不具备的功能，如三层漫游、基于用户下发权限等。

FIT AP集群，常用于大型场所的网络配置。

1.2.3BSS,BSSID,ESS,ESSID,SSID

BSS（Basic Service Set）：

基本服务集，是无线网络中的一个逻辑概念，由一个无线接入点（AP）和与其关联的所有无线客户端(STA)组成。

BSSID（Basic Service Set Identifier）：

基本服务集标识符，是一个唯一的MAC地址，用于标识一个BSS。

ESS（Extended Service Set）：

扩展服务集，是一种无线网络拓扑结构，允许多个BSS通过分布式系统连接在一起，形成一个更大的网络。

ESSID（Extended Service Set Identifier）：

扩展服务集标识符，是一个用于识别ESS的名称。

SSID（Service Set Identifier）：

服务集标识符，是一个用于识别无线网络的名称。在ESS中，每个BSS都有一个唯一的SSID，而在独立BSS中，SSID就是BSSID。

左图：BSS与ESS关系，右图：各种外设STA通过无线AP的BSSID连接

1.3WiFi小结

个人理解手绘图，若有误解，感谢纠正

2TCP/IP

2.1TCP协议

传输控制协议（TCP，Transmission Control Protocol）是一种面向连接的、可靠的、基于字节流的传输层通信协议。

2.1.1TCP协议特征

TCP的主要特点包括面向连接、可靠性、流量控制和拥塞控制等。这些特点使得TCP能够提供稳定的数据传输服务，即使在不可靠的互联网络上也能保证数据的完整性和顺序性。TCP在网络通信中确保数据可靠传输的同时，还实现了流量和拥塞控制，大大提升了网络的效率和稳定性。

2.1.2TCP协议适用场景

TCP协议主要适用于对数据可靠性和顺序要求高的场景，如网页浏览、电子邮件传输、文件传输、远程登录和数据库访问等。

2.2UDP协议

UDP协议（User Datagram Protocol，用户数据报协议）是一种位于OSI模型传输层的无连接、面向报文的协议，它并不保证数据的可靠传输。

2.2.1UDP协议特征

UDP在传输数据时不需要建立连接，直接将数据包发送出去，因此减少了开销和延时，由于无连接，主机不需要维持复杂的连接状态表。

2.2.2UDP协议适用场景

适用于对实时性要求较高、能够容忍一定数据丢失的应用，如实时音视频通信和在线游戏。

2.3SSL协议

SSL协议（Secure Sockets Layer）是一种用于在互联网上保护信息安全的标准安全技术，通过对网络连接进行加密来确保数据在客户端和服务器之间的安全传输。

2.3.1SSL协议特征

SSL使用对称加密技术（如AES）和非对称加密技术（如RSA）对数据传输进行加密，防止数据在传输过程中被窃取。

SSL协议会在握手阶段对服务器的SSL证书进行验证，确保客户端与合法的服务器建立连接。

SSL的握手阶段包括协商加密算法和密钥交换过程，确保双方都使用相同的安全参数。

SSL协议分为握手协议层和记录协议层，其中记录协议层封装了各种高层协议，并实施加密、解密、计算和校验MAC等安全操作。

2.3.2SSL协议适用场景

通过将SSL协议应用于HTTPS协议，可以保护网站上的数据传输，确保用户和网站之间的通信安全。SSL对数据进行加密传输，有效防止了中间人攻击和窃听等安全威胁。

在在线交易中，SSL用于保护用户的信用卡信息和个人数据，以防止数据被窃取或篡改。使用SSL加密的网站通常会显示一个安全锁标志，这增加了用户的信任感，促进更多的交易。

2.4TCP/IP小结

3MQTT协议

MQTT协议是一种轻量级的基于代理的发布/订阅模式的消息传输协议。

中间为服务器，其他三部分都为客户端，左边为发布者，右边为两个订阅者。

3.1MQTT协议特征

MQTT协议是为了满足低带宽、高延迟或不稳定网络条件下的物联网（IoT）设备和远程位置的数据通信需求而设计的。

在MQTT中，消息是通过一个称为代理（Broker）的中间服务器进行路由的。客户端（称为发布者）将消息发布到代理，并由订阅了相应主题的客户端（称为订阅者）接收。

MQTT使用主题对消息进行分类。订阅者可以订阅一个或多个主题，以接收相关的消息。

发布者发布消息时，会指定一个主题。MQTT提供了不同的服务质量级别（QoS），以适应不同的消息传递需求。

当客户端意外断开连接时，代理会自动发布写好的遗嘱消息。

3.1.1逻辑特征

服务器可以建立多个认证方式，控制报文通过这些认证方式使客户端与服务器关联，在控制报文中创建主题，客户端订阅主题。主题内客户端可以做信息的发布者，也是主题内信息的订阅者，还能选择取消对主题的订阅。

3.1.2成员特征

1服务器

MQTT服务器，也称为 broker，是消息传递的中介。它负责接收来自发布者客户端的消息，并将这些消息分发到订阅了相应主题的订阅者客户端。

2客户端

MQTT客户端可以是发布者或订阅者，或者同时兼具两者的角色。作为发布者，客户端向服务器发送消息；作为订阅者，客户端从服务器接收消息。

客户端发布者不一定是该主题的订阅者。

3.2MQTT协议实现过程

3.2.1服务器

启动emqx，进入localhost:18083

username:admin

password:public

3.2.2topic

用户管理中添加新用户，设置好密码，打开软件MQTTX进行报文认证。

创建立topic后就可以与客户端连接

3.2.3客户端

使用自己的客户端工具与实现对客户端跟服务器的连接，就能对其客户端进行管理，实现消息的发布与接收，主题的订阅与取消。

3.3MQTT协议小结

个人理解手绘图，若有误解，感谢纠正

4HTTP协议

HTTP（Hyper Text Transfer Protocol，超文本传输协议）是Web开发的核心协议，标准的应用层协议，它定义了客户端与服务器之间的通信规则。

4.1协议特征

HTTP协议以其支持客户/服务器模式、简单快速、灵活、无连接和无状态等特征，在支撑现代网络通信方面发挥着不可替代的作用。

4.1.1逻辑特征

客户端发起请求，服务器响应这些请求并提供服务。

每次连接只处理一个请求。服务器处理完客户的请求，并收到客户的应答后，即断开连接。

4.1.2实现特征

当客户端向服务器请求服务时，只需传送请求方法和路径。由于其协议简单，使得HTTP服务器的程序规模小，因而通信速度很快。

HTTP协议是无状态协议，即缺少状态意味着如果后续处理需要前面的信息，则它必须重传，这样可能导致每次连接传送的数据量增大。

4.2协议目的

许多应用程序都提供API接口，这些接口通过HTTP协议传递数据。例如，客户端可以使用POST方法向服务器发送数据进行创建或更新操作，使用GET方法从服务器获取数据。

HTTP协议也用于文件的下载和上传。用户可以通过HTTP请求直接从服务器下载文件，或者通过表单将文件上传到服务器。

通过一系列性能优化措施，HTTP协议能够显著提高网页加载速度和用户体验。这些措施包括减少请求次数、使用缓存、优化网络连接等。合理利用HTTP协议的这些优化技巧，可以有效提升网站的性能表现。

4.3HTTP小结

（图片部分来源于网络，有水印的保留了水印，侵权删）

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