网络基础（1）

一、计算机网络背景

计算机网络的相关知识背景，在网上我们是可以找到很多相关资料的，在这里我们只谈几个比较重要的概念，以便后续知识的学习，读者也可以查找更多的相关资料，更加全面的了解计算机网络。

1.网络发展

（1）独立模式：计算机之间相互独立；

（2）网络互联：多台计算机连接在一起，完成数据共享。

举例如下图：

（3）局域网（LAN）：计算机数量很多，通过交换机和路由器连接在一起；

（4）广域网（WAN）：将远隔千里的计算机都连接在一起。

对于这两个知识点的学习，我们也通过下图来加深理解：

说明：局域网和广域网只是一个相对的概念，有时候，在某种程度上广域网也可以看做是一个比较大的局域网。

（5）协议

所谓协议其实就是一种约定。

计算机之间的传输媒介是光信号和电信号，通过“频率”和“强弱”来表示0和1这样的信息。想要传递各个不同的信息，就需要提前约定好双方的数据格式。

这里我们又有一个问题了：只要通信的两台主机，约定好协议就可以了吗？

答案肯定不是的，大家可以想想，市场上计算机品牌种类很多，计算机的系统也很多，计算机硬件设备也有很多。如果只是两个品牌不同的计算机单方面的约定好协议肯定是不行的，这里就需要所有的计算机制造厂商，无论品牌，都要统一遵守同一个“标准协议”，这个协议就是“网络协议”。

二、网络协议初识

1.OSI七层模型（分层最大的好处在于“封装”面向对象）

（1）OSI（Open System Interconnection,开放系统互联）七层网络模型称为开放式系统互联参考模型，是一个逻辑上定义和规范；

（2）把网络从逻辑上分为七层，每一层都有相关、相对应的物理设备，比如路由器，交换机等；

（3）OSI七层模型是一种框架性的设计方法，最主要的功能就是帮助不同类型的主机实现数据传输；

（4）它最大的优点是将服务、接口和协议这三个概念明确的区分开来，概念清楚，理论也比较完整。通过七个层次化的结构模型使不同的系统、不同的网络之间实现可靠的通讯；

如下图：

2.TCP/IP五层（或四层）模型（之所以学习TCP/IP协议是因为OSI复杂且不实用）

TCP/IP是一组协议的代名词，它还包括许多协议，组成了TCP/IP协议簇。

TCP/IP通讯协议采用了5层的层级结构，每一层都呼叫它的下一层所提供的网络来完成自己的需求。

（1）物理层：负责光/电信号的传递方式（比如现在以太网通用的网线（双绞线）、早期以太网采用的同轴电缆（现在主要用于有线电视、光纤），现在的wifi无线网使用的电磁波等都属于物理层的概念）。物理层的能力决定了最大传输速率、传输距离、抗干扰性等，集线器（Hub）工作在物理层；

（2）数据链路层：负责设备之间的数据帧的传送和识别（例如：网卡设备的驱动、帧同步、冲突检测、数据差错校验等工作）。有以太网、令牌环网、无线LAN等标准。交换机（Switch）工作在数据链路层；

（3）网络层：负责地址管理和路由器选择（例如：在IP协议中，通过IP地址来标识一台主机，并通过路由表的方式规划出两台主机之间的数据传输的线路）。路由器工作在网络层；

（4）传输层：负责两台主机之间的数据传输（例如：传输控制协议（TCP），能够确保数据可靠的从源主机发送到目标主机）；

（5）应用层：负责应用程序间的沟通（例如：简单电子邮件（SMTP）、文件传输协议（FTP）、网络远程访问协议（Tenet）等）。我们的网络编程主要就是针对应用层。

物理层我们考虑的比较少，因此很多时候也可以称为TCP/IP四层模型。

一般而言：

（1）对于一台主机，它的操作系统内核实现了从传输层到物理层的内容；

（2）对于一台路由器，它实现了从网络层到物理层；

（3）对于一台交换机，它实现了从数据链路层到物理层；

（4）对于集成器，它只实现了物理层。

说明：这并不是绝对的，很多交换机也实现了网络层的转发；很多路由器也实现了部分传输蹭的内容（比如端口转发）

三、网络传输基本流程

1.网络传输流程图

同一个网段内的两台主机进行文件传输

两台计算机通过TCP/IP协议通讯的过程如下图所示

跨网段的主机的文件传输。数据从一台计算机到另外一台计算机传输过程中要经过一个或多个路由器

2.数据包封装和分用

（1）不同的协议层对数据包有不同的称谓，在传输层叫做段（segment），在网络层叫做数据报（datagram），在链路层叫做帧（frame）；

（2）应用层数据通过协议栈发到网络上时，每层协议都要加一个数据首部（header），称为封装（Encapsulation）；

（3）首部信息中包含了一些类似于首部有多长，载荷（payload）有多长，上层协议是什么等信息；

（4）数据封装成帧后发到传输介质上，到达目的的主机后每层协议再剥掉相应的首部，根据首部中的“上层协议字段”将数据交给对应的上层协议处理。

下图为数据封装的过程

下图为数据分用过程

说明：

（1）数据报自底向上解包，分用；

（2）进入的帧为目的mac地址；

（3）每一层协议的报头都包含了了一个字段，用来表明将载荷传给上一层的协议；

（4）mac:一台设备具体的地址；IP地址：连接网络后的地址（不变的）；

（5）IP协议是整个Internet中的基础。