【图解TCP/IP 归纳】第一章 网络基础知识

第一章 网络基础知识

1.1 计算机网络出现的背景

• 独立模式到网络互连模式
• 计算机网络按规模划分为：
  WAN（Wide Area Network）广域网；
  MAN（Metropolitan Area Network）城域网；
  LAN（Local Area Network）局域网；

1.2 计算机与网络发展的7个阶段

• 1.2.1 批处理：读入磁带或卡带中的程序
• 1.2.2 分时系统：每台电脑有对应的独占性
• 1.2.3 计算机之间的通信：多台计算机分布式处理
• 1.2.4 计算机网络的产生：各式各样的计算机相互连接，在此期间也产生了窗口系统
• 1.2.5 互联网的普及：连接异构型的计算机
• 1.2.6 以互联网为中心的时代：电话网→IP网
• 1.2.7 从“单纯建立连接”到“安全建立连接”
• 1.2.8 手握金刚钻的TCP/IP：TCP/IP是通信协议的统称，其融合了许多独立发展的网络通信技术

1.3 协议

• 1.3.1 随处可见的协议

  • 互联网的代表协议TCP/IP

• 1.3.2 协议的必要性

  • 协议就是计算机与计算机之间通过网络实现通信时事先达成的一种“约定”，不同的产品之间只要遵循相同的协议，并遵循相同协议进行处理，即可实现通讯

• 1.3.3 协议如同人的对话

  • 汉语/英语当做协议；
    聊天当做通信；
    说话的内容当做数据

• 1.3.4 计算机中的协议

  • 计算机的逻辑不像人类可以随机应变，所以其中协议的定义需要充分考虑通信过程中可能会遇到的各种异常以及对于异常的处理

• 1.3.5 分组交换协议

  • 将大数据分割为一个个叫包的较小单位进行传播的方法；
    其中通信协议用于规定报文首部应该写入哪些信息、应该如何处理这些信息；

1.4 协议由谁规定

• OSI模型由ISO定义，而TCP/IP模型由IETF规定；

1.5协议分层与OSI参考模型

• 1.5.1 协议的分层

  • 上下层之间交互所遵循的约定为接口；
  • 同一层之间交互所遵循的约定为协议；

• 1.5.2 OSI参考模型概述

  • OSI参考模型：ISO提出的从上到下为“应用层、表示层、会话层、传输层、网络层、数据链路层和物理层”的参考模型；
  • OSI协议：为了让异构的计算机之间能够相互通信的、由ISO和ITUT推进其标准化的一种网络体系结构，其以OSI参考模型为基础界定了每个阶层的协议和每个阶层之间接口相关的标准；

1.6 OSI参考模型通信处理举例

• 1.6.1 7层通信

  • 所谓7层通信，即从最上层的应用层开始，往下进行通信处理，到达另外一台主机时，再从最底层的物理层开始向上处理直到应用层

• 1.6.2 应用层

  • 作用：允许访问OSI环境的手段（应用协议数据单元APDU）
  • 确定所需使用的应用层协议（如HTTP等），然后在数据的前段附加首部标签（所用的应用协议等）

• 1.6.3 表示层

  • 作用：对数据进行翻译、加密和压缩（表示协议数据单元PPDU）
  • 根据恰当的编码格式，将应用层传来的数据变为“当前情况”适宜的“统一网络数据格式”（如html，UTF-8等格式），并加上首部标签（所用的编码格式等）

• 1.6.4 会话层

  • 作用：建立、管理和终止会话（会话协议数据单元SPDU）
  • 确定当前通信连接的方式、通信建立/断开的时机以及发送/停止发送数据的时机，并加上首部标签（数据传送的顺序等信息）

• 1.6.5 传输层

  • 作用：提供端到端的可靠报文传递和错误恢复（段Segment）
  • 根据会话层的需求，确定所使用的传输层协议（TCP、UDP等），创建逻辑上的通信连接，并在传输完成后进行数据确认。最后加上首部标签（所用的传输层协议、源端口与目标端口信息等）

• 1.6.6 网络层

  • 作用：负责数据包从源到目标的传递和网际互连（包Packet）
  • 在网络与网络相互连接的环境中（即传输层所建立的环境中），将数据从发送端主机发送到接收端主机，并加上首部标签（所使用的目标和源IP地址，以及所用协议等）

• 1.6.7 数据链路层

  • 作用：将比特组装成帧和点到点的传递（帧Frame）
  • 在通信过程中的各个通过传输介质互联的设备之间进行数据传递，并加上首部标签（源与目标的MAC地址等）

• 1.6.8 物理层

  • 作用：通过媒介传输比特,确定机械及电气规范（比特Bit）
  • 物理设备之间的数据信息传递（数据的0/1转为电压和脉冲光等），并附加上首部标签（所用的物理层协议）

1.7 传输方式的分类

• 1.7.1 面向有连接型与面向无连接型

  • （1）面向无连接型：在发送数据之前需要在主机之间连接一条通信线路，并需要专门进行建立和断开连接的处理；
    通信方式：分组交换与电路交换均有
  • （2）面向有连接型：发送端可以于任何时候自由发送数据；
    通信方式：分组交换居多

• 1.7.2 电路交换和分组交换

  • （1）电路交换：两台计算机通过独占电路完成信息交换，在通信断开前，其他计算机无法使用此线路。同时在通信过程中，谁也无法预测某一台计算的数据传输何时开始何时结束。
  • （2）分组交换：路由器之间通过一条/多条共享线路相连，发送端计算机将数据分组发送给路由器，路由器收到这些分组数据以后，缓存到自己的缓冲区，然后再以先进先出的顺序转发给目标计算机（蓄积交换）

• 1.7.3 根据接收端数量分类

  • （1）单播（Unicast）：1对1的通信
    实例：早期的固定电话
  • （2）广播（Broadcast）：1对整个广播域的通信
    实例：电视播放
  • （3）多播（Multicast）：1对限定的某一组主机的通信
    实例：电视会议
  • （4）任播（Anycast）：1对特定多台主机中任选一台的通信
    实例：DNS根域名解析服务器

1.8 地址（MAC地址、IP地址和端口号）

• 1.8.1 地址的唯一性

  • 同一个通信网络中不允许有两个相同地址的通信主体存在

• 1.8.2 地址的层次性

  • （1）MAC地址：无层次性，在网络传输中由交换机中的地址转发表转发（表中记录的是实际MAC值本身）
  • （2）IP地址：分为网络地址和主机地址，具有层次性，在网络传输中由路由器中的路由控制表转发（表中记录的是集中后的网括号—网络号和子网掩码）

1.9 网络的构成要素

• 1.9.1 通信媒介与数据链路

  • （1）数据链路层中的媒介：以太网、无线、ATM、FDDI、帧中继与ISDN
  • （2）传输速率：两个设备之间数据流动的物理速度称为传输速率，单位为bps（每秒比特数），其又称为带宽
  • （3）吞吐量：主机之间实际的传输速率，单位为bps。其不仅衡量单宽，也衡量主机的CPU能力、网络拥堵程度、报文中数据字段的占有份额等

• 1.9.2 网卡（NIC）

  • （1）别名：网络适配器、网卡、LAN卡
  • （2）功能：集成了连接局域网功能的设备，使计算机联网，使用在OSI第2层数据链路层与第1层物理层
    （将计算机数据转换为适用于数据链路传输的格式，其中在数据链路层使用CSMA/CD协议，在物理层负责将数据转化成0101数字信号）

• 1.9.3 中继器（Repeater）

  • （1）功能：使用周四OSI第1层物理层，在物理层面上延长网络的设备
  • （2）中继集线器（Hub）：提供多端口服务的中继器被称为中继集线器或集线器

• 1.9.4 网桥/2层交换机（Bridge）

  • （1）功能：能够识别数据链路层中的数据帧，并将这些数据帧临时存储于内存中，再重新生成信号作为一个全新的帧转发给相连的另一个网段（其中有MAC地址转发表）
  • （2）交换集线器（Hub）：具有网桥功能的Hub叫做交换集线器（我们平常所用的“交换机”），只有中继器功能的Hub叫做集线器（中继集线器）
  • （3）网桥分类：透明网桥、转换网桥、封装网桥、源路由选择网桥。交换集线器属于这四种中的一种

• 1.9.5 路由器/3层交换机（Router）

  • （1）功能：在网络层面上连接两个网络，并对分组报文进行转发的设备（路由控制表，使用IP地址）
  • （2）作用：起到连接不同的不同数据链路，以及分担网络负荷的作用

• 1.9.6 4-7层交换机

  • （1）OSI定义：负责处理OSI模型中从传输层到应用层的数据；
  • （2）TCP/IP定义：以TCP等协议的传输层及其上面的应用层为基础，分析并收发数据，并对其进行特定的处理
  • （3）作用：如作为负载均衡器（通过同一个URL将前端访问分发到后台多个服务器）；如作为带宽控制（优先处理某些文件）

• 1.9.7 网关

  • （1）定义：OSI参考模型中负责将从传输层到应用层的数据进行转换和转发的设备，也称为协议转换器
  • （2）功能：不仅转发数据还负责对数据进行转换，它通常会使用一个表示层或应用层网关，在两个不能直接通信的协议之间进行翻译，最终实现两者的通信

1.10 现代网路实态

• 1.10.1 网络的构成

  • 网络中相应于高速公路的出入口为“边缘网络”，其常用设备为2层交换机和3层交换机
  • 连接边缘网络的为接入层或汇聚层

• 1.10.2 互联网通信

  • 互联网接入服务：个人电脑—无线局域网/交换机—接入层—边缘网络—骨干网

• 1.10.3 移动通信

  • 基站本身作为“接入层”

• 1.10.4 虚拟化和云

  • 利用虚拟化技术，提供使用者的情况动态调整必要资源的机制被称为“云”

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