【计算机网络】——计算机网络基础
文章目录
- 一、网络和互联网
- 1、网络
- 2、互联网
- 二、网络中的设备
- 三、网络中的线路
- 四、IP地址和MAC地址
- 1、IP地址
- 2、MAC地址
- 3、ARP、RARP协议
- 五、计算机网络体系结构
- 六、封装和分用
一、网络和互联网
1、网络
关于什么是网络，我么可能对其是一个再熟悉不过的一个概念了，在21世纪的今天一个最重要的特征就是数字化、网络化和信息化，是一个以网络为核心的信息时代。
我们在这儿给网络就一个比较正式概念，网络就是若干结点和链接这些结点的链路组成网络中的结点可以是计算机、集线器、交换机或路由器等。
下图所示的是一个具有四个节点和三条链路的网络，一般的我们用一朵云来表示一个网络，这样做的好处就是可以不去关心网络中的细节问题，因而可以集中精力研究设计到与网络互连相关的一些问题。
2、互联网
2.1概念
其实互联网通俗一点来理解就是网络的网络，他是将我们上述所说的网络互联起来的。而我们熟悉的因特网就是世界上最大的互连网络。大家把连接在因特网上的计算机都称为主机，他们的连接形式如下图所示：
值得注意的是，网络上的互连并不是把计算机仅仅简单地在物理上连接起来，这样达不到信息交换的目的，我们还必须在计算机上安装许多使计算机能够交换信息的软件才可以。
2.2因特网的组成
从工作方式上来看，可以划分成两大块，分别是核心部分和边缘部分
- 边缘部分是
用户直接使用的，用来进行通讯和资源共享； - 核心部分主要就是由
大量网络和连接这些网络的路由器组成，该部分的作用主要就是为边缘部分提供服务的。
2.3网络边缘端系统之间的通信方式
1、网络中通信的主角
当我们说主机A和主机B之间通信实际上就是指的主机A的某个进程和主机B上面的另一个进程之间的通信
2、分类
可以将其划分成两大类——客户服务器你方式（C/S方式）和对等方式（P2P方式）。
3、C/S方式
客户是服务请求方而服务器就是服务的提供方，他们之间的通信如下图所示
客户程序的特点：
- 被用户调用后运行，在通信时主动向原地服务器发起通信（请求服务）因此，客户程序必须知道服务器程序的地址
- 不需要特殊的硬件和很复杂的操作系统
服务器程序的特点：
- 是一种专门用来提供某种服务的程序，可同时处理多个原地或本地客户的请求
- 系统启动后其自动调用并一直不断的运行着，被动的等待并接受来自各地的客户的通信请求，因此服务器程序不需要知道客户程序的地址
- 一般需要强大的硬件和高级的操作系统支持
2.4网络分类
- 按网络的覆盖范围不同可分为：局域网、城域网。广域网
- 按网络传输技术可分为：广播式网络、点对点网络
- 按传输介质可分为：有线网络和无线网络
- 按网络拓扑结构可分为：星型网络、树形网络、总线型网络、环形网络、网状型网络。
二、网络中的设备
路由器：能主要是存储、选路和转发。工作在网络层交换机:则是数据的集中或者分派，即相当于多了网线接口，工作在数据链路层集线器：通过网线直接传送数据的，工作在物理层。
集线器现在已经被交换机代替了，并且路由器拥有交换机的功能，工作在高层的设备能够拥有工作在低层设备的功能。
交换机和路由器的区别：
| 路由器 | 交换机 | |
|---|---|---|
| 工作层次 | 网络层 | 数据链路层 |
| 转发依据 | IP地址 | MAC地址 |
| 功能 | 连接不同的网络 | 连接局域网中的电脑 |
| 宽带影响 | 共享宽带 | 独享宽带 |
总结一下：路由器就是专管入网，而交换机只管配送。路由器就是给你找路让你上网，交换机只是负责开门，交换机上面要是没有路由你是上不了网的。交换机只是做端口扩展，而路由器是做网间链接的。交换机适合局域网内互联，路由器实现全网段互联。
三、网络中的线路
1、双绞线
双绞线就是把两根相互绝缘的铜导线并排放在一起，然后用规则的方法绞合起来构成了双绞线。这样绞合的目的是可以减少对相邻导线的电磁干扰。模拟传输和数字传输都可以使用双绞线，其通信距离一般是几到十几公里。
2、同轴电缆
由于外导体的屏蔽层的作用，同轴电缆具有很好的抗干扰特性，被广泛用于传输较高速率的数据。
3、光纤
光纤以光脉冲的形式来传输信号，因此材质也是以玻璃或有机玻璃为主。它由纤维芯、包层和保护套组成
【小知识】=猫：调制解调器，将模拟信号和数字信号进行转换
四、IP地址和MAC地址
1、IP地址
1.1概念
IP地址就是主机的逻辑地址。它的第一个字段是网络号（标志主机或者路由器所连接到的网络），一个网络号在整个因特网范围内必须是唯一的。第二个字段是主机号，他标志该主机（或路由器），一个主机号在它前面的
由此可见，一个IP地址在整个因特网范围内是唯一的。
1.2分类
IP地址分为IPV4、IPV6两种类别格式：
- IPV4类似“A.B.C.D"的格式，32位，用"."分为4段，每个段8位（0~255）,10进制标识。
- IPV6地址是128位，格式类似”XXXX:XXXX:XXXX:XXXX:XXXX:XXXX:XXXX:XXXX",用“:”分为8段，用4个16进制表示每一段，则表示X需要4位，一段就16位。
示例：
IPV4:“192.168.31.8”
ipv6:“2001:0db8:3c4d:0015:0000:0000:1a2f:1a2b”
【点分十进制】
一般的，为了提高可读性，我们常常把32位的IP地址中的每8位用其等效的十进制数字表示，并且在这些数字之前加上一个点。这也是我们俗称的点分十进制记法。具体的如下图所示:
1.3IPV4地址分类
我们将IP地址分成了三个类别，分别是A类、B类和C类。他们分别对应的网络号字段是1,2和3字节。而且在网络号字段的前面1-3位的类别位，其数值分别规定为0,10和110。下图为他们的详细表示
【网络号探究】
- A类：126个即（2^7-2）
全0的IP地址是个保留地址，意思是“本网络”。
全1的保留作为本地软件环回测试本主机的进程之间的通信所用。 - B类：2^14-1个
网络号字段有2字节，但是前面两位（1,0）已经固定了，只剩下14位可以进行分配，因为后面的14位无论怎样取值也不可能出现使整个2字节的网络地址成为全0和全1的情况，所以这里不用减2.
但实际上B类网络地址128.0.0.0是不指派的 - C类：2^21-1个
道理和B类一样
【主机号探究】
- A类：2^24-2个
因为A类地址的主机号占3个字节2^24,减2的原因是全0的主机号字段表示该IP地址是==“本主机”==所连接到的单个网络地址，全1表示所有的。 - B类：2^16-2个
- C类：2^8-2个
有了上面详细的描述，我们就可以得出下表IP地址的指派范围
| 网络类别 | 最大可指派的网络数 | 第一个可指派的网络号 | 最后一个可指派的网络号 | 每个网络中最大主机数 |
|---|---|---|---|---|
| A | 126(27-2) | 1 | 126 | 1677214 |
| B | 16383(214-1) | 128.1 | 191.255 | 65534 |
| C | 20971151(221-1) | 192.0.1 | 223.255.255 | 254 |
总结：A类地址一般用于专用网，C类地址一般用于互联网
1.3IP地址的重要特点
- 每个IP地址都由网络号和主机号两部分组成。这样就方便了IP地址的管理。
- IP地址是标志一个主机和一条链路的接口
- 按照因特网的特点，一个网络是指具有相同网络号的主机的集合。因此，用转发器或网桥链接起来的若干个局域网仍为一个网络。不同网络号的局域网必须使用路由器进行互连
- 在IP地址中，所有分配到网络号的网络都是平等的
下图三个局域网通过三个路由器互连起来所构成的一个互联网。很好的解释了以上特点
2、MAC地址
1、概念
MAC地址其实就是主机的物理地址，因为网卡的不同所以每个主机的物理地址是不同的。
2、区别
从层次的角度看
物理地址是数据链路层和物理层使用的地址，而IP地址是网络层和以上各层使用的地址，是一种逻辑地址。
发送数据时
数据从高层下到底层，然后才到通信链路上传输。使用IP地址的IP数据报一旦交给了数据链路层，就被封装成了MAC帧了。MAC帧在传送时使用的原地址和目的地址都是硬件地址，这两个硬件地址都写在MAC帧的首部中。
3、ARP、RARP协议
在实际的应用中，我们经常会遇到这样一个问题：已经知道了一个机器的IP地址，需要找出其相应的物理地址；或反过来，已经知道了物理地址，需要找出相应的IP地址。地址解析协议（ARP）和逆地址解析协议（RARP）就是用来解决这样的问题的。下图说明了这两种协议的作用
注意！！！ARP是解决同一局域网上的主机或路由器的IP地址的映射问题
使用ARP的四种典型情况
发送方是主机要把IP数据报发送到本网络上的另一个主机:用ARP找到目的主机的硬件地址发送发是主机，要把IP数据报发送到另一个网络上的主机:这时用ARP找到本网络上的一个路由器的硬件地址。剩下的工作由这个路由器来完成发送发是路由器，要把IP数据报转发到本网络上的一个主机:这时要用ARP找到目的主机的硬件地址发送方式路由器，要把IP数据报转发到另一个网络上的一个主机:这时用ARP找到本网络上的一个路由器的硬件地址，剩下的工作由这个路由器来完成。
五、计算机网络体系结构
我们把计算机网络的各层及其协议的集合称为网络的体系结构。换种说法，计算机网络的体系结构就是这个计算机网络及其构建所应完成的功能的精确定义。OSI的七层协议体系结构的概念清楚，理论也较完整，但是他既复杂又不实用。TCP/IP体系结构得到了非常广泛的应用，他是一个四层的体系结构。但是从实质上来讲，TCP/IP只有最上面的三层，因为最下面 的网络接口层并没有什么具体内容。因此在学习计算机网络原理时往往采取折中的方法，采用一种五层协议的体系结构。
1、OSI七层模型
2、TCP/IP四层(五层)模型
具体的各功能如下图所示：
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.
3、各层的主要协议
在上面的图示中，已经写出了各个层所需要用到的协议。下面我们再来总结一下
- 数据链路层：PPP、HDLC、ARP、RARP
- 网络层：IP、ICMP、IGMP、OSPF
- 传输层：TCP、UDP
- 应用层：HTTP、FTP、SMTP、DNS、Telnet
他们的关系如下图所示：
对于我们常用的一些协议，解释如下：
- HTTP：超文本传输协议
- FTP：文件传输协议
- TELNET：是internet远程登录服务的标准协议
- TCP：传输控制协议，是一种面向连接的，可靠的，基于字节流的传输层通信协议
- UDP:用户数据报协议
- IP：网际协议或互联网协议
- ICMP：因特网控制报文协议
- ARP：地址解析协议，根据IP地址获得MAC地址
- RARP：逆地址解析协议
六、封装和分用
在数据从一个主机发送到另外一个主机的过程，数据在各层都做了什么，假设我们从主机A向主机B发送数据”hello”，我们可以用一张图来表示：
可以看到主机A发送的信息，从应用层开始自上向下的对数据进行包装，经过路由器的选择，转发，发给目标主机B的物理层，再经过自底向上对数据进行拆解，再应用层收到hello。
封装：应用程序在发送到物理网络上之前，将沿着协议栈从上往下依次传递，每层协议都将在上层数据的基础上加上自己的头部信息（有的还包括尾部信息），以实现该层的功能，这个过程就称为封装
分用：当帧到达目的主机后，将沿着协议栈自底向上依次传递，各层协议依次处理帧中本层负责的头部数据， 以获取所需的信息，并将处理后的帧交给目标应用程序。