【计算机网络】网络基础(上)

1. 网络发展

计算工作是不可能一个科学家搞出来的，注定是一群科学家协同工作，
给每一个科学家配上电脑，那么科学家之间的电脑也是协同工作的

人只要用计算机，计算机就必须要协同

古代打仗，每个士兵都有自己的武器(刀、枪、剑等)，但士兵之间不是互相孤立的，而是互相协同的刀与枪配合、枪与剑配合

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各个计算机之间是独立的
将小松计算后的数据拷贝到软盘中 交给小竹
将小竹计算后的数据拷贝到软盘中 交给小梅
但是人参与的工作，效率会非常低

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所以为了提高效率，将所有的机器简单连接起来
这样就可以在自己的电脑上看见所有人的数据

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认识协议

协议是一种约定

在之前打电话要花钱，接电话是不需要花钱的
假设你的手机里只有 20 30块话费，因为花费很少所以避免自己打电话
所以你在向家里打电话时
若响一声就挂掉，说明给家里报平安
若响两声才挂掉，说明你没钱了，该打钱了
若响三声才挂掉，说明是其他特殊事情

将约定做好，相隔几百里，通过曾经约定好的事情 快速形成共识 做出约定的动作，被称为协议
协议本质是为了提高协同效率

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两台计算机是人的意志的表达，因为引进网络，就注定计算机之间的距离比较久，
所以两台计算机在技术层面上用特定的方式来做好 双方通信时候的协议约定

2.网络协议初识

网络通信时，会有那些需求要解决，要有那些问题会产生，为什么会产生问题?
1. 长距离传送时，信号会衰减，所以数据有可能异常(数据丢失)

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要发送的机器是在远端的，网络上的机器有很多
如何能够将机器数据发送后准确找到网络当中其中一台机器
2.定位一台主机的问题

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因为网络太长了，所以要经历中间节点
就会导致
3. 怎么进行数据转发以及路径选择的问题

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只有定位一台主机，才能开始传输数据，以及路径选择
如：明确自己要考研，才会好好学习
所以在设计时，将不同的功能模块设计成为不同的模块
可以将解决方案 设计为层状结构(每一层解决相同的问题，层与层之间没有直接关联)

协议分层

假设你和你的朋友，分别在两个不同的楼内，你使用你宿舍的台式机给你朋友宿舍的台式机打电话
在打电话这个过程中，你认为你和你的朋友在进行直接通信
实际上是 你把话说给了你的台式机，通过电话协议，将信息传递给另一个台式机，此时你朋友的台式机把收到的数据进行协议解析，把声音播放到你朋友的耳边

所以分为语言层和通信设备层，在逻辑上认为都在和对方层进行通信
层和层之间通过接口的方式来进行互相调用底层的功能
但底层如何实现的，上层并不关心
如：你打电话时，并不关心电话采用的频率是多少

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对通信设备层替换
在用手机通信的过程中
虽然底层全部替换掉了，但是上层依旧两个人使用汉语来通信

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对语言层替换
在用台式机通信的过程中
两个人把语言从汉语变成了英语，台式机并不会管那么多，台式机依旧是把一个人的数据传给另一个台式机

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软件分层后，每一层只关注自己同层的功能，只使用下一层的接口，任何一层出现问题，都不会直接影响另一层
减少后期开发者的成本

OSI七层模型 | TCP/IP

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

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分为七层
自底向上为：物理层 数据链路层 网络层 传输层 会话层 表示层 应用层

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实际上工程实现时会压缩为 物理层 数据链路层 网络层 传输层 应用层 (会话层 表示层 应用层 看作为应用层)
而一般在研究网络协议栈时，重点谈软件，物理层是有关于网络通信硬件的，所以物理层不考虑

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采用的网络协议栈为 TCP/IP五层(或四层)模型，TCP/IP脱胎于OSI七层模型，将会话层 表示层 应用层 看作为应用层
五层：物理层 数据链路层 网络层 传输层 应用层
四层： 数据链路层 网络层 传输层 应用层

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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.

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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(就是说从网线上检测
到什么信号算作新帧的开始)、冲突检测(如果检测到冲突就自动重发)、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.
(如：有个小朋友，能够说出简单的字段，将信息传给他的爸爸或妈妈
数据链路层的标准是不一样的，因为数据链路层的具体实现是在网卡驱动实现的
最常见的标准是 以太网)

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网络层: 负责地址管理和路由选择. 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). 路由器(Router)工作在网路层.

红框为主机的内网私有IP地址

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传输层: 负责两台主机之间的数据传输. 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.

可靠的把A数据送到B
如：你的老师夸你，数学有考100分的能力，但并不说明你一定能考100，大概率考100，也有可能考99
所以就需要可靠的传输数据

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应用层: 负责应用程序间沟通，如简单电子邮件传输（SMTP）、文件传输协议（FTP）、网络远程访问
协议（Telnet）等. 我们的网络编程主要就是针对应用层

网络传输基本流程

情况1：同一个局域网(子网)

同一个局域网的两台机器，可以直接通信
如：假设有一天网比较卡，同一个寝室的室友想要打游戏，所以就打CS构建局域网房间，就可以通过进入房间从而一起玩游戏
两个主机通信的本质是 两个主机的操作系统与网络协议栈在通信

数据在两台通信机器中如何流转

同层的每一层都是一种协议，每层都要有自己的协议
协议的表现形式：协议报头体现出来的

协议报头的理解

网购：在网店里面买了一个键盘，付款后进行卖家发货，收货后并不仅仅是键盘，收到的是一个包裹，
包裹上有一张纸，有姓名，地点，发货的邮政编码等
你要的就是键盘，实际上给你的除了键盘还多了一张纸

这张纸对于你并不是必须的，但对于快递员是必须的，多出来的这张纸称为报头
报头是工作在快递员那层的，在你看来你把报头去掉了
键盘本身也是包装起来的，键盘要附上使用说明书，使用说明书就会告诉你键盘是什么种类的，键盘如何使用等
说明书也可以作为报头

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在物流体系中，不仅仅在物流商品，快递单+商品，才是物流的主体

当想要发 在吗，相当于商品，这个商品想要在网络中正常被转发，工作在不同层级，每一层都必须有对应的协议(表现形式为报头)

每一层协议都要有各自的协议报头，加上有效载荷
如：收到一个包裹，包裹上面的纸称为报头，包裹里的东西称之为有效载荷

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当要发送消息时，并不是将消息直接发送给对方，先添加自己应用层的报头，然后将报头与有效载荷交付给下一层
在下一层时，将上一层的报头和有效载荷 整体看作是 该层的有效载荷 ，再次添加报头

所有的数据一定先被硬件收到，因为冯诺依曼体系规定，对于发送方来讲，叫做输出
输入时，一定是主机的硬件先收到，就决定了自底向上收到的

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收到后，将要将自己的报头与自己的有效载荷分离
分离后，将有效载荷交 给上一层
如：收到快递后，将包裹拆掉，将里面的东西拿出来

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将报头从上到下贯穿，称为封装
将报头自底向上进行交付，称之为解包加分用
解包：将报头和有效载荷分离
分用：将有效载荷交付给上层

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协议要支持两个基本功能：
1.报头必须要能和有效载荷分离
2.报头必须支持，将有效载荷交付给上层，被称为数据报分用(分发给上层去用)

局域网通信原理(故事版本)

一般原理

每一个同学都有自己的名字，老师大声在教室询问，张三为什么布置的作业没有写，教室内的所有的同学都听到了，
听到后先分析数据，数据包的报头是张三，有效载荷是作业为什么没做
先将报头与有效载荷分离，报头是张三，每个人都知道自己不是张三，所以每个人在数据链路层将消息丢弃了

有一名同学在数据链路层对比时，发现他就是张三
当张三回答老师说，老师，作业已经做完了
张三给老师发数据包，在座的其他同学都能听见
报头为 老师， 有效载荷为 作业已经做完了
此时其他同学在数据链路层将消息丢弃了，老师在数据链路层对比时，发现这名同学就是叫他的
将有效载荷 作业已经做完了，向上交付给老师

在这个过程中，张三认为和老师直接通信，老师也认为和张三直接通信，完成一次信息的交互
这种通信原理就被称为 以太网的局域网的通信原理

数据碰撞

在教室内，当上课时，有一个同学一直在说话，扰乱课堂秩序，一般这个时候老师会让这位同学出去
因为这位同学说话时，会干扰老师或者其他同学说话，导致其他人听不清楚
这种情况被称为局域网发生数据碰撞

结论

局域网中，任何时刻，只允许一个人在向局域网发送消息
任何人要通信，需要有唯一的一个标识符，对于机器也是如此，对于计算机，每台计算机都配有网卡
网卡在出厂的时候，就在网卡内部写入网卡的sn号(俗称MAC地址，全球唯一)
(标识符：在教室里，每个人都有唯一的名字)