第一章 网络通信基础
目录
通信与网络
OSI模型和TCP/IP模型
网络类型
传输介质及通信方式
通信与网络
所谓通信，就是指人与人、人与物、物与物之间 通过某种媒介和行为进行的信息传递与交流。通信技术最终目的是为了帮助人们更好地沟通和生活。
两台计算机PC1、PC2通过一根网线相连，便组成了一个最简单的网络。
两台计算机之间通过网线传递文件
如下图所示的网络稍微复杂了一些，当A想要从某个网址上获取文件时，必须要先接入Internet。 Internet的中文译名有很多，如英特网、互联网、网际网等。Internet是目前世界上规模最大的计算机网络，其前身是诞生于1969年的ARPnet。Internet的广泛普及和应用是当今信息时代的标志性内容之一。
通过Internet传递文件
OSI模型和TCP/IP模型
OSI参考模型
为了实现网络的互通以及各种各样的网络应用，网络设备需要运行各种各样的协议来实现各种各样的具体功能。我们知道，网络设备的各种功能是通过运行各种相应的协议二实现的。因此，与功能分层模型相对应的便是协议分层模型：属于同一层面的不同协议，其功能作用是相似或相近的；属于不同层面的协议，其功能作用具有明显的差异。
20世纪80年代，国际化标准组织ISO提出了著名的开放系统互联模型——OSI模型。OSI模型的出现，极大地推动了网络技术的发展。OSI是一个7层功能/协议模型：
| 层编号 | 层名 | 主要功能 |
| 7 |
应用层 | 向用户应用软件提供丰富的系统应用接口 |
| 6 | 表示层 | 进行数据格式的转换，以确保一个系统生成的应用层数据能够被另外一个系统的应用层所识别和理解 |
| 5 | 会话层 | 在通信双方之间建立、管理和终止会话，确定双方是否应该开始进行某一方发起的通信等 |
| 4 | 传输层 | 建立、维护和取消一次端到端的数据传输过程，控制传输节奏的快慢、调整数据的排序的等 |
| 3 | 网络层 | 根据数据中包含的网络层地址信息，实现数据从任何一个节点到任何另外一个节点的整个传输过程 |
| 2 | 数据链路层 | 在通过物理链路相连接的相邻节点之间，建立逻辑意义上的数据链路，在数据链路上实现数据的点到点或点到多点方式的直接通信 |
| 1 | 物理层 | 完成逻辑上的“0”和“1”向适合于传输介质承载的物理信号（光/电信号）的转换；实现物理信号的发送、接收，以及在介质上的传输过程 |
从OSI模型的观点来看，计算机发送数据时，数据会从高层向底层逐层专递，在传递过程中进行相应的封装，并最终通过物理层转换为光/电信号发送出去。计算机接收数据时，数据会从底层向高层逐层传递，在传递过程中进行相应的解封装。
TCP/IP协议簇
TCP/IP模型发端于ARPnet的设计和实现，其后被IETF不断地充实和完善。TCP/IP这个名字来自于这个协议簇中两个非常重要的协议，一个是IP（Internet Protocol），另一个是TCP（Transmission Control Protocol）。
上图给出了TCP/IP模型的两个不同版本，以及它们与OSI模型的比较。TCP/IP标准模型共有四层，其“网络接入层”对应了OSI模型的第一层和第二层（或TCP/IP对等模型的第一层和第二层）。OSI模型中第五、六、七层的功能全部影射到了TCP/IP标准模型或对等模型中的应用层。现实中，五层的TCP/IP对等模型使用最为广泛。
TCP/IP模型与OSI模型在层次的划分上稍有差异，但这种层次划分上的差异并不是二者之间的主要差异。二者之间的主要差异而是在于所使用的具体协议的不同。OSI模型中所使用的的那些协议显得非常陌生，而TCP/IP模型所使用的的那些协议则相对比较熟悉。这是因为诸如Internet等现实中的网络设计与实现，使用的几乎都是TCP/IP协议簇，而不是OSI协议簇。
在OSI模型中我们习惯把每一层的数据单元都称为“协议数据单元（Protocol Data Unit，PDU）”。例如，第六层的数据单元称为L6 PDU，第三层的数据单元称为L3 PDU，其中L代表“层（Layer）”。
在TCP/IP模型中，我们习惯把物理层的数据单元称为“比特（Bit）”；把数据链路层的数据单元称为“帧（Frame）”；把网络层的数据单元称为“分组或包（Packet）”。对于传输层我们习惯把通过TCP封装而得到的数据单元称为“段（Segment）”，即“TCP段（TCP Segment）”；把通过UDP封装而得到的数据单元称为“报文（Datagram）”，即“UDP报文（UDP Datagram）”。对于应用层我们习惯把通过HTTP封装而得到的数据单元称为“HTTP报文（HTTP Datagram）”，把通过FTP封装而得到的数据单元成为“FTP报文（FTP Datagram）”，如此等等。
现在假设我们在Internet上通过某网站找到一首歌曲，并向相应的Web服务器请求下载这首2000字节大小的歌曲，那么这首歌曲在被发送之前将在Web服务器中被逐层进行封装。如下图所示，应用层会对原始歌曲数据（Data）添加HTTP头部，形成一个HTTP报文；因为该HTTP报文太长，所以传输层会将该HTTP报文分解成两部分，并在每部分前添加TCP头部，从而形成两个TCP段；网络层会对每个TCP段添加IP头部，形成IP包；数据链路层（假定数据链路层使用的是以太网技术）会在IP包的前面和后面分别添加以太网帧头和帧尾，形成以太网帧（简称以太帧）；最后，物理层会将这些以太帧转化为比特流。
TCP/IP模型中数据的封装过程
网络类型
我们常常听说局域网、广域网、私网、公网、内网、外网、电路交换网络、包交换网络、环形网、星型网、光网络等数不胜数的网络术语，它们都与网络的类型有关。之所以会有这么多的网络类型，是因为在划分网络类型时可以依据各种各样不同的划分原则。
根据不同的划分原则，网络可以分为不同的类型。如果按照地理覆盖分为来划分，则网络可以 分为局域网（Local Area Network，LAN）和广域网（Wide Area Network，WAN）。
| 网络类型 | 基本特点 | 使用的技术 |
| 局域网 | 1、覆盖范围一般在几公里之内 2、主要作用是把分布距离较近（如：一个家庭内、一座或几座大楼内、一个校园或一个厂区等等）的若干终端电脑连接起来 3、不会用到电信运营商的通信线路 |
令牌总线 令牌环 光纤分布式数据接口 以太网 无线局域网(Wireless LAN，WAN) ......
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| 广域网 | 1、覆盖范围一般在几公里以上，可大至几十、几百或几千公里 2、主要作用是把分布距离较远（如：跨越城市、跨越国家等等）的若干局域网连接起来 3、会用到电信运营商的通信线路 |
T1/E1、T3/E3 X.25 HDLC PPP ISND FR ATM SDH ...... |
需要说明的是，局域网和广域网的地理覆盖范围并没有一个严格的界限。我们平时在谈论局域网或广域网时更多地是指局域网所使用的技术或广域网所使用的技术。
现在经常所说的以太网和WAN，便是两种应用非常广泛的局域网技术。相对于局域网而言，广域网的部署环境和条件要复杂的多。广域网的改造和升级所涉及的因素也非常复杂。这也是为什么各种新老的广域网技术至今仍然存在的主要原因。
除了可以依据地理覆盖范围来划分网络类型之外，还可以根据网络的拓扑形态来划分网络类型。
传输介质及通信方式
现在通信技术所使用的物理信号主要是光、电信号，所使用的传输介质主要有空间、金属导线和玻璃纤维三大类。
1、同轴电缆
下图是同轴电缆的结构及实物外观，其中的铜导线才是用来传输电流、电压信号的，铜网屏蔽层的作用是抵御环境中的电磁辐射对所传输的电流、电压信号的干扰。有线电视网络系统广泛地使用了同轴电缆作为传输介质。早期的以太网是总线型网络，所使用的总线便是同轴电缆。目前，以太网已经演化为一种星型网络，不再使用同轴电缆，而是使用双绞线或光纤。
2、双绞线
双绞线的名称源自于通信中所使用的铜导线通常是缠绕捆绑在一起的双绞方式。根据电磁学原理双绞方式的导线可以较好地抵御环境中电磁辐射对导线中传递的电流、电压的干扰。
依据是否包含了屏蔽层，双绞线可分为屏蔽双绞线（STP）和非屏蔽双绞线（UTP）两种。双绞线内的8根铜线两两相互缠绕，形成四组线对。根据材料及之多规格的不同，双绞线可以分为不同的类别。如三类双绞线、五类双绞线、超五类双绞线等。需要说明的是在双绞线应用于以太网环境时，为了保证信号在传输过程中的衰减不至于太大，其最大允许的传输距离均规定为100米。
3、光纤
平时所说的光网络，是指以光导纤维（简称光纤）作为传输介质的网络通信系统。这里的光导纤维，其实是一种玻璃纤维。在光网络通信系统中，光纤中传递的是一种波长在红外波段的、肉眼不可见的红外光。
根据组成结构的差异，光纤可分为单模光纤和多模光纤。
| 单模光纤 |
1、纤芯比较细，覆层较厚 2、在单模光纤中，光是以单模方式进行传播的 3、工艺要求较高，价格较贵 4、传输效率较高，传输距离远 |
| 多模光纤 | 1、纤芯较粗，覆层较薄 2、在多模光纤中，光是以多模方式进行传播的 3、工艺要求简单，价格便宜 4、存在一定的模间色散，不宜远距离传输，多用于局域网 |
通信方式
1、串行通信与并行通信
串行通信是指在一条数据通道上，将数据一位一位地依次传输的通信方式。串行通信一次只能传输一个“0”或一个“1”。
并行通信是指在一组数据通道上，将数据一组一组地一次传输的通信方式。并行通信一次能够传输多个“0”和“1”。并行通信中每一条数据通道上的传输原理都与串行通信类似。通常，并行通信是以字节为单位来进行传输的。计算机与数字投影仪之间的通信方式就是一种并行通信。
2、单工、半双工、全双工通信方式
如下图所示，假定通信双方分别为A和B，则根据通信指向性的不同，通信可以分为单工通信、半双工通信、全双工通信。
单工通信中，信息的流向只能由一方指向另一方。图中的信息只能从A流向B，而不能从B流向A。广播电台、传统的模拟电视都是采用单工通信的例子。
半双工通信中，信息的流向可以从A到B，也可以从B到A。但是信息不能同时在两个方向上进行传递，也就是说只能一端发送，另一端接收。两端不能同时收发。对讲机采用的就是半双工通信的例子。
全双工通信中，信息可以在两个方向上同时进行收发。我们使用的固定电话、移动电话就是采用全双工通信的例子。
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