【计算机网络笔记一】网络体系结构

IP和路由器概念

两台主机如何通信呢？

首先，主机的每个网卡都有一个全球唯一地址，MAC 地址，如 00:10:5A:70:33:61

查看 MAC 地址：

• windows: ipconfig / all
• linux：ifconfig 或者 ip addr

同一个网络的多台计算机通过交换机互连：

其次使用 IP 来标识网络和主机，一个 IP 包含两部分信息：

• ① 网络号 — IP 所属网络

• ② 主机号 — 一个网络中的主机

总结：

• 每个网卡都有一个全球唯一的 MAC 地址
• 同一个网络中的不同主机之间通过交换机来通信，交换机根据MAC地址和接口号来区分
• 不同网络的主机之间通过路由器来进行通信，路由器通过网关地址和接口号来区分
• ISP 互联网服务提供商（如中国电信中国移动）从互联网管理机构申请很多成块的 IP 地址，用户上网是跟 ISP 对接

网络分层

七层、四层还是五层网络模型呢？

为了使不同体系结构的计算机网络都能互连，国际化标准化组织于 1977 年成立了专门机构研究该问题，他们提出了一个试图使各种计算机，在世界范围内互连成网的标准框架，也就是“开放系统互连参考模型”，简称 OSI。

OSI 七层体系概念很清楚，理论也比较完整，但它既复杂又不实用，所以我们基本不使用 OSI 体系结构，我们而是使用应用更为广泛的 TCP/IP 体系结构。

TCP/IP 四层体系结构

OSI 的七层协议体系结构是法律上的国际标准，而 TCP/IP 四层协议模型是事实上的国际标准。为了更加清楚的学习 TCP/IP 四层体系结构，我们还是把网络接口层分成数据链路层和物理层。

在 TCP/IP 协议中的网际层其实就是 OSI 中的网络层，之所以使用网际层这个名字，是为了强调这一层是解决不同网络的互连问题。

总结：

分层执行流程

分层传输的整个流程有点像寄快件 - 收快递的过程，从上往下其实就是一层一层打包的过程，从下往上其实就是一层一层拆包的过程。

下面是分层执行流程详图：

总结：

• 应用层：对用户传输的原始数据添加HTTP报文段，使之符合http协议，能在应用层之间进行相互解析

• 传输层：对应用层的http报文添加一个TCP首部，使之成为一个TCP报文段，TCP首部包含了源端口号和目标端口号，以及序号、确认号和标志位等，TCP首部的作用是：区分应用进程，实现可靠传输。

• 网络层：对传输层的TCP报文添加一个IP首部，使之成为一个IP数据报，IP首部包含了源IP地址和目标IP地址，以及版本号和协议等，IP首部的作用：使IP数据报可以在互联网上传输，也就是可以被路由器转发。

• 数据链路层：对网络层的IP数据报添加一个首部和一个尾部，使之成为一个帧，首部中包含了源MAC地址和目标MAC地址等，首部的作用：使帧可以在一段链路上传输。

• 物理层：对数据链路层的帧添加一个前导码，将对应的01二进制数据转换成对应的电信号进行传输。

• 在源主机上按分层的顺序从上到下添加首部进行打包，在目标主机上同样按分层的顺序从下到上进行拆包解析。

• 路由器的每一个接口相当于一个网卡，都需要解决网络层、数据链路层、物理层三个子问题，数据在路由器中传输时，也是按照上面分层结构中的包装和解析流程进行的。

网络协议概念

什么是协议？

通信规则一般包括三要素：

• 语法，即传输数据或者控制信息的格式或者结构；
• 语义，即需要发出何种请求，做出何种响应和动作；
• 时序，即发出请求，做出响应和动作的先后顺序。

什么是网络协议的实体？

网络协议的实体是通信对象，一个实体（entity） 表示任何可发送或接收信息的硬件或软件模块。

什么是服务？

协议是“水平的”，即协议是控制对等实体之间通信的规则。但服务是“垂直的”，即服务是由下层向上层通过层间接口提供的，在协议的控制下，两个对等实体间的通信使得本层能够向上一层提供服务。要实现本层协议，还需要使用下面一层所提供的服务。

电路交换 VS 分组交换：

电路交换的优缺点

优点：

• ① 实时性强
• ② 有序传输
• ③ 控制简单

缺点：

• ① 建立连接时间长
• ② 线路独占，使用效率低
• ③ 灵活性差

分组交换的优缺点

优点：

• ① 无需建立连接
• ② 线路利用率高
• ③ 减少重发数据量

缺点：

• ① 转发时延
• ② 传输额外信息
• ③ 相对复杂

网络分类

按照网络覆盖范围划分网络：

• 广域网（Wide Area Network， WAN）：覆盖范围通常为几十公里到几千公里，可以覆盖一个国家、地区，甚至横跨几个洲。

  广域网是因特网的核心部分，其任务是通过长距离（例如，跨越不同的国家）运送主机所发送的数据。连接广域网各结点交换机的链路一般都是高速链路，具有较大的通信容量

• 城域网 （Metropolitan Area Network， MAN） ：作用范围一般是一个城市，可跨越几个街区甚至整个的城市，其作用距离约为5～50km。

  城域网可以为一个或几个单位所拥有，但也可以是一种公用设施，用来将多个局域网进行互连。目前，很多城域网采用的是以太网技术，因此城域网有时也常纳入局域网的范围进行讨论。

• 局域网 （Local Area Network，LAN）：一般用微型计算机或工作站通过高速通信线路相连（速率通常在 10Mb/s 以上），但地理上则局限在较小的范围（如1km左右）。

  在局域网发展的初期，一个学校或工厂往往只拥有一个局域网，但现在局域网已非常广泛地使用，一个学校或企业大都拥有许多个互连的局域网（这样的网络常称为校园网或企业网）。

• 个人区域网（Personal Area Network，PAN) ：在个人工作的地方把属于个人使用的电子设备（如便携式电脑等）用无线技术连接起来的网络，因此也常称为无线个人区域网 WPAN（Wireless PAN），其范围大约在10m左右，比如手机热点 。

按拓扑结构分类网络：

• 总线型网络
• 星型网络
• 环型网络
• 网状型网络

这四种网络结构进行组合可以构成更加复杂的网络结构。