计算机网络基础(1)

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计算机网络基础

收录于专栏【计算机网络】
本专栏旨在分享学习计算机网络的一点学习笔记，欢迎大家在评论区交流讨论💌 

目录

1. 计算机网络背景

1.1 网络发展

2. 初识协议

2.1 协议分层 

2.1.1 软件分层的好处

2,2 OSI七层模型

2.3 TCP/IP五层(或四层模型)

3. 再识协议

3.1 为什么要有TCP/IP协议

3.2 什么是TCP/IP协议

3.3 TCP/IP协议与操作系统的关系

3.4 究竟什么是协议

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1. 计算机网络背景

1.1 网络发展

独立模式: 计算机之间相互独立;

网络互联: 多台计算机连接在一起, 完成数据共享; 

局域网LAN: 计算机数量更多了, 通过交换机和路由器连接在一起;

广域网WAN: 将远隔千里的计算机连在一起;

所谓 "局域网" 和 "广域网" 只是一个相对的概念. 比如, 我们有 "天朝特色" 的广域网, 也可以看做一个比较大的局域网. 

计算机是人的工具，人要协同工作，注定了网络的产生是必然的. 

2. 初识协议

• "协议" 是一种约定.

• 打电话约定电话铃响的次数的约定 

计算机之间的传输媒介是光信号和电信号. 通过 "频率" 和 "强弱" 来表示0 和1 这样的信息. 要想传递各种不同的信息, 就需要约定好双方的数据格式.

思考: 只要通信的两台主机, 约定好协议就可以了么?

• 定好协议，但是你用频率表示 01，我用强弱表示 01，就好比我用中国话，你用葡萄牙语一样，虽然大家可能遵守的一套通信规则，但是语言不同，即是订好了基本的协议，也是无法正常通信的

所以，完善的协议，需要更多更细致的规定，并让参与的人都要遵守。

• 计算机生产厂商有很多;

• 计算机操作系统, 也有很多;计算机网络硬件设备, 还是有很多;

• 如何让这些不同厂商之间生产的计算机能够相互顺畅的通信? 就需要有人站出来, 约定一个共同的标准, 大家都来遵守, 这就是 网络协议 ; 

一般具有定制协议或者标准的资格的组织或者公司都必须是业界公认或者具有江湖地位的组织或者公司，下面是一些标准制定组织，大家看一下就可以 

1. 国际标准化组织：

￮ IEEE（电气和电子工程师协会）：这是一个由计算机和工程领域专家组成的庞大技术组织，在通信协议领域贡献突出。IEEE 制定了全世界电子、电气和计算机科学领域 30%左右的标准，包括 IEEE 802 系列标准，这些标准涵盖了从局域网（LAN）到广域网（WAN）等多种网络技术。

￮ ISO（国际标准化组织）：ISO 是由多个国家的标准化团体组成的国际组织，它在开放系统互连（OSI）模型方面的工作尤为著名。OSI 模型定义了网络通信的七层协议结构，尽管在实际应用中，TCP/IP 协议族更为普遍，但OSI 模型仍然在学术和理论研究中占有重要地位。

￮ ITU（国际电信联盟）：ITU 是联合国下属的专门机构，负责制定电信领域的国际标准。ITU-T 制定的标准涵盖了电话和网络通信，与ISO 合作确保了通信技术的全球兼容性和互操作性。

2. 区域标准化组织：

￮ ETSI（欧洲电信标准学会）：由欧洲共同体各国政府资助，是一个由电信行业的厂商与研究机构参加并从事研究开发到标准制定的组织。

￮ ASTAP（亚洲与泛太平洋电信标准化协会）：1998 年由日本与韩国发起成立的标准化组织，旨在加强亚洲与太平洋地区各国信息通信基础设施及其相互连接的标准化工作的协作。

3. 公司：

￮ 某些公司，如泰凌微，也自研各种标准的软件协议栈，包括低功耗蓝牙、zigbee、thread 及 Matter 等，并可进行定制化改动，这是其核心竞争力之一。泰凌微还计划重点发展智能电子价签、智能遥控、智能家居等市场。

4. 民间国际团体：

￮ IETF（互联网工程师任务组）：这是一个负责开发和推广互联网协议（特别是构成 TCP/IP 协议族的协议）的志愿组织，通过 RFC 发布新的或者取代老的协议标准。

5. 官方机构：

￮ FCC（联邦通信委员会）：美国对通信技术的管理的官方机构，主要职责是通过对无线电、电视和有线通信的管理来保护公众利益。也对包括标准化在内的通信产品技术特性进行审查和监督。 以上这些组织或公司都能在一定程度上定制协议标准，以满足特定需求或推动技术发展。 

2.1 协议分层 

协议本质也是软件，在设计上为了更好的进行模块化，解耦合，也是被设计成为层状结构的 

2.1.1 软件分层的好处

在这个例子中, 我们的"协议"只有两层:语言层、通信设备层。 

但是实际的网络通信协议，设计的会更加复杂, 需要分更多的层

但是通过上面的简单例子，我们是能理解，分层可以实现解耦合，让软件维护的成本更低 

2,2 OSI七层模型

• 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;

• 把网络从逻辑上分为了 7 层. 每一层都有相关、相对应的物理设备，比如路由器，交换机;

• OSI 七层模型是一种框架性的设计方法，其最主要的功能使就是帮助不同类型的主机实现数据传输;

• 它的最大优点是将服务、接口和协议这三个概念明确地区分开来，概念清楚，理论也比较完整. 通过七个层次化的结构模型使不同的系统不同的网络之间实现可靠的通讯;

• 但是, 它既复杂又不实用; 所以我们按照 TCP/IP 四层模型来讲解 

	分层名称	功能
1	物理层	以"0", "1"代表电压的高低, 灯光的闪灭.界定连接器和网线的规格.
2	数据链路层	互联设备之间传送和识别数据帧
3	网络层	地址管理与路由选择
4	传输层	管理两个节点之间的数据传输,负责可靠传输(确保数据被可靠地传送到目标地址)
5	会话层	通信管理, 负责建立和断开通信连接(数据流动的逻辑电路) 管理传输层以下的分层
6	表示层	设备固有数据格式和网络标准数据格式的转换
7	应用层	针对特定应用的协议

其实在网络角度，OSI 定的协议 7 层模型其实非常完善，但是在实际操作的过程中，会话层、表示层是不可能接入到操作系统中的，所以在工程实践中，最终落地的是 5 层协议。(将会话层, 表示层, 应用层何为一层~) 

2.3 TCP/IP五层(或四层模型)

TCP/IP 是一组协议的代名词，它还包括许多协议，组成了 TCP/IP 协议簇.

TCP/IP 通讯协议采用了 5 层的层级结构，每一层都呼叫它的下一层所提供的网络来完成自己的需求:

• 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.

• 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.

• 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.

• 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.

• 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.

 

物理层我们考虑的比较少，我们只考虑软件相关的内容. 因此很多时候我们直接称为TCP/IP 四层模型. 

一般而言 :

• 对于一台主机, 它的操作系统内核实现了从传输层到物理层的内容;

• 对于一台路由器, 它实现了从网络层到物理层;

• 对于一台交换机, 它实现了从数据链路层到物理层;

• 对于集线器, 它只实现了物理层

但是并不绝对. 很多交换机也实现了网络层的转发; 很多路由器也实现了部分传输层的内容(比如端口转发 

3. 再识协议

上面的内容，我们只是懂了一些基本概念，还是达不到我们的目标，下面我们再次重新理解协议和协议分层。 

3.1 为什么要有TCP/IP协议

• 首先，即便是单机，你的计算机内部，其实都是存在协议的，比如：其他设备和内存通信，会有内存协议。其他设备和磁盘通信，会有磁盘相关的协议，比如：SATA，IDE，SCSI 等。只不过我们感知不到罢了。而且这些协议都在本地主机各自的硬件中，通信的成本、问题比较少。 

• 其次，网络通信最大的特点就是主机之间变远了。任何通信特征的变化，一定会带来新的问题，有问题就得解决问题，所以需要新的协议咯。 

 • 所以，为什么要有 TCP/IP 协议？本质就是通信主机距离变远了

3.2 什么是TCP/IP协议

• TCP/IP 协议的本质是一种解决方案

• TCP/IP 协议能分层，前提是因为问题们本身能分层

3.3 TCP/IP协议与操作系统的关系

所有主机上面安装的操作系统可以不同, 事实也就是不同, 但就是所有的主机上面的协议必须按照标准进行相同的实现, 这就是为什么不同的主机, 可以互相通信的秘密.

可以看出来, 整个协议栈, 即涉及到硬件, 又涉及到驱动, 又涉及到OS, 甚至用户, 所有这个协议一定需要IT各行各业都要进行支持和配合 

3.4 究竟什么是协议

下面，仔细看看下面的图

问题：主机 B 能识别 data，并且准确提取 a=10，b=20，c=30 吗？回答：答案是肯定的！

因为双方都有同样的结构体类型 struct protocol。也就是说，用同样的代码实现协议，用同样的自定义数据类型，天然就具有”共识“，能够识别对方发来的数据，这不就是约定吗？

关于协议的朴素理解：所谓协议，就是通信双方都认识的结构化的数据类型

因为协议栈是分层的，所以，每层都有双方都有协议，同层之间，互相可以认识对方的协议。