计算机网络速成

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计算机网络概述

网络的范围分级

电路交换网络（电路交换）

报文交换网络和分组交换网络（包交换）

• 将信息打包后在各个结点直接依次传输

常见的网络拓扑结构

OSI七层模型

层与层之间通过接口访问，从下到上的记忆顺序物联网书卉试用（谐音梗不扣钱）

TCP/IP四层模型

其实是对OSI七层模型的一个合并简化

网络的性能指标

物理层

通信基本概念

传输介质

基带传输与数字编码

多路复用技术

• 频分复用：假设a用高频，b用低频
• 码分复用：a和b一起运输，到目的地再各自分开

中继器和两个计算公式

• 中继器：信息在传输过程中会衰减，通过中继器将其进行放大整形操作抗衰减，集线器是单进多出的中继器
  

数据链路层

链路：结点到结点，中间没有路由器

数据链路层是OSI七层模型中的第二层，介于物理层和网络层之间，主要负责在相邻设备之间可靠地传输数据帧，确保数据的完整性和正确性。其主要功能包括帧的封装与解封装、错误检测与纠正、流量控制等。

数据链路层的主要功能

1. 帧的封装与解封装
   功能描述：
   数据链路层将来自网络层的数据（通常是分组）封装成数据帧，以便通过物理层进行传输。
   数据帧由帧头（Header）、帧数据（Payload）和帧尾（Trailer）组成，分别包含控制信息、数据以及校验信息。
   具体操作：
   封装：为数据包添加必要的帧头和帧尾信息，形成数据帧。
   解封装：接收数据帧后，移除帧头和帧尾，并将数据传递给网络层。
2. 物理地址（MAC地址）寻址
   功能描述：
   数据链路层使用物理地址（如MAC地址）标识网络设备，确保数据能够准确送达目标设备。
   源设备在帧头中添加目标设备的MAC地址和源设备的MAC地址。
   应用场景：
   局域网中设备之间的通信需要基于MAC地址。
3. 错误检测与纠正
   功能描述：
   数据链路层负责检测数据在传输过程中是否出错（如比特翻转、丢失等）。
   通常在帧尾中添加校验信息（如CRC循环冗余校验），接收端对数据进行校验以判断是否出错。
   某些协议支持简单的错误纠正功能，例如请求重传机制。
   常见方法：
   奇偶校验：通过比特数量判断是否出错。
   CRC校验：广泛用于数据链路层的错误检测。
   

冗余码的计算

点到点信道

数据的透明传输

“透明”：表示链路层对上层数据不进行解释或干预，数据内容是什么就按什么样子进行传输，不会因为链路层的操作而对数据内容产生影响。
核心目标：无论数据内容如何变化，链路层都能将其正确封装为帧，并通过物理链路完整地传递到接收端，同时让接收端可以还原出发送端的数据。

广播信道的数据链路

以太网

集线器：工作在物理层
网桥：工作在数据链路层，用于优化以太网，隔离冲突，识别帧的结构

PDU地址的概念

在不同层PDU地址和传输数据类型不一样

虚拟局域网（VLAN）

ip地址

ip地址概述

路由器连不同网段，交换机处理同一网段内的交换信息

IP地址格式

子网掩码

• 用于区分出ip地址中哪些是网络地址，哪些是主机地址
  
  网络地址和广播地址除外，如果网络地址相同，则不需要通过交换机进行通信
  
• 注：私有地址是不能直接转发到网上的，需要转为公有地址
  

定长子网的划分

本质上是从主机地址中取出一些位数，用来标记不同的子网

变长子网的划分

合并网段

网络层

网络层概述

地址解析协议ARP

即通过目标的ip地址找到mac地址，从而找到转发结点

路由相关协议

ICMP报文

用于检测发送过程中的错误

虚拟专用网（VPN）

将私有地址映射为一个可以通过网络传输的公有地址

传输层

传输层的功能

网络层解决了不同主机之间通信的问题，而传输层解决了同一主机中不同进程之间通信的问题

进程标识

采用端口号来标识进程，这也就能理解为什么ctf连接时都是连某个端口了

UDP协议

特点就是快，但是不可靠

TCP协议

三次握手，四次挥手

计算机网络为什么要分层，每一层解决了什么问题

计算机网络分层是一种模块化设计方法，它将网络通信过程分解为多个层次，每一层解决不同的网络问题。通过分层，网络协议的设计和实现变得更加清晰和易于管理，同时也提高了网络的可扩展性、可维护性和互操作性。

分层设计的思想在 OSI 七层模型和 TCP/IP 模型中得到了广泛应用。每个模型有不同数量的层次，但它们的设计思想和目的都是相同的。

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为什么要分层

1. 简化网络设计和实现
   网络功能复杂，分层可以将每个网络问题局限于一个层，减少了跨层之间的复杂性，使得开发人员可以专注于单一层的功能。

2. 增强可扩展性
   新的协议和技术可以仅在某一层进行替换或更新，而不影响其他层。例如，当出现新的传输协议（如 QUIC 替代 TCP）时，只需要修改传输层的实现，其他层（如应用层、网络层）不需要改变。

3. 提高模块化和灵活性
   分层使得每一层的协议和技术具有独立性，可以针对不同需求优化和升级。例如，应用层可以采用不同的协议（如 HTTP、FTP），而无需关心底层的传输细节。

4. 实现跨平台的互操作性
   通过定义标准接口和协议，各个层之间可以独立工作，允许不同厂商、不同技术的设备在相同的网络中协同工作。

5. 便于故障排除和管理
   分层设计使得网络故障可以被局限到特定的层，便于定位和排除问题。例如，如果数据包丢失，可能是网络层的路由问题；如果传输错误，可能是传输层的问题。

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OSI 七层模型与 TCP/IP 模型

OSI 七层模型和TCP/IP 模型是计算机网络协议体系结构的两种常见分层模型。每个模型有不同数量的层次，但它们的设计思想和目的都是相同的。

OSI 七层模型：

1. 物理层（Physical Layer）

   • 解决问题：传输介质和信号的物理特性。确保比特在物理媒介（如电缆、无线信号）上传输。
   • 例如：电压、信号强度、线缆类型、光纤、无线电波等。

2. 数据链路层（Data Link Layer）

   • 解决问题：节点之间的数据帧传输和错误检测。提供可靠的点对点数据传输，确保数据帧从源节点正确传输到目标节点。
   • 例如：以太网、Wi-Fi、帧检验序列（FCS）、MAC 地址。

3. 网络层（Network Layer）

   • 解决问题：数据包的路由与转发，选择从源到目的地的最佳路径。提供不同网络之间的互联。
   • 例如：IP 协议、路由协议（如 OSPF、BGP）。

4. 传输层（Transport Layer）

   • 解决问题：端到端的数据传输，提供可靠性、流量控制和差错检测。确保数据按顺序传输且没有丢失。
   • 例如：TCP、UDP。

5. 会话层（Session Layer）

   • 解决问题：会话管理和数据同步。提供不同应用之间的通信会话，管理会话的建立、维护和终止。
   • 例如：NetBIOS、RPC（远程过程调用）。

6. 表示层（Presentation Layer）

   • 解决问题：数据格式化与转换，确保不同系统之间的数据可以理解。例如，数据编码、加密、解密、压缩等。
   • 例如：JPEG、MPEG、SSL/TLS、ASCII、EBCDIC 编码。

7. 应用层（Application Layer）

   • 解决问题：直接为用户提供网络服务，定义应用程序与网络之间的通信方式。处理具体的应用协议。
   • 例如：HTTP、FTP、SMTP、DNS、SSH。

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TCP/IP 模型：

TCP/IP 模型是一个四层的模型，实际上是基于 OSI 模型的简化版本。它被广泛用于现代互联网中。

1. 网络接口层（Network Interface Layer）

   • 对应于 OSI 模型中的物理层和数据链路层，负责数据在物理媒介上的传输。

2. 互联网层（Internet Layer）

   • 对应于 OSI 模型中的网络层，负责数据包的路由和转发，处理 IP 地址、子网、路由等。

3. 传输层（Transport Layer）

   • 对应于 OSI 模型中的传输层，提供端到端的通信服务。常用的协议有 TCP 和 UDP。

4. 应用层（Application Layer）

   • 对应于 OSI 模型中的应用层、会话层和表示层，负责处理特定应用的请求和响应。

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每一层解决的具体问题

物理层：

• 问题：如何在物理介质上传输比特流（如电缆、光纤、无线电波等）。
• 解决方案：定义信号的电气特性、传输媒介、传输速率等。

数据链路层：

• 问题：如何可靠地在局部网络中传输数据帧。
• 解决方案：通过帧检验、错误检测和纠正、MAC 地址来确保数据正确传输。

网络层：

• 问题：如何从源到目的地传送数据包，并在网络中进行路由选择。
• 解决方案：使用 IP 协议进行数据包的寻址和路由选择，确保数据在多个网络中传输。

传输层：

• 问题：如何在两个端点之间建立可靠的数据传输，解决数据的顺序、完整性和丢失问题。
• 解决方案：使用 TCP 提供可靠传输、重传机制、流量控制等；使用 UDP 提供不可靠但低延迟的传输。

会话层：

• 问题：如何管理通信会话（即通信的持续时间、同步、恢复等）。
• 解决方案：通过建立、维护和终止会话来协调不同应用程序之间的通信。### 表示层：
• 问题：如何将数据进行格式化、压缩、加密等转换，使不同系统间的数据能够理解。
• 解决方案：使用标准数据格式（如 JPEG、MPEG）、加密和解密技术（如 SSL/TLS）。

应用层：

• 问题：如何让用户或应用程序与网络服务进行交互。
• 解决方案：定义具体的网络协议，支持用户的各类需求，如文件传输、网页浏览、电子邮件等。

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总结

网络分层的目的是将复杂的网络通信过程分解成若干个可管理、可维护、可优化的模块，每个层次专注于解决特定的网络问题。分层不仅提高了网络协议的灵活性和可扩展性，还增强了故障排查和协议互操作性的能力。每一层解决不同的问题，从物理层的比特传输到应用层的用户需求，每一层都发挥着至关重要的作用。