计算机网络原理【网络初识与TCP/IP四层模型和OSI七层模型的概念】

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简介: 计算机网络原理【网络初识与TCP/IP四层模型和OSI七层模型的概念】

🍎一.什么是网络


🍒1.1网络的发展


一.独立模式


独立模式:我们的最早的计算机之间是相互独立

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二.网络互连


随着时代的发展,越来越需要计算机之间互相通信,共享软件和数据,即以多个计算机协同工作来完成业务,就有了网络互连

网络互连:将多台计算机连接在一起,完成数据共享

数据共享本质是网络数据传输,即计算机之间通过网络来传输数据,也称为网络通信,根据网络互连的规模不同,可以划分为局域网和广域网


🍒1.2.网络的基本形成


一.局域网(LAN)


局域网,即 Local Area Network,简称LAN

Local 即标识了局域网是本地,局部组建的一种私有网络

局域网内的主机之间能方便的进行网络通信,又称为内网;局域网和局域网之间在没有连接的情况下,是无法通信的


LAN常见形式:网线直连,基于路由器,基于交换器

(1)网线直连



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(2)基于交换器组建


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(3)基于路由器组建


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二.广域网(WAN)


广域网,即 Wide Area Network,简称WAN

通过路由器,将多个局域网连接起来,在物理上组成很大范围的网络,就形成了广域网。广域网内部的局域网都属于其子网

如果有北、中、南等分公司,甚至海外分公司,把这些分公司以专线方式连接起来,即称为“广域网”

如果属于全球化的公共型广域网,则称为互联网(又称公网,外网),属于广域网的一个子集,有时在不严格的环境下说的广域网,其实是指互联网,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


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🍎二.网络通信基础


网络互连的目的是进行网络通信,也即是网络数据传输,更具体一点,是网络主机中的不同进程间,基于网络传输数据


那么,在组建的网络中,如何判断到底是从哪台主机,将数据传输到那台主机呢?这就需要使用IP地址来标识


🍒2.1IP地址


概念:


IP地址主要用于标识网络主机、其他网络设备(如路由器)的网络地址。简单说,IP地址用于定位主机的网络地址,就像我们发送快递一样,需要知道对方的收货地址,快递员才能将包裹送到目的地


格式:

IP地址是一个32位的二进制数,通常被分割为4个“8位二进制数”(也就是4个字节),如:01100100.00000100.00000101.00000110。

通常用“点分十进制”的方式来表示,即 a.b.c.d 的形式(a,b,c,d都是0~255之间的十进制整数)。如:100.4.5.6


特殊IP:

127.*的IP地址用于本机环回(loop back)测试,通常是127.0.0.1

本机环回主要用于本机到本机的网络通信(系统内部为了性能,不会走网络的方式传输),对于开发网络通信的程序(即网络编程)而言,常见的开发方式都是本机到本机的网络通信,IP地址解决了网络通信时,定位网络主机的问题,但是还存在一个问题,传输到目的主机后,由哪个进程来接收这个数据呢?这就需要端口号来标识


🍒2.2端口号



概念:

在网络通信中,IP地址用于标识主机网络地址,端口号可以标识主机中发送数据、接收数据的进程,简单说:端口号用于定位主机中的进程

类似发送快递时,不光需要指定收货地址(IP地址),还需要指定收货人(端口号)


格式:

端口号是0~65535范围的数字,在网络通信中,进程可以通过绑定一个端口号,来发送及接收网络数据


注意事项:

两个不同的进程,不能绑定同一个端口号,但一个进程可以绑定多个端口号


了解:

一个进程启动后,系统会随机分配一个端口(启动端口),程序代码中,进行网络编程时,需要绑定端口号(收发数据的端口)来发送、接收数据,进程绑定一个端口号后,fork一个子进程,可以实现多个进程绑定一个端口号,但不同的进程不能绑定同一个端口号


问题:

有了IP地址和端口号,可以定位到网络中唯一的一个进程,但还存在一个问题,网络通信是基于二进制0/1数据来传输,如何告诉对方发送的数据是什么样的呢?网络通信传输的数据类型可能有多种:图片,视频,文本等。同一个类型的数据,格式可能也不同,如发送一个文本字符串“你好!”:如何标识发送的数据是文本类型,及文本的编码格式呢?基于网络数据传输,需要使用协议来规定双方的数据格式


🍎三.初始协议


🍒3.1什么是协议


概念


协议,网络协议的简称,网络协议是网络通信(即网络数据传输)经过的所有网络设备都必须共同遵从

的一组约定、规则。如怎么样建立连接、怎么样互相识别等。只有遵守这个约定,计算机之间才能相互通信交流通常由三要素组成:


语法:即数据与控制信息的结构或格式;类似打电话时,双方要使用同样的语言:普通话

语义:即需要发出何种控制信息,完成何种动作以及做出何种响应;语义主要用来说明通信双方应当怎么做。用于协调与差错处理的控制信息,类似打电话时,说话的内容。一方道:你瞅啥?另一方就得有对应的响应:瞅你咋的!

时序,即事件实现顺序的详细说明,时序定义了何时进行通信,先讲什么,后讲什么,讲话的速度等。比如是采用同步传输还是异步传输。

女生和男生的通话,总是由男生主动发起通话,而总是在男生恋恋不舍的时候,由女生要求结束通话。

协议(protocol)最终体现为在网络上传输的数据包的格式。

作用

为什么需要协议?

就好比见网友,彼此协商胸口插支玫瑰花见面,这就是一种提前的约定,也可以称之为协议

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

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


知名协议的默认端口

系统端口号范围为 0 ~ 65535,其中:0 ~ 1023 为知名端口号,这些端口预留给服务端程序绑定广泛使

用的应用层协议,如:

22端口:预留给SSH服务器绑定SSH协议

21端口:预留给FTP服务器绑定FTP协议

23端口:预留给Telnet服务器绑定Telnet协议

80端口:预留给HTTP服务器绑定HTTP协议

443端口:预留给HTTPS服务器绑定HTTPS协议

补充:

以上只是说明 0 ~ 1023 范围的知名端口号用于绑定知名协议,但某个服务器也可以使用其他 1024 ~65535 范围内的端口来绑定知名协议

例如:餐厅的VIP包房是给会员使用,但会员也可以不坐包房,坐其他普通座位


🍒3.2五元组


在TCP/IP协议中,用五元组来标识一个网络通信:

1. 源IP:标识源主机
2. 源端口号:标识源主机中该次通信发送数据的进程
3. 目的IP:标识目的主机
4. 目的端口号:标识目的主机中该次通信接收数据的进程
5. 协议号:标识发送进程和接收进程双方约定的数据格式


🍒3.3协议分层


什么是协议分层:


协议分层是指当网络通信这个过程中很复杂,里面有很多细节,如果只通过一个协议来实现约定里所以的细节,这样这个协议就会衡庞大,并且复杂,容易出错,这样更好的办法就是将一个复杂的协议拆成多个小的,变成更好的协议,让每个协议完整自己的任务


好处一:每层协议不需要理解其他协议的细节(封装)


好处二:对应层D协议替换成其他协议(解耦合)


分层的作用

为什么需要网络协议的分层?

分层最大的好处,类似于面向接口编程:定义好两层间的接口规范,让双方遵循这个规范来对接。

在代码中,类似于定义好一个接口,一方为接口的实现类(提供方,提供服务),一方为接口的使用类

(使用方,使用服务):

对于使用方来说,并不关心提供方是如何实现的,只需要使用接口即可

对于提供方来说,利用封装的特性,隐藏了实现的细节,只需要开放接口即可


🍒3.4OSI七层模型(了解)


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🍒3.5TCP/IP五层(或四层)模型(重点)


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

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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


●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


●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


●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


●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


网络设备所在分层:

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,也即是TCP/IP五层模型的下四层

对于一台路由器,它实现了从网络层到物理层,也即是TCP/IP五层模型的下三层

对于一台交换机,它实现了从数据链路层到物理层,也即是TCP/IP五层模型的下两层

对于一台集线器,它只实现了物理层


注意我们这里说的是传统意义上的交换机和路由器,也称为二层交换机(工作在TCP/IP五层模型的下两层)、三层路由器(工作在TCP/IP五层模型的下三层),随着现在网络设备技术的不断发展,也出现了很多3层或4层交换机,4层路由器。我们以下说的网络设备都是传统意义上的交换机和路由器


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