网络基础与通信原理:构建数字世界的框架

简介: 网络基础与通信原理:构建数字世界的框架



初识计算机网络

网络介绍

计算机网络是一个由多台计算机和其他计算设备通过通信介质连接起来,实现数据通信和资源共享的系统

以下是对计算机网络的介绍:

  1. 组成要素
  • 硬件设备:包括各种类型的计算机、服务器、交换机、路由器等网络设备。
  • 通信介质:指的是用于数据传输的物理通道,比如双绞线、光纤、无线电波等。
  • 网络软件:包含操作系统、管理软件、协议等,它们负责协调硬件工作,确保数据正确传输。
  1. 功能特点
  • 数据通信:允许网络中的计算机之间交换信息和数据。
  • 资源共享:网络上的用户能够访问和使用连接到网络上的其他计算机的资源,如打印机、文件等。
  1. 分类
  • 按规模分:可以分为局域网(LAN)、城域网(MAN)、广域网(WAN)等。
  • 按使用方式分:可分为公用网络和专用网络。
  1. 重要性
  • 促进合作:不同地理位置的个人和组织可以通过网络协同工作。
  • 提高效率:快速的信息交流和资源共享大大提升了工作效率。
  • 支持应用:支撑了云计算、大数据、物联网等现代信息技术的应用和发展。

总结:计算机网络是现代社会不可或缺的基础设施,它通过将独立功能的计算机系统互连,为人们提供了一个广阔的信息交流平台,极大地推动了信息社会的发展。

按照拓扑分类

计算机网络的拓扑结构可以分为以下几种基本类型:

  1. 星型拓扑:这种结构以一个中心节点为核心,其他所有节点都直接与这个中心节点相连。星型拓扑的优点包括结构简单、管理和维护相对容易,扩展性强,网络延迟较小,传输误差低。缺点则是中心节点一旦出现故障,整个网络都会受到影响,而且通信线路的利用率不高。
  2. 环型拓扑:在环型拓扑中,各个节点形成一个闭合环路,每个节点都与相邻的两个节点相连。环形网中的节点可以通过环路接口连入网络,并沿环形路径发送和接收信息。
  3. 总线拓扑:总线拓扑结构中,所有的节点都连接到一条主传输线上,即总线上。任何时候只有一个节点能够使用总线进行通信,其他节点必须等待。总线拓扑的优点在于布线简单,添加新节点容易;缺点是一旦总线故障,整个网络将无法工作。
  4. 树型拓扑:树型拓扑结合了星型和总线拓扑的特点,形状像一棵倒置的树。它从一个根节点开始,逐层扩展出多个分支节点。树型拓扑适合分层管理和扩展网络。
  5. 网状拓扑:网状拓扑中的节点之间有多条路径相连,形成一个网状结构。这种拓扑的优点是可靠性高,因为有多条路径可以传输数据,即使某些连接出现问题,数据仍可通过其他路径传输。缺点是布线复杂,管理起来也较为困难。
  6. 蜂窝状拓扑:蜂窝状拓扑主要用于移动通信网络,其中每个基站覆盖一个小区,多个小区相互连接形成一个大的网络。这种结构适用于覆盖广泛区域的网络服务。
  7. 混合型拓扑:混合型拓扑结合了两种或两种以上的拓扑结构,以适应复杂的网络需求。例如,一个大型网络可能会在不同的区域使用星型和环型拓扑的组合。

总结:每种拓扑结构都有其特定的应用场景和优缺点,选择合适的拓扑结构对于确保网络的效率和稳定性至关重要。在设计网络时,通常需要考虑网络的规模、预期的负载、可靠性要求以及预算等因素。

按地域分类

按地域分类:参照物不同,类型不同

  • 局域网(LAN):一个公司、一个家庭
  • 城域网(MAN):一个区、一个城市、一个国家
  • 广域网(WAN):一个国家、全世界

网络按照地域分类可以分为局域网(LAN)、城域网(MAN)和广域网(WAN),其类型取决于网络的覆盖范围和传输距离。

具体来说:

  1. 局域网(LAN):局域网覆盖的是相对较小的地理区域,通常在几百米到10公里之内。它适用于如一栋建筑、一所学校或一个工厂内部的网络连接。局域网的组建成本相对较低,配置起来也较为简单和灵活。
  2. 城域网(MAN):城域网的覆盖范围介于局域网和广域网之间,可以覆盖一个城市或较大的地区,距离从几十公里到上百公里不等。城域网常用于连接不同局域网,以支持更大范围内的数据通信和资源共享。
  3. 广域网(WAN):广域网覆盖的是大范围的地理区域,通常是跨越几个城市、一个或多个国家的网络。它的地理范围可以达到几千公里,是规模最大的网络类型。广域网能够连接分散在不同地区的网络用户,实现广泛的资源共享和数据传输,互联网就是一个广域网的例子。

总结:网络类型的划分主要是基于它们的地理覆盖范围和服务能力,不同的网络类型满足了人们在不同范围内的通信需求。局域网适合近距离高速通信,城域网则在中等范围内提供服务,而广域网则实现了全球范围内的数据交换和通讯。

网络设备

交换机(switch)

负责组建局域网,研究的是MAC地址

交换机是一种网络设备,主要用于连接和管理局域网内的多个设备,如计算机、打印机等

交换机的主要功能包括:

  • 连接多个以太网物理段:交换机可以连接多个网络设备,隔离冲突域,提高网络效率。
  • 高速交换转发:交换机能够对以太网帧进行高速而透明的交换转发,确保数据快速传输。
  • 学习和维护MAC地址信息:交换机能够自行学习和维护设备的MAC地址信息,以便准确地将数据发送到正确的目的地。
  • 支持VLAN和链路汇聚:现代交换机通常支持虚拟局域网(VLAN)和链路汇聚等高级功能,这有助于提高网络的性能和安全性。
  • 防火墙功能:一些交换机还具备防火墙功能,能够提供一定程度的网络安全保护。

总的来说,交换机是构建高效、可靠网络环境的关键设备,它通过多种功能确保网络数据的快速、准确传输,同时提供网络管理和安全方面的支持。

路由器(router)

负责组建广域网,研究的是IP地址

路由器是一种网络设备,它负责在不同网络之间转发数据包,并确定数据传送的最佳路径

路由器的主要功能包括连接不同网络、选择数据传送路径、数据转发以及安全防护等。具体如下:

  • 连接不同网络:路由器可以连接多种网络传输介质,如光纤、同轴电缆、双绞线等。这使得家庭或办公室内的多台设备能够共享单一的互联网连接。
  • 选择数据传送路径:路由器工作在OSI模型的第三层,即网络层,它根据路由表中的信息来确定数据包的最佳路径。
  • 数据转发:路由器负责将数据从一个网络转发到另一个网络,确保信息准确无误地到达目的地。
  • 安全防护:现代路由器通常具备一定的安全防护功能,如防火墙和入侵检测系统,以保护网络不受未授权访问和攻击。

在选择路由器时,应考虑其性能、安全性、品牌、价格以及是否支持Mesh组网、全屋WiFi、AC+AP等高级功能。这些因素将直接影响到用户的网络体验和使用需求。例如,对于大型住宅或多层建筑,可能需要使用支持Mesh网络的路由器来确保覆盖范围和信号强度。而对于小型家庭或办公室,一个基本的无线路由器可能就足够了。

传输介质

同轴电缆、双绞线、光纤、电磁信号、蓝牙

目前常用的有线介质是:双绞线和光纤

双绞线

双绞线是一种常用的传输介质,广泛应用于网络综合布线工程中

双绞线通常由两根包裹有绝缘层的铜导线组成,这些导线按一定的密度互相绞合在一起。这种结构设计能有效减少电磁干扰和串扰,提高信号的传输质量。以下是关于双绞线的分类:

  • 按照屏蔽情况分类:双绞线可以分为屏蔽双绞线(Shielded Twisted Pair, STP)和非屏蔽双绞线(Unshielded Twisted Pair, UTP)。STP有额外的屏蔽层,能更好地抵抗外部电磁干扰,适用于电磁干扰较强的环境。而UTP没有屏蔽层,成本较低,安装简便,适用于大多数普通环境。理论最大传输距离是100米,建议不要超过90米。如果两台设备超过这个距离,建议中间放一个中继器或者交换机
  • 按照传输速率分类:双绞线可以分为不同类别,如3类、5类、6类等。类别越高,支持的传输速率越高,也就越适合用于高速网络传输。例如,3类双绞线适用于10Mbps的网络,而5类和6类则支持更高速度的以太网通信。
  • 按照线径粗细分类:双绞线还可以分为粗缆和细缆。粗缆的传输距离更远,但价格也相对较高;细缆则价格较低,但传输距离较短。

综上所述,双绞线有多种分类方式,每种分类都有其特定的应用场景和优缺点。在选择双绞线时,应根据实际的网络环境和需求来确定合适的类型。

光纤

光纤的分类主要基于工作波长、折射率分布、传输模式等方面。以下是具体分析:

  1. 按工作波长分类
  • 紫外光纤:用于传输紫外光波段的光信号。
  • 可观光纤:用于可见光波段的传输。
  • 近红外光纤:主要用于近距离的红外光传输。
  • 红外光纤:常见的红外光纤工作波长包括0.85μm、1.3μm和1.55μm,这些波长常用于远距离通信。
  1. 按折射率分布分类
  • 阶跃(SI)型光纤:这种光纤的折射率在纤芯和包层之间有一个突变,光在这种光纤中以直线路径传播。
  • 近阶跃型光纤:折射率变化不像阶跃型那样急剧,而是较为平缓地过渡。
  1. 按传输模式分类
  • 单模光纤:只有一个光模式传输,内径约为9um,适用于长距离传输。多模光纤外面颜色一般为橘红色。
  • 多模光纤:支持多个光模式传输,内径为50或62.5um,适用于短距离传输。单模光纤外面护套线颜色一般为黄色。
  1. 按原材料分类
  • 玻璃光纤:由高纯度的玻璃制成,具有较高的带宽和稳定性。
  • 塑料光纤:由透明塑料材料制成,成本较低,但性能不如玻璃光纤。

此外,光纤接口也是其分类的一个方面,常见的光纤接口包括FC、SC、ST、LC等。每种接口类型都有其特定的应用场景和连接设备。例如,FC接口通常用于单模光纤连接,而SC接口则更常用于局域网中。

综上所述,光纤的分类相当复杂,涉及到不同的技术和应用场景。在选择光纤时,需要考虑具体的应用需求,如传输距离、数据速率以及成本等因素。

光纤速度

光纤的极限传输家用的普通光纤就可达到10Gbps以上。

实验室中单条光纤最大速度已达到了26Tbps,有消息说通过石墨制造的新光调制器,还可继续提高10000倍,即260Pbps。

ISO

国际标准化组织(International Organization for Standardization,ISO)简称ISO,是一个全球性的非政府组织,是国际标准化领域中一个十分重要的组织。ISO国际标准组织成立于1946年。

ISO负责目前绝大部分领域(包括军工、石油、船舶等垄断行业)的标准化活动。ISO现有117个成员,包括117个国家和地区。中国是ISO的正式成员,代表中国参加ISO的国家机构是中国国家技术监督局(CSBTS)。

ISO和OSI有什么关系呢?

ISO是制定OSI模型的国际标准化组织

  • 不同的厂商的计算机之间采用的都是本厂的通信协议,不同厂商间的计算在上世纪70年代,机是无法通信的,为了解决这个问题,ISO组织专门成立了一个小组,目的是写出一套公共通信协议,实现不同厂商计算机之间通信互联。
  • 实际上只是Honeywell lnformation System公司的一个小组完成的,小组的技术负责人这个小组主要是为了开发一些原型系统而成立的,主要关注数据库系统是Charlie Bachman的设计。70年代中,为了支持数据库系统的访问,需要一个结构化的分布式通信系统体系结构。
  • 在1977年提出了一个七层的体系结构模型,他们内部称之为分布式系统体系结构(DSA)
  • 与此同时,1977年英国标准化协会向国际标准化组织(IS0)提议,为了定义分布处理之间的通信基础设施,需要一个标准的体系结构。结果,ISO就开放系统互联(OSI)问题成立了一个专委会(TC 97,Subcomittee 16)指定由美国国家标准协会(ANSI)开发一个标准草案,在专委会第一次正式会议之前提交。
  • Bachman 参加了ANSI早期的会议,并提交了他的七层模型,这个模型就成了提交ISO专委会的唯一的一份草案。1978年发布了这个临时版本,1979年稍作细化之后,成了最终的版本。

ISO,全称为国际标准化组织(International Organization for Standardization),是一个全球性的非政府组织,负责制定和发布国际标准。而OSI,即开放式系统互联参考模型(Open System Interconnection Reference Model),是由ISO提出的一个七层网络通信模型。具体如下:

  • 组织结构:ISO负责汇集专家智慧和行业共识,以制定涵盖多个领域的国际标准,包括质量管理、环境管理、信息安全等。这些标准旨在促进国际间的技术协调和贸易往来。
  • 标准化工作:在网络通信领域,OSI模型是ISO的重要成果之一。该模型描述了不同计算机和网络设备之间如何进行通信,并且定义了七个不同的层级,每个层级都有特定的功能和相关的协议标准。
  • 作用与影响:OSI模型作为网络通信的标准框架,对于理解和设计网络系统有着重要的指导意义。它不仅帮助行业从业者有了共同的语言和理解,还促进了网络技术的发展和应用。

总的来说,ISO和OSI的关系可以概括为:ISO是制定者,而OSI模型是其制定的一项重要的网络通信标准。通过这一标准,ISO致力于推动全球计算机网络的互连互通和协同工作。

OSI七层模型

在1977年,国际标准化组织(ISO)提出了开放式系统互联参考模型(OSI)

OSI参考模型共分为七层,从下到上分别是:物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层和应用层。每一层都有其特定的功能和协议,这些层次共同构成了网络通信的基础框架。具体如下:

  1. 物理层:负责提供网络的物理连接,包括物理信号的传输和接收,以及原始比特流的传输。
  2. 数据链路层:负责在相邻节点之间建立可靠的数据传输链路。
  3. 网络层:负责数据包的发送和接收,以及路由选择。
  4. 传输层:负责提供端到端的通信服务,确保数据的可靠传输。
  5. 会话层:负责建立、管理和终止会话。
  6. 表示层:负责数据的格式化、加密和解密等。
  7. 应用层:为应用程序提供网络服务。

这个模型为理解和设计复杂的网络系统提供了一个结构化的框架,并对后续的网络技术的发展产生了深远的影响。

TCP/IP四层

TCP/IP模型是一个四层的网络通信模型,这四层结构包括应用层、传输层、网络层和链路层。具体如下:

  1. 应用层:它是TCP/IP模型的最顶层,负责处理应用程序之间的通信。这一层包含了所有高层协议,并且为用户提供了接口。常见的应用层协议包括简单电子邮件传输协议(SMTP)、文件传输协议(FTP)和网络远程访问协议(Telnet)等。
  2. 传输层:其职责是提供端到端的通信服务,确保数据包的正确传输。这一层有两个主要的协议,即传输控制协议(TCP)和用户数据报协议(UDP)。其中,TCP提供可靠的、面向连接的服务;而UDP则提供一种不可靠的、无连接的服务。
  3. 网络层:负责数据包的发送和接收,包括路由选择和网络互连。互联网协议(IP)是这一层中最重要的协议,它负责将数据从源地址发送到目的地址。
  4. 链路层:也被称为网络接口层或数据链路层,它处理与物理媒介的通信,如以太网、Wi-Fi等。这一层的职责是把来自网络层的数据进行帧封装,发送到指定的网络设备上,并处理硬件地址。

TCP/IP模型的每一层都依赖于下一层来提供服务,形成了一个分层的通信体系结构。这种分层的设计简化了网络设计问题,使得每一层可以专注于处理特定的任务,同时也便于各层之间的标准化和互操作性。

TCP/IP协议族

在TCP/IP协议族中,有很多种协议

C/S(客户端/服务器)案例

一句话搞懂

可以将其类比为一次信件寄送过程:应用层相当于写信,传输层像是装进信封并写上地址,网络层就是邮局的分类和运输系统,而链路层则像是邮递员将信件投递到收件人手中。

TCP协议

  • TCP: 传输控制协议,面向连接的协议
  • 面向连接意味着两个使用 TCP的应用(通常是一个客户和一个服务器)在彼此交换 数 据 之前必须先建立一个 TCP 连 接。
  • 一对一传输

TCP协议-三次握手

TCP协议的三次握手是建立一个TCP连接的过程,需要客户端和服务器总共发送3个包。具体步骤如下:

  1. 第一次握手:客户端发送一个带有SYN(同步序列编号)标志的数据包到服务器,以开始一个新的连接。
  2. 第二次握手:服务器接收到客户端的SYN包后,会发送一个SYN/ACK(同步/应答)标志的数据包回应客户端,表示确认收到了客户端的连接请求。
  3. 第三次握手:客户端收到服务器的SYN/ACK包后,会发送一个带有ACK(应答)标志的数据包给服务器,确认收到了服务器的应答。

完成这三次握手后,客户端和服务器就成功建立了一个TCP连接,可以开始数据传输。这个过程确保了双方都具有接收和发送数据的能力,并且同步了双方的序列号,以便后续的数据传输中能够正确排序和重组数据包。

TCP协议-三次挥手

TCP协议的四次断开,又称为四次挥手,是终止一个TCP连接的过程,涉及客户端和服务器总共交换4个包。具体步骤如下:

  1. 第一次挥手:主动关闭方(可以是客户端或服务器)发送一个FIN(结束)标志的数据包,用来表明它将不再发送数据,希望终止连接。
  2. 第二次挥手:被动关闭方(另一方)接收到FIN包后,会发送一个ACK(确认)标志的数据包作为应答,表明已经收到了对方希望终止连接的请求。此时,被动关闭方还可以继续发送数据。
  3. 第三次挥手:被动关闭方处理完所有待发送的数据后,也会发送一个FIN标志的数据包,表示它不再发送数据并希望终止连接。
  4. 第四次挥手:主动关闭方收到这个FIN包后,会发送一个ACK包作为响应,确认连接可以安全地终止。

完成这四次挥手后,双方确认彼此都不再发送数据,并且同意终止连接,随后释放各自占用的相关资源。这个过程确保了即使在网络不稳定的情况下,也能正确地关闭连接,避免数据的丢失或错误传输。

总结:在实际应用中,双方都有能力主动发起断开连接的操作。如果在四次挥手过程中出现断电或断网等情况,通常TCP协议会自动处理这种情况,尝试重新发送未完成的挥手信号,或者等待超时后释放连接所使用的资源。

UDP协议

  • (User Datagram Protocol ),用户数据报协议是OSl(Open System Interconnection,开放式系统互联)参考模型中一种无连接的传输层协议,提供面向事务的简单不可靠信息传送服务,UDP提供了无连接通信,适合于一次传输少量数据,UDP报文没有可靠性保证、顺序保证和流量控制字段等,可靠性较差。但是正因为UDP协议的控制选项较少,在数据传输过程中延迟小、数据传输效率高,适合对可靠性要求不高的应用程序,或者可以保障可靠性的应用程序,如DNS,TFTP,SNMP等。
  • 可以一对一、一对多传输、多对一和多对多的交互通信

TCP与UDP区别

TCP面向连接(如打电话要先拨号建立连接)

UDP是无连接的,即发送数据之前不需要建立连接

TCP提供可靠的服务。也就是说,通过TCP连接传送的数据,无差错,不丢失,不重复,且按序到达;Tcp通过校验和,重传控制,序号标识,滑动窗口、确认应答实现可靠传输。如丢包时的重发控制,还可以对次序乱掉的分包进行顺序控制。

UDP尽最大努力交付,即不保证可靠交付

UDP具有较好的实时性,工作效率比TCP高,适用于对高速传输和实时性有较高的通信或广播通信。

每一条TCP连接只能是点到点的

UDP支持一对一,一对多,多对一和多对多的交互通信

TCP对系统资源要求较多

UDP对系统资源要求较少

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