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目錄

一、什么是網(wǎng)絡

二、互聯(lián)網(wǎng)的組成

三、計算機網(wǎng)絡分類

3.1 按照網(wǎng)絡的作用范圍分類

3.2 按照網(wǎng)絡的使用者進行分析

四、虛擬互連網(wǎng)絡

五、計算機網(wǎng)絡體系結(jié)構(gòu)

六、TCP/IP五層(或四層)模型

七、實體、協(xié)議、服務和服務訪問點

八、IP地址

九、MAC幀地址

十、套接字

十一、幀

一、什么是網(wǎng)絡

網(wǎng)絡是指將多個計算機或設備通過通信線路、傳輸協(xié)議和網(wǎng)絡設備連接起來，形成一個相互通信和共享資源的系統(tǒng)。

網(wǎng)絡互聯(lián)：把多臺計算機互相連接起來，進行互相傳輸數(shù)據(jù)，進而完成數(shù)據(jù)共享。

二、互聯(lián)網(wǎng)的組成

互聯(lián)網(wǎng)的拓撲結(jié)構(gòu)雖然非常復雜，并且在地理上覆蓋了全球，但從其工作方式上看，可以劃分為以下兩大塊：

（1）邊緣部分　由所有連接在互聯(lián)網(wǎng)上的主機組成。這部分是用戶直接使用的，用來進行通信（傳送數(shù)據(jù)、音頻或視頻）和資源共享。

（2）核心部分　由大量網(wǎng)絡和連接這些網(wǎng)絡的路由器組成。這部分是為邊緣部分提供服務的（提供連通性和交換）。

三、計算機網(wǎng)絡分類

3.1 按照網(wǎng)絡的作用范圍分類

（1）廣域網(wǎng)WAN（Wide Area Network）廣域網(wǎng)的作用范圍通常為幾十到幾千公里，因而有時也稱為遠程網(wǎng)（long haul network）。廣域網(wǎng)是互聯(lián)網(wǎng)的核心部分，其任務是通過長距離（例如，跨越不同的國家）運送主機所發(fā)送的數(shù)據(jù)。連接廣域網(wǎng)各結(jié)點交換機的鏈路一般都是高速鏈路，具有較大的通信容量。本書不專門討論廣域網(wǎng)。

（2）城域網(wǎng)MAN（Metropolitan Area Network）城域網(wǎng)的作用范圍一般是一個城市，可跨越幾個街區(qū)甚至整個城市，其作用距離約為5～50km。城域網(wǎng)可以為一個或幾個單位所擁有，但也可以是一種公用設施，用來將多個局域網(wǎng)進行互連。目前很多城域網(wǎng)采用的是以太網(wǎng)技術(shù)，因此有時也常并入局域網(wǎng)的范圍進行討論。

（3）局域網(wǎng)LAN（Local Area Network）局域網(wǎng)一般用微型計算機或工作站通過高速通信線路相連（速率通常在10Mbit/s以上），但地理上則局限在較小的范圍（如1km左右）。在局域網(wǎng)發(fā)展的初期，一個學?；蚬S往往只擁有一個局域網(wǎng)，但現(xiàn)在局域網(wǎng)已非常廣泛地使用，學?；蚱髽I(yè)大都擁有許多個互連的局域網(wǎng)（這樣的網(wǎng)絡常稱為校園網(wǎng)或企業(yè)網(wǎng)）。我們將在第3章3.3至3.5節(jié)詳細討論局域網(wǎng)。

（4）個人區(qū)域網(wǎng)PAN（Personal Area Network）個人區(qū)域網(wǎng)就是在個人工作的地方把屬于個人使用的電子設備（如便攜式電腦等）用無線技術(shù)連接起來的網(wǎng)絡，因此也常稱為無線個人區(qū)域網(wǎng)WPAN（Wireless PAN），其范圍很小，大約在10m左右。

通過網(wǎng)絡，用戶可以與他人進行遠程通信、獲取信息、共享文件和資源等。網(wǎng)絡基礎設施包括網(wǎng)絡協(xié)議、路由器、交換機、光纖等技術(shù)和設備，它們協(xié)同工作以確保數(shù)據(jù)能夠在不同計算機之間傳輸和交換。

3.2 按照網(wǎng)絡的使用者進行分析

（1）公用網(wǎng)（public network）　這是指電信公司（國有或私有）出資建造的大型網(wǎng)絡?！肮谩钡囊馑季褪撬性敢獍措娦殴镜囊?guī)定交納費用的人都可以使用這種網(wǎng)絡。因此公用網(wǎng)也可稱為公眾網(wǎng)。

（2）專用網(wǎng)（private network）　這是某個部門為滿足本單位的特殊業(yè)務工作的需要而建造的網(wǎng)絡。這種網(wǎng)絡不向本單位以外的人提供服務。例如，軍隊、鐵路、銀行、電力等系統(tǒng)均有本系統(tǒng)的專用網(wǎng)。

公用網(wǎng)和專用網(wǎng)都可以提供多種服務。如傳送的是計算機數(shù)據(jù)，則分別是公用計算機網(wǎng)絡和專用計算機網(wǎng)絡。

四、虛擬互連網(wǎng)絡

從一般的概念來講，將網(wǎng)絡互相連接起來要使用一些中間設備。根據(jù)中間設備所在的層次，可以有以下四種不同的中間設備：

（1）物理層使用的中間設備叫做轉(zhuǎn)發(fā)器（repeater）。

（2）數(shù)據(jù)鏈路層使用的中間設備叫做交換機、網(wǎng)橋或橋接器（bridge）。

（3）網(wǎng)絡層使用的中間設備叫做路由器（router）。

（4）在網(wǎng)絡層以上使用的中間設備叫做網(wǎng)關(guān)（gateway）。用網(wǎng)關(guān)連接兩個不兼容的系統(tǒng)需要在高層進行協(xié)議的轉(zhuǎn)換。

（a）表示有許多計算機網(wǎng)絡通過一些路由器進行互連。由于參加互連的計算機網(wǎng)絡都使用相同的網(wǎng)際協(xié)議IP（Internet Protocol），因此可以把互連以后的計算機網(wǎng)絡看成如圖（b）所示的一個虛擬互連網(wǎng)絡（internet）。所謂虛擬互連網(wǎng)絡也就是邏輯互連網(wǎng)絡，它的意思就是互連起來的各種物理網(wǎng)絡的異構(gòu)性本來是客觀存在的，但是我們利用IP協(xié)議就可以使這些性能各異的網(wǎng)絡在網(wǎng)絡層上看起來好像是一個統(tǒng)一的網(wǎng)絡。這種使用IP協(xié)議的虛擬互連網(wǎng)絡可簡稱為IP網(wǎng)（IP網(wǎng)是虛擬的，但平常不必每次都強調(diào)“虛擬”二字）。使用IP網(wǎng)的好處是：當IP網(wǎng)上的主機進行通信時，就好像在一個單個網(wǎng)絡上通信一樣，它們看不見互連的各網(wǎng)絡的具體異構(gòu)細節(jié)（如具體的編址方案、路由選擇協(xié)議，等等）。如果在這種覆蓋全球的IP網(wǎng)的上層使用TCP協(xié)議，那么就是現(xiàn)在的互聯(lián)網(wǎng)（Internet）。

如下是學校的網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)：

五、計算機網(wǎng)絡體系結(jié)構(gòu)

OSI（Open System Interconnect），即開放式系統(tǒng)互連。 一般都叫OSI參考模型，是ISO組織在1985年研究的網(wǎng)絡互連模型。該體系結(jié)構(gòu)標準定義了網(wǎng)絡互連的七層框架（物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡層、傳輸層、會話層、表示層和應用層），即OSI開放系統(tǒng)互連參考模型。

OSI參考模型也采用了分層結(jié)構(gòu)技術(shù)，把一個網(wǎng)絡系統(tǒng)分成若干層，每一層都去實現(xiàn)不同的功能，每一層的功能都以協(xié)議形式正規(guī)描述，協(xié)議定義了某層同遠方一個對等層通信所使用的一套規(guī)則和約定。每一層向相鄰上層提供一套確定的服務，并且使用與之相鄰的下層所提供的服務。從概念上來講，每一層都與一個遠方對等層通信，但實際上該層所產(chǎn)生的協(xié)議信息單元是借助于相鄰下層所提供的服務傳送的。因此，對等層之間的通信稱為虛擬通信。

分層可以帶來很多好處。如：

（1）各層之間是獨立的。某一層并不需要知道它的下一層是如何實現(xiàn)的，而僅僅需要知道該層通過層間的接口（即界面）所提供的服務。由于每一層只實現(xiàn)一種相對獨立的功能，因而可將一個難以處理的復雜問題分解為若干個較容易處理的更小一些的問題。這樣，整個問題的復雜程度就下降了。

（2）靈活性好。當任何一層發(fā)生變化時（例如由于技術(shù)的變化），只要層間接口關(guān)系保持不變，則在這層以上或以下各層均不受影響。此外，對某一層提供的服務還可進行修改。當某層提供的服務不再需要時，甚至可以將這層取消。

（3）結(jié)構(gòu)上可分割開。各層都可以采用最合適的技術(shù)來實現(xiàn)。

（4）易于實現(xiàn)和維護。這種結(jié)構(gòu)使得實現(xiàn)和調(diào)試一個龐大而又復雜的系統(tǒng)

變得易于處理，因為整個的系統(tǒng)已被分解為若干個相對獨立的子系統(tǒng)。

（5）能促進標準化工作。因為每一層的功能及其所提供的服務都已有了精確的說明。

分層時應注意使每一層的功能非常明確。若層數(shù)太少，就會使每一層的協(xié)議太復雜。但層數(shù)太多又會在描述和綜合各層功能的系統(tǒng)工程任務時遇到較多的困難。通常各層所要完成的功能主要有以下一些（可以只包括一種，也可以包括多種）：

①差錯控制　使相應層次對等方的通信更加可靠。

②流量控制　發(fā)送端的發(fā)送速率必須使接收端來得及接收，不要太快。

③分段和重裝　發(fā)送端將要發(fā)送的數(shù)據(jù)塊劃分為更小的單位，在接收端將其還原。

④復用和分用　發(fā)送端幾個高層會話復用一條低層的連接，在接收端再進行分用。

⑤連接建立和釋放　交換數(shù)據(jù)前先建立一條邏輯連接，數(shù)據(jù)傳送結(jié)束后釋放連接。

分層當然也有一些缺點，例如，有些功能會在不同的層次中重復出現(xiàn)，因而產(chǎn)生了額外開銷。

六、TCP/IP五層(或四層)模型

按照一般的概念，網(wǎng)絡技術(shù)和設備只有符合有關(guān)的國際標準才能大范圍地獲得工程上的應用。但現(xiàn)在情況卻反過來了。得到最廣泛應用的不是法律上的國際標準OSI，而是非國際標準TCP/IP。這樣，TCP/IP就常被稱為是事實上的國際標準。

TCP/IP是一組協(xié)議的代名詞，它還包括許多協(xié)議，組成了TCP/IP協(xié)議簇。TCP/IP通訊協(xié)議采用了5層的層級結(jié)構(gòu)，每一層都呼叫它的下一層所提供的網(wǎng)絡來完成自己的需求。

物理層: 負責光/電信號的傳遞方式。比如現(xiàn)在以太網(wǎng)通用的網(wǎng)線(雙絞 線)、早期以太網(wǎng)采用的的同軸電纜(現(xiàn)在主要用于有線電視)、光纖, 現(xiàn)在的wifi無線網(wǎng)使用電磁波等都屬于物理層的概念。物理層的能力決定了最大傳輸速率、傳輸距離、抗干擾性等. 集線器(Hub)工作在物理層（物理層我們考慮的比較少，因此很多時候也可以稱為 TCP/IP四層模型）。

數(shù)據(jù)鏈路層: 負責設備之間的數(shù)據(jù)幀的傳送和識別。例如網(wǎng)卡設備的驅(qū)動、幀同步(就是說從網(wǎng)線上檢測到什么信號算作新幀的開始)、沖突檢測(如果檢測到?jīng)_突就自動重發(fā))、數(shù)據(jù)差錯校驗等工作。有以太網(wǎng)、令牌環(huán)網(wǎng), 無線LAN等標準。交換機(Switch)工作在數(shù)據(jù)鏈路層.

網(wǎng)絡層: 負責地址管理和路由選擇。例如在IP協(xié)議中, 通過IP地址來標識一臺主機, 并通過路由表的方式規(guī)劃出兩臺主機之間的數(shù)據(jù)傳輸?shù)木€路(路由)。路由器(Router)工作在網(wǎng)路層.

傳輸層: 負責兩臺主機之間的數(shù)據(jù)傳輸。如傳輸控制協(xié)議 (TCP), 能夠確保數(shù)據(jù)可靠的從源主機發(fā)送到目標主機。

應用層: 負責應用程序間溝通，如簡單電子郵件傳輸（SMTP）、文件傳輸協(xié)議（FTP）、網(wǎng)絡遠程訪問協(xié)議（Telnet）等。我們的網(wǎng)絡編程主要就是針對應用層。

七、實體、協(xié)議、服務和服務訪問點

當研究開放系統(tǒng)中的信息交換時，往往使用實體（entity）這一較為抽象的名詞表示任何可發(fā)送或接收信息的硬件或軟件進程。在許多情況下，實體就是一個特定的軟件模塊。

協(xié)議是控制兩個對等實體（或多個實體）進行通信的規(guī)則的集合。協(xié)議的語法方面的規(guī)則定義了所交換的信息的格式，而協(xié)議的語義方面的規(guī)則就定義了發(fā)送者或接收者所要完成的操作，例如，在何種條件下，數(shù)據(jù)必須重傳或丟棄。

在協(xié)議的控制下，兩個對等實體間的通信使得本層能夠向上一層提供服務。要實現(xiàn)本層協(xié)議，還需要使用下面一層所提供的服務。

首先，協(xié)議的實現(xiàn)保證了能夠向上一層提供服務。使用本層服務的實體只能看見服務而無法看見下面的協(xié)議。也就是說，下面的協(xié)議對上面的實體是透明的。

其次，協(xié)議是“水平的”，即協(xié)議是控制對等實體之間通信的規(guī)則。但服務是“垂直的”，即服務是由下層向上層通過層間接口提供的。另外，并非在一個層內(nèi)完成的全部功能都稱為服務。只有那些能夠被高一層實體“看得見”的功能才能稱之為“服務”。上層使用下層所提供的服務必須通過與下層交換一些命令，這些命令在OSI中稱為服務原語。

在同一系統(tǒng)中相鄰兩層的實體進行交互（即交換信息）的地方，通常稱為服務訪問點SAP（Service Access Point）。服務訪問點SAP是一個抽象的概念，它實際上就是一個邏輯接口，有點像郵政信箱（可以把郵件放入信箱和從信箱中取走郵件），但這種層間接口和兩個設備之間的硬件接口（并行的或串行的）并不一樣。OSI把層與層之間交換的數(shù)據(jù)的單位稱為服務數(shù)據(jù)單元SDU（Service Data Unit），它可以與PDU不一樣。例如，可以是多個SDU合成為一個PDU，也可以是一個SDU劃分為幾個PDU。

八、IP地址

參加互連的計算機網(wǎng)絡都使用相同的網(wǎng)際協(xié)議IP（Internet Protocol），使用IP網(wǎng)的好處是：當IP網(wǎng)上的主機進行通信時，就好像在一個單個網(wǎng)絡上通信一樣，它們看不見互連的各網(wǎng)絡的具體異構(gòu)細節(jié)（如具體的編址方案、路由選擇協(xié)議，等等）。如果在這種覆蓋全球的IP網(wǎng)的上層使用TCP協(xié)議，那么就是現(xiàn)在的互聯(lián)網(wǎng)（Internet）。

整個的互聯(lián)網(wǎng)就是一個單一的、抽象的網(wǎng)絡。IP地址就是給互聯(lián)網(wǎng)上的每一臺主機（或路由器）的每一個接口分配一個在全世界范圍內(nèi)是唯一的32位的標識符。IP地址的結(jié)構(gòu)使我們可以在互聯(lián)網(wǎng)上很方便地進行尋址。

所謂“分類的IP地址”就是將IP地址劃分為若干個固定類，每一類地址都由兩個固定長度的字段組成，其中

• 第一個字段是網(wǎng)絡號（net-id），它標志主機（或路由器）所連接到的網(wǎng)絡。一個網(wǎng)絡號在整個互聯(lián)網(wǎng)范圍內(nèi)必須是唯一的。
• 第二個字段是主機號（host-id），它標志該主機（或路由器）。一臺主機號在它前面的網(wǎng)絡號所指明的網(wǎng)絡范圍內(nèi)必須是唯一的。由此可見，一個IP地址在整個互聯(lián)網(wǎng)范圍內(nèi)是唯一的。

當連接到互聯(lián)網(wǎng)上時，你的設備會被分配一個IP地址，以便在網(wǎng)絡中唯一標識和定位你的設備。 IP協(xié)議有兩個版本，IPv4和IPv6。以下是兩個示例IP地址的解釋：

• IPv4地址：192.168.0.1 這是一個常見的IPv4地址格式，由四個八位二進制數(shù)組成，通過點分十進制表示。在這個示例中，192.168.0.1是一個IP地址，其中192.168.0表示網(wǎng)絡地址部分，而1則表示主機地址部分。這個IP地址可能用于一個局域網(wǎng)中的路由器或計算機。

• IPv6地址：2001:0db8:85a3:0000:0000:8a2e:0370:7334 IPv6地址是下一代IP地址標準，采用128位二進制數(shù)表示，并使用冒號分隔。在這個示例中，2001:0db8:85a3:0000:0000:8a2e:0370:7334是一個IPv6地址，它包含了網(wǎng)絡地址和主機地址信息。IPv6地址的主要目的是擴展互聯(lián)網(wǎng)的地址空間，以支持未來更多的設備連接。

九、MAC幀地址

MAC幀地址是Media Access Control Address的縮寫，也稱為物理地址或硬件地址。它是一個用于在局域網(wǎng)中唯一標識網(wǎng)絡適配器（如網(wǎng)卡）的48位二進制數(shù)，使用16進制的表示，一個16進制數(shù)對應4個二進制數(shù)，所以mac地址常常有12個數(shù)字，12*4=48位，其中，前6位數(shù)字代表廠商，后6位數(shù)字表示廠商生產(chǎn)的唯一標識。每個網(wǎng)絡適配器都有一個唯一的MAC地址，它由廠商在生產(chǎn)時燒錄到適配器中。MAC幀地址用于在局域網(wǎng)中尋找目標設備，它是數(shù)據(jù)鏈路層的一部分，用于將數(shù)據(jù)包從源設備傳輸?shù)侥繕嗽O備。在以太網(wǎng)中，MAC地址是數(shù)據(jù)包在局域網(wǎng)中傳輸所必需的信息。

舉例說明MAC幀地址的結(jié)構(gòu)和作用，假設有兩臺計算機A和B進行通信:

1. 計算機A的網(wǎng)卡上配置MAC地址為 00:11:22:33:44:55，計算機B的網(wǎng)卡上配置MAC地址為 AA:BB:CC:DD:EE:FF。
2. 當計算機A希望將數(shù)據(jù)包發(fā)送到計算一個以太網(wǎng)幀，并包含以下字段：

• ????源MAC地址：設置為計算機A的MAC地址（00:11:22:33:44:55）。
  • 其他幀頭字段（例如幀類型等）和數(shù)據(jù)。
  • 目標MAC地址：設置為計算機B的MAC地址（AA:BB:CC:DD:EE:FF）。

? ? ? 3. 計算機A將該幀發(fā)送到網(wǎng)絡，經(jīng)過交換機等設備轉(zhuǎn)發(fā)，最終到達計算機B的網(wǎng)卡。

? ? ? 4. 計算機B接收到該幀后，會檢查目標MAC地址與自己的MAC地址是否匹配。如果匹配，則認為該幀是發(fā)給自己的，繼續(xù)解析幀中的其他字段和數(shù)據(jù)。

通過這個過程，MAC幀地址起到了兩個重要的作用：

• 唯一標識設備：每個網(wǎng)絡設備（如網(wǎng)卡）都有一個唯一的MAC地址，用于在局域網(wǎng)中識別和尋址設備。這是因為以太網(wǎng)是一個共享介質(zhì)的網(wǎng)絡，通過MAC地址可以準確地將數(shù)據(jù)包傳送到目標設備。
• 確保交付：通過將目標MAC地址設置為接收方的MAC地址，數(shù)據(jù)包可以被有針對性地轉(zhuǎn)發(fā)到正確的設備，確保數(shù)據(jù)包的正確交付。

十、套接字

套接字Socket?是指通過軟件來實現(xiàn)作為插口或者插槽，一端插在客戶端，一端插在服務端。Socket 編程進行的是端到端的通信，往往意識不到中間經(jīng)過多少局域網(wǎng)，多少路由器，因此，能設置的參數(shù)也只能是端到端的協(xié)議之上網(wǎng)絡層和傳輸層。

• 在網(wǎng)絡層：Socket 函數(shù)需要指定是 IPV4 還是 IPV6，分別對應設置為 AF_INET 和 AF_INET6。
• 在傳輸層：需要指定是 TCP 還是 UDP 。TCP 協(xié)議是基于數(shù)據(jù)流的，所以設置為 SOCK_STERAM,而 UDP 是基于數(shù)據(jù)包的，所以設置為 SOCK_DGRAM。

所有的網(wǎng)絡通信，站在普通人的角度，都是人和人之間的通信；站在技術(shù)人員的視角，我們學的網(wǎng)絡通信， 本質(zhì)是進程間通信 ！

IP僅僅是解決了 兩臺物理機器 間相互通信，但是怎樣使雙方用戶能看到發(fā)送和接收的數(shù)據(jù)呢？—— 端口號，用來唯一標識一臺機器上唯一的一個進程。

綜上， IP + PORT = 能夠標識互聯(lián)網(wǎng)中的唯一一個進程，那么互聯(lián)網(wǎng)中各自 唯一的一對 進程就可以進行進程間通信。如果把整個網(wǎng)絡看做一個大的OS，所有的網(wǎng)絡上的上網(wǎng)行為，基本都是在這樣一個大的OS內(nèi)進行 進程間通信 。

套接字 socket = I P 地址 + p o r t 端口號 = socket IP 地址 + port端口號

TCP連接 = {socket1, socker2} = {(IP1, port1), (IP2, port2)}

進程具有獨立性，進程間通信的前提是：讓不同的進程，看到同一份資源 —— 網(wǎng)絡。

另外，一個進程可以綁定多個端口號；但是一個端口號不能被多個進程綁定。

十一、幀

數(shù)據(jù)在數(shù)據(jù)鏈路層上是以幀（Frame）為單位傳輸?shù)模瑤蓭撞糠纸M成，不同的部分執(zhí)行不同的功能。

我們可以把幀理解稱物流中的快遞單，上面含有目的地址，源地址等信息，幀也一樣。 幀包括目的地址、源地址、類型、數(shù)據(jù)、幀校驗序列。目的地址就是數(shù)據(jù)要發(fā)往的地方；源地址就是數(shù)據(jù)從哪發(fā)的；幀分為空幀、關(guān)鍵幀、普通幀、過渡幀；幀校驗序列是檢查傳輸過程中，數(shù)據(jù)是否發(fā)生了變換。

目的地址和源地址均有6個字節(jié)，類型2個字節(jié)，數(shù)據(jù)是46~1500個字節(jié)（1500是MTU，最大傳輸單元，就是在數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪^程中，一次性最多可以傳輸1500），所以幀長的范圍就是64-1518。

參考鏈接：

原文鏈接：計算機網(wǎng)絡入門——MAC地址、幀_mac幀_Future用戶已存在的博客-CSDN博客

原文鏈接：網(wǎng)絡基礎入門（網(wǎng)絡基礎概念詳解）_Ggggggtm的博客-CSDN博客

【Network】網(wǎng)絡編程套接字 —— socket編程

文章摘錄內(nèi)容來自《計算機網(wǎng)絡》 第七版，謝希仁

文章來源地址http://www.zghlxwxcb.cn/news/detail-713574.html

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