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?1. 什么是網(wǎng)絡(luò)

隨著時代的發(fā)展，越來越需要計算機之間互相通信，共享軟件和數(shù)據(jù)，即以多個計算機協(xié)同?作來完成業(yè)務(wù)，于是有了網(wǎng)絡(luò)互連。
網(wǎng)絡(luò)互連：將多臺計算機連接在?起，完成數(shù)據(jù)共享。
數(shù)據(jù)共享本質(zhì)是網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸，即計算機之間通過網(wǎng)絡(luò)來傳輸數(shù)據(jù)，也稱為網(wǎng)絡(luò)通信。
根據(jù)網(wǎng)絡(luò)互連的規(guī)模不同，可以劃分為局域網(wǎng)和廣域網(wǎng)。

1.1 局域網(wǎng)?

局域網(wǎng)（Local Area Network，簡稱LAN）是指在一個小范圍內(nèi)，例如學(xué)校、企業(yè)或家庭中的計算機和其他網(wǎng)絡(luò)設(shè)備通過高速傳輸媒介連接起來的計算機網(wǎng)絡(luò)。局域網(wǎng)內(nèi)的主機之間能?便的進行網(wǎng)絡(luò)通信，又稱為內(nèi)網(wǎng)；局域網(wǎng)和局域網(wǎng)之間在沒有連接的情況下，是無法通信的。

局域網(wǎng)的組成方式：

1. 基于網(wǎng)線直連：
   基于網(wǎng)線直連是一種簡單的局域網(wǎng)組建方式，只需要將計算機和其他設(shè)備通過網(wǎng)線直接連接在一起。這種方式適合小型局域網(wǎng)，例如家庭或小辦公室環(huán)境。每個設(shè)備都可以直接與其他設(shè)備進行通信和數(shù)據(jù)傳輸。
2. 基于集線器組建：
   基于集線器組建的局域網(wǎng)使用一個集線器（Hub）作為中心節(jié)點，將所有計算機和其他設(shè)備連接在一起。集線器接收到的數(shù)據(jù)包會被廣播給所有連接的設(shè)備。這種方式適用于較小規(guī)模的局域網(wǎng)，但由于數(shù)據(jù)包的廣播特性，可能會影響網(wǎng)絡(luò)性能。
3. 基于交換機組建：
   基于交換機組建的局域網(wǎng)使用交換機（Switch）作為中心節(jié)點，將所有計算機和其他設(shè)備連接在一起。交換機具有智能的數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)功能，可以根據(jù)設(shè)備的MAC地址來選擇性地將數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)給目標(biāo)設(shè)備。相比集線器，交換機能夠提供更高的網(wǎng)絡(luò)性能和較低的沖突率。
4. 基于交換機和路由器組建：
   基于交換機和路由器組建的局域網(wǎng)結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜，但也更加靈活和可擴展。交換機用于連接局域網(wǎng)內(nèi)的設(shè)備，而路由器（Router）則用于連接不同的局域網(wǎng)或連接到廣域網(wǎng)。通過路由器，不同的局域網(wǎng)可以相互通信和共享資源。這種方式適用于大型企業(yè)、學(xué)校等需要多個局域網(wǎng)之間進行聯(lián)網(wǎng)的場景。

?名詞解釋：

1. 集線器（Hub）：
   集線器是一種被動式網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，可以連接多個計算機或其他網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。當(dāng)一個設(shè)備向集線器發(fā)送數(shù)據(jù)時，集線器會將這個數(shù)據(jù)包廣播到所有連接在它上面的設(shè)備，每個設(shè)備都需要檢查MAC地址來判斷數(shù)據(jù)包是否屬于自己。由于集線器采用廣播方式傳輸數(shù)據(jù)，因此可能會出現(xiàn)數(shù)據(jù)沖突和重復(fù)，影響網(wǎng)絡(luò)性能。
2. 交換機（Switch）：
   交換機是一種智能型網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，可以連接多個計算機或其他網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，并且能夠根據(jù)MAC地址來選擇性地將數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)給目標(biāo)設(shè)備。交換機采用單播方式傳輸數(shù)據(jù)，只有目標(biāo)設(shè)備能夠接收到數(shù)據(jù)包，避免了數(shù)據(jù)沖突和重復(fù)，提高了網(wǎng)絡(luò)性能。交換機還可以實現(xiàn)虛擬局域網(wǎng)（VLAN）等高級網(wǎng)絡(luò)功能。
3. 路由器（Router）：
   路由器是一種網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，用于連接不同的局域網(wǎng)或連接到廣域網(wǎng)。路由器可以根據(jù)IP地址來選擇最佳的數(shù)據(jù)傳輸路徑，實現(xiàn)不同網(wǎng)絡(luò)之間的通信和資源共享。路由器還可以實現(xiàn)端口轉(zhuǎn)發(fā)、網(wǎng)絡(luò)地址轉(zhuǎn)換（NAT）等高級網(wǎng)絡(luò)功能。

1.2 廣域網(wǎng)?

廣域網(wǎng)（Wide Area Network，簡稱WAN）通過路由器，將多個局域網(wǎng)連接起來，在物理上組成很?范圍的網(wǎng)絡(luò)，就形成了廣域網(wǎng)。廣域網(wǎng)內(nèi)部的局域網(wǎng)都屬于其子網(wǎng)。

2.?IP地址與端口號

網(wǎng)絡(luò)互連的目的是進行網(wǎng)絡(luò)通信，也即是網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸，更具體?點，是網(wǎng)絡(luò)主機中的不同進程間，基于網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)。
那么，在組建的網(wǎng)絡(luò)中，如何判斷到底是從哪臺主機，將數(shù)據(jù)傳輸?shù)侥桥_主機呢？這就需要使用IP地址來標(biāo)識。

IP地址： IP地址是互聯(lián)網(wǎng)中用于標(biāo)識主機（計算機或其他網(wǎng)絡(luò)設(shè)備）的唯一數(shù)字標(biāo)識符。它由32位或128位二進制數(shù)組成，用點分十進制表示（IPv4）或用冒號分隔的十六進制表示（IPv6）。IP地址的作用是在網(wǎng)絡(luò)中準(zhǔn)確定位并尋找目標(biāo)主機。

端口號： 端口號是一種用于標(biāo)識特定應(yīng)用程序或服務(wù)的數(shù)字標(biāo)識符。它是一個16位的整數(shù)，范圍從0到65535，被分為三個范圍：知名端口（0-1023），注冊端口（1024-49151）和動態(tài)/私有端口（49152-65535）。通過端口號，計算機可以將接收到的數(shù)據(jù)包交給正確的應(yīng)用程序或進程。

3. 協(xié)議

有了IP地址和端口號，可以定位到網(wǎng)絡(luò)中唯?的?個進程，但還存在?個問題，網(wǎng)絡(luò)通信是基于二進制0/1數(shù)據(jù)來傳輸，如何告訴對方發(fā)送的數(shù)據(jù)是什么樣的呢？網(wǎng)絡(luò)通信傳輸?shù)臄?shù)據(jù)類型可能有多種：圖片，視頻，文本等。同?個類型的數(shù)據(jù)，格式可能也不同，如發(fā)送?個文本字符串“好！”：如何標(biāo)識發(fā)送的數(shù)據(jù)是文本類型，及文本的編碼格式呢？基于網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸，需要使用協(xié)議來規(guī)定雙方的數(shù)據(jù)格式。

3.1 概念?

協(xié)議，網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的簡稱，網(wǎng)絡(luò)協(xié)議是網(wǎng)絡(luò)通信（即網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸）經(jīng)過的所有網(wǎng)絡(luò)設(shè)備都必須共同遵從的?組約定、規(guī)則。如怎么樣建立連接、怎么樣互相識別等。只有遵守這個約定，計算機之間才能相互通信交流。協(xié)議（protocol）最終體現(xiàn)為在網(wǎng)絡(luò)上傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包的格式。

3.2 協(xié)議分層

協(xié)議分層是指將計算機網(wǎng)絡(luò)通信過程劃分為若干個層次，每個層次負責(zé)不同的功能，各層之間通過協(xié)議進行交互和傳輸，最終完成數(shù)據(jù)的傳輸和接收。協(xié)議分層的主要作用包括以下幾點：

1. 簡化網(wǎng)絡(luò)設(shè)計和管理：通過將網(wǎng)絡(luò)通信過程劃分為多個層次，可以將網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜度降低為多個簡單的組件，便于網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計、實現(xiàn)和管理。
2. 促進協(xié)議的標(biāo)準(zhǔn)化：每個層次負責(zé)不同的功能，不同層次的協(xié)議可以獨立地設(shè)計和優(yōu)化，有助于促進協(xié)議的標(biāo)準(zhǔn)化和統(tǒng)一。
3. 提高網(wǎng)絡(luò)的可靠性和性能：通過分層設(shè)計，可以使網(wǎng)絡(luò)設(shè)備不同層次之間的交互更加清晰和明確，有助于提高網(wǎng)絡(luò)的可靠性和性能。
4. 支持靈活的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)：協(xié)議分層可以支持不同類型的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，例如星型網(wǎng)絡(luò)、環(huán)形網(wǎng)絡(luò)、網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)等，使網(wǎng)絡(luò)更加靈活和可擴展。

3.3 OSI七層模型

?OSI（Open Systems Interconnection）七層模型是國際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO）制定的通信協(xié)議參考模型，用于描述計算機網(wǎng)絡(luò)中不同層次之間的功能和交互關(guān)系。該模型將計算機網(wǎng)絡(luò)通信過程劃分為七個層次，每個層次負責(zé)不同的功能。以下是對每個層次的詳細介紹：

1. 應(yīng)用層（Application Layer）：
   功能：為用戶提供網(wǎng)絡(luò)服務(wù)和應(yīng)用程序接口。
   特點：包括各種應(yīng)用協(xié)議（如HTTP、FTP、SMTP等），實現(xiàn)用戶與網(wǎng)絡(luò)之間的交互。
2. 表示層（Presentation Layer）：
   功能：處理數(shù)據(jù)的格式和表示，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的加密、壓縮和轉(zhuǎn)換。
   特點：提供數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)加密和數(shù)據(jù)壓縮等功能。
3. 會話層（Session Layer）：
   功能：建立、管理和終止會話，實現(xiàn)進程之間的通信和同步。
   特點：提供會話控制、對話管理和同步點等。
4. 傳輸層（Transport Layer）：
   功能：提供端到端的可靠數(shù)據(jù)傳輸和錯誤恢復(fù)機制。
   特點：定義了傳輸協(xié)議（如TCP和UDP），實現(xiàn)數(shù)據(jù)分段、流量控制和擁塞控制。
5. 網(wǎng)絡(luò)層（Network Layer）：
   功能：實現(xiàn)不同網(wǎng)絡(luò)之間的數(shù)據(jù)傳輸和路由選擇。
   特點：通過IP地址標(biāo)識設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)，使用路由算法選擇最佳路徑進行數(shù)據(jù)傳輸。
6. 數(shù)據(jù)鏈路層（Data Link Layer）：
   功能：提供可靠的數(shù)據(jù)傳輸，將比特流劃分為數(shù)據(jù)幀，并進行差錯檢測和糾正。
   特點：定義了數(shù)據(jù)幀的結(jié)構(gòu)、物理地址（MAC地址）和幀同步等。
7. 物理層（Physical Layer）：
   功能：負責(zé)傳輸比特流，通過物理介質(zhì)傳輸數(shù)據(jù)。
   特點：定義了物理接口的標(biāo)準(zhǔn)和電氣特性，例如傳輸速率、電壓等。

OSI七層模型提供了一個通用的框架，可以幫助理解和設(shè)計計算機網(wǎng)絡(luò)中不同層次的功能和交互關(guān)系。每個層次都有自己獨特的責(zé)任和功能，通過協(xié)議在不同層次之間進行交互和傳輸，最終完成數(shù)據(jù)的傳輸和應(yīng)用。?

3.4 TCP/IP 五層模型

OSI七層模型既復(fù)雜又不實用，所以O(shè)SI七層模型沒有落地、實現(xiàn)。實際組建網(wǎng)絡(luò)時，只是以O(shè)SI七層模型設(shè)計中的部分分層，即TCP/IP五層模型來實現(xiàn)。
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TCP/IP是?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?了5層的層級結(jié)構(gòu)，每?層都呼叫它的下?層所提供的網(wǎng)絡(luò)來完成自己的需求。

1. 應(yīng)用層：負責(zé)應(yīng)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(luò)遠程訪問協(xié)議（Telnet）等。我們的網(wǎng)絡(luò)編程主要就是針對應(yīng)用層。（管理傳輸?shù)臄?shù)據(jù)使用）
2. 傳輸層：負責(zé)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)可靠地從源主機發(fā)送到目標(biāo)主機。（管理通信的起點終點）
3. 網(wǎng)絡(luò)層：負責(zé)地址管理和路由選擇。例如在IP協(xié)議中，通過IP地址來標(biāo)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)絡(luò)層。（管理通信中的路線規(guī)劃）
4. 數(shù)據(jù)鏈路層：負責(zé)設(shè)備之間的數(shù)據(jù)幀的傳送和識別。例如網(wǎng)卡設(shè)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(biāo)準(zhǔn)。交換機（Switch）工作在數(shù)據(jù)鏈路層。（管理相鄰節(jié)點之間的通信）
5. 物理層：負責(zé)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)采用的同軸電纜（現(xiàn)在主要用于有線電視）、光纖，現(xiàn)在的Wi-Fi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。（網(wǎng)絡(luò)通信的基礎(chǔ)設(shè)施）

?絡(luò)設(shè)備所在分層：

• 對于?臺主機，它的操作系統(tǒng)內(nèi)核實現(xiàn)了從傳輸層到物理層的內(nèi)容，也即是TCP/IP五層模型的四層；
• 對于?臺路由器，它實現(xiàn)了從?絡(luò)層到物理層，也即是TCP/IP五層模型的下三層。
• 對于?臺交換機，它實現(xiàn)了從數(shù)據(jù)鏈路層到物理層，也即是TCP/IP五層模型的下兩層。
• 對于集線器，它只實現(xiàn)了物理層。

注意我們這里說的是傳統(tǒng)意義上的交換機和路由器，也稱為二層交換機（工作在TCP/IP五層模型的下兩層）、三層路由器（工作在TCP/IP五層模型的下三層）。
隨著現(xiàn)在網(wǎng)絡(luò)設(shè)備技術(shù)的不斷發(fā)展，也出現(xiàn)了很多三層或四層交換機、四層路由器。我們以下說的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備都是傳統(tǒng)意義上的交換機和路由器。

3.5?封裝和分用

不同的協(xié)議層對數(shù)據(jù)包有不同的稱謂，在傳輸層叫做段(segment)，在網(wǎng)絡(luò)層叫做數(shù)據(jù)報(datagram)，在鏈路層叫做幀(frame)。應(yīng)用層數(shù)據(jù)通過協(xié)議棧發(fā)到網(wǎng)絡(luò)上時，每層協(xié)議都要加上一個數(shù)據(jù)首部(header)，稱為封裝(Encapsulation)。首部信息中包含了一些類似于首部有多長，載荷(payload)有多長，上層協(xié)議是什么等信息。數(shù)據(jù)封裝成幀后發(fā)到傳輸介質(zhì)上，到達目的主機后每層協(xié)議再剝掉相應(yīng)的首部，根據(jù)首部中的"上層協(xié)議字段"將數(shù)據(jù)交給對應(yīng)的上層協(xié)議處理。

接下來簡單模擬一下數(shù)據(jù)的封裝分用的過程：

假設(shè)場景：A 通過 QQ 給 B 發(fā)送了一個hello

1. 應(yīng)用層：

QQ接收到A輸入的hello，就會把這個字符串按照構(gòu)QQ內(nèi)部的應(yīng)用層協(xié)議造成一個應(yīng)用層的數(shù)據(jù)包，這個數(shù)據(jù)包的格式就是這個協(xié)議約定好了的。（應(yīng)用層的協(xié)議往往是程序員自己定義的）
現(xiàn)在我們假設(shè)這個格式為：發(fā)送方QQ號；接收方QQ號；發(fā)送時間；發(fā)送內(nèi)容。
于是就可以構(gòu)造出數(shù)據(jù)包：1234；5678；2024/01/20 15：20；hello
接下來應(yīng)用程序就會調(diào)用操作系統(tǒng)提供的API把這個數(shù)據(jù)交給傳輸層。

2. 傳輸層：
傳輸層會把接收到的數(shù)據(jù)包，看作一個整體再構(gòu)造成一個傳輸層的數(shù)據(jù)包。傳輸層涉及到的主要協(xié)議有 TCP和UDP（后續(xù)會詳細說明），這里假定使用UDP來通信，這里就會構(gòu)成一個UDP的數(shù)據(jù)包。

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UDP報頭提供了源端口號，目的端口號，長度，校驗等重要信息。
構(gòu)建好數(shù)據(jù)包之后，就會調(diào)用下一層協(xié)議即網(wǎng)絡(luò)層提供的API把這個數(shù)據(jù)包交給網(wǎng)絡(luò)層了。

3. 網(wǎng)絡(luò)層

網(wǎng)絡(luò)層的核心協(xié)議是IP協(xié)議
同樣的，這里以IP協(xié)議，再把接收到的數(shù)據(jù)包整體作為一個載荷，拼接上IP協(xié)議的報頭，構(gòu)造成 IP數(shù)據(jù)包。 ?編輯

IP報頭中包含了源IP地址和目的IP地址，用于唯一標(biāo)識數(shù)據(jù)的發(fā)送方和接收方
然后IP協(xié)議調(diào)用數(shù)據(jù)鏈路層的API把數(shù)據(jù)交給數(shù)據(jù)鏈路層。

4. 數(shù)據(jù)鏈路層

數(shù)據(jù)鏈路層涉及到的核心協(xié)議是 以太網(wǎng)

這里會把接收到的數(shù)據(jù)包看作整體拼接上一個幀頭和幀尾，構(gòu)成一個以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀。 ?編輯

最后把這個數(shù)據(jù)幀交給物理層

5. 物理層

把以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀的二進制信號轉(zhuǎn)換為 光信號/電信號/電磁波 發(fā)送出去

不考慮中間過程，假設(shè)B的網(wǎng)卡已經(jīng)接收到了數(shù)據(jù)，這個數(shù)據(jù)需要處理后才能呈現(xiàn)出來，這個處理的過程就叫分用。

1. B的物理層接收到了光信號/電信號/電磁波，就會把這些數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)為數(shù)字信號，（二進制）得到一個以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀，進一步把這個數(shù)據(jù)幀交給數(shù)據(jù)鏈路層處理

2. 數(shù)據(jù)鏈路層按照以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包的格式解析出其中的載荷，再交給上層協(xié)議，即網(wǎng)絡(luò)層

3. 網(wǎng)絡(luò)層同樣按照IP協(xié)議的格式進行解析，取出載荷再交給上層協(xié)議

4.傳輸層同樣按照UDP協(xié)議解析出載荷交給應(yīng)用層

5.應(yīng)用層就按照內(nèi)部的協(xié)議解析出了數(shù)據(jù)，在B的聊天窗口中彈出消息和時間

分用的過程就是封裝的逆向過程

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到了這里，關(guān)于計算機網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)概念解釋的文章就介紹完了。如果您還想了解更多內(nèi)容，請在右上角搜索TOY模板網(wǎng)以前的文章或繼續(xù)瀏覽下面的相關(guān)文章，希望大家以后多多支持TOY模板網(wǎng)！