当前位置：首页 > news >正文

计算机网络技术-知识篇（Day.1）

news 2025/8/16 18:18:00

一、网络概述

1、网络的概念

两个不在同一地理位置的主机，通过传输介质和通信协议，实现通信和资源共享。

2、网络发展史

第一阶段（20世纪60年代）

标志性事件：ARPANET的诞生
关键技术：分组交换技术

第二阶段（20世纪70-80年代）

标志性事件：NSFNet的建立
关键技术：TCP/IP协议

第三阶段（20世纪90年代）

标志性事件：Mosaic浏览器的问世
关键技术：Web技术

3、网络的四要素

传输介质：包括同轴电缆、光纤、双绞线以及无线电波等

通信协议：用于设备间通信的标准协议，例如EIGRP、RIP、OSPF、IS-IS、BGP、TCP、IP、PPP等
资源：涵盖各类数据形式，如图片、视频、音频等数字内容
终端：常见的终端设备有智能手机、笔记本电脑、平板电脑以及台式计算机等

4、网络功能

数据通信
资源共享
增加可靠性
提高系统处理能力

5、网络类型

WAN（广域网 / 外部网络）

覆盖范围：几十至几千千米
主要功能：实现远距离计算机网络互联
典型应用：互联网、城域网（MAN）

LAN（局域网 / 内部网络）

覆盖范围：约1千米
主要功能：实现短距离计算机设备互联
典型应用：企业网络、校园网络

6、网络协议与标准

协议

（1）语法
多个对象之间协商的接口规范。

（2）语义
定义控制信息各部分的含义，包括应发送的控制指令类型、需要执行的操作以及对应的响应方式。

（3）同步
以多字节或多比特数据块为传输单元，仅在帧起始位置进行同步，帧内保持固定时钟信号。

7、网络中常见概念

编号	概念	说明
1	主机	指能够连接网络的终端设备
2	通信链路	由物理介质（如同轴电缆、双绞线、光纤等）连接构成的传输通路
3	路由器	一种数据转发设备，属于交换机的一种
4	分组	端系统间传输数据时，将数据分片并添加首部字节形成的传输单元
5	路径	分组在网络中传输所经过的通信链路和交换机的序列
6	因特网服务商(ISP)	提供网络接入服务的运营商，如中国移动、中国联通等
7	网络协议	计算机网络中进行数据交换的规则和标准
8	IP协议	规定路由器和端系统间分组格式的网际协议
9	TCP/IP协议簇	以TCP/IP为核心的一系列网络协议集合
10	套接字接口(socket)	定义端系统间通过互联网进行数据交换的标准方式
11	协议	通信实体间交换报文的格式和顺序规范
12	丢包	网络中分组丢失的现象
13	吞吐量	单位时间内成功传输的数据量
14	IP地址	网络中唯一标识主机的地址，分为内网和公网地址
15	端口号	主机内用于区分不同应用程序进程的标识
16	URI	统一资源标识符
17	URL	统一资源定位符，URI的子集
18	HTML	超文本标记语言，用于创建网页的标准语言
19	Web页面	由多个对象组成的网页内容
20	Web服务器	为客户端提供文档和资源的服务器
21	WebService	跨平台远程调用技术
22	CDN	内容分发网络，通过边缘服务器提高内容访问效率
23	WAF	Web应用防火墙，保护Web应用安全
24	HTTP	超文本传输协议，用于传输多媒体数据
25	SMTP协议	提供电子邮件服务的协议
26	DNS协议	将域名映射为IP地址的协议
27	TELNET协议	远程登录协议
28	SSH协议	安全的远程登录协议
29	FTP协议	高效的文件传输协议
30	单向数据传输	数据只能从发送端到接收端的传输方式
31	双向数据传输	全双工通信方式
32	面向连接	通信前需建立连接的传输方式
33	三次握手	TCP建立连接的过程
34	四次挥手	TCP断开连接的过程
35	IPv4	使用32位地址的网际协议第4版
36	IPv6	使用128位地址的网际协议第6版
37	接口	主机与物理链路的边界
38	ARP协议	通过IP地址查询MAC地址的协议
39	RARP	通过MAC地址查询IP地址的协议
40	代理ARP	跨网段转发ARP请求的解决方案
41	ICMP协议	互联网控制报文协议
42	DHCP协议	动态主机配置协议
43	NAT协议	网络地址转换协议
44	IP隧道	封装协议跨网络传输的技术
45	单播	点对点通信方式
46	广播	一对所有通信方式
47	多播	限定组内的一对多通信
48	任播	从多台主机中选择接收端
49	IGP	内部网关协议
50	EGP	外部网关协议
51	MPLS	标记交换技术
52	MAC协议	链路层数据传输规范
53	以太网	主流局域网技术
54	VLAN	虚拟局域网技术
55	基站	无线网络基础设施

8、网络拓扑结构

星型拓扑

优点

部署简单
扩展性强
故障诊断便捷

缺点

中心节点负荷集中

网型拓扑

每个节点至少连接两个其他节点
可靠性出色，但组网成本较高

二、网络模型

1、分层思想

1.1、概述

分层思想的核心理念是将复杂的系统或问题划分为多个独立的、相互关联的层级，每个层级有不同的功能和责任。这种分层的方式可以使系统或问题更具结构化和可管理性，简化设计和实施过程，并提高系统或问题的可扩展性和互操作性。

1.2、核心理念

模块化：将系统或问题划分为多个模块或层级，每个层级负责特定的功能，模块之间相互独立但也相互关联。这样可以降低复杂度，使系统设计更加清晰和可扩展。
抽象性：每个层级都对其他层级提供特定的抽象接口，屏蔽了底层实现的复杂性，使各层级之间的交互更加简化和统一。这样可以提高代码的可维护性和可重用性。
松耦合：每个层级之间通过抽象接口进行交互，层级之间的耦合度尽可能地降低，使得各个层级可以独立地进行修改和演变。这样可以使系统更具灵活性和可扩展性。
可替换性：由于每个层级之间的耦合度较低，所以可以灵活地替换或添加新的功能层级，而不需要对其他层级进行修改。这样可以使系统更容易适应变化的需求和技术。

2、OSI七层模型

1. 应用层（Application Layer）

功能：直接为用户应用程序提供网络服务，是用户与网络的接口。
核心任务：处理特定的应用需求，如文件传输、电子邮件、网页浏览等。
典型协议：HTTP（超文本传输协议）、FTP（文件传输协议）、SMTP（简单邮件传输协议）、POP3（邮局协议版本 3）等。

2. 表示层（Presentation Layer）

功能：负责数据的格式转换和表示，确保不同设备的应用层能理解对方的数据。
核心任务：
- 数据编码（如 ASCII、Unicode）、格式转换（如文本、图像、音频的格式处理）；
- 数据压缩与解压、加密与解密（如 SSL/TLS 加密）。
作用：屏蔽底层数据格式的差异，让应用层专注于业务逻辑。

3. 会话层（Session Layer）

功能：建立、管理和终止两个应用程序之间的会话（即通信连接）。
核心任务：
- 会话的创建（如验证身份、协商通信参数）；
- 会话的维护（如控制数据发送的顺序、断点续传）；
- 会话的释放（正常关闭或异常中断时的处理）。
典型应用：数据库连接中的会话管理、视频会议中的连接控制。

4. 传输层（Transport Layer）

功能：为上层（应用层、表示层、会话层）提供端到端的可靠数据传输服务。
核心任务：
- 数据分段与重组（将大块数据分割为小数据包，接收后重组）；
- 流量控制（避免发送方速率过快导致接收方溢出）；
- 差错控制（通过校验和、重传机制确保数据准确到达）；
- 端口寻址（通过端口号识别主机上的不同应用程序，如 HTTP 用 80 端口）。
典型协议：
- TCP（传输控制协议）：面向连接、可靠传输（适用于文件传输、网页加载等）；
- UDP（用户数据报协议）：无连接、不可靠但高效（适用于视频直播、实时游戏等）。

5. 网络层（Network Layer）

功能：负责数据包从源主机到目标主机的路由选择和转发，解决不同网络之间的通信问题（即 “跨网传输”）。
核心任务：
- 逻辑寻址（通过 IP 地址标识网络中的主机，如 IPv4、IPv6）；
- 路由选择（通过路由协议选择最佳路径，如 RIP、OSPF）；
- 拥塞控制（避免网络因数据过多而拥塞）。
典型协议：IP（网际协议）、ICMP（互联网控制消息协议，如 ping 命令基于此）、ARP（地址解析协议，将 IP 地址转换为 MAC 地址）。

6. 数据链路层（Data Link Layer）

功能：在相邻两个网络设备（如交换机与主机、路由器与交换机）之间的物理链路上传输数据帧，确保数据在物理层的可靠传输。
核心任务：
- 物理寻址（通过 MAC 地址标识同一局域网内的设备）；
- 帧的封装与拆封（将网络层的数据包包装为帧，添加帧头和帧尾用于校验）；
- 差错控制（检测并纠正物理层传输的错误，如 CRC 校验）；
- 流量控制（控制相邻设备间的数据发送速率）。
典型技术：以太网（Ethernet）、Wi-Fi（无线局域网）、PPP（点对点协议，用于拨号上网）。

7. 物理层（Physical Layer）

功能：定义网络设备与传输介质之间的物理连接规范，负责将数据转换为电信号、光信号或无线电信号等物理形式进行传输。
核心任务：
- 传输介质的规格（如双绞线、光纤、无线电波）；
- 信号的编码方式（如数字信号与模拟信号的转换）；
- 物理接口标准（如接口类型、引脚定义、传输速率）。
典型设备：网卡、集线器、网线、光纤、无线网卡等。

3、TCP/IP五层模型

1. 应用层（Application Layer）

功能：直接为用户应用程序提供网络服务，定义应用程序之间的通信规则。
核心任务：处理具体的应用需求，如数据的生成、解析和交互逻辑。
典型协议：
- 网页浏览：HTTP（超文本传输协议）、HTTPS（加密版 HTTP）；
- 文件传输：FTP（文件传输协议）、SFTP（安全文件传输协议）；
- 邮件服务：SMTP（简单邮件传输协议）、POP3（邮局协议）、IMAP（互联网消息访问协议）；
- 远程登录：SSH（安全外壳协议）、Telnet；
- 域名解析：DNS（域名系统）。
特点：是用户可见的最高层，直接与应用程序交互。

2. 传输层（Transport Layer）

功能：为应用层提供端到端的可靠或高效的数据传输服务，负责数据的分段、重组和传输控制。
核心任务：
- 数据分段与重组：将应用层的大块数据分割为适合传输的小数据包，接收方再重组为完整数据；
- 端到端连接管理：通过端口号识别主机上的不同应用程序（如 HTTP 默认 80 端口，HTTPS 默认 443 端口）；
- 流量控制：调节发送速率，避免接收方因处理能力不足而丢失数据；
- 差错控制：通过校验和、重传机制确保数据准确传输（仅 TCP 支持）。
典型协议：
- TCP（传输控制协议）：面向连接、可靠传输（通过三次握手建立连接，四次挥手断开连接，确保数据无丢失、无重复、按序到达），适用于文件传输、网页加载等对可靠性要求高的场景；
- UDP（用户数据报协议）：无连接、不可靠但高效（无需建立连接，传输速度快），适用于视频直播、实时游戏、语音通话等对实时性要求高的场景。

3. 网络层（Network Layer）

功能：负责将数据包从源主机路由到目标主机，解决不同网络之间的通信（跨网传输）问题。
核心任务：
- 逻辑寻址：通过 IP 地址（如 IPv4、IPv6）标识网络中的主机，确定数据的源和目的地；
- 路由选择：通过路由协议（如 RIP、OSPF、BGP）计算从源网络到目标网络的最佳传输路径；
- 数据包转发：路由器等网络设备根据路由表将数据包转发到下一跳设备；
- 拥塞控制：避免网络因数据量过大而拥塞。
典型协议：
- IP（网际协议）：定义 IP 地址格式和数据包结构，是网络层的核心协议；
- ICMP（互联网控制消息协议）：用于网络诊断和错误报告（如 ping 命令基于此协议）；
- ARP（地址解析协议）：将 IP 地址转换为数据链路层的 MAC 地址；
- RARP（反向地址解析协议）：将 MAC 地址转换为 IP 地址（较少使用）。

4. 数据链路层（Data Link Layer）

功能：在相邻网络设备（如主机与交换机、交换机与路由器）之间的物理链路上传输数据帧，确保物理层数据的可靠传输。
核心任务：
- 物理寻址：通过 MAC 地址（硬件地址）标识同一局域网内的设备；
- 帧的封装与拆封：将网络层的数据包包装为帧（添加帧头和帧尾，包含 MAC 地址和校验信息），接收方拆封后提取数据包；
- 差错控制：通过 CRC（循环冗余校验）检测传输错误，丢弃错误帧；
- 流量控制：调节相邻设备间的发送速率，避免缓冲区溢出。
典型技术与协议：
- 以太网（Ethernet）：有线局域网的主流技术，定义了帧格式和传输规则；
- Wi-Fi（802.11 系列协议）：无线局域网技术；
- PPP（点对点协议）：用于拨号上网、专线连接等点对点通信；
- 交换机：工作在数据链路层，通过 MAC 地址转发帧。

5. 物理层（Physical Layer）

功能：定义网络设备与传输介质之间的物理连接规范，负责将数据帧转换为可在物理介质上传输的信号（如电信号、光信号、无线电波）。
核心任务：
- 传输介质：定义网线（双绞线、同轴电缆）、光纤、无线电波等介质的规格；
- 信号编码：将二进制数据（0 和 1）转换为物理信号（如高低电压、光的明暗）；
- 物理接口：定义接口类型（如 RJ45 接口、光纤接口）、引脚定义、传输速率（如 100Mbps、1Gbps）。
典型设备：网卡、集线器、网线、光纤、无线网卡、中继器等。

TCP/IP 五层模型	对应 OSI 七层模型	说明
应用层	应用层、表示层、会话层	TCP/IP 将 OSI 的上三层功能合并，由应用层统一处理
传输层	传输层	功能基本一致
网络层	网络层	功能基本一致
数据链路层	数据链路层	功能基本一致
物理层	物理层	功能基本一致

4、数据的封装与解封装过程

4.1、PDU（Protocol Data Unit，协议数据单元）

数据段：segment
数据包：packet
数据帧：frame
比特流：bits

4.2、数据封装与解封装过程

TCP/IP五层模型每层对应的工作设备：

应用层：终端设备

传输层：防火墙

网络层：路由器

数据链路层：交换机

物理层：网卡

三、 IP地址

1、进制转换

1.1、数制介绍

数制：指用统一的符号和规则来表示数值的计数方法。

数位：表示数字符号在数值中的具体位置。

基数：在进位计数制中，单个数位上可使用的数字符号总数。

位权：在进位计数制中，某数位所代表的实际数值大小，即该位上的"1"所对应的数值。

1.2、十进制

十进制数制系统由0到9这10个数字组成，其特点是逢十进一。

十进制数的表示方法：

带下标表示法：(1010)₁₀
字母后缀表示法：1010D

以(236)₁₀为例： 2（百位） 3（十位） 6（个位）

1.3、二进制

二进制是指基于两个数字（0和1）的计数系统。

二进制数的运算规则是逢二进一。

二进制数的表示方法：

(1010)₂
1010B

以8位二进制数为例（每位均为1）： 128 64 32 16 8 4 2 1

例如二进制数(10001011)₂：其转换方法为从左至右每位对应2的(n-1)次方，具体数值为： 128 0 0 0 8 0 2 1 将这些数值相加即可转换为十进制： 1 + 2 + 8 + 128 = 139

二进制在计算机底层应用广泛，例如IP地址的表示

1.4、八进制

八进制数制系统由0到7共8个数字组成：0、1、2、3、4、5、6、7。其特点是"逢八进一"。

八进制数表示方法：

数字下标法：(1010)₈、(13241)₈
后缀表示法：1010o

八进制转十进制计算方法：

从左至右每一位权重为8ⁿ⁻¹（n为位数）
以(13241)₈为例：
- 权重分配：512x 64x 8x 1x
- 各位计算：4096×1 512×3 64×2 8×4 1×1
最终结果：4096 + 1536 + 128 + 32 + 1 = 5793

1.5、十六进制

十六进制数制系统由16个基本数字组成： 0、1、2、3、4、5、6、7、8、9、A、B、C、D、E、F

这些数字分别对应十进制的： 0、1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15

十六进制遵循"逢十六进一"的进位规则。其数值表示方法有以下几种形式： (1010)₁₆ 或 1010H 或 (1B2)₁₆

计算时采用从左至右的位权展开法：第n位的权值为16^(n-1)，即...4096、256、16、1

以十六进制数1B2为例： 256×1 + 16×11 + 1×2 = 256 + 176 + 2 = 434

最终转换为十进制的结果为各数位值之和。

2、IP地址定义

主机在网络中的唯一标识，用于确保主机间的正常通信（同一局域网下）。

IP地址是一种网络编码，用于定位网络中的节点。IPv4地址由32位二进制数（32bit）组成，而IPv6地址则由128位二进制数构成

3、网络地址组成部分

网络配置（NETWORK）

定义网络范围

主机配置（HOST）

确定主机位置

4、IP地址分类

IP地址分为A、 B、C、 D、 E五类，每一类有不同的划分规则

地址类型	地址范围	特点
A类	0.0.0.0~127.255.255.255	第一位必须是0
B类	128.0.0.0~191.255.255.255	前两位必须是10
C类	192.0.0.0~223.255.255.255	前三位必须是110
D类	不常见忽略
E类	不常见忽略

A类地址

组成：网络部分+主机部分+主机部分+主机部分

A类地址范围为0.0.0.0~127.255.255.255 ，A类地址网络位固定为前8位。

网络位为2^7=128，网络位=2^可变网络位， A类地址首位不能变所以可变网络位为7位。

主机位为2^24=16777216，主机位=2^可变主机位， A类地址24位都可变所以可变主机位为24位

可用主机位为2^24-2=16777214，可用主机位=2^可变主机位-2，减2的原因是由于主机号全位0定义为网段地址，主机号全位0定义为广播地址不可随便使用。

特点：网络有126个，非常少；但是每个网络中包含的地址数量为2^24个，可用IP地址为2^24 - 2个。

使用场景：大型网络

B类地址

组成：网络部分+网络部分+主机部分+主机部分

B类地址范围为128.0.0.0~191.255.255.255 ， B类地址网络位固定前16位

网络位为2^14=16384，网络位=2^可变网络位， B类地址前2位不能变所以可变网络位为14位。主机位为2^16=65536，主机位=2^可变主机位， B类地址16位都可变所以可变主机位为16位

可用主机位为2^16-2=65534，可用主机位=2^可变主机位-2，减2的原因是由于主机号全位0定义为网段地址，主机号全位0定义为广播地址不可随便使用。

特点：网络数量有2^14个，网络中等；每个网络包含的地址数量为2^16个，可用IP地址为2^16 - 2个

使用场景：中型网络

C类地址

组成：网络部分+网络部分+网络部分+主机部分

C类地址范围为192.0.0.0~223.255.255.255 ，C类地址网络位固定前24位

网络位为2^21=2097152，网络位=2^可变网络位， C类地址前3位不能变所以可变网络位为21位。

主机位为2^8=256，主机位=2^可变主机位， C类地址8位都可变所以可变主机位为8位

可用主机位为2^8-2=254，可用主机位=2^可变主机位-2，减2的原因是由于主机号全位0定义为网段地址，主机号全位0定义为广播地址不可随便使用。

特点：网络数量有2^21个，网络最多；每个网络包含的地址数量为2^8个，可用IP地址为2^8 - 2个

使用场景：小型网络

D、 E类地址

D、 E类地址不常用，只要知晓D类地址用于组播， E类地址用于科学研究即可。

5、地址划分

根据使用范围，IP地址可分为两类：公网地址和私网地址。

公网地址特点：

需要付费使用
全球可达
IPv4地址资源已耗尽

私网地址特点：

免费使用
适用于局域网内部
可自由分配

私网地址范围（必须背会）

地址类型	私网地址范围
A	10.0.0.0~10.255.255.255
B	172.16.0.0~172.31.255.255
C	192.168.0.0~192.168.255.255

特殊地址

特殊地址	作用
0.0.0.0	可以表示任意IP地址
255.255.255.255	广播地址，多用于服务寻找ip
127.0.0.0~127.255.255.255	回环地址、本机地址，指代本机地址，用来测试本机网卡的 TCP/IP协议是否正确安装
169.254.0.0~169.254.255.255	微软保留地址，无ip时会分配到这段地址。