计算机网络模型

01. 计算机网络模型

1. 什么是 Internet ?

计算机网络是指两台或更多的计算机组成的网络，在同一个网络中，任意两台计算机都可以直接通信。互联网 ( Internet ) 是把很多计算机网络连接起来，形成一个全球统一的互联网，互联网中的所有计算机都需要遵循同一种网络协议。

1.1. 特点

• 全球性连接: 打破地理限制。例如，中国用户可以通过互联网访问美国的网站。

• 基于统一协议: 所有接入互联网的设备都遵循 TCP/IP (传输控制协议 / 网际协议) 这一核心协议。

  • TCP 负责确保数据传输的可靠性 (如拆分数据、校验完整性)。

  • IP 则负责确定数据的传输路径 (类似 “地址导航”)。

• 资源共享与交互: 互联网的核心价值之一是资源共享，包括信息、服务、计算能力等，同时支持双向交互。

1.2. 组成

【硬件基础】

包括物理连接的设备和线路，比如服务器、路由器 (转发数据的 “交通枢纽”)、光纤电缆 (高速传输数据的 “信息高速公路”)、无线基站等。

1. 核心网络设备

   • 骨干路由器: 由中国电信、中国移动、中国联通等基础运营商部署（如华为 NE 系列、中兴 ZXR16 系列）。

   • 国际出入口路由器: 集中部署在北上广等国际通信枢纽，是中国互联网与全球网络连接的 “闸门”。

2. 传输线路

   • 国内骨干传输网: 以光纤为核心，形成 “八纵八横” 的光纤干线网络，传输速率从 100G 到 400G 不等。

   • 国际连接线路: 通过海底光缆 (如中日海底光缆、亚太直达光缆 APG) 和卫星通信与全球互联。截至 2023 年，中国国际光缆总带宽超过 1Tbps。

3. 接入层设备

   • 汇聚设备: 如汇聚交换机、接入服务器、OLT。

   • 终端接入设备: 用户侧的路由器、光猫、手机基站 (4G/5G)、WiFi 热点等，是 “最后一公里” 设备。

【网络层次】

互联网是 “网络的网络”。

1. 国家级骨干网

   • 由四大运营商（中国电信、中国移动、中国联通、中国广电）建设和运营，如中国电信的 “163 骨干网”。

   • 通过 “国家互联网交换中心” (如北京、上海、广州交换中心) 实现互联互通。

2. 省级 / 城域骨干网

   • 省级骨干网连接本省城市和国家级骨干网。

   • 城域网是骨干网与用户之间的 “中间层”，负责本地数据交换。

3. 接入网

   • 直接连接用户的网络，包括家庭宽带 (FTTH)、企业专线、移动通信网络 (4G/5G)、WiFi等。

【关键基础设施】

1. DNS 根服务器镜像与国内 DNS 体系

   • 中国部署了国际 DNS 根服务器镜像，并建设了自主的 DNS 解析体系 (如 114.114.114.114、119.29.29.29)。

2. 数据中心 (IDC)

   • 超大型数据中心 (如阿里云张北数据中心、腾讯天津数据中心) 运行核心服务。

   • 边缘数据中心 负责就近处理请求，降低延迟。

3. 网络安全设施

   • 包括国家互联网应急中心 (CNCERT)、运营商的 DDoS 防护系统等。

【软件与服务】

• 基础服务: 即时通讯 (微信、QQ)、电子邮件、云服务 (阿里云、华为云)。

• 特色应用: 移动支付 (支付宝、微信支付)、短视频 (抖音、快手)、在线教育、远程医疗。

• 跨境服务接入: 数据通过国际出入口路由器传输。

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2. 网络分层模型

2.1. 什么是网络模型?

• 网络通信是复杂系统工程，网络分层本质是 “将复杂问题拆解为可管理的子问题”。

• 每个分层接收下一层提供的服务，并为上一层提供服务。

• 上下层交互的约定叫 “接口”。

• 同一层交互的约定叫 “协议”。

• OSI (Open System Interconnect) 网络 7 层模型是 ISO 组织定义的标准模型，目的是为了简化操作，提供标准接口。

2.2网络模型为什么需要分层？

        如果没有分层，网络通信的所有功能（从物理信号传输到应用数据解析）都需要由一个模块完成，就像用一个程序实现“快递打包+运输+配送+签收”的全流程，任何一个环节的改动（如包装规格变化）都可能影响整个系统，开发和维护几乎不可能实现

        网络分层模型中的每个层级，只需要专注自己的任务，无需关心上层如何使用数据，下层如何传输数据。

        这种“分工明确”的设计，让复杂的网络通信变得可拆解，可实现。

3.TCP/IP 四层模型

TCP/IP 模型是当今互联网实际遵循的标准协议栈，它将 OSI 七层模型进行了简化与合并，更侧重于协议实践。

TCP/IP 分层	对应 OSI 分层	核心功能与协议
应用层 (Application Layer)	应用层、表示层、会话层	为应用程序提供网络服务接口。 协议: HTTP、HTTPS、FTP、DNS、SMTP、POP3、WebSocket
传输层 (Transport Layer)	传输层	为应用层提供端到端（进程到进程）的通信。 协议: TCP (传输控制协议 - 可靠、面向连接)、UDP (用户数据报协议 - 不可靠、无连接)
网络层 (Internet Layer)	网络层	负责将数据包从源主机跨越多个网络路由到目标主机（主机到主机）。 核心协议: IP (网际协议)、ICMP (互联网控制消息协议)、ARP (地址解析协议)
网络接口层 (Network Interface Layer)	数据链路层、物理层	负责在物理网络媒介上传输数据帧，处理硬件寻址（如MAC地址）。 涉及: 以太网 (Ethernet)、Wi-Fi (IEEE 802.11)、PPP 等

• 应用层: 负责 “用户数据的格式处理” （类似 “快递里的物品包装与拆封”）；

• 传输层: 负责 “端到端的数据可靠传输” （类似 “确保快递完整送达”）；

• 网络层: 负责 “跨网络的路径选择” （类似 “从北京到上海的路线规划”）；

• 数据链路层: 负责 “相邻设备间的数据帧传输” （类似 “两个城市间的短途运输”）；

• 物理层: 仅负责 “电信号 / 光信号传输” （类似快递的 “公路 / 铁路等运输通道”）；

3.1.应用层

        应用层，负责基于某种应用层协议，为用户提供功能服务。不同的网络应用程序，需要不同的应用层协议。应用层不需要关心数据如何传输，只负责将数据包交给运输层即可。

应用层常见的协议有：

• 域名系统 DNS （Domain Name System）：用于将域名解析成IP地址；

• HTTP 协议（HyperText Transfer Protocol）：超文本传输协议，最初的目的用于发布和接受 HTML 网页，是目前互联网应用最广泛的网络协议；

• 电子邮件协议：常用的电子邮件协议有 SMTP、POP3、IMAP4；

• 远程登录协议：Telnet 协议是Internet远程登录服务的标准协议和主要方式，基本功能是允许用户登录进入远程主机系统；

• FTP 文件传输协议（File Transfer Protocol）：FTP 协议用于在网络上进行文件传输的一套标准协议，FTP 允许用户以文件操作的方式（如文件的增、删、改、查、传送等）与另一主机相互通信；

应用层将产生的消息或报文（message），发送给传输层。

3.2.传输层

传输层协议负责定义两台主机之间的通信，提供数据传输服务，提供端到端的传输。

在传输层常见的协议有：

• TCP（Transmission Control Protocol）协议：传输控制协议，提供面向连接、可靠的数据传输服务。TCP 协议中的流量控制、超时重传、拥塞控制等内容，都是为了实现可靠性传输。例如：微信、QQ等IM即时通讯软件发送文字、语音、图片。

• UDP（User Datagram Protocol）协议：用户数据报协议，只负责发送数据包，不提供数据包的可靠性传输。所以，UDP 的实时性和效率更高。例如：腾讯会议、网络游戏、爱奇艺等软件，更看重数据的实时性和流畅性。

3.3网络层

在计算机网络中进行通信的两个计算机之间可能会经过很多个数据链路，也可能还要经过很多通信子网。网络层的任务就是选择合适的网间路由和交换结点，确保数据及时传送。在发送数据时，网络层把传输层产生的报文段或用户数据报封装成分组和包进行传送。

网络层使用的协议是IP协议，负责将数据从一个设备传输到另一个设备。主要的内容包括两点：IP寻址（导航）和路由（方向盘）。

网络层在传输层的TCP报文段的基础上，加上上IP报头，生成IP数据包，发送给网络接口层

3.4.网络接口层

网络接口层的IP数据包发送给网络接口层后，网络接口层会负责将数据包发送给以太网

但是，以太网并不是按照IP协议的方式来进行通信，他是通过MAC地址进行通信。所以，首先需要ARP协议获取对方的MAC地址，然后将收发双方的MAC地址形成一个MAC头部，加入到IP数据包（包）的前面，形成一个数据帧，最后发送到以太网。