计算机网络基础

一、网络基本概念

[1.1 网络](#1.1 网络)

[1.2 互联网](#1.2 互联网)

[1.3 ip地址](#1.3 ip地址)

[1.3.1 ip地址的作用](#1.3.1 ip地址的作用)

[1.3.2 ip地址分类](#1.3.2 ip地址分类)

[1.4 MAC地址](#1.4 MAC地址)

[1.4.1 MAC地址与IP地址的关系](#1.4.1 MAC地址与IP地址的关系)

[1.5 网络协议](#1.5 网络协议)

二、网络分层模型

[2.1 应用层](#2.1 应用层)

[2.2 表示层](#2.2 表示层)

[2.3 会话层](#2.3 会话层)

[2.4 传输层](#2.4 传输层)

[2.5 网络层](#2.5 网络层)

[2.6 数据链路层](#2.6 数据链路层)

[2.7 物理层](#2.7 物理层)

三、网络应用程序通信流程

一、网络基本概念

1.1 网络

网络是指将各种不同的事物或个体连接起来，使它们可以相互交流和互相影响的系统。在计算机领域中，网络通常指的是计算机网络，即利用通信设备和技术将多台计算机连接在一起，以实现信息和资源的共享。网络可以是局域网（LAN）、广域网（WAN）或互联网等不同范围和规模的连接。通过网络，人们可以远程交流、共享数据、获取资源、进行在线娱乐等各种活动。

网络设备：交换机、路由器、集线器

传输介质：双绞线、同轴电缆、光纤

1.2 互联网

互联网是指全球各种网络相互连接而成的巨大网络系统，通过标准的通信协议相连，实现了全球范围内的信息共享和资源交换。互联网的概念最早起源于20世纪60年代美国的军事研究领域，后来逐渐演变成一种全球性的信息交流和传播平台。通过互联网，人们可以在全球范围内进行实时通信、获取各种信息、进行在线交易和互动等各种活动。

简而言之，多个网络连接起来就构成了互联网。

1.3 ip地址

IP地址（Internet Protocol Address）是互联网上用于标识和定位计算机或其他网络设备的数字标识。**ip地址即互联网协议地址。**在互联网通信中，每台连接到互联网的设备都会被分配一个唯一的IP地址，类似于寻找房子时使用的地址。IP地址由一系列数字组成，通常以点分十进制表示，例如：192.168.1.1。

1.3.1 ip地址的作用

IP地址的作用是在互联网上唯一标识每个连接的设备，使得数据包能够准确地被发送到目标设备。通过IP地址，数据包在网络中的传输路线得以确定，确保信息能够准确地被发送到目标地址。IP地址的概念是互联网通信的基础，无论是浏览网页、发送电子邮件、进行视频通话还是其他网络活动，IP地址都扮演着重要的角色。

1.3.2 ip地址分类

IPv4地址由32位二进制表示，一般用点分十进制表示，如：192.168.1.1，分成 4 个字节，每个字节对应 0 - 255 的十进制数。它已经成为互联网的主要使用方式；

IPv6地址则采用128位二进制表示，用冒号分隔的十六进制表示，它用于解决IPv4地址空间不足的问题。如 2001:0db8:85a3:0000:0000:8a2e:0370:7334 。

1.4 MAC地址

MAC地址（Media Access Control Address）是网络设备（如计算机、路由器、网络打印机等）网卡上的物理地址，用于在局域网中唯一标识网络设备。MAC地址通常是一个由12个十六进制数（0-9，A-F）组成的值，如：00:1A:2B:3C:4D:5E。MAC地址是在网络设备制造时固定烧录在网卡上的，独一无二的。

与IP地址不同，MAC地址是硬件层面的地址，用于在局域网内直接通信。当设备在局域网内进行通信时，会根据目标设备的MAC地址来确定数据包的传输目标。每个网络设备都有一个唯一的MAC地址，这样数据包就能够准确地发送到目标设备。

MAC地址通常用于局域网内部通信，而IP地址则用于在广域网（如互联网）中唯一标识设备。在数据包传输过程中，源设备会使用目标设备的IP地址来寻址，并在局域网内通过目标设备的MAC地址来定位。MAC地址在网络通信中起着重要的作用，帮助数据包在局域网中正确地传输到目标设备。

1.4.1 MAC地址与IP地址的关系

MAC地址（Media Access Control address）和IP地址（Internet Protocol address）是网络中两个不同的地址概念。它们之间的关系是：

MAC地址是网络设备（如网卡）的唯一标识符，由设备的制造商预先分配。MAC地址是全球唯一的，用于在局域网中唯一标识一个设备。
IP地址是分配给网络设备的逻辑标识符，用于在Internet上唯一标识一台设备或网络。IP地址允许设备在网络上进行通信和交换数据。
在数据包传输过程中，源设备将数据包封装在帧中，帧中包含目的设备的MAC地址。然后，数据包通过局域网中的交换机根据目的MAC地址传递到相应设备。
一旦数据包到达目标设备，目标设备将解析数据包中的IP地址，确定数据包是否是发给自己的。如果是，则目标设备将处理数据包。

因此，MAC地址和IP地址之间的关系是，MAC地址用于在局域网中唯一标识设备以进行数据帧传输，而IP地址用于在Internet上唯一标识设备以进行数据包路由和通信。

例如，在一个局域网中，计算机 A 要向计算机 B 发送数据，首先根据计算机 B 的 IP 地址，通过路由器等设备找到计算机 B 所在的局域网，然后在局域网内通过计算机 B 的 MAC 地址将数据帧准确发送到计算机 B。

1.5 网络协议

网络协议就是一组网络规则的集合。

HTTP:超文本传输协议

TCP：传输控制协议，是一种面向连接的，可靠的，基于字节流的传输层通信协议

UDP：用户数据报协议

IP：互联网协议

ARP：地址解析协议，根据IP地址获取MAC地址的协议

RARP：逆地址解析协议

二、网络分层模型

网络分层：OSI模型 tcp/ip模型

应用层应用层

表示层传输层 tcp/udp协议

会话层网络层

传输层数据链路层

网络层

数据链路层

物理层

2.1 应用层

在计算机网络中，应用层是网络体系结构的最顶层，负责为用户提供网络服务和应用程序。应用层的功能主要包括：

数据格式化：应用层定义了数据的格式和结构，确保不同设备和应用程序之间能够正确解释和处理数据。
数据传输：应用层负责数据的传输和交换，包括数据的发送、接收、传输和存储。
用户界面：应用层提供用户友好的界面，以便用户与网络进行交互和通信。
安全性：应用层通过加密和认证等技术保护数据的安全性和隐私性。

应用层的设备包括各种网络应用程序和服务，例如Web浏览器、电子邮件客户端、文件传输协议（FTP）客户端、域名系统（DNS）等。这些应用程序和服务都是建立在应用层协议（如HTTP、SMTP、FTP、DNS等）之上，通过网络进行通信和交换数据。通过应用层协议的支持，不同设备和应用程序能够相互通信和协作，实现各种功能和服务。

2.2 表示层

表示层是计算机网络体系结构中的第六层，位于应用层和会话层之间，主要负责数据的转换、加密和压缩，以便应用层可以正确地解释和处理数据。表示层的功能包括：

数据格式转换：表示层将不同数据格式之间的数据进行转换，确保数据在传输过程中能够被正确地解释和处理。
数据加密：表示层负责对数据进行加密和解密，以保护数据的安全性和隐私性。
数据压缩：表示层可以对数据进行压缩，减少数据传输的时间和网络带宽消耗。
数据解释：表示层将数据转换为应用层能够理解的格式，确保不同设备和应用程序之间能够正确地交换和处理数据。

表示层的功能主要是为了解决应用程序之间数据的格式和结构差异，以便数据能够在网络上正确地传输和解释。通过表示层的支持，不同设备和应用程序之间可以进行数据的交换和通信，实现各种功能和服务。

2.3 会话层

会话层是计算机网络体系结构中的第五层，位于表示层和传输层之间，主要负责建立、管理和终止网络中的会话或连接。会话层的功能包括：

会话管理：会话层负责建立、维护和终止应用程序之间的会话，以确保数据能够在通信过程中正确地传输和接收。
对话同步：会话层处理数据传输的顺序和同步，确保数据在传输过程中不会丢失或重复。
数据流控制：会话层负责控制数据的流量，避免数据传输过程中出现拥塞或数据丢失的情况。
错误恢复：会话层处理数据传输中可能出现的错误或中断，确保数据传输的完整性和可靠性。

会话层的功能主要是为了管理和维护网络中的会话和连接，确保数据能够在应用程序之间正确地传输和交换。在网络通信过程中，会话层起着重要的作用，保证数据的可靠传输和通信的顺利进行。常见的会话层协议包括NetBIOS、RPC等。

2.4 传输层

传输层是计算机网络体系结构中的第四层，位于网络层和应用层之间，主要负责在通信的端到端节点之间提供可靠的数据传输服务。传输层的功能包括：

数据传输：传输层负责将数据从源主机传输到目标主机，确保数据在传输过程中的完整性和可靠性。
分段与重组：传输层将应用层传输过来的数据分成适合网络传输的数据段，并在目的地重新组装这些数据段。
差错检测与恢复：传输层负责检测数据传输过程中可能出现的传输错误，并进行相应的差错恢复，保证数据的准确传输。
拥塞控制：传输层负责监测网络的拥塞情况，调整数据传输的速率，以避免网络拥塞和提高网络性能。
多路复用与分解：传输层通过端口号实现多路复用，将来自不同应用程序的数据传输合并到一个连接中，同时在接收端根据端口号进行分解，将数据传输到相应的应用程序。

常见的传输层协议包括TCP（传输控制协议）和UDP（用户数据报协议），这些协议实现了传输层的功能，确保网络通信中数据的可靠传输和有效传送。传输层使用的设备包括传输层协议栈、传输层网关、传输层路由器等。

2.5 网络层

网络层是计算机网络体系结构中的第三层，位于数据链路层和传输层之间，主要负责在互联网络中实现数据包的路由和转发。网络层的功能包括：

路由选择：网络层负责选择最佳的数据传输路径，通过路由算法确定数据包从源主机到目的主机的传输路径。
数据包转发：网络层负责在网络中的不同节点之间转发数据包，确保数据包按照预定的路由路径正确传递。
分组传输：网络层将数据转换为数据包（分组）进行传输，保证数据在网络中的可靠传输。
IP地址分配：网络层使用IP地址来唯一标识网络中的设备，负责IP地址的分配和管理。
路由器通信：网络层通过路由器进行通信，路由器是实现网络层功能的关键设备，负责数据包的转发和路由选择。
网络互联：网络层通过互联网协议（IP）实现不同网络之间的互联，实现跨网络的数据通信。

网络层使用的协议主要是IP协议（Internet Protocol），在因特网和其他网络中起到关键作用。网络层的设备包括路由器、三层交换机、防火墙等，这些设备协同工作以实现网络层的功能，确保数据包在网络中的正确传输和路由。

2.6 数据链路层

数据链路层是计算机网络体系结构中的第二层，位于物理层和网络层之间，主要负责在直接相连的两个节点之间传输数据。数据链路层的功能包括：

数据封装和解封装：数据链路层将网络层传输的数据包封装成帧进行传输，接收端再将接收到的帧解封装为数据包。
媒体访问控制（MAC）：数据链路层负责控制共享介质上的数据帧的访问，确保不同设备之间的数据传输协调有序。
差错检测和重发：数据链路层实现差错检测，一旦发现数据传输错误，会请求重传数据帧。
数据流量控制：数据链路层控制数据的流量，避免数据的过载。
设备寻址：数据链路层使用MAC地址来确定设备的位置，确保数据帧传输至正确目的地。
局域网通信：数据链路层在局域网中实现设备之间的直接通信，负责局域网内部的数据传输。

数据链路层的设备包括网桥、交换机和网卡等。

网桥负责在数据链路层连接不同的局域网，实现局域网之间的数据转发；

交换机则是更智能化的设备，能够根据MAC地址进行数据帧的转发，提高网络性能和效率；

网卡是计算机上的物理设备，负责将计算机数据传输至网络链路，并负责接收网络链路传来的数据。这些设备协同工作，保证数据链路层的功能正常运行，实现数据在相邻节点之间的传输。

2.7 物理层

物理层是计算机网络体系结构中的最底层 ，负责传输原始比特流，并确保数据能够在通信媒介上传输。物理层的主要功能包括：

传输数据比特：物理层负责将数据转换为比特流，并在物理介质上传输。
数据编码：将数字信号编码为模拟信号，或者将模拟信号编码为数字信号，以便在传输介质上传输。
数据传输速率：定义数据传输的速率，包括数据传输速率、波特率等。
信号调制：将数字信号调制成适合传输的模拟信号，或者反之，从模拟信号中解调出数字信号。
传输介质管理：包括传输介质的选择、使用和管理，确保数据能够在介质上安全可靠地传输。

物理层的设备主要包括各种物理传输介质和设备，例如：

网线：用于有线网络的传输介质，如以太网网线（如Cat5、Cat6等）。
光纤：用于光纤网络的传输介质，具有高带宽和低传输损耗的优点。
网卡：负责将计算机中的数据转换成适合在网络传输的信号，并与物理介质连接。
调制解调器（Modem）：用于在数字网络和模拟电话线之间进行数据的调制和解调，实现数字信号与模拟信号之间的转换。

物理层设备和技术的发展直接影响着网络的传输性能和速度。因此，在设计和维护计算机网络时，物理层的选择和管理至关重要，决定了网络的稳定性和性能表现。

三、网络应用程序通信流程

应用程序A将数据hello传给网络上另一台主机上的程序B，数据从应用层发送给传输层，传输层在数据前加上tcp协议或者udp协议的报头，将整条报文发送给网络层，网络层添加自己的ip报头，再将整条数据发送给数据链路层，数据链路层将数据分装成能在网络中独立传输的数据单元，即数据帧。封装好的数据帧通过网络传输到另一台主机，然后从下层依次拆包，将数据部分送往应用层，应用层B就得到了数据hello。