计算机网络技术-知识篇（Day.1）

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

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| | 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：

1. 从左至右每一位权重为8ⁿ⁻¹（n为位数）
2. 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
3. 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。 |

6 、相关概念

6.1 、网络地址

• 网络标识/网段

• 用于标记特定网络的符号

• 代表当前网络地址范围内的最小值

• 不能用于实际网络通信

6.2 、广播地址

• 用于将数据包从一个网络广播到另一个网络中的所有主机。

• 该网络范围内的最大IP地址值

• 不可用于常规网络通信

6.3 、子网掩码
子网掩码用于确定IP地址的网络部分：

• 由32位二进制组成

• 网络部分用1表示

• 主机部分用0表示

通过将IP地址与子网掩码进行逻辑"与"运算，即可得到网络地址：

• 0与任何数相与结果均为0

• 1与任何数相与结果保持原数不变

常见有类地址的默认子网掩码：

• A类：255.0.0.0（/8）

• B类：255.255.0.0（/16）

• C类：255.255.255.0（/24）

6.4**、子网段**

• 网络中一组连续的IP地址。

• 通常以IP地址和子网掩码的形式来表示。

• 子网段是网络划分和管理的基本单位，可以用于划分局域网和子网。

6.5**、网关**

• 连接不同网络之间的一个网络节点，即两个或多个网络的交汇处

• 负责将数据包转发到目标网络

• 网关通常是一台路由器，具有路由选择、地址转换等功能。