计算机网络参考模型与子网划分

文章目录

前言
一、分层思想
- [1.1 分层的基本概念](#1.1 分层的基本概念)
- [1.2 分层的作用](#1.2 分层的作用)
二、OSI模型
- [2.1 模型概述](#2.1 模型概述)
- - [2.1.1 物理层：原始比特流的传输介质。](#2.1.1 物理层：原始比特流的传输介质。)
  - [2.1.2 数据链路层：校验、确认、反馈、重发等机制保障数据传输稳定](#2.1.2 数据链路层：校验、确认、反馈、重发等机制保障数据传输稳定)
  - [2.1.3 网络层：网络路由选择、流量控制](#2.1.3 网络层：网络路由选择、流量控制)
  - [2.1.4 传输层：提供数据传输服务（TCP、UDP）](#2.1.4 传输层：提供数据传输服务（TCP、UDP）)
  - [2.1.5 会话层：建立、管理、终止应用进程之间的会话和数据交换](#2.1.5 会话层：建立、管理、终止应用进程之间的会话和数据交换)
  - [2.1.6 表示层：数据格式转换、加密、压缩等](#2.1.6 表示层：数据格式转换、加密、压缩等)
  - [2.1.7 应用层：通过应用进程提供网络服务](#2.1.7 应用层：通过应用进程提供网络服务)
- [2.2 通信方式对比](#2.2 通信方式对比)
- [2.3 实例说明（以QQ为例）](#2.3 实例说明（以QQ为例）)
三、TCP/IP模型
- [3.1 模型分层](#3.1 模型分层)
- [3.2 主要协议](#3.2 主要协议)
- - [3.2.1 主要协议简单介绍](#3.2.1 主要协议简单介绍)
- [3.3 数据封装与解封装](#3.3 数据封装与解封装)
四、计算机的数制
- [4.1 数制基础](#4.1 数制基础)
- [4.2 数制转换](#4.2 数制转换)
- [4.3 常见二进制数](#4.3 常见二进制数)
五、子网划分
- [5.1 IP地址基础](#5.1 IP地址基础)
- [5.2 地址分类](#5.2 地址分类)
- - [5.2.1 私有网络地址](#5.2.1 私有网络地址)
- [5.3 子网划分方法](#5.3 子网划分方法)
- [5.4 实例：公司子网划分](#5.4 实例：公司子网划分)
总结

前言

本文档系统整理了计算机网络参考模型和子网划分的核心知识，旨在帮助读者全面理解网络通信的分层架构、数据传输过程以及IP地址规划方法。内容涵盖OSI七层模型、TCP/IP协议族、数据封装与解封装、计算机数制转换以及子网划分技术等。

一、分层思想

1.1 分层的基本概念

分层思想的核心是将复杂的流程分解为多个功能相对单一的子过程，从而简化问题、便于排查和针对性解决。例如：

享用牛奶的人无需了解其生产过程。
使用网络的人无需知道数据传输的具体细节，只需确保通信功能正常。

1.2 分层的作用

流程清晰化：将复杂问题分解为多个子任务。
问题定位：更容易发现并解决特定层次的问题。

二、OSI模型

2.1 模型概述

国际标准化组织（ISO）于1984年提出开放系统互连（OSI）参考模型，将网络通信分为七层：

2.1.1 物理层：原始比特流的传输介质。

功能： 定义物理信号（如电信号、光信号）表示数据（0和1）的方式。
通信模式或传输模式：
- 数据传输方向（单工、半双工、全双工）。
- 物理接口特性（如网线、光纤）。
设备： 网卡、调制解调器。

2.1.2 数据链路层：校验、确认、反馈、重发等机制保障数据传输稳定

功能：
- 封装数据帧，包含源和目的MAC地址。
- 提供数据校验和重传机制。
设备： 交换机。

2.1.3 网络层：网络路由选择、流量控制

功能：
- 逻辑寻址（IP地址）。
- 路由选择（通过路由器转发数据包）。
设备： 路由器。

2.1.4 传输层：提供数据传输服务（TCP、UDP）

功能：
- 进程间通信（通过端口号标识应用）。
- 提供可靠传输（TCP）或高效传输（UDP）。
设备： 防火墙。

2.1.5 会话层：建立、管理、终止应用进程之间的会话和数据交换

功能： 建立、管理和终止会话（如QQ连接）。

2.1.6 表示层：数据格式转换、加密、压缩等

功能： 数据格式转换、加密解密、压缩解压缩。

2.1.7 应用层：通过应用进程提供网络服务

功能： 提供最终用户的操作接口（如浏览器、QQ界面）。可理解为人机交互窗口，把人的语言输入到计算机当中进行使用。
设备： 计算机。

2.2 通信方式对比

点到点通信：主机到主机（网络层及以下）。
端到端通信：进程到进程（传输层）。

2.3 实例说明（以QQ为例）

用户在QQ界面输入文字（应用层）。
数据加密（表示层）。
建立与对方的会话（会话层）。
通过端口号传输（传输层）。
路由器选择路径（网络层）。
交换机转发数据帧（数据链路层）。
网卡发送比特流（物理层）。

三、TCP/IP模型

3.1 模型分层

TCP/IP 4层模型	TCP/IP 5层模型	OSI 7层模型
应用层	应用层	应用层/表示层/会话层
传输层	传输层	传输层
网络层	网络层	网络层
网络接口层	数据链路层/物理层	数据链路层/物理层

3.2 主要协议

应用层：HTTP（80）、HTTPS（443）、FTP（20/21）、DNS（53）、SMTP（25）。
传输层：TCP（安全、可靠）、UDP（高效）。
网络层：IP、ICMP、ARP、RARP、DHCP（67服务器、68客户端）。

3.2.1 主要协议简单介绍

应用层协议：

HTTP：超文本传输协议，用于在Web浏览器和服务器之间传输未加密的网页数据。
HTTPS：安全的HTTP协议，通过SSL/TLS加密传输数据，确保通信安全。
FTP：文件传输协议，用于在客户端和服务器之间上传/下载文件（20用于数据，21用于控制）。
DNS：域名系统协议，将人类可读的域名解析为机器可读的IP地址。

传输层协议：

TCP（传输控制协议）：提供安全稳定的连接，适用于视频传输等场景
UDP（用户数据报协议）：高效传输，适用于即时通讯如QQ等应用

网络层协议：

ICMP（网际控制报文协议） ：用于在IP网络中传递控制消息，如错误报告和状态查询（如ping）。
IGMP（网际组管理协议）：管理IP组播组成员关系，帮助路由器确定局域网内的组播组成员。
IP（网际协议）：负责在网络层实现无连接的数据报路由和传输，是互联网的核心协议。
ARP（地址解析协议）：通过IP地址查询对应的MAC地址，实现局域网内设备通信。
RARP（反向地址解析协议）：通过MAC地址查询对应的IP地址（现已被DHCP取代）。

3.3 数据封装与解封装

封装过程 ：
应用层数据 → 传输层加TCP头部 → 网络层加IP头部 → 数据链路层加MAC头部 → 物理层转换为比特流。
解封装过程：逆向操作，逐层剥离头部信息。

四、计算机的数制

4.1 数制基础

十进制 ：逢十进一，符号为D或省略（如1010D）。
二进制 ：逢二进一，符号为B（如1010B）。
十六进制 ：逢十六进一，符号为H（如1010H）。

4.2 数制转换

十进制转二进制 ：
- 方法一：除2取余法（如125=01111101B）。
- 方法二：减权法（从高位到低位逐位减去2的幂次）。
二进制转十六进制：每4位一组，转换为十六进制字符。

4.3 常见二进制数

二进制	十进制
10000000	128
11000000	192
11111111	255

五、子网划分

5.1 IP地址基础

IPv4 ：32位，点分十进制表示（如192.168.1.1）。
IPv6：128位，冒号分隔的十六进制表示。

5.2 地址分类

类别	范围	默认子网掩码
A	1.0.0.1~126.255.255.254	255.0.0.0
B	128.0.0.1~191.255.255.254	255.255.0.0
C	192.0.0.1~223.255.255.254	255.255.255.0

5.2.1 私有网络地址

私有网络地址〈（以下简称私网地址）是指内部网络或主机的IP地址，IANA(互联网数字分配机构）规定将下列的IP地址保留用作私网地址，不在Internet上被分配，可在一个单位或公司内部使用。RFC1918中规定私有地址如下:
A类私有地址 :10.0.0.0～10.255.255.255 10.0.0.0/8
B类私有地址: 172.16.0.0一172.31.255.255 172.16.0.0/12
c类私有地址: 192.168.0.0～192.168.255.255 192.168.0.0/16

5.3 子网划分方法

计算子网数 ：子网数=2^n（n为子网掩码扩展位数）。
计算主机数 ：主机数=2^N-2（N为主机部分位数）。
示例：
- 192.168.1.0/26：
  - 子网掩码：255.255.255.192。
  - 子网数：4。
  - 可用IP范围：192.168.1.64~192.168.1.127。

5.4 实例：公司子网划分

需求：一个公司申请一个C类IP地址，这个公司有4个部门，A部门内有10主机，B部门内有15台，C部门有30台主机，D部门内有20台主机，现需要给每个部分划分一个子网。分配一个总的网段：192.168.2.0/24，怎么为每个部门划分单独的网段呢？
方案：

使用/27掩码（每个子网30个可用IP），划分4个子网：
- 192.168.2.0/27（1~30）。
- 192.168.2.32/27（33~62）。
- 192.168.2.64/27（65~94）。
- 192.168.2.96/27（97~126）。

总结

本文系统介绍了计算机网络参考模型和子网划分的核心知识：

分层模型：OSI七层模型和TCP/IP四层模型的分层思想及对应关系，明确了各层的功能和关键协议。
数据传输：通过封装与解封装过程，理解数据如何在网络中逐层传递。
子网划分：掌握IP地址分类、子网掩码计算及实际划分方法，能够根据需求设计合理的子网方案。

通过理论与实践结合，可以更好地应用于网络规划、故障排查和性能优化等实际场景。

最后，希望大家多多实践，夯实基础，聚沙成塔，与君共勉之！