目录
[1.1 独立模式](#1.1 独立模式)
[1.2 网络互连的兴起](#1.2 网络互连的兴起)
[2.1 局域网（LAN）](#2.1 局域网（LAN）)
[2.2 广域网（WAN）](#2.2 广域网（WAN）)
[3.1 IP地址](#3.1 IP地址)
[3.2 端口号](#3.2 端口号)
[3.3 五元组：网络通信的"身份证"](#3.3 五元组：网络通信的"身份证")
[4.1 什么是协议？](#4.1 什么是协议？)
[4.2 协议的重要性](#4.2 协议的重要性)
[5.1 为什么需要协议分层？](#5.1 为什么需要协议分层？)
[5.2 OSI七层模型](#5.2 OSI七层模型)
[5.3 TCP/IP五层（或四层）模型](#5.3 TCP/IP五层（或四层）模型)
[7.1 数据封装](#7.1 数据封装)
[7.2 数据分用](#7.2 数据分用)
[8.1 同一网段内的主机通信](#8.1 同一网段内的主机通信)
[8.2 跨网段的主机通信](#8.2 跨网段的主机通信)
前言
在当今数字化时代，网络已成为我们日常生活和工作中不可或缺的基础设施。从浏览网页、发送邮件到视频会议、在线支付，所有这些活动都依赖于网络通信。本文将带您深入浅出地了解网络原理的基础知识，从网络发展史到协议分层，帮助您建立对网络通信的系统性认识。
一、网络发展简史：从独立模式到网络互连
1.1 独立模式
早期的计算机系统是独立运行的，每台计算机都独立工作，无法与其他计算机共享数据和资源。这种"孤岛式"的计算模式限制了计算机的使用效率和应用范围。
1.2 网络互连的兴起
随着业务需求的增加，人们越来越需要计算机之间能够互相通信、共享软件和数据。于是，"网络互连"的概念应运而生------将多台计算机连接在一起，完成数据共享。
网络互连的本质：计算机之间通过网络传输数据，即网络通信。
二、网络规模划分：局域网与广域网
2.1 局域网（LAN）
定义：Local Area Network，简称LAN，指在局部范围内组建的私有网络。
特点：
- 本地、局部组建的网络
- 局域网内的主机之间可以方便地进行网络通信（内网）
- 局域网与局域网之间在没有连接的情况下无法通信
局域网组建方式：
- 基于网线直连
- 基于集线器组建
- 基于交换机组建
- 基于交换机和路由器组建
2.2 广域网（WAN）
定义：Wide Area Network，简称WAN，通过路由器将多个局域网连接起来，形成覆盖大范围的网络。
特点：
- 由多个局域网（子网）组成
- 例如：企业在全国各地的分公司，通过专线连接形成的广域网
- 全球化的公共型广域网称为互联网（又称公网、外网）
重要提示：局域网和广域网只是相对概念。例如，某些特定区域的"天朝特色"广域网，也可以视为一个较大的局域网。
三、网络通信基础：IP地址与端口号
3.1 IP地址
定义：IP地址用于标识网络主机、其他网络设备（如路由器）的网络地址。
作用：就像发送快递需要知道收货地址一样，IP地址用于定位主机的网络地址。
格式：
- 32位的二进制数
- 通常分割为4个"8位二进制数"（4个字节）
- 用"点分十进制"表示：a.b.c.d（a,b,c,d为0～255的十进制整数）
示例：
二进制：01100100.00000100.00000101.00000110
点分十进制：100.4.5.63.2 端口号
定义：端口号用于标识主机中发送数据、接收数据的进程。
作用：就像发送快递不仅需要指定收货地址（IP地址），还需要指定收货人（端口号）。
格式：
- 0～65535范围的数字
- 进程可以通过绑定一个端口号，来发送及接收网络数据
3.3 五元组：网络通信的"身份证"
在网络通信中，仅靠IP地址和端口号还不足以唯一标识一次通信。TCP/IP协议使用五元组来标识一个网络通信：
- 源IP：标识源主机
- 源端口号：标识源主机中该次通信发送数据的进程
- 目的IP：标识目的主机
- 目的端口号：标识目的主机中该次通信接收数据的进程
- 协议号：标识发送进程和接收进程双方约定的数据格式
实际应用 ：在Windows系统中，可以通过
netstat -ano命令查看网络数据传输中的五元组信息；若需过滤，可使用netstat -ano | findstr命令。
四、协议：网络通信的"语言"
4.1 什么是协议？
定义：网络协议是网络通信（即网络数据传输）经过的所有网络设备都必须共同遵从的一组约定、规则。
作用：如同见网友约定"胸口插支玫瑰花"见面，协议确保不同厂商、不同操作系统、不同硬件的计算机能够顺畅通信。
4.2 协议的重要性
- 计算机生产厂商众多：不同厂商的设备需要统一标准
- 操作系统多样：Windows、Linux、MacOS等需要兼容
- 网络硬件复杂：网卡、路由器、交换机等需要协同工作
协议的本质：协议最终体现为在网络上传输的数据包的格式。
五、协议分层：网络通信的"组织架构"
5.1 为什么需要协议分层？
协议分层类似于面向接口编程：
- 定义好两层间的接口规范，让双方遵循这个规范来对接
- 使用方不关心提供方的实现细节，只需使用接口
- 提供方利用封装特性隐藏实现细节，只需开放接口
5.2 OSI七层模型
定义：Open System Interconnection，开放系统互连。
OSI七层模型：
重要提示：OSI七层模型是理论框架，实际网络中并未完全实现。
5.3 TCP/IP五层（或四层）模型
定义：TCP/IP是一组协议的代名词，包括许多协议，组成了TCP/IP协议簇。
TCP/IP五层模型：
- 应用层：负责应用程序间沟通，如SMTP、FTP、Telnet等。我们的网络编程主要针对这一层。
- 传输层：负责两台主机之间的数据传输，如TCP（确保可靠传输）。
- 网络层：负责地址管理和路由选择，如IP协议。路由器工作在这一层。
- 数据链路层：负责设备之间的数据帧传送和识别，如网卡驱动、帧同步、冲突检测等。交换机工作在这一层。
- 物理层：负责光/电信号的传递方式，如网线、光纤、电磁波等。集线器工作在这一层。
图2：TCP/IP五层模型示意图
四层模型：在实际应用中，物理层常被忽略，因此也称为TCP/IP四层模型。
六、网络设备所在分层
表格
| 网络设备 | 工作分层 | 说明 |
|---|---|---|
| 主机 | 传输层至物理层 | 操作系统内核实现下四层 |
| 路由器 | 网络层至物理层 | 传统路由器工作在下三层 |
| 交换机 | 数据链路层至物理层 | 传统交换机工作在下两层 |
| 集线器 | 物理层 | 仅实现物理层功能 |
注意：随着技术发展，出现了3层或4层交换机、4层路由器，但本文讨论的是传统意义上的网络设备。
七、数据封装与分用：数据在网络中的"旅行"
7.1 数据封装
当应用层数据通过协议栈发送到网络上时，每层协议都要加上一个数据首部（Header），称为封装（Encapsulation）。
- 应用层数据 → 传输层：段（Segment）
- 传输层数据 → 网络层：数据报（Datagram）
- 网络层数据 → 数据链路层：帧（Frame）
7.2 数据分用
数据到达目的主机后，每层协议剥掉相应的首部，根据首部中的"上层协议字段"将数据交给对应的上层协议处理。
八、网络通信实例分析
8.1 同一网段内的主机通信
当两台主机位于同一网段时，通信过程如下：
- 源主机应用层生成数据
- 传输层添加首部，形成段
- 网络层添加首部，形成数据报
- 数据链路层添加首部，形成帧
- 物理层将帧转换为电信号/光信号
- 目的主机接收到信号，逐层剥掉首部
- 最终将数据传递给目的应用层
8.2 跨网段的主机通信
当两台主机位于不同网段时，通信过程如下：
- 源主机将数据发送到默认网关（路由器）
- 路由器根据路由表将数据转发到目的网段
- 目的网段的路由器将数据发送到目的主机
- 目的主机接收并处理数据