【网络原理】初识相关概念

文章目录

• 一、网络发展史
• • 独立模式
  • 网络互连
  • • 局域网（LAN）
    • 广域网（WAN）
• 二、网络通信基础
• • [IP 地址](#IP 地址)
  • • 概念
    • 格式
  • 端口号
  • • 概念
    • 格式
  • 协议（Protocol）
  • • 概念
    • 作用
  • 五元组
  • 协议分层
  • [OSI 七层模型](#OSI 七层模型)
  • [TCP/IP 五层（或四层）模型](#TCP/IP 五层（或四层）模型)
  • 封装
  • • 发送方的封装过程（从上到下依次打包）
    • 接收方的解封装（从下到上依次拆包）

一、网络发展史

独立模式

即各个计算机之间相互独立

网络互连

即将多个计算机连接在一起，完成数据共享。

随着时代的发展，越来越需要计算机之间相互通信，共享软件和数据，即以多个计算机协同工作来完成业务，就有了网络互连。

数据共享的本质是 网络数据传输 ，即计算机之间通过网络来传输数据，也成为网络通信。

根据网络互连的规模，可以分为 局域网 和 广域网。

局域网（LAN）

即 Local Area Network，简称 LAN。

Local 即标识了局域网是本地、局部组建的一种私有网络。

局域网内的各个主机之间能够方便地进行网络通信，构成内网；局域网与局域网之间在没有连接的情况下，是无法进行通信的。

局域网组建网络的方式：

1. 基于网线直连：
   

2. 基于集线器（Hub）组建：
   

3. 基于交换机（Switch）组建：
   

4. 基于交换机和路由器（Router）组建：
   

广域网（WAN）

即 Wide Area Network，简称 WAN。

通过路由器，将多个局域网连接起来，在物理上组成一个很大的范围，形成了广域网。广域网内部的所有局域网都属于其子网。

全球化的公共型广域网称为 互联网（又称公网、外网），属于广域网的一个子集。有时候在没有限定条件下说的广域网，是指互联网。

所谓的 "局域网" 和 "广域网" 是相对的概念。

二、网络通信基础

网络互连的目的是进行网络通信，也即是网络数据传输，更具体⼀点地说，是网络主机中的不同进程间，基于网络传输数据。

那么，在组建的网络中，如何判断到底是从哪台主机，将数据传输到哪台主机呢？这就需要使用 IP 地址来标识。

IP 地址

概念

IP 地址主要用于标识网络主机和其他网络设备（如路由器）的网络地址。可以理解为：IP 地址用于定位主机的网络地址（在网络世界中的位置）。

比如快递，需要有收货方的地址才能将货物运送过去。

格式

IP 地址是一个 32 位的二进制数，通常被分割成 4 个 " 8 位二进制数"，如：01100100.00000100.00000101.00000110。

由于二进制的形式人难以看懂，于是通常采用 "点分十进制" 的方式来表示，即 x.x.x.x 的形式，其中的每一个 "x" 都是 0 ~ 255 之间的十进制整数。如：100.4.5.6。

端口号

概念

在网络通信中，IP 地址用于标识通信主机的网络地址，而定位到主机之后，还需要知道需要发送数据的是主机中的哪一个进程，而不是将整个主机中的数据都发送，因此，端口号用于标识主机中发送数据/接收数据的进程。

比如发送快递，收货地址定位到了某个小区（IP 地址），同时也需要知道哪一个住户是收货人（端口号），这样才能把包裹送到家门口。

格式

端口号是 0 ~ 65535 范围内的数字。

在网络通信中，进程可以通过绑定一个端口号，来发送/接收网络数据。

虽然通过 IP 地址和端口号能够定位网络上一个主机的唯一进程，但是如何告诉接收方要接收的数据是什么样的呢？网络通信是基于二进制数据来传输的，可是接收方怎样知道这个呢？

这时候就需要使用 "协议" 来规定双方的数据格式。

协议（Protocol）

概念

网络协议，简称协议，是网络通信中数据所经过的所有网络设备都必须遵从的一套约定、规则。比如怎样建立连接、如何相互识别等。只有遵从这个约定，计算机之间才能相互通信交流。

协议最终体现为网络上传输的数据包格式。

作用

如同对暗号，协议就是一种提前的约定。

计算机之间的传输媒介是光电信号，通过频率和强弱标识高低电平。若想要传输不同信息，需要约定好双方的数据格式。

而且，由于不同计算机的硬件设备厂商不同，也需要通过一种规定来让不同计算机相互通信。网络协议就是充当这种角色。

五元组

在 TCP/IP 协议中，使用五元组来标识一个网络通信：

1. 源 IP：标识发送方主机的网络地址
2. 源端口号：标识发送方主机中发送数据的进程
3. 目的 IP：标识接收方主机的网络地址
4. 目的端口号：标识接收方主机中接收数据的进程
5. 协议号：标识发送进程和接收进程双方约定的数据格式

协议分层

由于网络通信往往十分复杂，各中问题都有相关协议处理，导致整个网络协议变得乱糟糟的，因此，将各部分协议归为一类（分层），每一层协议各司其职，且只能相邻的两层之间进行交互，不能跨层交互。

分层对每一层协议进行了封装，每一层不需要了解其他层的具体细节。此外还进行了解耦，对任意一层进行替换也不会影响到整体。

分层的作用类似于面向接口编程：定义好两层之间的接口规范，双方都遵循这个规范来对接。

在代码中，类似于定义好一个接口，一方是接口的实现类（提供方，提供服务），一方是接口的使用类（使用方，使用服务）：

• 对于使用方来说，并不关心提供方是如何实现的，只需要使用接口即可。
• 对于提供方来说，利用封装的特性，隐藏了实现的细节，只需要开放接口即可。
  这样就能更好地扩展和维护。

OSI 七层模型

即 Open System Interconnection，开放系统互连。

• OSI 七层网络模型是⼀个逻辑上的定义和规范：把网络从逻辑上分为了7层。
• OSI 七层模型是⼀种框架性的设计方法，其最主要的功能就是帮助不同类型的主机实现数据传输。

OSI 七层模型划分为一下七层：

由于 OSI 七层模型过于复杂，实际网络是以 TCP/IP 五层（或四层）模型来组建的。

TCP/IP 五层（或四层）模型

TCP/IP 是一组协议的代名词，实际上包括了许多协议，这些协议组成了 TCP/IP 协议簇。

TCP/IP 通讯协议采用了五层的层级结构，每一层都是通过调用下一层所提供的网络来完成自己的需求。

我们对五层模型的每一层展开介绍：

1. 应用层：负责应用程序之间的沟通 。它定义了应用程序之间如何交换数据，如简单的电子邮件传输（SMTP）、文件传输协议（FTP）、网络远程访问协议（Telnet）等。我们写代码进行网络编程也是在应用层。应用层的数据单元是 报文 或 消息。
2. 传输层：负责端到端的通信，具体来说是两个主机中的特定应用程序的某个进程之间的对话（数据传输） 。如传输控制协议（TCP），能够确保数据可靠地从源主机发送至目的主机。只考虑起点和终点（即两台主机）的数据传输而不考虑传输的中间过程。传输层的数据单元是 段（segment，TCP 协议） 或 数据报（datagram，UDP 协议）。
3. 网络层：负责将数据包从源主机跨越多网络传输到目标主机，其核心任务是逻辑寻址和路由选择 。如 IP 协议中，通过 IP 地址来标识某台主机，路由器根据数据包的目标 IP 地址，查询自身的路由表，为数据包选择一条最优的路径，将其转发到下一个路由器，直到最终目的地。简单来说，就是负责考虑两台主机数据通信的中间过程。我们常见的路由器（Router）就是工作在网络层。网络层的数据单元是 包（package） 或者 IP 数据报（datagram）。
4. 数据链路层：负责在同一个局域网内，进行节点到节点的可靠帧传输 。如网卡设备的驱动、帧同步（检测新帧的开始信号）、冲突检测（若有冲突就自动重发）、数据差错校验等工作。由以太网、令牌环网、无线 LAN 等标准。交换机（Switch）工作在数据链路层。数据链路层的数据单元是 帧（frame）。
5. 物理层：负责在物理媒介上（光信号/电信号）传输比特流（bit stream） 。定义了所有的物理规格，比如现在以太网通用的网线（双绞线）、早期以太网采用的的同轴电缆（现在主要用于有线电视）、光纤以及现在的 wifi 无线网使用的电磁波等都属于物理层的概念。物理层的能力决定了最大传输速率、传输距离、抗干扰性等。集线器（Hub）是工作在物理层的。物理层的数据单元是 比特（bit）。

封装

1. 应用层将数据从上往下通过协议栈发送到网络上的过程中，每到一层都要加上一个数据首部（header），这就是 封装（Encapsulation）。
2. 首部中包含了以下有关该数据的信息如首部长度、载荷（payload，即上层的数据包）长度以及上层协议等信息。
3. 数据封装完成后发送到物理媒介（光电信号）上，到达对端主机之后再从下往上逐层去除相应的首部并分析，根据首部中的有关上层协议的信息，，将载荷部分数据交给对应的上层协议处理。

发送方的封装过程（从上到下依次打包）

1. 应用层 ：当用户在浏览器的 URL 栏输入网址并点击回车，浏览器就会生成一个 HTTP 请求报文，然后将报文传给下层传输层
2. 传输层 ：接收到上层的 HTTP 请求报文后，将报文作为载荷数据，加上 TCP 头 （其中包含源端口和目的端口），打包成一个 TCP 段，然后传给下层网络层
3. 网络层 ：接收到上层的 TCP 段后，将其作为载荷数据，加上 IP 头 （其中包含源 IP 地址和目的 IP 地址），打包成一个 IP 数据报，然后传给下层链路层
4. 数据链路层 ：接收到上层的 IP 数据报后，将其作为载荷数据，加上帧头 和 帧尾 ，打包成数据帧
5. 物理层 ：将数据帧转为比特流，通过物理媒介发送出去。

接收方的解封装（从下到上依次拆包）

1. 物理层 ：接收到比特流后，将其重组为 数据帧
2. 数据链路层 ：检查数据帧的相关信息无误后，去除帧头和帧尾，将剩下的 IP 数据报传给上层
3. 网络层 ：接收到 IP 数据报后，检查目的 IP 地址是否正确，无误后去除 IP 头，将剩下的 TCP 段传给上层
4. 传输层 ：接收到 TCP 段后，检查其中的目的端口号决定要将数据交给那个应用程序，然后去除 TCP 头，将剩下的 HTTP 报文交给上层
5. 应用层：服务器程序接收到 HTTP 请求报文后，处理并生成 HTTP 响应报文，然后将报文从上往下进行封装并返回给发送方。

面试题1：网络 OSI 模型和 TCP/IP 模型分别介绍一下

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1. OSI 模型：为了使得多种设备能够通过网络相互通信，以及为了解决各种不同设备在网络互联中的兼容性问题，国际标准化组织制定了开放式系统互联参考模型（Open System Interconnection Reference Model），即 OSI 网络模型。该模型主要包含七层，分别是应用层、表示层、会话层、传输层、网络层、数据链路层以及物理层。每一层负责的职能不同，应用层负责给应用程序提供统一的接口；表示层负责将数据转换成能够兼容另一个系统的格式；会话层负责建立、管理和终止表示层实体之间的通信会话；传输层负责端到端的数据传输；网络层负责数据的路由、转发和分片；数据链路层负责数据的封帧和差错检测以及 MAC 寻址；物理层负责在物理媒介上传输比特流。由于 OSI 模型太过复杂，提出的也只是概念理论上的分层，并没有提供具体的实现方案。而在实际比较实用的是 TCP/IP 四层模型。
2. TCP/IP 模型：TCP/IP 协议被组织成四个概念层，其中有三层与 OSI 参考模型对应。TCP/IP 族并不包含数据链路层和物理层，因此它不能独立完成整个计算机网络系统的功能，必须与许多其他的协议共同协作。TCP/IP 模型通常分为四层，从上到下依次是应用层、传输层、网络层和网络接口层。其中，应用层支持 HTTP 和 SMTP 等最终用户进程；传输层处理主机到主机的通信（TCP、UDP 协议）；网络层负责寻址和路由转发（IP 协议）；网络接口层通过物理电线或无线传输媒介移动比特来传输数据。

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文章到这里就告一段落啦，若有错误请尽管指出~

完