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计算机网络基础

1 计算机网络的历史

第一代：50年代中至60年代初，以单计算机为中心的联机系统

在计算机内部增加了通信功能，把远程的输入输出设备通过通信线路直接和计算机的主机相连，用户在终端输入信息的同时，主机也能处理信息，最后再将处理的结果通过通信线路回送给远程用户。

第二代：60年代中至70年代初。计算机与计算机互联网络︰主机既做数据处理，又做通信。出现不同的网络体系结构的模型。

第三代：70年代中至80年代末，计算机网络进入标准化发展。
ARPANET的标准协议∶
(1)用于计算机之间的数据传输；
(2)能够连接不同类型的计算机；
(3)所有的网络结点都同等重要；
(4)必须有冗余的路由；
(5)网络结构尽可能地简单，但能非常可靠地传送数据。
由于技术上的不足，使得具有相同厂家，相同型号的计算机之间可以进行数据通信，但是不同厂家，不同型号的计算机无法进行数据通信。

TCP/IP协议
正是由于TCP/IP网络通信协议的出现，使得不同计算机之间得以实现数据通信，为计算机网络的进一步发展奠定了基础。基于TCP/IP的4.2 BSD(Unix系统)不同网络之间的通信。
ISO的OSI/RM规范。

第四代:（90年代至今）国际化的互连网的诞生与发展
由于ARPANET网络的维护费用日益高昂，把ARPANET分成了两个网络:MILNET(军网)，ARPANET(民网)。
1990年，由NSF将ARPANET民网改名成为Internet，随后很多公司、企业加入
wwW概念的提出
Mosaic的wWW客户程序
PPP使得家庭用户可方便访问Internet

2 OSI/RM模型

1984年，ISO推出因特网的协议规范OSI/RM
(Open Systems Interconnection/Reference Model)

OSI/RM:开放系统互连参考模型，为开放式互连信息系统提供了一种功能结构的框架。

OSI/RM模型结构
应用层Application
表示层Presentation
会话层session
传输层Transport
网络层Network
数据链路层DataLink
物理层Physical

1物理层
只负责传输0 1二进制比特流功能
为数据链路层提供服务，从数据链路层接收数据，并按规定形式的信号和格式将数据发送。
向数据链路层提供数据(把比特流还原为数据链路层可以理解的格式)

2 数据链路层
负责将上层数据封装成帧
帧：数据链路层完成从物理层到网络层的过度、准备工作功能
传输管理：为网络层提供低出错率、高可靠性的数据链路
流量控制：协调主机和通信设备之间的数据传输率

3 网络层
负责路由寻址和广播
功能：路由选择与中断；控制分组传送系统的操作；控制流量，以防网络过于拥挤；建立和撤销网络连接；根据传输层的要求来选择服务

4 传输层
负责建立一个可靠的端到端的链接，包括数据核对和初步整理。
功能：建立、维护和撤销传输连接；端对端的连接；控制流量，差错控制（使高层收到的数据几乎完整无差错)；选择合适的网络层服务以实现其功能；提供数据的编号、排序、拼接以及重同步功能

5 会话层
负责建立维护拆除会话，为端系统的应用程序之间提供了对话控制机制。数据传输的“中间商”角色，负责数据传输的“售后服务”。
功能：提供两进程之间建立、维护和结束会话连接的功能；管理会话；同步数据
注意:传输层和会话层一般结合使用

6 表示层
表示数据形式，完成对传输数据的转化
功能：代表应用层协商数据表示；完成对传输数据的转化，如格式化、加/解密、压缩/解压

7 应用层
所有应用程序的网络在此展开，确定进程之间通信的性质，以满足用户的需要。
功能：提供OSI用户服务，如事务处理、文件传输、数据检索、网络管理、加密。

计算机网络体系结构通信原理包括两方面，一是数据通信原理二是对等会话原理。

数据通信原理
发送端自上而下传输（直到物理层），接收端自下而上传输（直到发送端发起通信的层次)。

对等会话原理
发送端和接收端只有在对等层才可进行通信，不同层次传输的数据格式不一样。
应用层、表示层和会话层以报文方式传输。
传输层以报文或者报文分段方式传输网络层以分组方式传输。
数据链路层以帧方式传输物理层以比特流方式传输。
发送端每经过一层（物理层除外）都要在原数据上进行协议封装，即最前面加装一个本层所使用协议的协议头。
接收端每经过一层都要对原数据进行协议解封装，即去掉原数据最前面的上层协议头。

3 TCP/IP简介

3.1 网络接口层

功能：在物理连接(网线和电脑之间)之上，实现逻辑链路(用到的协议)的连接（拨号连接)。
接口卡(网卡)∶具有物理地址，即MAC地址。
SLIP ( Serial line Internet Protocol ）协议
在串行线路上封装IP数据报；用于拨号连接。
缺点：没有差错校验机制
差错校验机制：每一端必须知道对方的IP地址，没有办法把本端的IP地址通知给另一端；如果一条串行线路用于SLIP，那么它不能同时使用其他协议。

数据报：通过网络传输的数据的基本单元，它携带了要从计算机传递到目的的计算机的信息。
数据包：是TCP/ITP协议通信传输中的数据单位，单个信息被划分为多个数据块，这些数据块被称为包。
路由：路由器从一个接口上接收到数据包，根据数据包的目的地址进行定向并转发到另一个接口的过程。

PPP(Point to Point Protocol)协议
用于串行与并行线路上的拨号连接
解决SLIP存在的问题。（不用知道对方的IP地址）

ARP( Address Resolution Protocol)协议
是根据IP地址获取物理地址的一个TCP/IP协议。MAC，每个网卡都有的唯一的硬件地址。
每个网卡的硬件地址都是由厂商所提供，而且每个地址都是唯一的，在网络上不允许有重复的硬件地址出现。
IP地址对应到MAC。通过目标设备的IP地址，查询目标设备的MAC地址，以保证通信的顺利进行。

RARP( Reverse Address Resolution Protocol )协议
反向地址解析
MAC到IP地址

3.2 网络互联层

功能
在不同网络之间进行路由寻址、传递数据报
IP( Internet Protocol)协议
无连接、不可靠的协议
负责在主机之间寻址
设定路由

ICMP( Internet Control Message Protocol )协议
报告错误(网络的错误检测，主机故障等)
控制消息
Ping程序

ICMP
在主机与路由器之间传递控制信息。ICMP协议是一种面向无连接的协议，用于传输出错报告控制信息。
它是一个非常重要的协议，它对于网络安全具有极其重要的意义。
ICMP提供一致易懂的出错报告信息。发送的出错报文返回到发送原数据的设备，因为只有发送设备才是出错报文的。
逻辑接受者。发送设备随后可根据ICMP报文确定发生错误的类型，并确定如何才能更好地重发失败的数据包。但是ICMP唯一的功能是报告问题而不是纠正错误，纠正错误的任务由发送方完成。
我们在网络中经常会使用到ICMP协议，比如我们经常使用的用于检查网络通不通的Ping命令(Linux和Windows中均有），这个“Ping”的过程实际上就是ICMP协议工作的过程。
还有其他的网络命令如跟踪路由的Tracert命令也是基于ICMP协议的。

3.3 传输层

建立应用间的端到端连接
面向连接：会话建立、数据传输、会话拆除
无连接：不保证数据的有序到达
TCP (Transmission Control Protocol)传输控制协议
面向连接
可靠(三次握手)
速度慢
UDP(User Datagram Protocol)用户数据报协议
无连接
不可靠
速度快

端口号
用来区别应用层的协议
不同的应用协议有不同的端口号
端口是通过端口号来标记的，端口号只有整数，范围是从0到65535
端口有什么用呢?
一台拥有IP地址的主机可以提供许多服务，这些服务完全可以通过1个IP地址来实现。主机是怎样区分不同的网络服务呢?
显然不能只靠IP地址，因为IP地址与网络服务的关系是一对多的关系。实际上是通过“IP地址+端口号”来区分不同的服务的。
服务器一般都是通过知名端口号来识别的。netstat -a -n

3.4 应用层

主要负责用户和应用程序之间的通信。
协调设备和软件的多样性问题。
解决系统中文件传输问题。

以下是常见的应用层协议∶
FTP：文件传输协议
HTTP：超文本传输协议
DNS：域名系统
Telnet ：远程终端协议
IMAP ：Internet邮件访问协议
POP3 :邮层协议版本3

4 IP地址

4.1 IP地址的特点

IP地址为32位长
每个IP地址被分成四组，每组8位，用句点隔开每组数字的大小范围为0-255
10000011 01101011 00000011 00010001
131.107.3.17

4.2 IP地址的分类

每个地址包含两部分︰网络位和主机位。IP地址中网络部分可以说明该设备是否属于A类、B类、C类、D类或E类网。

A类的前一组为网络位，后三组为主机位。例如：10.0.0.0。10为网络位，0.0.0为主机位。
B类的前两组为网络位，后两组为主机位。

保留地址
网络号
10
127(环路测试，127.0.0.1指本机)
172.16.0.0 - 172.31.255.255
192.168.* .*
主机号。全0（表示子网）。全1（广播）。

4.3 子网掩码

为什么要使用掩码技术？
掩码技术的实现方式

B类网络被划分为64个子网

使用子网掩码是为了要区分一个IP地址中的网络地址和主机地址。
子网掩码是用来判断任意两台计算机的IP地址是否属于同一子网络的根据。

4.4 子网掩码的特点

由连续的1和0构成
默认子网掩码：
255.0.0.0 （A类）
255.255.0.0 （B类）
255.255.255.0（C类）
子网掩码中可以出现的数字︰
0 128 192 224 240 248 252 254 255

4.5 有关IP地址的运算

逻辑运算：与或非

非运算

与运算

或运算

如何判断两个IP地址是否在同一个子网中
主机A：IP 61.48.167.25 子网掩码 255.255.255.192
主机B：IP 61.48.167.224 子网掩码 255.255.255.192
判断的步骤：
将IP地址和子网掩码转换成二进制
将IP地址和子网掩码按位进行与运算
得出子网号，判断是否相等

25的二进制0001 1001，192的二进制1100 0000，11001 ^1100 0000 =0000 0000(子网号)，所以主机A的子网号为0000 0000。
224的二进制1110 0000，192的二进制1100 0000，1110 0000 ^ 1100 0000=xxx(子网号)，所以主机A的子网号为1100 0000。
因此，主机A和主机B不在同一子网中。