图解TCP/IP第一章网络基础知识

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图解TCP/IP 第一章 网络基础知识

计算机网络规模分为：

WAN(Wide Area Network，广域 网)(指覆盖多个远距离区域的远程网络。）

连接 整个城市的网络叫城域网(MAN，Metropolitan Area Network)。

LAN(Local Area Network，局域网)(指一个楼层、一栋楼或一个 校园等相对较小的区域内的网络。)

广域网>城域网>局域网

计算机与网络发展的7个阶段

1.批处理

批处理:是指事先将用户程序和数据装入卡带或磁带，并由 计算机按照一定的顺序读取，使用户所要执行的这些程序和数据能够一 并批量得到处理的方式。

当时这种计算机价格昂贵体积巨大，无法在一般的办公场所中使用。通常放置于专门进行计算机管理与运维的计算机中心

批处理时代的计算机主要用于大规模计算或处理，因此那时的计算机尚不是一个便于普通人使用的工具。

2.分时系统

分时系统(TSS(Time Sharing System) ):它是指多个终端(由键盘、显示器等输入输出 设备组成。最初还包括打字机。) 与同一个计算机连接，允许多个用 户同时使用一台计算机的系统。

当时计算机造价非常昂贵，一人一台专 有计算机的费用对一般人来说可望不可即。

分时系统的产生则实现 了“一人一机”的目的，让用户感觉就好像“完全是自己在使用一台计算机一样”。

分时系统的一个重要特性——独占性

分时系统中每个终端与计算机之间使用通信线路连 接形成一个星形(中心有一台计算机，周围连接着众多终端，形似星形 (*)。) 结构。正是从这一时期开始，网络(通信)与计算机之间的 关系逐渐浮出水面。

3.计算机之间的通信

计算机间的通信技术诞生之前:得将数据保存到磁带、软盘等 外部存储介质中(可插拔的存储计算机信息的设备。最初只有磁盘与软 盘，现在用的比较多的是CD/DVD以及USB存储等电子存储介质。) ，再 将这些介质送到目的计算机才能实现数据转储。

有了计算机间的通 信技术(计算机与计算机之间由通信线路连接)，人们能够很轻松地即 时读取另一台计算机中的数据，从而极大地缩短了传送数据的时间。

在这一阶段计算机更侧重于满足使用者的需求、架构更灵活的系统，且操作比以往更加人性化。

4.计算机网络的产生

窗口系统：在计 算机中可以打开多个图形窗口进行处理的系统。代表产品有常用于UNIX 上的X Window System以及微软公司的Windows、苹果公司的Mac OS X。 这些系统允许将多个程序分配在多个窗口中运行，还可以依次进行执行 切换。

5.互联网的普及

进入20世纪90年代，那些专注于信息处理的公司和大学已为每一位员工或研究人员分配了一台计算机，形成了“一人一机”的环境 。然而 这种环境的搭建不仅成本不菲，在使用过程当中也会遇到很多新的问 题。

瘦身：之所 以叫“瘦身”是因为这一趋势导致那些曾经在大型主机上才能运行的公 司核心业务系统逐渐被转移到“轻量型”的个人电脑或UNIX工作站上 去运行。不论是从机体规模上还是从成本上都有些“瘦身减负”之意。

主要体现在两个方面:操作简单，价格低廉。

6.以互联网技术为中心的时代

互联网的普及和发展着实对通信领域产生了巨大的影响。

通过IP网，人们不仅可以实现电话 通信、电视播放，还能实现计算机之间的通信，建立互联网。

7.从“单纯建立连接”到“安全建立 连接”

在互联网普及的初期，人们更关注单纯的连接性，以不受任何限制 地建立互联网连接为最终目的。然而现在，人们已不再满足于“单纯建 立连接”，而是更为追求“安全建立连接”的目标。

公司和社会团体在建立互联网连接前，应理解通信网络的机制、充 分考虑联网后的日常运维流程以及基本的“自我防卫”手段。这些已经成 为安全生产不可或缺的组成部分。

协议

协议：协议就是计算机与计算机之间通过网络实现通信时事先 达成的一种“约定”。这种“约定”使那些由不同厂商的设备、不同的CPU 以及不同的操作系统组成的计算机之间，只要遵循相同的协议就能够实 现通信。

计算机通信中，事先达成一个详细的约定，并遵循这一约定进行 处理尤为重要。这种约定其实就是“协议”。

1.分组交换协议

分组交换是指将大数据分割为一个个叫做包(Packet)的较小单位 进行传输的方法。这里所说的包，如同我们平常在邮局里见到的邮包。 分组交换就是将大数据分装为一个个这样的邮包交给对方。

这些发送端地址、接收端地址以及分组序号写入的部分称为“报文 首部”。

协议分层与OSI参考模型

1.协议的分层

通信协议中必要的功能分为了7层

每个分层都接收由它下一层所提供的特定服务，并且负责为自己的上一层提供特定的服务。上下层之间进行交互时所遵循 的约定叫做“接口”。同一层之间的交互所遵循的约定叫做“协议”。

分层可以将每个分层独立使用，即使系统中某 些分层发生变化，也不会波及整个系统。

而分层的劣势，可能就在于过分模块化、使处理变得更加沉重以及每个模块都不得不实现相似的处理逻辑等问题。

2.OSI参考模型

OSI(参考模型)将通信功能划分为7个分层，称作OSI参考模 型。

OSI协议以OSI参考模型为基础界定了每个阶层的协议和每个阶 层之间接口相关的标准。遵循OSI协议的产品叫OSI产品，而它们所 遵循的通信则被称为OSI通信。由于“OSI参考模型”与“OSI协议”指代 意义不同，请勿混淆。

3.OSI参考模型中各个分层的作 用

4.7层通信

每个分层上， 在处理由上一层传过来的数据时可以附上当前分层的协议所必须的“首 部”信息。然后接收端对收到的数据进行数据“首部”与“内容”的分离， 再转发给上一分层，并最终将发送端的数据恢复为原状。

应用层

收发邮件的这款软件从功能上可以分为两大类:一部分是与通信相关的，另一部分是与通信无关的。

用户A从键盘输入“早上好”的这 一部分就属于与通信无关的功能，而将“早上好”的内容发送给收件人B 则是其与通信相关的功能。

此处的“输入电子邮件内容后发送给 目标地址”也就相当于应用层。

从用户输入完所要发送的内容并点击“发送”按钮的那一刻开始，就 进入了应用层协议的处理。该协议会在所要传送数据的前端附加一个首 部(标签)信息。该首部标明了邮件内容为“早上好”和收件人为“B”。 这一附有首部信息的数据传送给主机B以后由该主机上的收发邮件软件 通过“收信”功能获取内容。

主机B上的应用收到由主机A发送过来的数 据后，分析其数据首部与数据正文，并将邮件保存到硬盘或是其他非易失性存储器(数据不会因为断电而丢失的一种存储设备 ) 以备进行 相应的处理。

如果主机B上收件人的邮箱空间已满无法接收新的邮件， 则会返回一个错误给发送方。对这类异常的处理也正属于应用层需要解 决的问题。

表示层

表示层的“表示”有“表现”、“演示”的意思，因此更关注数据的具体 表现形式(最有名的就是每款计算机对数据在内存中相异的分配方式。 最典型的是大实体和小实体。) 。

此例中的“早上好”这段文字根据其编码格式被转换成为了“统一的 网络数据格式”。即便是一段简单的文字流，也可以有众多复杂的编码 格式。就拿日语文字来说，有EUC-JP、Shift_JIS、ISO-2022-JP、UTF-8以及UTF-16等很多编码格式 。

如果未能按照特定格式编码，那么在 接收端就是收到邮件也可能会是乱码(在实际生活当中收发邮件成为乱 码的情况并不罕见。这通常都是由于在表示层未能按照预期的编码格式 运行或编码格式设置有误导致。) 。

表示层与表示层之间为了识别编码格式也会附加首部信息，从而将实际传输的数据转交给下一层去处理。

会话层

假定用户A新建了5封电子邮件准备发给用户B。这5封邮件的发送 顺序可以有很多种。

例如，可以每发一封邮件时建立一次连接(指通信 连接。) ，随后断开连接。还可以一经建立好连接后就将5封邮件连续 发送给对方。甚至可以同时建立好5个连接，将5封邮件同时发送给对 方。决定采用何种连接方法是会话层的主要责任。

会话层也像应用层或表示层那样，在其收到的数据前端附加首部或标签信息后再转发给下一层。而这些首部或标签中记录着数据传送顺序的信息。

传输层

主机A确保与主机B之间的通信并准备发送数据。这一过程叫做“建 立连接”。有了这个通信连接就可以使主机A发送的电子邮件到达主机B 中，并由主机B的邮件处理程序获取最终数据。

此外，当通信传输结束 后，有必要将连接断开。(此处请注意，会话层负责 决定建立连接和断开连接的时机，而传输层进行实际的建立和断开处 理。)

传输层为确保所传输的数据到达目标地址，会在通信两端的 计算机之间进行确认，如果数据没有到达，它会负责进行重发。

网络层

网络层的作用是在网络与网络相互连接的环境中，将数据从发送端 主机发送到接收端主机。两端主机之间虽然有众多数据 链路，但能够将数据从主机A送到主机B也都是网络层的功劳。

有了地址和网络层的包发送处理，就可以将数据发送到世界上任何一台互连设备。网络层中也会将其从上层收到的数据和地址信息等一起发送给下面的数据链路层，进行后面的处理。 数据链路层、物理层

通信传输实际上是通过物理的传输介质实现的。数据链路层的作用就是在这些通过传输介质互连的设备之间进行数据处理。

物理层中，将数据的0、1转换为电压和脉冲光传输给物理的传输介 质，而相互直连的设备之间使用地址实现传输。

这种地址被称为 MAC(Media Access Control，介质访问控制。) 地址，也可称为物 理地址或硬件地址。

采用MAC地址，目的是为了识别连接到同一个传 输介质上的设备。因此，在这一分层中将包含MAC地址信息的首部附 加到从网路层转发过来的数据上，将其发送到网络。 面向有连接型与面向无连接型

面向无连接型包括以太网、IP、UDP等协议。

面向有连接型包括 ATM、帧中继、TCP等协议。

电路交换与分组交换

电路 交换技术的历史相对久远，主要用于过去的电话网。

在电路交换中，交换机主要负责数据的中转处理。计算机首先被连接到交换机上，而交换机与交换机之间则由众多通信线路再继续连接。 因此计算机之间在发送数据时，需要通过交换机与目标主机建立通信电路。我们将连接电路称为建立连接。建立好连接以后，用户就可以一直使用这条电路，直到该连接被断开为止。

在分组交换中，由分组交换机(路由器)连接通信线路。分组交换的大致处理过程是:发送端计算机将数据分组发送给路由器，路由器收到这些分组数据以后，缓存到自己的缓冲区，然后再转发给目标计算机。因此，分组交换也有另一个名称:蓄积交换。

路由器接收到数据以后会按照顺序缓存到相应的队列当中，再以先 进先出的顺序将它们逐一发送出去(有时，也会优先发送目标地址比较 特殊的数据。) 。

在分组交换中，计算机与路由器之间以及路由器与路由器之间通常只有一条通信线路。因此，这条线路其实是一条共享线路。在电路交换中，计算机之间的传输速度不变。然而在分组交换中，通信线路的速度可能会有所不同。

根据网络拥堵的情况，数据达到目标地址的时间有长有短。另外，路由器的缓存饱和或溢出时，甚至可能会发生分组数据丢失、无法发送到对端的情况。

地址

MAC地址和IP地址在标识一个通信主体时虽然都具有唯一性，但是 它们当中只有IP地址具有层次性。

MAC地址由设备的制造厂商针对每块网卡(NIC(Network Interface Card)，也叫网卡，是计算机连网时所使用的部件。

网络的构成要素

1.网卡

任何一台计算机连接网络时，必须要使用网卡(全称为网络接口 卡)。网络接口卡(NIC(集成了连接局域网功能的设备。有时会被集 成到计算机的主板中，有时也可以单独插入扩展槽使用。Network Information Center的缩写也是NIC，所以要注意区分。) )有时也被 叫做网络适配器、网卡、LAN卡。

2.中继器

中继器(Repeater)是在OSI模型的第1层——物理层面上延长网络 的设备。由电缆传过来的电信号或光信号经由中继器的波形调整和放大 再传给另一个电缆。

3.网桥/二层交换机

网桥是在OSI模型的第2层——数据链路层面上连接两个网络的设 备。它能够识别数据链路层中的数据帧，并将这 些数据帧临时存储于内存，再重新生成信号作为一个全新的帧转发给相 连的另一个网段

4.路由器/3层交换机

路由器是在OSI模型的第3层——网络层面上连接两个网络、并对分 组报文进行转发的设备。网桥是根据物理地址(MAC地址)进行处 理，而路由器/3层交换机则是根据IP地址进行处理的。由此，TCP/IP中 网络层的地址就成为了IP地址。

5.4~7层交换机

4~7层交换机负责处理OSI模型中从传输层至应用层的数据。如果 用TCP/IP分层模型来表述，4~7层交换机就是以TCP等协议的传输层及其上面的应 用层为基础，分析收发数据，并对其进行特定的处理。

6.网关

网关是OSI参考模型中负责将从传输层到应用层的数据进行转换和 转发的设备,它与4~7层交换机一样都是处理传输层及以上的 数据，但是网关不仅转发数据还负责对数据进行转换，它通常会使用一 个表示层或应用层网关，在两个不能进行直接通信的协议之间进行翻 译，最终实现两者之间的通信。

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