一、網絡概述

1、網絡的概念

兩個不在同一地理位置的主機，通過傳輸介質和通信協議，實現通信和資源共享。

2、網絡發展史

3、網絡的四要素

• 傳輸介質：包括同軸電纜、光纖、雙絞線以及無線電波等

4、網絡功能

• 數據通信

• 資源共享

• 增加可靠性

• 提高系統處理能力

5、網絡類型

6、網絡協議與標準

7、網絡中常見概念

8、網絡拓撲結構

星型拓撲

優點

• 部署簡單

• 擴展性強

• 故障診斷便捷

缺點

• 中心節點負荷集中

網型拓撲

• 每個節點至少連接兩個其他節點

• 可靠性出色，但組網成本較高

二、網絡模型

1、分層思想

1.1、概述

分層思想的核心理念是將復雜的系統或問題劃分為多個獨立的、相互關聯的層級，每個層級有不同的功?能和責任。這種分層的方式可以使系統或問題更具結構化和可管理性，簡化設計和實施過程，并提高系?統或問題的可擴展性和互操作性。

1.2、核心理念

• 模塊化：將系統或問題劃分為多個模塊或層級，每個層級負責特定的功能，模塊之間相互獨立但也?相互關聯。這樣可以降低復雜度，使系統設計更加清晰和可擴展。

• 抽象性：每個層級都對其他層級提供特定的抽象接口，屏蔽了底層實現的復雜性，使各層級之間的?交互更加簡化和統一。這樣可以提高代碼的可維護性和可重用性。

• 松耦合：每個層級之間通過抽象接口進行交互，層級之間的耦合度盡可能地降低，使得各個層級可?以獨立地進行修改和演變。這樣可以使系統更具靈活性和可擴展性。

• 可替換性：由于每個層級之間的耦合度較低，所以可以靈活地替換或添加新的功能層級，而不需要?對其他層級進行修改。這樣可以使系統更容易適應變化的需求和技術。

2、OSI七層模型

1. 應用層（Application Layer）

• 功能：直接為用戶應用程序提供網絡服務，是用戶與網絡的接口。

• 核心任務：處理特定的應用需求，如文件傳輸、電子郵件、網頁瀏覽等。

• 典型協議：HTTP（超文本傳輸協議）、FTP（文件傳輸協議）、SMTP（簡單郵件傳輸協議）、POP3（郵局協議版本 3）等。

2. 表示層（Presentation Layer）

• 功能：負責數據的格式轉換和表示，確保不同設備的應用層能理解對方的數據。

• 核心任務：

  • 數據編碼（如 ASCII、Unicode）、格式轉換（如文本、圖像、音頻的格式處理）；

  • 數據壓縮與解壓、加密與解密（如 SSL/TLS 加密）。

• 作用：屏蔽底層數據格式的差異，讓應用層專注于業務邏輯。

3. 會話層（Session Layer）

• 功能：建立、管理和終止兩個應用程序之間的會話（即通信連接）。

• 核心任務：

  • 會話的創建（如驗證身份、協商通信參數）；

  • 會話的維護（如控制數據發送的順序、斷點續傳）；

  • 會話的釋放（正常關閉或異常中斷時的處理）。

• 典型應用：數據庫連接中的會話管理、視頻會議中的連接控制。

4. 傳輸層（Transport Layer）

• 功能：為上層（應用層、表示層、會話層）提供端到端的可靠數據傳輸服務。

• 核心任務：

  • 數據分段與重組（將大塊數據分割為小數據包，接收后重組）；

  • 流量控制（避免發送方速率過快導致接收方溢出）；

  • 差錯控制（通過校驗和、重傳機制確保數據準確到達）；

  • 端口尋址（通過端口號識別主機上的不同應用程序，如 HTTP 用 80 端口）。

• 典型協議：

  • TCP（傳輸控制協議）：面向連接、可靠傳輸（適用于文件傳輸、網頁加載等）；

  • UDP（用戶數據報協議）：無連接、不可靠但高效（適用于視頻直播、實時游戲等）。

5. 網絡層（Network Layer）

• 功能：負責數據包從源主機到目標主機的路由選擇和轉發，解決不同網絡之間的通信問題（即 “跨網傳輸”）。

• 核心任務：

  • 邏輯尋址（通過 IP 地址標識網絡中的主機，如 IPv4、IPv6）；

  • 路由選擇（通過路由協議選擇最佳路徑，如 RIP、OSPF）；

  • 擁塞控制（避免網絡因數據過多而擁塞）。

• 典型協議：IP（網際協議）、ICMP（互聯網控制消息協議，如 ping 命令基于此）、ARP（地址解析協議，將 IP 地址轉換為 MAC 地址）。

6. 數據鏈路層（Data Link Layer）

• 功能：在相鄰兩個網絡設備（如交換機與主機、路由器與交換機）之間的物理鏈路上傳輸數據幀，確保數據在物理層的可靠傳輸。

• 核心任務：

  • 物理尋址（通過 MAC 地址標識同一局域網內的設備）；

  • 幀的封裝與拆封（將網絡層的數據包包裝為幀，添加幀頭和幀尾用于校驗）；

  • 差錯控制（檢測并糾正物理層傳輸的錯誤，如 CRC 校驗）；

  • 流量控制（控制相鄰設備間的數據發送速率）。

• 典型技術：以太網（Ethernet）、Wi-Fi（無線局域網）、PPP（點對點協議，用于撥號上網）。

7. 物理層（Physical Layer）

• 功能：定義網絡設備與傳輸介質之間的物理連接規范，負責將數據轉換為電信號、光信號或無線電信號等物理形式進行傳輸。

• 核心任務：

  • 傳輸介質的規格（如雙絞線、光纖、無線電波）；

  • 信號的編碼方式（如數字信號與模擬信號的轉換）；

  • 物理接口標準（如接口類型、引腳定義、傳輸速率）。

• 典型設備：網卡、集線器、網線、光纖、無線網卡等。

3、TCP/IP五層模型

1. 應用層（Application Layer）

• 功能：直接為用戶應用程序提供網絡服務，定義應用程序之間的通信規則。

• 核心任務：處理具體的應用需求，如數據的生成、解析和交互邏輯。

• 典型協議：

  • 網頁瀏覽：HTTP（超文本傳輸協議）、HTTPS（加密版 HTTP）；

  • 文件傳輸：FTP（文件傳輸協議）、SFTP（安全文件傳輸協議）；

  • 郵件服務：SMTP（簡單郵件傳輸協議）、POP3（郵局協議）、IMAP（互聯網消息訪問協議）；

  • 遠程登錄：SSH（安全外殼協議）、Telnet；

  • 域名解析：DNS（域名系統）。

• 特點：是用戶可見的最高層，直接與應用程序交互。

2. 傳輸層（Transport Layer）

• 功能：為應用層提供端到端的可靠或高效的數據傳輸服務，負責數據的分段、重組和傳輸控制。

• 核心任務：

  • 數據分段與重組：將應用層的大塊數據分割為適合傳輸的小數據包，接收方再重組為完整數據；

  • 端到端連接管理：通過端口號識別主機上的不同應用程序（如 HTTP 默認 80 端口，HTTPS 默認 443 端口）；

  • 流量控制：調節發送速率，避免接收方因處理能力不足而丟失數據；

  • 差錯控制：通過校驗和、重傳機制確保數據準確傳輸（僅 TCP 支持）。

• 典型協議：

  • TCP（傳輸控制協議）：面向連接、可靠傳輸（通過三次握手建立連接，四次揮手斷開連接，確保數據無丟失、無重復、按序到達），適用于文件傳輸、網頁加載等對可靠性要求高的場景；

  • UDP（用戶數據報協議）：無連接、不可靠但高效（無需建立連接，傳輸速度快），適用于視頻直播、實時游戲、語音通話等對實時性要求高的場景。

3. 網絡層（Network Layer）

• 功能：負責將數據包從源主機路由到目標主機，解決不同網絡之間的通信（跨網傳輸）問題。

• 核心任務：

  • 邏輯尋址：通過 IP 地址（如 IPv4、IPv6）標識網絡中的主機，確定數據的源和目的地；

  • 路由選擇：通過路由協議（如 RIP、OSPF、BGP）計算從源網絡到目標網絡的最佳傳輸路徑；

  • 數據包轉發：路由器等網絡設備根據路由表將數據包轉發到下一跳設備；

  • 擁塞控制：避免網絡因數據量過大而擁塞。

• 典型協議：

  • IP（網際協議）：定義 IP 地址格式和數據包結構，是網絡層的核心協議；

  • ICMP（互聯網控制消息協議）：用于網絡診斷和錯誤報告（如 ping 命令基于此協議）；

  • ARP（地址解析協議）：將 IP 地址轉換為數據鏈路層的 MAC 地址；

  • RARP（反向地址解析協議）：將 MAC 地址轉換為 IP 地址（較少使用）。

4. 數據鏈路層（Data Link Layer）

• 功能：在相鄰網絡設備（如主機與交換機、交換機與路由器）之間的物理鏈路上傳輸數據幀，確保物理層數據的可靠傳輸。

• 核心任務：

  • 物理尋址：通過 MAC 地址（硬件地址）標識同一局域網內的設備；

  • 幀的封裝與拆封：將網絡層的數據包包裝為幀（添加幀頭和幀尾，包含 MAC 地址和校驗信息），接收方拆封后提取數據包；

  • 差錯控制：通過 CRC（循環冗余校驗）檢測傳輸錯誤，丟棄錯誤幀；

  • 流量控制：調節相鄰設備間的發送速率，避免緩沖區溢出。

• 典型技術與協議：

  • 以太網（Ethernet）：有線局域網的主流技術，定義了幀格式和傳輸規則；

  • Wi-Fi（802.11 系列協議）：無線局域網技術；

  • PPP（點對點協議）：用于撥號上網、專線連接等點對點通信；

  • 交換機：工作在數據鏈路層，通過 MAC 地址轉發幀。

5. 物理層（Physical Layer）

• 功能：定義網絡設備與傳輸介質之間的物理連接規范，負責將數據幀轉換為可在物理介質上傳輸的信號（如電信號、光信號、無線電波）。

• 核心任務：

  • 傳輸介質：定義網線（雙絞線、同軸電纜）、光纖、無線電波等介質的規格；

  • 信號編碼：將二進制數據（0 和 1）轉換為物理信號（如高低電壓、光的明暗）；

  • 物理接口：定義接口類型（如 RJ45 接口、光纖接口）、引腳定義、傳輸速率（如 100Mbps、1Gbps）。

• 典型設備：網卡、集線器、網線、光纖、無線網卡、中繼器等。

TCP/IP 五層模型	對應 OSI 七層模型	說明
應用層	應用層、表示層、會話層	TCP/IP 將 OSI 的上三層功能合并，由應用層統一處理
傳輸層	傳輸層	功能基本一致
網絡層	網絡層	功能基本一致
數據鏈路層	數據鏈路層	功能基本一致
物理層	物理層	功能基本一致

4、數據的封裝與解封裝過程

4.1、PDU（Protocol Data Unit，協議數據單元）

• 數據段：segment

• 數據包：packet

• 數據幀：frame

• 比特流：bits

4.2、數據封裝與解封裝過程

TCP/IP五層模型每層對應的工作設備：?

應用層：終端設備

傳輸層：防火墻

網絡層：路由器

數據鏈路層：交換機

物理層：網卡

3、網絡地址組成部分

6、相關概念

6.1、網絡地址???

• 網絡標識/網段

• 用于標記特定網絡的符號

• 代表當前網絡地址范圍內的最小值

• 不能用于實際網絡通信

6.2、廣播地址

• 用于將數據包從一個網絡廣播到另一個網絡中的所有主機。

• 該網絡范圍內的最大IP地址值

• 不可用于常規網絡通信

6.3、子網掩碼