計算機網絡基礎：從協議到通信全解析（大致框架）

本節重點：

1.了解網絡發展背景，對局域網/廣域網的概念有基本認識

2.了解網絡協議的意義，重點理解TCP/IP五層結構模型

3.學習網絡傳輸的基本流程，理解封裝和解包分用

一、計算機網絡發展背景：

人與人之間是需要協同工作的，就注定了計算機需要協同工作，網絡的產生是必然的

早期計算機是昂貴的大型設備（如 IBM 大型機），體積龐大、功能單一，且為 “單機運行” 模式，一臺計算機僅供少數人使用，資源（如計算能力、存儲）無法共享。
軍事、科研領域首先產生了 “多設備協同” 需求：例如，美國軍方需要讓不同地點的計算機共享數據，以提高指揮效率；科研機構希望連接多臺計算機，協同完成復雜計算（如導彈軌跡計算、氣象模擬）。

早期的計算機是獨立模式（計算機之間相互獨立）

網絡互聯模式：多臺計算機連接在一起，完成數據共享，協同工作?

二、局域網與廣域網：

局域網（LAN）和廣域網（WAN）是計算機網絡按地理覆蓋范圍劃分的兩種核心類型

局域網：在有限地理范圍內（如家庭、辦公室、校園、工廠）將多臺設備（計算機、手機、打印機等）互聯形成的網絡。

交換機;主要用于在同一網絡（如局域網 LAN）內實現多個設備的高效通信

廣域網：覆蓋廣闊地理范圍（如城市、國家、全球）的網絡，用于連接多個局域網或其他廣域網，實現遠距離數據傳輸。

總結：局域網就是局部的，廣域網就是遠距離，所謂局部和廣部是相對的概念，取決于觀察的視角、網絡的規模和應用場景。

三、協議：

協議是指網絡中不同設備之間進行通信時必須共同遵守的一套規則、標準或約定，它規定了通信的格式、時機、順序以及錯誤處理方式等，確保數據能夠準確、有序、高效地在設備間傳輸。

簡單理解：就不如兩個人交流，只有是用同一套語言（中文/英文），并且遵循基本的語法規則才能相互交流溝通，網絡也是如此，只有達成約定，才能互相傳輸解析數據?

計算機之間的傳輸媒介是光信號和電信號，通過“頻率”和”強弱“來表示0和1這樣的信息，要想傳遞各種不同的信息，就需要約定雙方的數據格式，但只要約定好就行了嗎？?

顯然不是，就好比一個是中文，一個是英文，我都各自遵循自己的協議，但沒有人制定國際交流語言就不行，兩個還是不能溝通，就好比計算機生產廠商很多，os很多，硬件設備很多，如何讓不同的設備不同的廠商之間的計算機能夠相互順暢的通信，就需要有人約定一個標準，讓大家都來遵循，這個標準就叫網絡協議。?

3.1? 協議分層：

例子中：我們簡單的進行通信，在我們語言層看來是面對面的，但實際是我們語言層的數據經過通信設備層，在經過電話機協議，轉到對方的通信設備層在到語言層。

那我們為什么要進行協議分層？本質就是為了解耦，如果我們把所有的協議都揉在一起，都放在一層，那這個協議會很冗雜，如果我們改變語言層的東西，就意味著改變整個協議，不利于實現和維護、發展

3.2? 理解分層：

a.軟件設計方面的優勢————實現低耦合

b.分層的依據是讓功能比較集中，耦合度比較高的模塊為一層?

c.每一層都要解決特定的問題（這就是我們學習網絡的框架）

3.3? 用例子理解每一層次

假設我們有兩臺主機，主機a和主機b，我們該如何傳輸數據？

1.如何把數據交付給和自己相連的下一臺主機（注意：不是主機a到b，而是主機a到b的過程中經過的其他主機）

2.當我們能傳輸后，我們要解決往哪傳輸，也就是路徑的選擇

3.我們要有糾錯/容錯的能力，如果傳輸失敗，數據該怎么辦？？？

4.數據包從主機a到b后要解決應用方面的問題（比如主機a向b發出申請下載電影，把數據發送給對方是手段，目的是為了下載電影，為了解決應用問題）

總結：綜上是網絡要解決的4個問題，應用低耦合高內聚的分層原理，每一層次都有自己匹配的協議，每一層的協議都要解決自己的問題。

3.4? OSI（Open System Interconnection）七層模型

OSI 七層模型：是國際標準化組織（ISO）提出的一種理論上的分層架構，目的是為網絡協議的設計提供統一的 “功能劃分標準”。它將網絡通信從底層到上層劃分為 7 個層級（物理層、數據鏈路層、網絡層、傳輸層、會話層、表示層、應用層），每個層級明確了需要解決的核心問題（如物理層負責信號傳輸，網絡層負責路由選擇等）。
簡單說，OSI 模型像一張 “建筑圖紙”，規定了 “房子應該有地基、墻體、屋頂”，但不具體規定 “地基用什么水泥，屋頂用什么瓦片”

從上圖可以看出：每一層都有自己的協議和自己要解決的問題

實際問題中，567層是需要我們自己設計的，也就是之前的例子中的第四點（解決應用問題）234層對應問題123，物理層暫時不考慮

3.5? TCP/IP五層（或四層）模型

TCP/IP 是一組協議的代名詞，它還包括許多協議，組成了 TCP/IP協議簇。

TCP/IP 通訊協議采用了 5 層的層級結構，每一層都呼叫它的下一層所提供的網絡來完成自己的需求。?

物理層: 負責光/電信號的傳遞方式. 比如現在以太網通用的網線(雙絞線)、早期以太網采用的的同軸電纜(現在主要用于有線電視)、光纖, 現在的 wifi 無線網使用電磁波等都屬于物理層的概念。物理層的能力決定了最大傳輸速率、傳輸距離、抗干擾性等. 集線器(Hub)工作在物理層。
數據鏈路層: 負責設備之間的數據幀的傳送和識別. 例如網卡設備的驅動、幀同步(就是說從網線上檢測到什么信號算作新幀的開始)、沖突檢測(如果檢測到沖突就自動重發)、數據差錯校驗等工作。有以太網、令牌環網, 無線 LAN 等標準。交換機(Switch)工作在數據鏈路層。
網絡層: 負責地址管理和路由選擇。例如在 IP協議中, 通過IP地址來標識一臺主機, 并通過路由表的方式規劃出兩臺主機之間的數據傳輸的線路(路由). 路由器(Router)工作在網路層。
傳輸層: 負責兩臺主機之間的數據傳輸。如傳輸控制協議 (TCP), 能夠確保數據可靠的從源主機發送到目標主機。
應用層: 負責應用程序間溝通，如簡單電子郵件傳輸（SMTP）、文件傳輸協議（FTP）、網絡遠程訪問協議（Telnet）等，我們的網絡編程主要就是針對應用層。

也就是把567層歸結到應用層，后續如果我們說四層模型就是省略了物理層

結合上面所說的，我們實際編程是應用層，os其實早就在內部規定好了傳輸層和網絡層。?

?一般而言：

對于一臺主機, 它的操作系統內核實現了從傳輸層到數據鏈路層的內容。

對于一臺路由器, 它實現了從網絡層到物理層。

對于一臺交換機, 它實現了從數據鏈路層到物理層。

對于集線器, 它只實現了物理層

但是并不絕對. 很多交換機也實現了網絡層的轉發; 很多路由器也實現了部分傳輸層的內容(比如端口轉發)。

四、局域網中的兩臺主機是如何通信的？？？

4.1? 協議報頭

例子：比如一個快遞，你想買的東西實際上是箱子里的東西，并不包括快遞盒及快遞單，這多出來的就叫協議，協議上的從哪寄到哪，收件人名字等信息就叫報頭，將來快遞在站點與站點之間傳遞時只需要看報頭

a.報文=報頭+有效載荷（后面會提）

b.協議每一層都有，而每一個協議最終表現就是協議要有報頭

c.協議通常是通過協議報頭來進行表達的

4.2? 局域網

a.兩臺主機同處一個局域網是能夠直接通信的

b.局域網的原理（簡單提，后面詳細講）

? ?每一臺主機都有自己的”名字“，每一臺都有網卡，網卡也有自己的地址，MAC地址（表明自己在? ? ?局域網中的唯一性）（在linux中ifconfig可以查詢，其中有一行ether就是MAC地址，16進制，一? ? ?共48bit位?，window是ipconfig /all）

簡單來說就是A給D發數據，所有的主機都會收到，但由于所有主機在自己最底層的協議判斷時，C和B直接把該報頭丟棄，只有D識別并且判斷出是A發給自己的，所以就會處理

?當一個”你好“從主機1發到主機2時要經歷封裝，解包分用的過程，也就是”你好“每經過一層時要加上對應的報頭，對方在接收到后到達應用層要經過解包分用的過程

在網絡協議中，我們可以認為同層協議在直接通信，也可以理解成向下交付，這是兩種不同的認知

4.3? 報文=報頭+有效載荷

報頭就是每一層的協議，有效載荷就是除掉協議后剩下的

比如在傳輸層（站在傳輸層的視角）：報文為傳輸層報頭+應用層包頭+”你好“

報頭=傳輸層報頭，有效載荷=應用層報頭+”你好“

4.4? 數據包封裝和分用?

1.不同的協議層對數據包有不同的稱謂,在傳輸層叫做段(segment),在網絡層叫做數據報 (datagram),在鏈路層叫做幀(frame)。
2.應用層數據通過協議棧發到網絡上時,每層協議都要加上一個數據首部(header),稱為封裝(Encapsulation)。
3.首部信息中包含了一些類似于首部有多長, 載荷(payload)有多長, 上層協議是什么等信息。
4.數據封裝成幀后發到傳輸介質上,到達目的主機后每層協議再剝掉相應的首部,根據首部中的 "上層協議字段" 將數據交給對應的上層協議處理。

數據分用的過程：

4.5? 每一層協議都要面臨和解決的問題

1.如何判斷哪里是報頭，哪里是有效載荷

2.如何判斷自己的有效載荷要交給上一層的哪個協議？？？每一層的協議也有幾個，要清楚交給那個協議

以上就是每一層協議的報頭都要涵蓋的信息，這就是協議的共性

4.6? 局域網的分類

1.以太網

a.當主機a給d發時，b不能給c發（只允許一個主機在任何一個時刻給局域網中發送信息，否則發送碰撞）

b.碰撞（Collision）?指的是多個設備同時在同一物理介質（如網線）上發送數據，導致信號相互干擾、無法被正確接收的現象。（網線站在os的角度就是共享資源/臨界資源）

c.如果發送碰撞就需要重新發送

2.令牌環路

令牌環路就類似與鎖，誰擁有令牌誰就可以發信息，避免了碰撞

特點：可靠性高、實時性較好，但成本高、擴展性差，目前已幾乎被以太網取代。

3.無線LAN

基于無線通信技術（如無線電波、紅外線）的局域網，核心標準是 IEEE 802.11 系列（即 WiFi），也屬于廣義以太網的延伸（無線以太網）。
特點：無需布線，靈活性強，適用于移動設備接入。

4.7? MAC地址和ip地址

在Linux中是用ifconfig命令進行查詢

ehc0和lo都是網絡接口，ehc0相當于入網接口，收數據和發數據都是這個，相當于數據鏈路層

4.7.1? MAC地址

其中echo中 ether是以太意思，這后面跟著就是MAC地址，每個數字都是16進制，一共有12個數字，每兩個：分隔，12x4就是48位，也就是6個字節

在網卡出廠時就確定了, 不能修改. mac 地址通常是唯一的(虛擬機中的 mac 地址不是真實的 mac 地址, 可能會沖突; 也有些網卡支持用戶配置 mac 地址)。

4.7.2? IP地址

inet是ip地址，內網ip/私有ip ip地址中每個取值范圍是0~255，即用一個char類型來表示，四個字節就可以表示一個ip地址，這種表示方案稱為IPv4，以點分隔，叫點分十進制?

IPv6 采用 128 位二進制數表示地址，按每 8 位（1 字節）劃分為 16 個字節，通常用8 組十六進制數表示（每組 4 個十六進制數，對應 16 位二進制，即 2 個字節），組之間用冒號（:）分隔。
例如：2001:0db8:85a3:0000:0000:8a2e:0370:7334?就是一個標準的 IPv6 地址。

IPv6是解決IPv4地址不夠用的情況

一般情況是局域網用MAC地址，廣域網用ip，但ip還可以用于局域網（后面會解釋）