网络基础与通信原理：构建数字世界的框架

组成要素：
- 硬件设备：包括各种类型的计算机、服务器、交换机、路由器等网络设备。
- 通信介质：指的是用于数据传输的物理通道，比如双绞线、光纤、无线电波等。
- 网络软件：包含操作系统、管理软件、协议等，它们负责协调硬件工作，确保数据正确传输。
功能特点：
- 数据通信：允许网络中的计算机之间交换信息和数据。
- 资源共享：网络上的用户能够访问和使用连接到网络上的其他计算机的资源，如打印机、文件等。
分类：
- 按规模分：可以分为局域网（LAN）、城域网（MAN）、广域网（WAN）等。
- 按使用方式分：可分为公用网络和专用网络。
重要性：
- 促进合作：不同地理位置的个人和组织可以通过网络协同工作。
- 提高效率：快速的信息交流和资源共享大大提升了工作效率。
- 支持应用：支撑了云计算、大数据、物联网等现代信息技术的应用和发展。

总结：计算机网络是现代社会不可或缺的基础设施，它通过将独立功能的计算机系统互连，为人们提供了一个广阔的信息交流平台，极大地推动了信息社会的发展。

按照拓扑分类

计算机网络的拓扑结构可以分为以下几种基本类型：

星型拓扑：这种结构以一个中心节点为核心，其他所有节点都直接与这个中心节点相连。星型拓扑的优点包括结构简单、管理和维护相对容易，扩展性强，网络延迟较小，传输误差低。缺点则是中心节点一旦出现故障，整个网络都会受到影响，而且通信线路的利用率不高。
环型拓扑：在环型拓扑中，各个节点形成一个闭合环路，每个节点都与相邻的两个节点相连。环形网中的节点可以通过环路接口连入网络，并沿环形路径发送和接收信息。
总线拓扑：总线拓扑结构中，所有的节点都连接到一条主传输线上，即总线上。任何时候只有一个节点能够使用总线进行通信，其他节点必须等待。总线拓扑的优点在于布线简单，添加新节点容易；缺点是一旦总线故障，整个网络将无法工作。
树型拓扑：树型拓扑结合了星型和总线拓扑的特点，形状像一棵倒置的树。它从一个根节点开始，逐层扩展出多个分支节点。树型拓扑适合分层管理和扩展网络。
网状拓扑：网状拓扑中的节点之间有多条路径相连，形成一个网状结构。这种拓扑的优点是可靠性高，因为有多条路径可以传输数据，即使某些连接出现问题，数据仍可通过其他路径传输。缺点是布线复杂，管理起来也较为困难。
蜂窝状拓扑：蜂窝状拓扑主要用于移动通信网络，其中每个基站覆盖一个小区，多个小区相互连接形成一个大的网络。这种结构适用于覆盖广泛区域的网络服务。
混合型拓扑：混合型拓扑结合了两种或两种以上的拓扑结构，以适应复杂的网络需求。例如，一个大型网络可能会在不同的区域使用星型和环型拓扑的组合。

总结：每种拓扑结构都有其特定的应用场景和优缺点，选择合适的拓扑结构对于确保网络的效率和稳定性至关重要。在设计网络时，通常需要考虑网络的规模、预期的负载、可靠性要求以及预算等因素。

按地域分类

按地域分类:参照物不同，类型不同

局域网(LAN):一个公司、一个家庭
城域网(MAN):一个区、一个城市、一个国家
广域网(WAN):一个国家、全世界

网络按照地域分类可以分为局域网（LAN）、城域网（MAN）和广域网（WAN），其类型取决于网络的覆盖范围和传输距离。

具体来说：

局域网（LAN）：局域网覆盖的是相对较小的地理区域，通常在几百米到10公里之内。它适用于如一栋建筑、一所学校或一个工厂内部的网络连接。局域网的组建成本相对较低，配置起来也较为简单和灵活。
城域网（MAN）：城域网的覆盖范围介于局域网和广域网之间，可以覆盖一个城市或较大的地区，距离从几十公里到上百公里不等。城域网常用于连接不同局域网，以支持更大范围内的数据通信和资源共享。
广域网（WAN）：广域网覆盖的是大范围的地理区域，通常是跨越几个城市、一个或多个国家的网络。它的地理范围可以达到几千公里，是规模最大的网络类型。广域网能够连接分散在不同地区的网络用户，实现广泛的资源共享和数据传输，互联网就是一个广域网的例子。

总结：网络类型的划分主要是基于它们的地理覆盖范围和服务能力，不同的网络类型满足了人们在不同范围内的通信需求。局域网适合近距离高速通信，城域网则在中等范围内提供服务，而广域网则实现了全球范围内的数据交换和通讯。

网络设备

交换机（switch）

负责组建局域网，研究的是MAC地址

交换机是一种网络设备，主要用于连接和管理局域网内的多个设备，如计算机、打印机等。

交换机的主要功能包括：

连接多个以太网物理段：交换机可以连接多个网络设备，隔离冲突域，提高网络效率。
高速交换转发：交换机能够对以太网帧进行高速而透明的交换转发，确保数据快速传输。
学习和维护MAC地址信息：交换机能够自行学习和维护设备的MAC地址信息，以便准确地将数据发送到正确的目的地。
支持VLAN和链路汇聚：现代交换机通常支持虚拟局域网（VLAN）和链路汇聚等高级功能，这有助于提高网络的性能和安全性。
防火墙功能：一些交换机还具备防火墙功能，能够提供一定程度的网络安全保护。

总的来说，交换机是构建高效、可靠网络环境的关键设备，它通过多种功能确保网络数据的快速、准确传输，同时提供网络管理和安全方面的支持。

路由器（router）

负责组建广域网，研究的是IP地址

路由器是一种网络设备，它负责在不同网络之间转发数据包，并确定数据传送的最佳路径。

路由器的主要功能包括连接不同网络、选择数据传送路径、数据转发以及安全防护等。具体如下：

连接不同网络：路由器可以连接多种网络传输介质，如光纤、同轴电缆、双绞线等。这使得家庭或办公室内的多台设备能够共享单一的互联网连接。
选择数据传送路径：路由器工作在OSI模型的第三层，即网络层，它根据路由表中的信息来确定数据包的最佳路径。
数据转发：路由器负责将数据从一个网络转发到另一个网络，确保信息准确无误地到达目的地。
安全防护：现代路由器通常具备一定的安全防护功能，如防火墙和入侵检测系统，以保护网络不受未授权访问和攻击。

在选择路由器时，应考虑其性能、安全性、品牌、价格以及是否支持Mesh组网、全屋WiFi、AC+AP等高级功能。这些因素将直接影响到用户的网络体验和使用需求。例如，对于大型住宅或多层建筑，可能需要使用支持Mesh网络的路由器来确保覆盖范围和信号强度。而对于小型家庭或办公室，一个基本的无线路由器可能就足够了。

传输介质

同轴电缆、双绞线、光纤、电磁信号、蓝牙

目前常用的有线介质是:双绞线和光纤

双绞线

双绞线是一种常用的传输介质，广泛应用于网络综合布线工程中。

双绞线通常由两根包裹有绝缘层的铜导线组成，这些导线按一定的密度互相绞合在一起。这种结构设计能有效减少电磁干扰和串扰，提高信号的传输质量。以下是关于双绞线的分类：

按照屏蔽情况分类：双绞线可以分为屏蔽双绞线（Shielded Twisted Pair, STP）和非屏蔽双绞线（Unshielded Twisted Pair, UTP）。STP有额外的屏蔽层，能更好地抵抗外部电磁干扰，适用于电磁干扰较强的环境。而UTP没有屏蔽层，成本较低，安装简便，适用于大多数普通环境。理论最大传输距离是100米，建议不要超过90米。如果两台设备超过这个距离，建议中间放一个中继器或者交换机。
按照传输速率分类：双绞线可以分为不同类别，如3类、5类、6类等。类别越高，支持的传输速率越高，也就越适合用于高速网络传输。例如，3类双绞线适用于10Mbps的网络，而5类和6类则支持更高速度的以太网通信。
按照线径粗细分类：双绞线还可以分为粗缆和细缆。粗缆的传输距离更远，但价格也相对较高；细缆则价格较低，但传输距离较短。

综上所述，双绞线有多种分类方式，每种分类都有其特定的应用场景和优缺点。在选择双绞线时，应根据实际的网络环境和需求来确定合适的类型。

光纤

光纤的分类主要基于工作波长、折射率分布、传输模式等方面。以下是具体分析：

按工作波长分类：

紫外光纤：用于传输紫外光波段的光信号。
可观光纤：用于可见光波段的传输。
近红外光纤：主要用于近距离的红外光传输。
红外光纤：常见的红外光纤工作波长包括0.85μm、1.3μm和1.55μm，这些波长常用于远距离通信。

按折射率分布分类：

阶跃（SI）型光纤：这种光纤的折射率在纤芯和包层之间有一个突变，光在这种光纤中以直线路径传播。
近阶跃型光纤：折射率变化不像阶跃型那样急剧，而是较为平缓地过渡。

按传输模式分类：

单模光纤：只有一个光模式传输，内径约为9um，适用于长距离传输。多模光纤外面颜色一般为橘红色。
多模光纤：支持多个光模式传输，内径为50或62.5um，适用于短距离传输。单模光纤外面护套线颜色一般为黄色。

按原材料分类：

玻璃光纤：由高纯度的玻璃制成，具有较高的带宽和稳定性。
塑料光纤：由透明塑料材料制成，成本较低，但性能不如玻璃光纤。

此外，光纤接口也是其分类的一个方面，常见的光纤接口包括FC、SC、ST、LC等。每种接口类型都有其特定的应用场景和连接设备。例如，FC接口通常用于单模光纤连接，而SC接口则更常用于局域网中。

综上所述，光纤的分类相当复杂，涉及到不同的技术和应用场景。在选择光纤时，需要考虑具体的应用需求，如传输距离、数据速率以及成本等因素。

光纤速度

光纤的极限传输家用的普通光纤就可达到10Gbps以上。

实验室中单条光纤最大速度已达到了26Tbps，有消息说通过石墨制造的新光调制器，还可继续提高10000倍，即260Pbps。

ISO

国际标准化组织(International Organization for Standardization,ISO)简称ISO，是一个全球性的非政府组织，是国际标准化领域中一个十分重要的组织。ISO国际标准组织成立于1946年。

ISO负责目前绝大部分领域(包括军工、石油、船舶等垄断行业)的标准化活动。ISO现有117个成员，包括117个国家和地区。中国是ISO的正式成员，代表中国参加ISO的国家机构是中国国家技术监督局(CSBTS)。

ISO和OSI有什么关系呢？

ISO是制定OSI模型的国际标准化组织。

不同的厂商的计算机之间采用的都是本厂的通信协议，不同厂商间的计算在上世纪70年代，机是无法通信的，为了解决这个问题，ISO组织专门成立了一个小组,目的是写出一套公共通信协议，实现不同厂商计算机之间通信互联。
实际上只是Honeywell lnformation System公司的一个小组完成的，小组的技术负责人这个小组主要是为了开发一些原型系统而成立的，主要关注数据库系统是Charlie Bachman的设计。70年代中，为了支持数据库系统的访问，需要一个结构化的分布式通信系统体系结构。
在1977年提出了一个七层的体系结构模型，他们内部称之为分布式系统体系结构(DSA)
与此同时，1977年英国标准化协会向国际标准化组织(IS0)提议，为了定义分布处理之间的通信基础设施，需要一个标准的体系结构。结果，ISO就开放系统互联(OSI)问题成立了一个专委会(TC 97,Subcomittee 16)指定由美国国家标准协会(ANSI)开发一个标准草案，在专委会第一次正式会议之前提交。
Bachman 参加了ANSI早期的会议，并提交了他的七层模型，这个模型就成了提交ISO专委会的唯一的一份草案。1978年发布了这个临时版本，1979年稍作细化之后，成了最终的版本。

ISO，全称为国际标准化组织（International Organization for Standardization），是一个全球性的非政府组织，负责制定和发布国际标准。而OSI，即开放式系统互联参考模型（Open System Interconnection Reference Model），是由ISO提出的一个七层网络通信模型。具体如下：

组织结构：ISO负责汇集专家智慧和行业共识，以制定涵盖多个领域的国际标准，包括质量管理、环境管理、信息安全等。这些标准旨在促进国际间的技术协调和贸易往来。
标准化工作：在网络通信领域，OSI模型是ISO的重要成果之一。该模型描述了不同计算机和网络设备之间如何进行通信，并且定义了七个不同的层级，每个层级都有特定的功能和相关的协议标准。
作用与影响：OSI模型作为网络通信的标准框架，对于理解和设计网络系统有着重要的指导意义。它不仅帮助行业从业者有了共同的语言和理解，还促进了网络技术的发展和应用。

总的来说，ISO和OSI的关系可以概括为：ISO是制定者，而OSI模型是其制定的一项重要的网络通信标准。通过这一标准，ISO致力于推动全球计算机网络的互连互通和协同工作。

OSI七层模型

在1977年，国际标准化组织（ISO）提出了开放式系统互联参考模型（OSI）。

OSI参考模型共分为七层，从下到上分别是：物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层和应用层。每一层都有其特定的功能和协议，这些层次共同构成了网络通信的基础框架。具体如下：

物理层：负责提供网络的物理连接，包括物理信号的传输和接收，以及原始比特流的传输。
数据链路层：负责在相邻节点之间建立可靠的数据传输链路。
网络层：负责数据包的发送和接收，以及路由选择。
传输层：负责提供端到端的通信服务，确保数据的可靠传输。
会话层：负责建立、管理和终止会话。
表示层：负责数据的格式化、加密和解密等。
应用层：为应用程序提供网络服务。

这个模型为理解和设计复杂的网络系统提供了一个结构化的框架，并对后续的网络技术的发展产生了深远的影响。

TCP/IP四层

TCP/IP模型是一个四层的网络通信模型，这四层结构包括应用层、传输层、网络层和链路层。具体如下：

应用层：它是TCP/IP模型的最顶层，负责处理应用程序之间的通信。这一层包含了所有高层协议，并且为用户提供了接口。常见的应用层协议包括简单电子邮件传输协议（SMTP）、文件传输协议（FTP）和网络远程访问协议（Telnet）等。
传输层：其职责是提供端到端的通信服务，确保数据包的正确传输。这一层有两个主要的协议，即传输控制协议（TCP）和用户数据报协议（UDP）。其中，TCP提供可靠的、面向连接的服务；而UDP则提供一种不可靠的、无连接的服务。
网络层：负责数据包的发送和接收，包括路由选择和网络互连。互联网协议（IP）是这一层中最重要的协议，它负责将数据从源地址发送到目的地址。
链路层：也被称为网络接口层或数据链路层，它处理与物理媒介的通信，如以太网、Wi-Fi等。这一层的职责是把来自网络层的数据进行帧封装，发送到指定的网络设备上，并处理硬件地址。

TCP/IP模型的每一层都依赖于下一层来提供服务，形成了一个分层的通信体系结构。这种分层的设计简化了网络设计问题，使得每一层可以专注于处理特定的任务，同时也便于各层之间的标准化和互操作性。

TCP/IP协议族

在TCP/IP协议族中，有很多种协议

C/S（客户端/服务器）案例

一句话搞懂

可以将其类比为一次信件寄送过程：应用层相当于写信，传输层像是装进信封并写上地址，网络层就是邮局的分类和运输系统，而链路层则像是邮递员将信件投递到收件人手中。

TCP协议

TCP: 传输控制协议,面向连接的协议
面向连接意味着两个使用 TCP的应用(通常是一个客户和一个服务器)在彼此交换数据之前必须先建立一个 TCP 连接。
一对一传输

TCP协议-三次握手

TCP协议的三次握手是建立一个TCP连接的过程，需要客户端和服务器总共发送3个包。具体步骤如下：

第一次握手：客户端发送一个带有SYN（同步序列编号）标志的数据包到服务器，以开始一个新的连接。
第二次握手：服务器接收到客户端的SYN包后，会发送一个SYN/ACK（同步/应答）标志的数据包回应客户端，表示确认收到了客户端的连接请求。
第三次握手：客户端收到服务器的SYN/ACK包后，会发送一个带有ACK（应答）标志的数据包给服务器，确认收到了服务器的应答。

完成这三次握手后，客户端和服务器就成功建立了一个TCP连接，可以开始数据传输。这个过程确保了双方都具有接收和发送数据的能力，并且同步了双方的序列号，以便后续的数据传输中能够正确排序和重组数据包。

TCP协议-三次挥手

TCP协议的四次断开，又称为四次挥手，是终止一个TCP连接的过程，涉及客户端和服务器总共交换4个包。具体步骤如下：

第一次挥手：主动关闭方（可以是客户端或服务器）发送一个FIN（结束）标志的数据包，用来表明它将不再发送数据，希望终止连接。
第二次挥手：被动关闭方（另一方）接收到FIN包后，会发送一个ACK（确认）标志的数据包作为应答，表明已经收到了对方希望终止连接的请求。此时，被动关闭方还可以继续发送数据。
第三次挥手：被动关闭方处理完所有待发送的数据后，也会发送一个FIN标志的数据包，表示它不再发送数据并希望终止连接。
第四次挥手：主动关闭方收到这个FIN包后，会发送一个ACK包作为响应，确认连接可以安全地终止。

完成这四次挥手后，双方确认彼此都不再发送数据，并且同意终止连接，随后释放各自占用的相关资源。这个过程确保了即使在网络不稳定的情况下，也能正确地关闭连接，避免数据的丢失或错误传输。

总结：在实际应用中，双方都有能力主动发起断开连接的操作。如果在四次挥手过程中出现断电或断网等情况，通常TCP协议会自动处理这种情况，尝试重新发送未完成的挥手信号，或者等待超时后释放连接所使用的资源。

UDP协议

(User Datagram Protocol )，用户数据报协议是OSl（Open System Interconnection，开放式系统互联）参考模型中一种无连接的传输层协议，提供面向事务的简单不可靠信息传送服务,UDP提供了无连接通信，适合于一次传输少量数据,UDP报文没有可靠性保证、顺序保证和流量控制字段等，可靠性较差。但是正因为UDP协议的控制选项较少，在数据传输过程中延迟小、数据传输效率高，适合对可靠性要求不高的应用程序，或者可以保障可靠性的应用程序，如DNS，TFTP，SNMP等。