计算机网络基础知识 -- 软件评测师（五）_网状使用双绞线或光纤做为骨干线-优快云博客

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1 计算机网络概述

1.1 计算机网络的功能和分类

网络覆盖的范围与规模：

网络分类	缩写	分布距离	分布范围	传输速率
局域网	LAN	10~1000m	房间、楼寓、校园	4Mb/s~1GMb/s
城域网	MAN	10km	城市	50kb/s~100Mb/s
广域网	WAN	100km以上	国家、全球	9.6kb/s~45Mb/s
国际互联网	Internet	全球	全球	Mb/s~Tb/s

（1）局域网：指传输距离有限、传输速度较高、以共享网络资源为目的的网络系统。网络特点如下：

1）分布范围有限

2）有较高的通信带宽，数据传输率高。

3）数据传输可靠，误码率低

4）通常采用同轴电缆或双绞线作为传输介质，跨楼宇时使用光纤。

5）拓扑结构简单、简洁，大多采用总线型、星型和环型等，系统容易配置和管理。

6）网络的控制一般趋于分布式，从而减少了对某个节点的依赖，避免并减少了一个节点故障对整个网络的影响。

7）通常网络归单一组织所拥有和使用，不受任何公共网络管理机构的规定约束，容易进行设备的更新和新技术的应用，以不断增强网络功能。

（2）城域网：指在一个城市或大都市区域内，传输速率较高，成本较高，覆盖范围中等的网络。网络特点如下：

1）分布范围中等。

2）能够满足城市内大量数据传输的需求，如视频会议、大数据文件传输等。

3）可以采用环型、星型、网状等拓扑结构，以适应不同的网络需求和场景。

4）由于其高速传输和较低的延迟特性，适合实时应用，如在线游戏、视频流媒体等。

5）可以根据业务需求的变化轻松扩大或缩小网络规模，适应城市发展的需要。

（3）广域网：又称远程网，它是指覆盖范围广、传输速率相对较低、以数据通信为主要目的的数据通信网。网络特点如下：

1）分布范围广。

2）数据传输率低，数据传输的可靠性随着传输介质的不同而不同。

3）广域网常常借用传统的公共传输网来实现，因为单独建造一个广域网极其昂贵。

4）拓扑结构较为复杂，大多采用分布式网络，即所有计算机都与交换节点相连，从而实现网络中的任何两台计算机都可以进行通信。

（4）国际互联网：国际互联网是一个全球范围内的计算机网络，连接了世界各地的无数个网络和计算机，是目前世界上最大的计算机网络。网络特点如下：

1）分布覆盖全球。

2）国际互联网的管理是分布式的，由全球各地的网络服务提供商（ISP）、互联网交换点（IXP）等共同管理和维护。没有单一的组织或机构对整个互联网进行集中管理。

3）国际互联网提供的是全球范围内的通用网络服务，用户可以通过互联网访问各种在线资源、服务和应用，如网站、电子邮件、社交媒体等。

2 网络体系结构和协议

ISO/OSI模型和TCP/IP的分层模型以及数据模式、常用设备见下图：

2.1 ISO/OSI网络体系结构

（1）物理层：物理层是OSI模型的最底层，主要负责在物理介质（如电缆、光纤等）上传输原始的比特流。它定义了物理连接的机械、电气、功能和规程特性。相关的设备有集线器、中继器、调制解调器等。

（2）数据链路层：数据链路层负责将物理层接收到的原始比特流组合成帧，并进行差错检测和纠正。它还负责介质访问控制（MAC），以确保多个设备能够有序地访问物理介质。相关的设备主要有网桥、交换机。协议有以太网、wifi等。

（3）网络层：网络层负责将数据从源节点传输到目标节点，主要功能包括寻址、路由选择和分组转发。它根据IP地址将数据包通过最佳路径传输到目标网络。相关设备有路由器，协议有IP、ICMP等。

（4）传输层：传输层主要负责提供端到端的数据传输服务，确保数据的可靠传输。它通过端口号进行复用和分用，将数据正确地交付给上层的应用程序。主要通过软件实现，相关协议有TCP、UDP等。

（5）会话层：会话层负责建立、维护和管理会话连接，控制会话的开始、结束和中断。它提供了会话管理服务，确保数据交换的有序进行。主要通过软件实现，相关协议有RPC、NetBIOS等。

（6）表示层：表示层主要负责处理数据的表示、转换、加密和压缩，确保数据在不同系统之间能够正确理解和处理。它提供了数据格式的转换和加密解密服务。主要通过软件实现，相关协议有SSL、TLS等。

（7）应用层：应用层是OSI模型的最顶层，直接为用户的应用程序提供服务。它包含了各种网络应用程序协议，支持文件传输、电子邮件、万维网浏览等功能。主要通过软件实现，相关协议有HTTP、FTP、SMTP等。

2.2 TCP/IP分层模型

（1）网络接口层：网络接口层是TCP/IP模型的最底层，对应于OSI模型的物理层和数据链路层。它负责在物理介质（如电缆、光纤等）上传输数据帧，并进行物理寻址和介质访问控制。

（2）网际层：网际层对应于OSI模型的网络层，主要负责将数据包从源节点传输到目标节点。它通过IP地址进行寻址和路由选择，实现数据包的分组转发。

（3)传输层：传输层对应于OSI模型的传输层，主要负责提供端到端的数据传输服务，确保数据的可靠传输。它通过端口号进行复用和分用，将数据正确地交付给上层的应用程序。

（4）应用层：应用层是TCP/IP模型的最顶层，对应于OSI模型的应用层、表示层和会话层。它直接为用户的应用程序提供服务，包含了各种网络应用程序协议，支持文件传输、电子邮件、万维网浏览等功能。

2.3 常见的协议

（1）IP协议：是网络层定义的协议，器主要功能是将上层数据（如TCP、UDP数据）或同层的其他数据（如ICMP数据）封装到IP数据包中，将IP数据包传送到最终目的地；为了使数据能够在链路层上进行传输，对数据进行分段；确定数据包到达其他网络中的目的地的路径。

（2）ARP协议：即地址解析协议，是网络层中的重要协议，其作用是将IP地址转换为物理地址（MAC地址）。

（3）RARP协议：即反地址解析协议，也是网络层的重要协议，其作用是将物理地址（MAC地址）转换为IP地址。

（4）ICMP协议：是网络层协议，主要用于在网络设备之间传递控制消息和错误信息。当IP数据包在传输过程中出现问题（如目标不可达、数据包超时等），接收方或中间路由器会通过ICMP向发送方发送错误消息。

（5）TCP协议：是一种面向连接的、可靠的、基于字节流的传输层协议。它通过三次握手建立连接、四次挥手释放连接来实现了传输的可靠性，适合传输大量数据。

（6）UDP协议：是一种不可靠的、无连接的用户数据包协议。与TCP相比，UDP的错误检测功能要弱很多。TCP有助于提供可靠性，而UDP则有助于提高传输的高速率性。

2.3 网络设备

（1）中继器：可以“延长”网络的距离，在网络数据传输中起到放大信号的作用，不仅起到扩展网络距离的作用，还可以将不同传输介质的网络连接在一起。

（2）集线器：是中继器的一种，区别仅在于集线器能够提供更多的端口服务，所以集线器又称为多口中继器。

（3）网桥：当一个单位有多个LAN，或一个LAN由于通信距离受限无法覆盖所有的节点而不得不使用多个局域网时，需要将这些局域网互联起来，以实现局域网之间的通信，使用网桥可扩展局域网的范围。

（5）交换机：交换机（Switch）是一种用于计算机网络中连接多个终端设备（如计算机、服务器、打印机等）的网络设备，它能够高效地在这些设备之间传输数据。

（6）路由器：是网络层互联设备，用于联接多个逻辑上分开的网络。逻辑网络是指一个单独的网络或一个子网，当数据从一个子网传输到另一个子网时，可以通过路由器来完成。

（7）网关：在一个计算机网络中，当联接不同类型且协议差别较大的网络时，则要选用网关设备。网关的功能体现在OSI模型的最高层，它将协议进行转换，将数据重新分组，以便在两个不同类型的网络系统之间进行通信。

2.4 封装

在计算机网络中，数据在传输过程中会被分解成多个小块，这些小块被称为数据包或数据帧。每个数据包都包含数据和一些控制信息，这些控制信息用于指导数据包在网络中的传输和处理。封装的过程就是将数据和控制信息组合在一起，形成一个完整的数据单元，以便在网络中进行传输。封装是一个分层的过程，每一层都会对数据进行处理并添加相应的头部信息。以下是封装过程的主要步骤：

（1）应用层：在这个层中，数据被分解成较小的单元，并添加应用层的头部信息，形成应用层数据单元。

（2）传输层：在这个层中，应用层数据单元被进一步分解，并添加传输层的头部信息，形成传输层数据单元。常见的传输层协议有 TCP（传输控制协议）和 UDP（用户数据报协议）。

（3）网络层：在这个层中，传输层数据单元被进一步分解，并添加网络层的头部信息，形成网络层数据单元。常见的网络层协议有 IP（互联网协议）。

（4）数据链路层：在这个层中，网络层数据单元被进一步分解，并添加数据链路层的头部和尾部信息，形成数据帧。常见的数据链路层协议有以太网（Ethernet）。

（5）物理层：在这个层中，数据帧被转换成电信号、光信号或其他形式的信号，通过物理介质进行传输。

2.5 网络的传输介质

常见的网络传输媒介可分为有线介质和无线介质。

（1）有线介质：

1）双绞线：是现在最普通的传输介质，由两条导线按一定扭矩相互绞合在一起的类似于电化学的传输媒体，每根线加绝缘层并用颜色来标记。成对线的扭绞旨在减少电磁辐射和外部电磁干扰。

2）同轴电缆：也像双绞线那样由一对导体组成。同轴电缆绝缘效果佳，频带较宽，数据传输稳定，价格适中，性价比高。

3）光纤：光导纤维简称光纤，它体重轻、体积小。光纤不会向外界辐射电子信号，所以使用光纤介质的网络无论是在安全性、可靠性还是在传输速率等网络性能方面都有了很大的提高。

（2）无线介质：

1）微波：在对流层视线距离范围内利用无线电波进行传输的一种通信方式。传输质量比较稳定，但雨雪天气、不利地形或环境等因素会造成衰减。

2）红外线和激光：红外线和激光通信也像微波通信一样，有很强的方向性，都是沿直线传播的。不同的是，红外通信和激光通信把要传输的信号分别转换为红外光信号和激光信号，直接在空气中传播。

3）卫星通信：卫星接收来自地面发送站发出的电磁波信号后，再以广播方式用不同的频率发回地面，被地面工作站接收。卫星通信的优点是容量大，距离远，缺点是传播延迟时间长。

3 IP地址

3.1 IP地址概述

每台计算机或路由器都有一个授权机构分配的号码，称为IP地址。IP地址由网络ID+主机ID组成，其中网络ID用来标识一个逻辑网络，主机ID用来标识网络中的一台主机。如下图：

IP地址的表示方法有2种：

（1）二进制表示法：直接用二进制表示，例如一个常见的32位IP地址：10001010 00001011 00000011 00011111。

（2）点分十进制表示法：将32位二进制码划分为4个字节，每个字节转换成相应的十进制数，字节之间用“.”分隔。如上名的IP地址可记为：138.11.3.31。

IP地址中网络ID相同的主机可以直接互相访问，网络ID不同的主机需要通过路由器才可以互相访问。在IP地址中，全0代表的是网络，全1代表的是广播。TCP/IP协议规定，根据网络规模的大小将IP地址分为5类，如下表：

IP地址分类	规模	网络ID	主机ID	识别编码
A类	大型规模网络	前8位为网络ID，且第一位固定为0	后24位	000~127
B类	中等规模网络	前16位为网络ID，且前2位固定为10	后16位	128~191
C类	小型规模网络	前24位为网络ID，且前3位固定为110	后8位	192~223
D类	前4位固定为1110，是多播地址，也叫作组播地址			224~239
E类	前4位固定为1111，实验保留使用			240~255

（1）A类地址：A类网络地址第一个字节的十进制值为000~127，因为全0和全1在地址中有特殊用途，所以去掉后就只能表示126个网络ID，范围是1~126，127.0.0.1被保留作为本机回送地址。能表示的主机号有 $2^{24}$ -2个，约1600万台主机。

（2）B类地址：B类网络地址第一个字节的十进制值为128~191，最大网络ID为 $2^{14}$ -2=16382，可容纳的主机数为 $2^{16}$ -2个，约等于6万多台。

（3）C类地址：最大网络ID为 $2^{21}$ -2，约200多万，第一个字节的十进制值为192~223，可以容纳的主机数为 $2^{8}$ -1个，等于254台主机。C类IP通常用于小型的网络，是最通用的Internet地址。

（4）D类地址：最高位为1110，是组播地址，主要留给Internet体系结构委员会使用。

（5）E类地址：最高位为11110，保留在进后使用。

3.2 子网掩码

子网掩码又称网络掩码、地址掩码，是一个应用于TCP/IP网络的32位二进制，每节8位，必须结合IP地址一起对应使用。子网掩码32位与IP地址32位对应，如果某位是网络地址，则子网掩码为1，否则为0。只有通过子网掩码，才能表明一台主机所在的子网与其他子网的关系，使网络正常工作。表示方法有两种：

（1）点分十进制表示法：例如子网掩码二进制为11111111.11111111.11111111.00000000，使用点分十进制表示为：255.255.255.0。

（2)CIDR斜线记法：IP地址/n（n为1~32的数字，表示子网掩码中网络号的长度）。例如192.168.1.100/24，其子网掩码表示为255.255.255.0，二进制表示为 11111111.11111111.11111111.00000000。

默认子网掩码，即未划分子网，对应的网络号的位都置1，主机号都置0。未做子网划分的IP地址：网络ID+主机ID。

1）A类网络默认子网掩码：255.0.0.0，用CIDR表示为/8。

2）B类网络默认子网掩码：255.255.0.0，用CIDR表示为/16。

3）C类网络默认子网掩码：255.255.255.0，用CIDR表示为/24。

自定义子网掩码：将一个网络划分子网后，把原本的主机ID位置的一部分给了子网号，余下的才是给了子网的主机号。其形式为：网络ID+子网ID+主机ID。

例如： 192.168.100.1/25 -- 25比24多一位，说明其子网id为一个bit位。

（3）子网划分：将网络进一步划分为若干子网，以避免主机过多而拥堵或过少而造成IP浪费。子网是指一个IP地址上生成的逻辑网络，它可以让一个网络地址跨越多个物理网络，即一个网络地址代表多个网络，这样做可以节省IP地址。

（4）特殊含义的IP地址：

IP	说明
127网段	回播地址
全0地址	为获取IP地址时，使用的地址（用于源地址）
全1地址	本地子网的广播（用于目标地址）
主机位全1地址	特点子网的广播（用于目标地址）
10.0.0.0/8	10.0.0.1 至10.255.255.254 （私有地址）
172.16.0.0/12	172.168.0.1至172.31.255.254 （私有地址）
192.168.0.0/16	192.168.0.1至192.168.255.254 （私有地址）
169.254.0.0	保留地址，用于DHCP失效（Win) （私有地址）
私有地址不可在互联网上通信

IPv6是IETF设计的用于替代现行版本IP协议（IPv4）的下一代IP协议。与IPv4相比，IPv6的特点如下：

1）IPv6具有更大的地址空间，IPv6中IP地址的长度为128。

2）IPv6使用更小的路由表。

3）IPv6增加了增强的组播支持以及对流的支持。

4）IPv6加入了对自动配置的支持。

5）IPv6具有更高的安全性。

4 Internet基础知识及其应用

4.1 Internet服务

使用TCP和UDP协议时，Internet可支持65535种服务，这些服务是通过各个端口到名字实现的逻辑连接。端口分两类：

（1）已知端口或称公认端口，编号为0~1023。

（2）需要在IANA（互联网数字分配机构）注册登记的端口号，编号为1024~65535。

常用端口号：

DNS	53	POP3	110
DHCP	67/68	SMTP	25
HTTP	80	LELNET	23
HTTPS	443	FTP	20/21

Internet常见的服务有如下应用：

（1）DNS服务：即域名服务，计算机网络中利用IP地址唯一标识一台计算机，但是一组IP地址的数据形式不容易记忆，因此为网上的服务器取一个有意义又容易记忆的符号名字，称为“域名”。DNS所用的是UDP端口，端口号为53。

域名的结构：一台主机的主机名由它所属各级域的域名和分配给该主机的名字共同构成。书写的时候，按照由小到大的顺序，顶级域名放在最右面，分配给主机的名字放在最左面，各级名字之间用“.”隔开。常见的顶级域名如下表：

顶级域名	含义	顶级域名	含义
com	商业组织	cn	中国
edu	教育部门	hk	中国香港
gov	政府部门	mo	中国澳门
mil	军事部门	tw	中国台湾
net	网络服务机构	us	美国
org	非营利性组织	uk	英国
int	国际组织	jp	日本

（2）Telnet服务：即远程登陆服务，是在Telnet协议的支持下，将用户计算机与远程主机联接起来，在远程计算机上运行程序，将相应的屏幕显示传送到本地机器，并将本地的输入送给远程计算机。

（3）E-mail服务：即电子邮件服务，是一种通过计算机网络与其他用户进行联系的快速、简便、高效、价廉的现代化通信手段，是最广泛的一种服务。E-mail系统基于客户端/服务器模式，整个系统由E-mail客户软件、E-mail服务器和通信协议三部分组成。在TCP/IP网络上的大多数邮件管理程序使用SMTP协议来发送信息，且采用POP3协议来保管用户未能及时取走的邮件。

（4）WWW服务：即万维网服务，是一种交互式图形界面的Internet服务，具有强大的信息连接功能，该服务使用一个TCP端口，端口号为80。万维网是基于客户端/服务器模式的信息发送技术和超文本技术的综合，WWW服务器把信息组织为分布的超文本，这些信息节点可以是文本、子目录或信息指针。WWW浏览程序为用户提供基于HTTP协议的用户界面，WWW服务器的数据文件由HTML描述，HTML利用统一资源定位器（URL）实现超媒体链接，在文本内指向其他网络资源。

URL的格式：协议：//主机地址[: 端口号]/路径/文件名。例如：http://www.educity.cn/rk/...，若是登陆标准端口号，则可省略[: 端口号]，如http -> 80 。

（5）FTP服务：即文件传输协议，用来在计算机之间传输文件。FTP是基于客户端/服务器模式的服务系统，它由客户端软件、服务器软件和FTP通信协议3个部分组成。FTP客户端软件运行在用户计算机上，在用户装入FTP客户端软件后，便可以通过使用FTP内部命令与远程FTP服务器采用FTP通信协议建立连接或文件传输；FTP服务器软件运行在远程主机上，并设置一个名为anonymous的公共用户账户，向公众开发。

FTP在客户端与服务器的内部建立两条TCP连接：一条是控制连接，主要用于传输命令和参数（端口号为21）；另一条是数据连接，主要用于传送文件（端口号为20）。