Linux云计算之网络基础1——通信原理

目录

计算机网络简要了解

1、硬件：

2、软件：

3、协议：

4、传输介质：

5、网络拓扑：

6、接口设备：

一、计算机网络组成部分

1、什么是计算机网络

2、网络设备的作用

3、计算机网络

二、数据封装

1、网络如何转换和传输?

2、数据封装

三、网络传输介质

1、网络传输介质

1、导向型传输媒体

2、非导向型传输媒体

3、一些特性

2、网络传输模式

3、网络区域的划分

4、带宽的概念

四、以太网数据通信的基础知识

1、以太网数据通信

2、以太网帧格式

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  计算机网络简要了解

• 计算机网络的组成主要可以分为以下几个基本部分：

• 1、硬件：

  • 包括所有的物理设备，如个人计算机、服务器、路由器、交换机、中继器、集线器、网桥、调制解调器等。这些硬件设备通过传输介质（如光纤、双绞线、无线电波等）连接在一起，形成网络的物理结构。

    • 服务器：想象一家餐馆里的厨师，准备着各种菜肴等待顾客点单。在网络中，服务器就像这位厨师，它存储网站、应用程序、数据等资源，当用户（客户端）发送请求（点菜）时，服务器响应这些请求，提供所需的资源或服务。

    • 路由器：路由器就像邮局的分拣中心。当你寄一封信时，分拣中心决定最快的路线送达目的地。在网络中，路由器查看数据包的目的地址，然后决定它们应该被发送到哪个网络或设备上，确保数据沿着最佳路径传输。

    • 交换机：如果路由器像分拣中心，那么交换机就像是一个大楼的邮件室，它负责在一个更小的范围（如一个办公室楼层）内分发邮件。在网络中，交换机连接多个设备（如电脑、打印机），并在它们之间高效转发数据包，确保数据能够准确快速地送达目标设备。

    • 中继器：想象你在大声传话，但距离太远，声音变小听不清楚。这时，一个人站在中间，把你的话再大声重复一遍，让更远的人也能听见。中继器在网络中的作用相似，它接收信号，增强（重复）后再发送出去，扩大信号的覆盖范围。

    • 集线器：集线器就像一个简单的聚会场所，所有人都在同一个房间里交谈。每当有人说话，声音就会被房间里的每个人听到。集线器连接多个网络设备，但它不区分或管理流向哪个设备的数据，而是简单地将接收到的任何信号广播给所有连接的设备。

    • 网桥：网桥像是连接两个社区的桥梁。如果你住在一个社区，想要访问另一个社区，需要通过这座桥。在网络中，网桥连接两个分开的网络段，分析通过的数据包，并决定是否需要将数据从一个网络传送到另一个网络，帮助管理和分隔流量。

    • 调制解调器：想象你只能通过纸条交流，但你的朋友只能使用电子邮件。调制解调器就像是把纸条转换成电子邮件（或反之）的翻译员。它能够将数字信号（计算机理解的）转换为模拟信号（电话线路上传输的），以及将模拟信号转换回数字信号，使计算机能够通过电话线路上网。

    • 硬件设备如何通过传输介质相互连接和协作，以及它们之间的关系：

      • 1. 从设备到网络的接入点：

        • 个人计算机、智能手机等终端设备通常通过网卡（无线或有线）连接到网络。

        • 有线连接可以使用双绞线连接到最近的交换机或路由器。例如，一个办公室的电脑可能通过双绞线连接到办公室的交换机。

        • 无线设备通过无线信号（无线电波）连接到无线路由器或无线接入点。

      • 2. 在局部网络中的数据交换：

        • 交换机在局域网（LAN）内部用于连接多台设备。当一台设备想要与另一台设备通信时，它会发送数据到交换机，交换机然后将数据直接传递给目标设备，减少了不必要的数据传播。

        • 集线器也可以用于连接设备，但它会将接收到的每个信号广播给所有端口，而不是像交换机那样仅发送给目标设备，这效率更低。

      • 3. 扩展网络和连接不同网络段：

        • 路由器用于连接多个网络，如局域网（LAN）和广域网（WAN）。它可以根据数据包的目的地地址选择最佳的路径来转发数据包。

        • 网桥和路由器可以用来连接不同的网络段，使它们能够互相通信。网桥在更低的网络层次工作，而路由器则在更高层次进行数据包的路由。

      • 4. 信号增强和距离延伸：

        • 中继器和光纤转换器用于延长信号传输距离。中继器通过增强电信号来实现这一点，而光纤转换器将电信号转换为光信号，使数据能够通过光纤长距离传输。

      • 5. 模拟与数字信号转换：

        • 调制解调器（Modem）将数字信号转换为模拟信号，以便通过传统的电话线路或有线电视网络进行传输。在接收端，另一个调制解调器再将模拟信号转换回数字信号。

      • 通过这样的布局和连接方式，计算机网络能够实现数据的有效传输和通信。设备之间的关联基于它们各自的功能，如何处理、转发和路由数据，以及如何通过物理和无线介质连接。网络的设计需要考虑数据传输的速度、效率、可靠性和安全性。

• 2、软件：

  • 网络操作系统和各种网络管理、安全、通信软件构成了网络的软件部分。这些软件负责管理网络资源、控制数据传输、实现数据加密、身份验证等功能，确保网络的有效和安全运行。

    • 1. 网络资源管理：

      • 网络操作系统：计算机网络上的各种设备通常都运行着特定的操作系统，这些操作系统负责管理设备的硬件资源，提供网络服务，以及协调设备之间的通信和交互。

      • 资源分配和调度：网络软件负责管理和分配网络资源，如带宽、存储空间、处理能力等，以确保各种网络应用得到足够的资源支持，同时避免资源的过度占用和浪费。

    • 2. 数据传输控制：

      • 传输协议：网络软件实现了各种传输协议，如TCP/IP协议套件，以控制数据的传输、分段、重传和路由选择，确保数据能够在网络中可靠地传输和接收。

      • 流量控制和拥塞控制：网络软件监测和管理数据流量，避免网络拥塞，保证网络性能和吞吐量，同时确保数据的快速和有效传输。

    • 3. 数据加密和身份验证：

      • 加密技术：网络软件提供数据加密和解密功能，确保数据在传输过程中的安全性和保密性。常见的加密技术包括SSL/TLS用于安全网页浏览、IPSec用于VPN连接等。

      • 身份验证：网络软件实现用户身份验证机制，如用户名和密码、数字证书、双因素认证等，以确保只有授权用户能够访问网络资源，防止未经授权的访问和信息泄露。

    • 4. 网络安全管理：

      • 防火墙和入侵检测系统：网络软件部署防火墙和入侵检测系统，监控网络流量，识别和阻止恶意行为和攻击，保护网络免受未经授权的访问和恶意软件的侵害。

      • 安全策略和审计：网络软件制定和执行安全策略，监控和审计网络活动，发现和解决安全漏洞和威胁，确保网络的安全性和完整性。

• 3、协议：

  • 网络协议定义了数据在网络中传输的规则和格式，是网络通信的基本规范。常见的网络协议有TCP/IP、HTTP、HTTPS、FTP、SMTP等，它们在不同的网络层次上工作，协同完成数据的封装、传输、路由选择、传递和解封装等任务。

    • 1. TCP/IP协议：

      • TCP/IP协议是一组通信协议，包括TCP（Transmission Control Protocol）和IP（Internet Protocol）。

      • TCP负责在通信的两端（客户端和服务器）之间建立可靠的数据传输连接，确保数据的完整性和可靠性。

      • IP负责在网络中路由数据包，将数据从源地址传输到目标地址。

    • 2. HTTP协议：

      • HTTP（Hypertext Transfer Protocol）是用于在客户端和服务器之间传输超文本文档的应用层协议。

      • HTTP通过TCP连接来传输数据，通常在Web浏览器和Web服务器之间使用，用于获取和传输网页内容。

    • 3. HTTPS协议：

      • HTTPS（Hypertext Transfer Protocol Secure）是在HTTP的基础上添加了安全性支持的协议。

      • HTTPS通过使用SSL/TLS协议对数据进行加密和身份验证，确保传输过程中的安全性。

    • 4. FTP协议：

      • FTP（File Transfer Protocol）是用于在客户端和服务器之间传输文件的应用层协议。

      • FTP通过TCP连接进行数据传输，提供文件上传、下载、删除等功能。

    • 5. SMTP协议：

      • SMTP（Simple Mail Transfer Protocol）是用于在邮件服务器之间传输电子邮件的应用层协议。

      • SMTP通过TCP连接进行邮件传输，将邮件从发送方传输到接收方的邮件服务器。

    • 这些协议在不同的网络层次上工作，TCP/IP协议位于网络层和传输层，负责实现数据的封装和传输；HTTP、HTTPS、FTP、SMTP等协议位于应用层，负责应用数据的传输和交互。在数据传输过程中，这些协议协同工作，完成数据的封装、传输、路由选择、传递和解封装等任务。

    • 具体来说，数据在经过应用层的HTTP、HTTPS、FTP、SMTP等协议处理后，会被封装为数据包，在传输层由TCP/IP协议负责对数据包进行分段、封装和标记，然后在网络层由IP协议负责路由选择，将数据包从源地址传输到目标地址。最终，数据包到达目标地址后，由TCP/IP协议进行解封装和重组，交付给应用层协议进行处理和解析。

• 4、传输介质：

  • 传输介质是数据传输的物理路径，可以是有线的，如双绞线、同轴电缆、光纤；也可以是无线的，如无线电波、微波、红外线等。传输介质的选择取决于网络的规模、速度要求、成本和环境等因素。

    • 1. 双绞线：

      • 介绍：双绞线是一种常见的有线传输介质，由两股绝缘的铜线以对称的方式绞合而成。

      • 使用情况：双绞线通常用于局域网（LAN）内部的数据传输，如家庭网络、企业内部网络等。它们提供了稳定的数据传输性能和相对低延迟，适用于短距离的数据传输需求。

    • 2. 同轴电缆：
      • 介绍：同轴电缆由一根中心的金属导体、绝缘层、金属屏蔽层和外部绝缘层组成，形成同心的结构。
      • 使用情况：同轴电缆常用于电视信号、有线电视、宽带互联网接入等领域。由于其较高的带宽和抗干扰能力，适合长距离数据传输，但成本较高。
    • 3. 光纤：
      • 介绍：光纤是一种利用光学原理进行数据传输的传输介质，由玻璃或塑料纤维组成。
      • 使用情况：光纤广泛用于长距离的高速数据传输，如互联网主干网络、城域网、数据中心内部连接等。光纤具有高带宽、低延迟、抗干扰能力强等优点，适合对传输速度和可靠性要求较高的场景。

    • 4. 无线电波：

      • 介绍：无线电波是一种电磁波，可通过空气或其他介质传播，常用于无线通信。

      • 使用情况：无线电波广泛用于移动通信、无线局域网（Wi-Fi）、蓝牙等应用。由于其灵活性和便捷性，适用于移动设备和需要移动性的场景。

    • 5. 微波：
      • 介绍：微波是一种高频率的电磁波，可在大气中传播，常用于长距离的点对点通信。
      • 使用情况：微波通常用于长距离的通信链路，如卫星通信、远距离无线电通信等。微波传输速度快，适用于需要高速传输和长距离覆盖的场景。
    • 6. 红外线：
      • 介绍：红外线是一种电磁波，位于可见光和微波之间的频率范围，常用于短距离的无线通信。
      • 使用情况：红外线通常用于遥控器、红外线数据传输等短距离通信场景。由于其传输距离较短，适用于局域通信和近距离设备之间的数据传输。

• 5、网络拓扑：

  • 网络拓扑描述了网络中设备的物理或逻辑布局，常见的网络拓扑结构有星型、环型、总线型、树型、网状型等。不同的拓扑结构对网络的性能和可靠性有不同的影响。

    • 1. 星型拓扑：

      • 性能影响：星型拓扑结构易于管理和维护，因为所有设备都连接到一个中心节点（如交换机或集线器）。这样的结构可以提供较好的性能，因为数据流量不会在整个网络中传播，而是直接从源节点到目标节点。

      • 可靠性影响：然而，星型拓扑的可靠性较低，因为整个网络的可靠性高度依赖于中心节点。如果中心节点故障，整个网络都将受到影响。

    • 2. 总线型拓扑：
      • 性能影响：总线型拓扑结构包含一条主干线，所有设备都连接到这条主干线上。数据通过主干线广播到所有设备，因此总线型拓扑的性能会受到主干线带宽的限制。
      • 可靠性影响：如果主干线发生故障，整个网络都将受到影响。此外，由于所有设备共享同一条主干线，因此一个设备的故障可能导致整个网络的中断。
    • 3. 环型拓扑：
      • 性能影响：环型拓扑结构中，每个设备都与相邻的两个设备直接相连，形成一个闭环。数据在环上顺序传输，因此环型拓扑的性能较好。然而，如果有一个节点故障，整个环可能会被切断。
      • 可靠性影响：环型拓扑的可靠性取决于环上的设备数和连接质量。如果环中的一个节点故障，可能会导致整个网络的中断。
    • 4. 树型拓扑：
      • 性能影响：树型拓扑结构将网络组织成层级结构，通常有一个根节点，子节点连接到根节点或其他中间节点。数据在树中向下传输，因此树型拓扑的性能取决于根节点和中间节点之间的带宽。
      • 可靠性影响：树型拓扑的可靠性较高，因为一个子节点的故障通常不会影响其他分支的通信。但是，如果根节点故障，整个网络可能会受到影响。
    • 5. 网状型拓扑：
      • 性能影响：网状型拓扑结构中，每个设备都与其他设备直接相连，形成一个高度互联的网络。这种结构提供了高度冗余和灵活性，因此具有良好的性能。
      • 可靠性影响：网状型拓扑的可靠性很高，因为有多条路径可以传输数据。即使一个设备或链接故障，数据仍然可以通过其他路径传输。

• 6、接口设备：

  • 为了实现网络之间的连接，需要使用各种接口设备，如网卡、调制解调器、光纤转换器等。这些设备提供了不同网络技术之间的互连，使得不同类型的网络能够互相通信。

    • 1. 网卡（Network Interface Card，NIC）：

      • 网卡是计算机连接到网络的主要接口设备，通常插入到计算机的扩展槽中或者是集成在主板上。

      • 在有线网络中，网卡负责将计算机中的数据转换成电信号，然后通过网线与交换机、路由器等网络设备相连。在无线网络中，网卡则通过无线电波与无线路由器或者其他无线接入点进行通信。

    • 2. 调制解调器（Modem）：
      • 调制解调器用于在计算机和远程网络之间进行数据传输，它的主要作用是将计算机产生的数字信号转换为模拟信号以便在电话线或者有线电视线路上传输，同时将模拟信号转换为数字信号以便计算机进行解码。
      • 在拨号上网时，调制解调器通过电话线路连接到因特网服务提供商的拨号接入服务器。在数字用户线路（DSL）等宽带接入中，调制解调器通过电话线路连接到DSLAM（数字用户线路接入多路复用器）等宽带接入设备。
    • 3. 光纤转换器（Fiber Optic Converter）：
      • 光纤转换器用于在光纤网络和其他类型网络之间进行转换，通常用于连接不同的网络技术，如以太网和光纤通信。
      • 光纤转换器通过光纤传输数据，将光信号转换为电信号或者其他类型的信号，以便与其他网络设备进行通信。这种方式使得光纤网络能够与其他类型的网络进行互联，实现跨网络的数据传输和通信。

一、计算机网络组成部分

1、什么是计算机网络

• 计算机网络是一种连接计算机设备并实现数据传输的系统，它允许计算机之间共享资源和通信，并依赖于多种技术和协议来实现。
  • 计算机网络实现了计算机数据的传输，这意味着它允许在网络中的计算机之间发送和接收数据。这些数据可以是文档、图像、音频、视频等各种形式的信息。计算机网络通过物理连接（如以太网、无线网络等）或者虚拟连接（如VPN、云服务等）来实现计算机之间的通信。
  • 计算机网络的实现涉及多种技术和协议，列如：

    • 通信协议：计算机网络中的通信需要遵循一定的规则和协议，如TCP/IP协议套件、HTTP、FTP等。

    • 网络设备：网络中的设备包括路由器、交换机、集线器、网桥等，它们用于管理数据包的传输和路由。

    • 拓扑结构：网络的拓扑结构定义了网络中设备之间的物理或逻辑连接方式，如星型、总线型、环型、树型、网状型等。

    • 网络安全：网络安全是保护计算机网络免受未经授权访问、数据泄露、恶意攻击等威胁的一系列措施和技术。

    • 数据传输方式：数据可以通过有线或无线方式在网络中传输，其中有线传输包括以太网、光纤、同轴电缆等，无线传输包括Wi-Fi、蓝牙、移动网络等。

• 1、网络传输的数据是如何产生的?
  • 网络传输的数据是由应用程序产生的。应用程序可以是各种各样的软件，例如网页浏览器、电子邮件客户端、文件传输工具、视频流媒体应用程序等。这些应用程序负责生成要传输的数据，然后通过网络将数据发送到目标设备或服务器。
• 2、早期计算机数据传输：
  • 早期计算机数据传输主要依赖于移动存储设备和网络传输两种方式，用以优化数据共享和实现应用程序间的资源共享。
    • 移动存储设备：
      • 在早期，移动存储设备如软盘、磁带、光盘等被广泛用于数据传输。用户可以将数据存储在这些移动存储介质上，然后将其从一台计算机传输到另一台计算机上。
    • 网络传输：
      • 通过网络传输，计算机可以直接通过网络连接进行数据交换，无需依赖移动存储介质。早期的网络传输主要依赖于局域网（LAN）和广域网（WAN）技术。
• 3、组成网络的的组成部分
  • 终端系统：PC电脑服务器、手机平板、智能设备、嵌入式
    • 终端系统是网络中的最终用户设备，用于连接和交互。
    • 终端系统是网络中产生、接收和处理数据的端点。它们通过网络进行通信，发送和接收数据。
  • 中间系统：
    • 中间系统是连接终端系统之间的设备，用于路由、转发和处理数据。这些设备包括路由器、交换机、网桥、中继器等。
    • 路由器负责在不同网络之间进行数据包转发和路由选择，实现不同网络之间的通信。
    • 交换机用于在局域网内转发数据帧，根据目的地址将数据包发送到目标设备。
    • 网桥连接两个或多个局域网，根据MAC地址过滤和转发数据帧。
    • 中继器用于放大信号并延长传输距离。
  • 传输介质：双绞线、光纤、同轴电缆、串行线缆、无线电磁波
    • 传输介质是连接终端系统和中间系统之间的物理媒介，用于传输数据。
    • 双绞线：常用于以太网局域网连接，具有较低的成本和适中的传输距离。
    • 光纤：具有高带宽、低延迟和抗干扰能力强的特点，常用于长距离和高速网络连接。
    • 同轴电缆：用于传输电信号，常用于有线电视和宽带接入等应用。
    • 串行线缆：用于串行数据传输，如串行连接设备之间的连接。
    • 无线电磁波：用于无线通信，包括无线局域网（Wi-Fi）、蓝牙、移动通信（4G/5G）等。

2、网络设备的作用

•  不是为了产生数据，目的是转发数据
• 有哪些网络设备?
  • 集线器 (hub)：一层设备(底层设备)，工作在半双工模式
  • 交换机 (switch)：二层智能设备（能读懂通信地址---MAC)
  • 路由器 (router)：三层智能设备（切割广播域，也可以实现其他的一些智能功能)
  • 防火墙 (firewall)：三层以上的设备（实现数据报文的智能隔离，VPN或者是NAT和其他访问控制的功

3、计算机网络

• 1、最早期的网络
  • 最早期的网络主要是局域网络（LAN），这些网络通常由一组共享资源的计算机组成，被称为工作组（working group）。
    • 工作组的网络拓扑结构往往是简单的星型或总线型拓扑，其中所有计算机都连接到共享的媒体（如以太网电缆），这种网络架构存在一些限制。

    • 限制传输共享：每个工作组通常只能访问共享资源，而其他工作组的资源则不可访问，这导致了信息孤岛的存在，不同工作组之间的信息交流受到限制。

    • 缺乏扩展性：当网络中的计算机数量增加时，会导致网络性能下降。由于所有计算机共享同一媒体，网络传输容易发生碰撞和冲突，因此无法有效地支持大规模的网络扩展。

    • 缺乏伸缩性：随着组织规模的增长或网络需求的变化，工作组模式很难满足不断增长的需求，需要经常进行调整和更新，增加了网络管理的复杂性。

  • 局域网——城域网——广域网——internet网络
    • 是网络按照覆盖范围和连接方式划分的不同类型

    • 局域网（LAN）：

      • 覆盖相对较小范围的网络，通常限于单个建筑物、办公室、校园或者家庭。
      • 通常采用高速的以太网技术或无线技术（如Wi-Fi），用于实现设备之间的快速数据传输和资源共享。
      • 提供了高带宽、低延迟的局部网络连接，适用于组织内部的数据通信和资源共享。

    • 城域网（MAN）：

      • 城域网是介于局域网和广域网之间的网络，覆盖的范围比局域网大但比广域网小，通常覆盖一个城市或地理上相邻的几个区域。
      • 城域网通常用于连接同一城市内的多个局域网，实现数据共享和通信，但覆盖范围有限于城市级别，不足以连接全球范围内的网络。

    • 广域网（WAN）：

      • 可跨越城市、国家甚至跨越大洲。它连接了分布在不同地理位置的局域网、城域网和其他广域网。
      • 广域网通常使用电信运营商提供的专用电路、电话线路、光纤、无线连接等传输媒介，以实现不同地理位置之间的数据传输和通信。

    • 互联网（Internet）：

      • 互联网是全球范围内连接了数十亿台设备的庞大网络，它是由各种地理位置、组织和提供商组成的庞大网络。
      • 互联网通过TCP/IP协议族连接了世界各地的计算机和网络，提供了全球范围内的信息交流、资源共享和服务访问。
      • 互联网为人们提供了无限的信息资源和服务，包括电子邮件、网页浏览、社交媒体、在线购物、视频流媒体等。
• 2、数据传播方式
  • 介质中传输电信号或光信号
  • 网络间传递信号1、0，二进制数据流发送(bit)
  • 再复杂的数据流最终都是0、1组合成
• 3、Bit流如何通过物理介质传达到另外的网络设备?
  • 基于传输介质网络需要连线，线缆(电、光、无线)。
  • 在线缆中0和1要转换形态 (电信号，高低电平)

  • 数据在网络中的传输实际上是在物理层进行的，物理层负责将数字信号（即位流，由0和1组成）转换为适合物理介质（如电缆、无线电波等）传输的信号。

    • 1. 双绞线和同轴电缆：这些电缆中的数据传输是通过电信号进行的。位流中的"1"和"0"被转换为电压的高低或者电压的正负。例如，在某些系统中，+5伏特可能代表"1"，而0伏特代表"0"。电信号在电缆中传播，当它们到达目标设备时，再被转换回位流。

    • 2. 光纤：在光纤中，数据是通过光信号传输的。位流中的"1"和"0"被转换为光的亮和暗或者光的闪烁频率。光信号在光纤中传播，当它们到达目标设备时，再被转换回位流。

    • 3. 无线：在无线网络中，数据是通过无线电波传输的。位流中的"1"和"0"被转换为无线电波的不同频率或者振幅。无线电波在空气中传播，当它们到达目标设备时，再被转换回位流。

    • 在所有这些情况中，数据的传输都需要一个适当的物理接口，如网卡、调制解调器或无线接收器。这些设备负责将位流转换为物理信号，并将物理信号转换回位流。不论数据是通过哪种物理介质传输的，都可能受到各种因素的影响，如电磁干扰、信号衰减、噪声等。这就需要物理层的协议来处理这些问题，确保数据的准确传输。

二、数据封装

1、网络如何转换和传输?

• 网络转换和传输是指将数据从应用程序产生的形式转换为能够在网络中传输的形式，并通过网络设备进行传输的过程。
• 网络转换和传输的一般过程

  • 应用程序数据生成：

    • 应用程序（APP）产生数据流，这些数据可能是文本、图像、音频、视频等各种形式的信息。

  • 数据转换为比特流：

    • 操作系统将应用程序产生的数据转换为比特流（bit），即由0和1组成的二进制数据流。
    • 比特流表示了数据在计算机中的编码形式，是计算机处理和传输数据的基本形式。

  • 封装数据：

    • 数据需要通过网络传输，但不能直接发送到互联网上。因为互联网是由许多计算机、路由器、交换机等组成的庞大网络，需要对数据进行封装才能在网络中进行传递。
    • 数据被封装成网络数据包，类似于信封的概念。网络数据包包含了数据本身以及一些额外的信息，如源地址、目标地址、数据类型、序列号等。

  • 数据传输：

    • 封装后的数据通过物理介质传输，可以是电信号、光信号或无线电磁波等形式。
    • 数据经过路由器、交换机等网络设备进行传输，在网络中沿着预先定义的路径（根据路由表确定）传递到目标设备。

  • 数据解封：

    • 当数据到达目标设备后，网络设备将其解封，提取出原始数据和附加信息。
    • 操作系统将比特流重新转换为原始的数据形式，以便应用程序进一步处理和使用。

2、数据封装

• 简要过程

  • 1、数据生成：

    • 数据生成是指应用程序产生要在网络上传输的数据。这些数据可以是文本、图像、音频、视频等各种形式的信息。

  • 2、数据转换为比特流：

    • 数据生成后，操作系统将数据转换为比特流（bit），即由0和1组成的二进制数据流。这是计算机中处理和传输数据的基本形式。

  • 3、封装数据：

    • 数据被封装成数据包的形式，以便在网络中进行传输。封装过程包括在数据中添加一些额外的信息，如数据报头。
    • 数据包的封装过程可以包括以下几个层次的封装：
      • 二层封装（数据链路层封装）：将数据包封装成数据帧，并添加数据链路层的报头，包括源地址和目标地址等信息。
      • 三层封装（网络层封装）：将数据帧封装成数据包，并添加网络层的报头，包括源IP地址和目标IP地址等信息。
      • 四层封装（传输层封装）：将数据包封装成数据段，并添加传输层的报头，包括源端口号和目标端口号等信息。

  • 4、传输数据：

    • 封装后的数据通过物理介质进行传输，可以是有线介质（如以太网、光纤）或无线介质（如Wi-Fi、蓝牙）。
    • 数据通过网络设备（如路由器、交换机）在网络中传输，沿着预定义的路径到达目标设备。

  • 5、解封数据：

    • 当数据到达目标设备后，网络设备将其解封，提取出原始数据和附加信息。
    • 操作系统将比特流重新转换为原始的数据形式，以便应用程序进一步处理和使用。

三、网络传输介质

1、网络传输介质

• 网络传输介质是网络中用于数据传输的物理媒介，包括局域网和广域网的线缆、无线信号传输方式等。不同的传输介质需要使用不同的协议来实现数据的传输和通信。

  • 物理层单一的媒介：

    • 网络传输介质通常是指物理层单一的媒介，例如电缆、光纤或者无线电波。
    • 这些传输介质承载着数据在网络中的传输，是数据从发送端到接收端的通道。

  • 局域网线缆 (LAN线缆)：

    • 局域网使用的传输介质通常是以太网（Ethernet）线缆。这些线缆包括双绞线、同轴电缆和光纤等。

    • 局域网协议 (以太网、令牌环网等)：

      • 局域网协议定义了数据在局域网中的传输规则和协议。其中以太网是最常见的局域网协议，而令牌环网则是一种基于令牌传递的局域网协议。

  • 广域网线缆（WAN线缆）：

    • 广域网通常使用不同类型的传输介质，如电话线、光纤、卫星链接等。
    • 广域网线缆可以覆盖较长的距离，连接不同地理位置的网络设备。

    • 广域网协议 (PPP、PPPoE等)：

      • 广域网协议用于在广域网中进行数据传输和通信。其中PPP（Point-to-Point Protocol）是一种常见的广域网协议，用于在拨号连接和专线连接等情况下进行数据传输。
      • PPPoE（PPP over Ethernet）是在以太网网络上使用PPP协议进行数据传输的一种协议，通常用于ADSL宽带接入。

  • 协议栈：

    • 网络中的数据传输是由各种协议协同工作才能实现的。常见的网络协议栈包括TCP/IP协议栈，它由多个协议组成，包括物理层、数据链路层、网络层、传输层和应用层协议。

1、导向型传输媒体

• 同轴电缆
  • 规格：10BASE5 500米；10BASE2 185米；只支持半双工
  • 广域网线缆： WAN线缆 / 串行线缆
    • 
• 双绞线
  • 特点：支持全双工；13线发信号；26线收信号
  • ELA/TIA规定线序标准
    • 直通线 568B线序；交又线 568B--->568A线序
    • 568B 白橙 橙 白绿 蓝 白蓝 绿 白棕 棕；
    • 568A 白绿 绿 白橙 蓝 白蓝 橙 白棕 棕
  • 屏蔽双绞线(普通屏蔽和内屏蔽)
  • 非屏蔽双绞线
  • 双纹线类线 1,2,3,4,5,5E,6,7.8
    • 3、4类线(支持10M以太网)
    • 5类 (支持百兆以太网)
  • 
• 光纤
  • 特点：光信号，双向单工模式
  • 内部结构为玻璃纤维(直线传播，全反射，不要弯折)
  • 单模光纤 (1000KM)：9 us、激光
  • 多模光纤：62.5us、57.5us、LED、1000m
  • 光纤支持：万兆、4万兆、10万
  • 级联网络（路由器、交换机）
  • 下联网络（双绞线）
  • 光电转换 (光模)
  • 典型的光纤通信系统
    • 
  • 光纤的组成
    • 
  • 光在光纤中的传播
    • 
    • 

2、非导向型传输媒体

3、一些特性

• 不同类别连接用直通线，同类设备互连用交叉线(但现在设备可以线缆自适应)
• A类设备：高层网络设备、终端设备 (pc.server、router、防火墙)
• B类设备：低层网络设备、低层网络设备：集线器、交换机

2、网络传输模式

• 传输方式
  • 
• 网络传输模式是指在计算机网络中数据传输的方式或模式

  • 支持的网络协议：

    • OSI（Open Systems Interconnection）：OSI模型是一种网络通信协议体系结构，将网络通信划分为七个层次，每个层次负责不同的功能，如物理层、数据链路层、网络层等。
    • TCP/IP（Transmission Control Protocol/Internet Protocol）：TCP/IP是互联网通信的基本协议，也是实际使用最广泛的协议。它包含了一系列协议，如IP、TCP、UDP、HTTP等，用于在网络中传输数据和进行通信。
    • IPX/SPX（Internetwork Packet Exchange/Sequenced Packet Exchange）：IPX/SPX是Novell NetWare网络操作系统使用的协议，用于在局域网中进行数据传输和通信。

  • 局域网协议：

    • 终端和中间系统介质：局域网中使用的传输介质通常包括双绞线、同轴电缆和光纤等。
    • 以太网：以太网是最常见的局域网协议，它使用MAC地址来标识网络设备，并使用CSMA/CD（载波监听多点接入/碰撞检测）技术来管理数据传输。
    • FDDI（Fiber Distributed Data Interface）：FDDI是一种使用光纤传输数据的局域网协议，提供了高速的数据传输和冗余路径以提高网络的可靠性。
    • 令牌环网：令牌环网是一种局域网拓扑结构，使用令牌传递的方式来管理数据传输，确保数据在网络中有序传递。

  • 广域网协议：

    • 串行电缆：广域网通常使用串行电缆进行数据传输，这种传输方式适用于跨越较长距离的网络连接。
    • PPP（Point-to-Point Protocol）：PPP是一种常见的广域网协议，用于在点对点连接中进行数据传输，如拨号上网。
    • PPPoE（PPP over Ethernet）：PPPoE是一种在以太网上使用PPP协议进行数据传输的协议，通常用于将广域网和局域网结合在一起。

    • 帧中继（Frame Relay）：

      • 基于分组交换技术的广域网传输协议，通常用于连接不同的局域网或企业网络。
      • 帧中继网络使用虚拟电路来进行数据传输，每个虚拟电路都有一个唯一的标识符（DLCI），用于区分不同的连接。

    • ATM（Asynchronous Transfer Mode）：

      • 基于固定长度的小数据单元（称为单元或细胞）进行数据传输的广域网传输技术。
      • 在ATM网络中，数据被分割为固定大小的53字节的细胞，并通过网络进行传输。每个细胞包含了数据以及用于路由和传输控制的头部信息。
      • ATM网络使用虚拟通路（Virtual Circuit，VC）来进行数据传输，每个VC都有一个唯一的标识符，用于区分不同的连接。
      • ATM技术提供了高速、低延迟、高可靠性的数据传输服务，适用于要求高带宽和QoS（Quality of Service）保障的应用场景，如视频会议、远程医疗等。

3、网络区域的划分

• 以太网 (目前绝对主流优势网络连接方式) ：将诸多计算机连接起来的其中一种解决方案，是一种计算机局域网组网技术
• 局域网: 以太网、令牌环网 (FDDI)
• 广域网: PPP 、(PPPOE)、顿中继、ATM
• mac地址简介：
  • 以太网内计算机的唯一标识MAC地址 (身份标识)由高权威组织来规范
  • MAC (Media Access Control，介质访问控制)地址，也叫硬件地址
  • 48bits: 前24bits (由国际组织来定义)，后24bits生产厂商自定义

4、带宽的概念

• 概念
  • 带宽是指单位时间内通过网络某一节点的数据量的总和，用于描述网络的传输速率和容量
  • 是网络传输速率的核心参数之一，表示在单位时间内可以传输的数据量。通常以每秒传输的比特数（bps）来衡量，而不是以字节（Byte）为单位。
    • 1 Kbps（千比特每秒）表示每秒传输1000比特的数据，1 Mbps（兆比特每秒）表示每秒传输1000 * 1000比特的数据，1 Gbps（千兆比特每秒）表示每秒传输1000 * 1000 * 1000比特的数据。
  • 上行带宽：指从用户设备（如计算机、手机）到网络的数据传输速率，通常用于上传数据到网络。
  • 下行带宽：指从网络到用户设备的数据传输速率，通常用于下载数据到用户设备。
  • 信号传递方式：带宽的传输方式可以是模拟信号或数字信号，具体取决于网络的物理传输介质和信号处理方式。

    • 模拟信号：

      • 模拟信号是连续变化的信号，可以在一定范围内取任意值。模拟信号常用于传统的电话线路和无线电波传输中。
      • 模拟信号的带宽通常受到信号的频率范围限制，而且在传输过程中易受到干扰和衰减。

    • 数字信号：

      • 数字信号是以离散的方式表示的信号，只能取有限的几个离散值。数字信号常用于计算机和数字通信系统中。
      • 数字信号的带宽通常受到信号的频率和采样率等因素的影响，可以通过数字编码和调制技术来实现高效的数据传输。
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四、以太网数据通信的基础知识

1、以太网数据通信

• 冲突域：基于集线器将多个网络设备组在一起的区域
• 怎么解决冲突?
  • CSMA/CD载波侦听多路访问/冲突检测(不完全解决)
• 网络拓扑结构
  • 总线型网络拓扑
  • 环形网络拓扑
  • 星型网络拓扑
    • 二层智能设备:：交换机(全双工模式)
    • 识别帧头和帧尾，实现精确数据转发。
    • 交换机MAC地址表(管理员配置--->静态，学习---老化)
    • 交换机的接口可以分割冲突域。交换机可以放大信号(所有网络设备都支持)
    • lpv4支持单播、组播 (一对多的流量，情愿情况下。)、广播 (一个范围内影响所
      有人的流量)
    • 广播MAC地址：FFFF.FFFF.FFFF
    • 交换机连接范围内，星型网络中的所有成员--->广播域
• 为什么总线型网络拓扑 (淘汰) 、集线器Hub (淘汰)
  • 带宽低(共享带宽最大10M)
  • 只支持半双工
  • 一层设备，转发机制非常落后 (只通过数据数据泛洪进行转发数据)
• 网络内通信和网络间通信
  • 网络内：
    • 同一个广播域
    • 网络设备为集线器或者交换机，负责数据转发
  • 网络间：
    • 不在同一个广播域
    • 原ip和目的ip不在一个网络号，局限公网地址
• 内网 (局域网)和外网(公网)的分界点
• 边界设备、防火墙、路由器(隔离广播域)
• 内网使用私有地址
• 公网 (园区网络) 使用公网地址
• 广播域范围外，也就是跨广播域无法直接通信。
• 跨广播域进行通信，基于IP地址(但最终数据的传递需要基于MAC地址)
• 网关：一个以太网局域网通往另一个以太网局域网的”关口”
• 一般网关以IP的第一位和最后一位来指定 xxx.xxxxxx1 xxx.xxxxxx254
  192.168.1:1192.168.1.254

2、以太网帧格式

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• 前导码（Preamble）：

  • 前导码是一个7字节长的字段，用于同步接收端的时钟，标志着帧的开始。
  • 前导码由连续的01010101和一个结束位1组成。

• 目标MAC地址（Destination MAC Address）：

  • 目标MAC地址是一个6字节长的字段，表示帧的接收方的物理地址。
  • 以太网帧的目标MAC地址字段指定了帧应该被传输到的目的地。

• 源MAC地址（Source MAC Address）：

  • 源MAC地址是一个6字节长的字段，表示帧的发送方的物理地址。
  • 以太网帧的源MAC地址字段指定了帧的发送者。

• 类型/长度字段（Type/Length）：

  • 类型/长度字段是一个2字节长的字段，用于指示帧中数据部分的类型或长度。
  • 如果类型字段的值大于等于0x0600，则表示数据帧的类型，如果小于该值，则表示数据帧的长度。

• 数据字段（Data）：

  • 数据字段是一个46-1500字节长的字段，用于携带上层协议的数据。
  • 如果类型字段指示的是长度，则数据字段的长度由类型/长度字段指定，如果是类型，则根据类型指定的协议来解释数据。

• 帧校验序列（FCS，Frame Check Sequence）：

  • 帧校验序列是一个4字节长的字段，用于在接收端检测传输过程中的错误。
  • FCS字段采用循环冗余检验（CRC）算法生成，并附加在数据字段之后。

• 帧尾（Frame Trailer）：

  • 帧尾是一个12字节长的字段，标志着以太网帧的结束。
  • 帧尾由一个填充字段和一个标志着帧结束的特殊字节组成。