初识网络

一、网络的发展

I.独立模式

计算机之间相互独立，每台计算机分别持有客户的数据，执行各自的业务。

II.网络互联

多台计算机连接在一起，完成数据共享。

网络的精神：共享、开放。

二、局域网和广域网

1.局域网（LAN、私网、内网）

定义：在某一区域内，由多台计算机互联成的计算机组。

特点：（1）在同一局域网内的计算机可以直接互相通信，实现数据共享。

           （2）局域网是封闭型的，可以由办公室内的两台计算机组成，也可以由一个公司内的几千台计算机组成。

           （3）使用专门铺设的传输介质进行联网，数据传输率高（10Mb/s~10Gb/s)。 

           （4）通信延迟时间短，可靠性高。

           （5）局域网可以支持多种传输介质。

分类：

        按传输介质分为：有线网和无线网。

        按网络拓扑结构分为：总线型、星型、环型、树型、混合型。

        按访问控制方法分为：以太网、令牌环网、FDDI网和无线局域网。其中，以太网是当前应用最普遍的局域网技术。

2.广域网（WAN、公网、外网）

定义：连接不同地区局域网或城域网计算机通信的远程网。简单来说，就是把相隔千里的计算机都连接在一起。

特点：（1）数据传输距离远，往往要经过多个广域网设备转发，延迟较长。

           （2）可以连接多个地区、城市和国家，覆盖范围广。

           （3）由电信部门或公司负责组建、管理和维护，并向全社会提供面向通信的有偿服务、流量统计和计费问题。

           （4）广域网没有固定的拓扑结构，通常使用高速光纤作为传输介质，广域网管理、维护困难。

           （5）局域网可以作为广域网的终端员工和广域网连接。

分类：公共传输网络，大体分为电路交换网络和分组交换网络。

           专用传输网络，主要是数字数据网。

           无线传输网络，主要是移动无线网。

3.局域网和广域网的区别和联系

区别：

范围不同：局域网是在一个不大的范围，而广域网可以连接不同范围的计算机。

数据传输速度不同：局域网传输速度较广域网块。

联系：广域网可以实现几个不同局域网之间的通信。

三、协议

定义：执行之前的一种约定。

计算机之间的传输媒介是光信号和电信号，通过“频率”和“强弱”来表示0和1这样的信息。要想传递不同的信息，就需要约定好双方的数据格式。

因此通信的两台主机，不仅要约定好协议，协议还需要采用同一种语言。

通信协议：通信双方的数据格式约定。

不同的硬件、操作系统之间的通信，所有的这一切都需要一种规则，这种规则称为协议。协议中存在各式各样的内容：从电缆的规格到IP地址的选定方法、寻找异地用户的方法、双方建立通信的顺序，以及Web页面显示需要处理的步骤等等。

制定协议的往往是该行业的精英，有着绝对的话语权。如华为有定制5G的标准。

协议也是分层的，协议分层的目的是为了便于维护。

协议分层：明确按照提供的服务以及适用的协议，以及提供的接口对复杂的网络通信环境进行层次划分。就是一种封装。封装了具体实现，只需要向上提供接口与服务即可。

协议分层的好处：便于上层使用，清晰化结构，使用简单。

同时，分层也是为了进行改动。试想，如果互联网只由一个协议统筹，某个地方需要改变设计时，就必须把所有部分整体替换掉。而分层之后只需把变动的层替换掉即可。把各层之间的接口部分规划好之后，每个层次内部的设计就能够自由改动了。

四、OSI（Open System Interconnection)七层模型（权威）

1.简介

OSI模型把网络从逻辑上分为了七层，是一种框架性的设计方法。其最主要的功能是帮助不同的主机实现数据共享。最大优点是将服务、接口和协议这三个概念明确地区分开来，使不同的系统不同的网络之间实现可靠的通信。

OSI模型从内到外依次为：物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层、应用层。

2.OSI模型中各层的功能

物理层：实现计算机系统与网络间的物理连接。

数据链路层：进行数据打包与解包，形成数据帧。

网络层：提供数据通过的路由。

传输层：提供传输顺序与相应信息。

会话层：建立和终止连接。

表示层：数据转换，确认数据格式。

应用层：提供用户程序接口。

OSI模型只是一个框架，它的每一层并不执行某种功能，功能的具体实现还需通信协议，主要通过软件来进行。当数据（源主机）在层之间向下传播时，每一层都会在数据前面加上一个报头，用于标识包的来源和目的。

五、TCP/IP四层（或五层）模型（应用）

1.简介

TCP/IP是一组协议的代名词，它还包括许多协议，组成了TCP/IP协议簇。

TCP/IP通讯协议采用5层的层级结构，每一层都呼叫它的下一层所提供的网络来完成自己的需求。

网络协议是用C语言写的。

2.每层的作用

TCP/IP五层模型从内到外依次是物理层、数据链路层、网络层、传输层、应用层。

物理层：主要负责光/电信号的传输方式。集线器工作在物理层。集线器的作用是将信号放大，让信号传输得更远。

数据链路层：负责设备之间数据帧的传送和识别，局域网的通信。交换机工作在数据链路层。

网络层：负责地址管理和路由选择，广域网的通信。路由器工作在网络层。

传输层：负责两台主机之间的数据传输。

应用层：负责应用程序的沟通。网络编程主要针对应用层。

说明：

1）应用层决定了向用户提供应用服务时通信的活动。

2）传输层对上层应用层，提供处于网络连接中的两台计算机之间的数据传输。

3）网络层是用来处理在网络上流动的数据包。数据包是网络传输的最小数据单位。该层规定了通过怎么的路径（所谓的传输路线）到达对方计算机，并把数据包传送给对方。与对方计算机通过多台计算机或网络设备进行传输时，网络层所起的作用就是在众多的选项中选择一条传输路线。

4）链路层（又名数据链路层，网络接口层）用来处理连接网络的硬件部分。包括控制操作系统、硬件的设备驱动、NIC（Network Interface Card，网络适配器，即网卡），及光纤等物理可见部分（还包括连接器等一切传输媒介）。硬件上的范畴均在链路层的作用范围之内。

一般而言，

对于一台主机，它的操作系统内核实现了从传输层到物理层的内容；

对于一台路由器，它实现了网络层到物理层；

对于一台交换机，它实现了从数据链路层到物理层；

对于集线器，它实现了物理层。

但是并不绝对，很多交换机也实现了网络层的转发，很多路由器也实现了部分传输层的内容（比如端口转发）。

3.每层的协议列举

数据链路层：以太网协议（局域网的标准）。

网络层：IP协议（网际协议）、ICMP（Internet控制报文）协议以及IGMP（Internet组管理协议）。

传输层：UDP（用户数据报协议）、TCP（传输控制协议）。

应用层：Telnet、HTTP、SMTP、FTP、DNS和SNMP等协议和应用。

4.跨网段的主机的文件传输过程

如上图所示，两台主机通过路由器互相连接。路由器可以把以太网、令牌点对点链接和FDDI（光纤分布式数据接口）等不同的网络连接在一起。协议中的各层对上一层是透明的。即应用层只负责应用程序之间的通信规则，不必了解数据如何在网络中传输，也不必了解怎样接入网络。而链路层只需要负责传输，而不需要知道正在传送的是什么数据。

六、网络传输基本流程

假设A主机和B主机位于两个不同的局域网上，从A主机传输信息到B主机，通讯过程如下：

应用层的操作为用户进程，其它层均为操作系统内核进程。

应用层由用户完成，让用户关注处理数据本身，我们（Java程序员）的大部分工作都是在当前层或更上层。

传输层、网络层和链路层的操作集成在内核，让用户忽略通信细节。

从A主机由外层到内层每一层数据都要经过封装的过程，而B主机从内层到外层每一层数据都要经过解包的过程。每一层上都有对应的协议，即协议分层。数据的传输必须要经过物理层（在这里我们不进行研究）。我们先来介绍一下几个过程：

发送端在层与层之间传输数据时，每经过一层时必定会被打上一个该层所属的首部信息。反之，接收端在层与层传输数据时，每经过一层会把对应的首部消去，这种把数据信息包装起来的做法称为封装。

封装：应用层数据通过协议栈发到网络时，每层协议上都要加上一个数据首部（也称为报头）。我们可以理解为快递包裹外面的配送信息。

解包：将报头和有效载荷正确分离。我们可以理解为拆包裹，有效载荷即为我们真正买的商品，报头即为我们不关心的商品的包装、包裹。

分用：解包交付的时候，B主机的每一层必须要明确把有效载荷交给上层的谁，决定交给谁的信息就包含在当前层的报头中。

利用TCP/IP协议族进行网络通信时，会通过分层顺序与对方进行通信。发送端从应用层往下走，接收端则从应用层往上走。

我们用HTTP举例说明，首先作为发送端的客户端在应用层（HTTP协议）发出一个想看某个Web页面的HTTP请求。接着为了传输方便，在传输层（TCP协议）把从应用层处收到的数据（HTTP请求报文）进行分割，并在各个报文打上标记序号及端口号后转发给网络层。在网络层（IP协议），增加作为通信目的地的MAC地址后转发给链路层。这样一来，发往网络的通信请求就准备齐全了。（可以总结为a.发送HTTP请求，b.传输层进行HTTP请求分割，添加标号和端口号，c.网络层添加作为通信目的地的MAC地址，并转发给数据链路层。）

接收端的服务器在链路层接收到数据，按序往上层发送，一直到应用层。当传输到应用层，才能算真正接收到由客户端发送过来的HTTP请求。

事实上，B所在的局域网中的所有主机都可以收到来自A局域网的信息，那么A主机是怎么让B主机接收到的呢？

在A主机向B主机发消息时，会包含一个MAC地址。MAC地址会惟一标识主机，在每台主机的网卡中。位于B局域网中的其它主机会自动丢弃来自A主机的信息（因为MAC地址不匹配）。

如果A局域网中多台主机同时向B主机发送信息，就可能在数据链路层发生数据碰撞。每个局域网都有碰撞检测的功能；一旦发生数据碰撞，主机就会通过“等”的方式来避免碰撞。

说明：IP协议的作用是把各种数据包传送给对方。而要保证确实传送到对方那里，则需要满足各类条件。其中两个重要的条件是IP地址和MAC地址。IP地址指明了节点被分配到的地址，而MAC地址是指网卡所属的固定地址。IP地址可以和MAC地址进行配对。IP地址可以变换，但MAC地址基本上不会更改。