TCP IP（一）：网络基础知识

计算机网络的出现

• 计算机的普及与多样化
• 从独立模式到网络互连模式
  • 起初，计算机以单机模式被广泛使用，随着计算机发展，人们不再局限于单机模式，而是将一个个计算机连接在一起形成一个计算机网络，使得多台计算机可以实现信息共享，同时能在较远的物理位置的不同机器之间传递信息
  • 计算机网络，根据其规模可分为 WAN（广域网）与 LAN（局域网），多台计算机连接到一个交换机（处理每台计算机之间的网络请求）上，交换机连接到路由器上，路由器与路由器之间形成了广域网
• 从计算机通信到信息通信
  • 最初，由管理员将几台计算机连接在一起形成计算机网络，例如同一个公司、实验室，或者是有业务往来的企业，随着这种私有网络的不断发展，人们开始尝试将多个私有网络连接组成更大私有的网络

计算机与网络发展的7个阶段

• 批处理
  • 为了能让更多人使用计算机，出现了批处理系统，所谓批处理，就是将事先用户程序和数据装入卡带或磁带，计算机按照一定顺序读取，使用户钥执行的这些程序能够一并批量得到处理的方式
  • 缺点：计算机体积大、价格昂贵、且操作复杂，有时程序处理时间较长，在用户较多情况下，用户程序可能无法立即得到运行
• 分时系统
  • 分时系统是指将多个终端与同一个计算机连接，允许多个用户同时使用一台计算机系统，当时计算机非常昂贵，一人一台计算机的费用太高，然而分时系统的产生实现了“一人一机”的目的，让用户感觉好像自己在使用一台计算机一样。
• 计算机之间的通信
  • 在计算机间的通信技术诞生前，想要将一台计算机中的数据转移到另一台计算机中是相当繁琐的，那时得将数据通过媒介（光盘、软盘），然而有了计算机之间的通信线路后，人们可以很轻松的读取另一台计算机中的数据
  • 计算机间的通信技术使得人们不再局限于用一台计算机进行处理，而是使用多台计算机进行分布式处理，最终一并得到返回结果
• 计算机网络的产生
  • 20 世纪 70 年代初期，人们开始实验基于分组交换技术的计算机网络，并研究不同厂商之间相互通信的技术，到了 80 年代，一种能够连接多种计算机的网络随之诞生
• 20世纪90年代开始，互联网的普及
• 以互联网为技术中心的时代
• 从“单纯建立连接”到“安全建立连接”

协议

• 协议的必要性
  • 通常我们接触不到协议，是因为计算机应用程序已经帮我们实现了协议，但协议是非常重要的，它是计算机与计算机之间的“约定”，只有遵循相同的协议才能完成通信
• 分组交换协议
  • 分组交换协议是指将大数据分割为一个个叫做包的较小单位进行传输的方法。而包中包含了“报文首部”（发送地址、接收端等信息）
• 协议的标准化
  • ISO（国际标准化组织）制定了一个国际标准 OSI，对通信系统进行了标准化。而因为 OSI 模型模块与模块之间耦合性高的缺陷，IETF 民间组织出提出了 TCP／IP 协议，TCP／IP 成为互联网的一种标准，成为广泛应用的通信协议

OSI 模型

• 协议的分层
  • OSI 模型将协议分层了 7 层，每层都接收由它下一层所提供的服务，并为自己的上一层提供服务，同一层之间交互所遵循的约定叫“协议”
  • 但 OSI 模型的劣势在于过分模块话化，但模块与模块之间的耦合度高
• OSI 模型
  • 应用层：针对特定应用的协议，如：电子邮件协议、远程登录协议
  • 表示层：设备固有数据格式和网络标准数据格式的转化，如接收不同表现形式的信息、文字、图像、声音等，更关注数据的表现形式
  • 会话层：通信管理、负责建立和断开通信连接
  • 传输层：管理两个节点之间的数据传输，负责可靠的数据传输
  • 网络层：地址管理（寻址）与路由选择
  • 数据链路层：设备之间传送和识别数据帧，数据与比特流之间的转化
  • 物理层：以“0”、“1”代表高低、灯光的闪灭，界定连接器和网线的规格

OSI 模型通信举例

• 发送方从第 7 层到第 1 层由上自下按顺序传输数据，而接收端从第 1 层到第 7 层由下至上传输数据
• 在每个分层上，处理由上一层传过来的数据时可以附上当前层协议所必须的 “首部信息” 信息
• 由接收端收到数据进行数据 “首部” 和 ”内容“的分离，在转发给上一层，并最终将发送端数据恢复原状

传输方式的分类

• 面向有连接型与面向无连接型（分类）
  • 面向有连接：在通信传输之前，先打开一个连接，连接关闭时无法发送数据
  • 面向无连接：无需确认对端是否存在，发送端可以随时发送数据
• 电路交换与分组交换（方式）
  • 电话交换技术：电话交换技术主要用于过去的电话网，两个计算机之间发送数据时需要建立电信通路（连接），建立好连接后用户可以一直使用这条电路，直到该连接被断开，而另外一个用户要与该用户进行通信时需要等到之前的用户断开链接后才可以，且不知道何时结束
  • 分组交换技术：为此人们想到一个新方法，将计算要发送的数据包按一定顺序拆分之后分别发送。数据被细分后，所有计算机之间可以一齐收发数据，提高了通信线路的利用率，分组的过程中已经在首部写入了发送端和接收端地址，接收端接收完整数据包后将数据进行合并恢复为原来的数据

地址

• 地址
  • 发送端和接收端可以被视为通信主体、它们都由一个所谓的“地址”的信息标识，如电话号码就相当于“地址”
  • 网络通信中，如 TCP／IP 使用 MAC、IP地址、端口号等作为地址标识
• 地址唯一性
  • 在单播中，两台计算机都要有一个唯一的 IP 地址
  • 在广播中，接收端不止一个，那么发送端如何确定将数据发送到哪个地址呢？为此，可以对这些多个设备组成的一组通信赋予同一个具有唯一特性的地址（如老师叫：“一年级一班所有同学”）
• 地址的层次性
  • 当地址总数越来越多，如何高效的从中找出通信目标地址成为一个重要的问题，为此地址除了具有唯一性还需要具有层次性，如电话号码包含了国家区号、国内区号，有了层次性才能更快的发送到目标端
  • MAC 地址是无层次性的、虽然 MAC 地址与 IP 地址都具有唯一性
• MAC地址
  • MAC 地址是由设备制造厂商针对每块网卡进行分别指定，人们可以通过制造商识别号、制造商内部产品编号确定MAC地址唯一性。但人们无法确定哪个厂商将网卡用到哪个地方，MAC地址中的产品编号对寻址并没起到任何作用
  • MAC地址是真正负责通信的地址，但是在寻址过程中，IP 地址是不可少的
• IP地址
  • IP 地址由网络号和主机号两部分组成，即使通信主体的IP地址不同，若主机号不同、网络号相同，说明它们处于同一个网段。通常一个网段主机属于同一部门或集团组织

网络的构成要素

• 网卡：计算机连网的设备
• 中继器：从物理层上延长网络的设备
• 网桥／2层交换机 ：从数据链路层上延长网络的设备
• 路由器／3层交换机：通过网络层转发分组数据的设备
• 4～7层交换机：处理传输层以上各层的网络设备
• 网关：转换协议的设备