yo！这里是网络入门初识

news2024/10/7 2:26:26

前言

基本概念

网络

协议

地址

网络传输流程

OSI七层模型

TCP/IP四层（五层）模型

流程图

数据封装&&分用

后记

前言

对于上一个专栏——Linux操作系统，我们学习了操作系统的基础知识以及基本的系统编程，其中系统编程的学习将在这一专栏中继续展开，结合网络部分知识进入到网络编程阶段。计算机网络在计算机四大件中的重要性不可忽视。首先，计算机网络提供了计算机硬件之间的连接和通信方式，实现了计算机之间的数据传输，使得计算机可以互相交换信息和资源。没有计算机网络，各个计算机硬件将无法进行有效的通信和协作，无法实现资源共享和信息传递。下面我们将初识一下网络入门级知识点，为后面的学习打下一个基础。

基本概念

网络

        无线网&&以太网是计算机网络中常见的网络连接方式。

        无线网是指通过无线技术实现的网络连接。它使用无线信号传输数据，不需要通过有线电缆连接设备。无线网通常使用Wi-Fi技术实现，可以通过无线路由器将互联网连接分享给多个设备，让设备在范围内无线上网。无线网的优势在于灵活性和便利性，用户可以在网络覆盖范围内自由移动，无需被有线连接限制。

        以太网是指使用以太网协议（Ethernet）进行数据传输的有线网络。以太网使用电缆连接设备，常见的是使用双绞线连接设备到交换机或路由器。以太网的传输速度通常较快且稳定，并且可以实现长距离的数据传输。以太网通常用于需要更高传输速度和更稳定连接的场合。

        局域网&&广域网是一个相对而言的概念，如果存在比广域网更大的网络，此时这个广域网也可看做一个较大的局域网。但是，叫一个非常大的网为局域网就非常奇怪，于是广域网和局域网有了以下更为具体的定义。

        局域网（Local Area Network，LAN）是指在小范围内的一组计算机和设备通过通信线缆或无线连接起来的网络。局域网通常用于家庭、办公室、学校等小范围的场所，其主要目的是提供内部资源共享和通信的功能，如共享文件、打印机、互联网连接等。

        广域网（Wide Area Network，WAN）则是指覆盖范围更大、跨越较长距离的网络，通常由多个局域网互相连接组成。广域网可以跨越城市、国家甚至是全球，在不同地点的设备可以通过广域网进行通信和数据交换。广域网通常由运营商提供，使用特定的通信协议和设备进行组网和数据传输。

协议

日常生活中，协议就是一种约定，网络中的协议也是一样，是在计算机系统中用于传输数据的规则和约定，确保了不同计算机和设备之间的通信能够顺利进行。其实，协议在计算机中本质就是软件，可以“分层“的软件，或者说被层状的划分，这是为什么？

举个例子，两个异地的人打电话，关于通信的协议就必须包括但不限于用什么语言对话（英语or中文，方言or普通话），用什么设备（手机or有线电话）等，“语言层”与“设备层”就需要划分开来，否则某语言与某设备就会捆绑，这其实是不正确的。分层最大的好处就是“封装”，将语言层与设备层封装起来，更换语言与更换设备是完全解耦的，互不影响，不用考虑新语言和通讯设备的更新换代导致通信机制跟着发生变化。在上面这个例子中只有简单的两层，在网络协议中的协议更加复杂更多层次，包括http、tcp、ip等，对应于网络通信过程中的不同阶段。

地址

IP地址是在ip层中用来标识网络中不同主机的地址，有两个版本——ipv4、ipv6。对于ipv4，ip地址是一个4字节、32位的整数，使用点分十进制的字符串表示，比如192.168.0.1，用点分割的每个数字表示一个字节，范围是0-255。

MAC地址是数据链路层用来识别相连的节点地址，存在于网卡上，MAC地址在网卡出厂时就已存在，无法更改，通常情况下是唯一的。MAC地址长度为48位，6个字节，每个字节用冒号分割，用16进制表示，比如08:00:27:03:fb:19。

举个容易理解的例子，若西游记中的唐僧是发送的数据，则东土大唐和西天是源ip和目的ip，若唐僧当前在车迟国，下一站是女儿国，则车迟国和女儿国分别是源mac地址和下一站mac地址。

网络传输流程

OSI七层模型

OSI（Open Systems Interconnection开放系统互连）七层网络模型是一种网络协议参考模型，它将计算机网络通信的过程分为七个不同的层次，如下图。每个层次都负责特定的功能和协议，从物理连接到应用程序之间的通信，最主要的功能就是帮助不同类型的主机实现数据传输，但是其既复杂又不实用，真正网络传输数据时用的是TCP/IP四层模型。

TCP/IP四层（五层）模型

TCP/IP网络协议包括许多协议，组成了协议簇，包括（物理层、）数据链路层、网络层、传输层、应用层，每一层都是让其下一层所提供的网络来完成自己的需求。其中物理层考虑的比较少，因此主要被称为四层模型，如下图。

物理层：负责光/电信号的传递方式，集线器和众所周知的调制解调器（猫）就工作在物理层；

数据链路层：负责设备之间的数据帧的传送和识别，交换机工作在这一层；

网络层：负责地址管理和路由选择，比如ip协议，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，比如tcp协议，能够确保数据可靠的从源主机发送到目标主机；

应用层：负责应用程序间沟通，比如http、telnet，网络编程就是针对于应用层。

一般而言，对于一台主机，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，它实现了从网络层到物理层；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，它只实现了物理层。

流程图

一个路由器构建一个局域网（网段），在同一网段中的两台主机可以直接通信，通过TCP/IP协议通信的过程流程图如下：

不同网段的主机进行数据传输，数据从一台主机到另一台主机需要经过一个或多个路由器，传输过程流程图如下：

数据封装&&分用

①不同的协议层对数据包有不同的称呼，在传输层叫做段(segment)，在网络层叫做数据报 (datagram)，在数据链路层叫做帧(frame)。

②数据在经过每层协议都要加上一个数据首部(header)，这个过程称为封装，本质就是添加报头，首部信息中包含了一些类似于首部有多长，载荷(payload)有多长，上层协议是什么等信息。

③到达目的主机后经过每层协议再剥掉相应的首部，根据首部中的 "上层协议字段" 将数据交给对应的上层协议处理，本质就是去掉包头。

数据在TCP/IP四层网络协议添加或去掉包头的数据报头示意图如下，具体每层协议的报头信息会在对应专题中讲到，这里作初步了解即可。