计算机网络背景

计算机网络背景是一个复杂而丰富的领域，涵盖了从计算机单机模式到网络互联的演变过程，以及网络技术的不断发展和创新。

计算机单机模式和独立发展

在早期，计算机主要以单机模式存在，即每台计算机都是独立的，它们之间无法直接进行通信和数据共享。这种模式下，计算机之间的协同工作非常困难，效率也极低。例如，当多个计算机需要共同完成某项任务时，它们只能通过物理媒介（如光盘、磁带等）来传递数据，这大大限制了计算机的应用范围和效率。

网络互联的兴起与发展

随着计算机技术的不断发展，人们开始意识到将多台计算机连接在一起的重要性。于是，网络互联的概念应运而生。网络互联不仅实现了计算机之间的数据共享和通信，还大大提高了计算机系统的整体性能和效率。

• 局域网（LAN）的出现：
  局域网是指在一个较小区域内（如一个楼层、一栋楼或一个校园）的计算机相互连接形成的网络。它主要使用交换机和路由器等设备进行数据转发和路由选择。
  

• 广域网（WAN）的扩展：
  广域网则是指覆盖多个远距离区域的远程网络。它通常跨越城市、国家甚至全球范围，通过长途通信线路（如光缆、卫星等）将多个局域网连接起来。
  

• 城域网（MAN）的补充：
  城域网是连接整个城市的网络，它比局域网更大但比广域网更小。城域网为城市范围内的计算机提供了高效、稳定的数据传输服务。

互联网的形成与普及

互联网是计算机网络发展的高级阶段，它是一个由全球范围内的众多计算机网络相互连接而成的庞大网络。互联网的形成经历了多个阶段，包括ARPANET的创建、TCP/IP协议的普及以及互联网的商业化等。

• ARPANET的创建：
  ARPANET是美国国防部高级研究计划局在20世纪60年代末创建的第一个分组交换网络。它最初只连接了四台计算机，但为后来的互联网发展奠定了基础。
• TCP/IP协议的普及：
  TCP/IP协议是互联网的核心协议之一，它规定了互联网中数据传输的格式和规则。随着TCP/IP协议的普及和应用，越来越多的计算机和网络开始支持该协议，从而实现了互联网的互连和互通。
• 互联网的商业化：
  随着互联网的不断发展，其商业化进程也逐渐加速。越来越多的公司开始提供互联网接入服务、网站建设服务以及电子商务等应用服务。这些服务的出现不仅丰富了互联网的应用场景和功能，还推动了互联网产业的快速发展。

协议

在计算机网络中，协议是一种“约定”，它规定了数据在网络中传输的方式、格式、顺序以及双方进行通信的交互规则。这些规则确保了不同设备和系统之间能够相互理解和协作，从而实现了信息的有效传递和共享。

协议的作用

• 确保数据传输的正确性：协议规定了数据的传输格式和顺序，确保了数据在传输过程中不会出现错误或丢失。
• 提高通信效率：通过规定数据传输的方式和顺序，协议可以优化通信过程，减少不必要的等待和重传，从而提高通信效率。
• 保障安全性：协议中通常包含安全性的规定，如数据加密、身份认证等，以保障数据传输的安全性。

协议的分类

计算机中的协议可以根据不同的标准进行分类，常见的分类方式包括：

1.按协议的功能分类：

• 应用层协议：如HTTP（超文本传输协议）、FTP（文件传输协议）、SMTP（简单邮件传输协议）等，这些协议为应用程序提供了网络服务。
• 传输层协议：如TCP（传输控制协议）和UDP（用户数据报协议），这些协议负责向用户提供端到端的通信服务，实现流量控制和差错控制。
• 网络层协议：如IP（互联网协议），它定义了能够标识所有结点的逻辑地址，还定义了路由实现的方式和学习的方式。
• 数据链路层协议：如以太网协议，它定义了如何在单个链路上传输数据。
• 物理层协议：定义了数据传输的物理介质和接口标准，如RS-232、USB等。

2.按协议的开放性分类：

• 开放式协议：如TCP/IP协议族，这些协议是公开的、标准化的，任何厂商都可以按照标准开发支持这些协议的产品。
• 私有协议：某些厂商为了保持技术领先或实现特定功能，可能会开发自己的私有协议，这些协议通常不公开或只在小范围内使用。

协议的实现

协议的实现通常涉及软件编程和硬件支持两个方面。在软件方面，开发人员需要按照协议规范编写相应的程序代码，以实现协议规定的功能。在硬件方面，则需要提供相应的接口和物理介质来支持协议的运行。

协议的标准化

协议的标准化是计算机网络发展的重要保障。通过制定统一的协议标准，可以确保不同厂商的设备能够相互通信和协作，从而实现网络的互联互通。国际标准化组织（ISO）和互联网工程任务组（IETF）等机构在协议标准化方面发挥了重要作用。

OSI模型

OSI模型，即开放式系统互联（Open Systems Interconnection）模型，是由国际标准化组织（ISO）在1985年研究并提出的网络互连模型。该模型是一个分层的网络通信协议体系结构，它定义了网络互连的七层框架，每一层都完成特定的功能，并将其整合到更高层次的通信过程中。

OSI模型从低到高依次分为以下七层：

1.物理层（Physical Layer）

• 主要功能：负责传输数据比特流，即将数据从发送方传输到接收方，通过物理介质（如网线、无线信号等）实现。
• 传输单位：比特（bit）。
• 常用设备：集线器、中继器、调制解调器、网线、双绞线、同轴电缆等。

2.数据链路层（Data Link Layer）

• 主要功能：负责数据包的传输和接收，错误检测和纠正，确保数据的可靠传输。该层将比特组合成字节，再将字节组合成帧，使用链路层地址（如以太网使用MAC地址）来访问介质，并进行差错检测。
• 传输单位：帧（Frame）。
  重要协议：ISO1745、HDLC（高级数据链路控制）等。
  常用设备：交换机、网卡等。

3.网络层（Network Layer）

• 主要功能：通过IP地址和路由器实现数据包的传输，负责数据包的寻址和路由选择，实现不同网络之间的通信。
• 传输单位：数据包（Packet）。
• 重要协议：IP协议（Internet Protocol）、ICMP（Internet Control Message Protocol）、ARP（Address Resolution Protocol）、RARP（Reverse Address Resolution Protocol）等。
• 常用设备：路由器。

4.传输层（Transport Layer）

• 主要功能：提供端到端的可靠数据传输，确保数据包按顺序到达目的地。该层还负责处理差错控制和流量控制等问题。
• 传输单位：段（Segment）或报文（Message）。
• 重要协议：TCP（Transmission Control Protocol，传输控制协议）、UDP（User Datagram Protocol，用户数据报协议）等。

5.会话层（Session Layer）

• 主要功能：建立、管理和终止会话，确保数据流的正确传输，如会话控制和同步。
• 传输单位：会话（Session）。

6.表示层（Presentation Layer）

• 主要功能：处理数据的编码、加密和压缩，确保数据格式的统一和可识别。该层还可以将不同格式的数据进行转换，以便不同系统之间的互操作性。
• 传输单位：报文（Message）。

7.应用层（Application Layer）

• 主要功能：为用户提供网络服务，如HTTP（用于网页浏览）、FTP（用于文件传输）、SMTP（用于电子邮件传输）等，完成各种应用程序之间的数据传输。
• 传输单位：报文（Message）。

OSI模型的特点

分层结构：将整个通信过程划分为七个层次，每个层次都有特定的功能和任务，并通过接口与邻近层次进行通信。这种分层结构使网络设计更加灵活，并且可以独立地对每个层次进行改进和扩展。

模块化设计：每个层次在OSI模型中都是独立的模块，具有特定的功能和接口。这种模块化设计使得网络协议的开发和维护更加容易，同时也方便了协议的替换和升级。

协议标准化：OSI模型对网络通信的每个层次都定义了特定的协议，这些协议是经过国际标准化组织（ISO）标准化的。标准化的协议确保了不同厂商之间的互操作性，使得网络设备和系统能够正常地进行通信。

独立性：每个层次在OSI模型中都是相互独立的，层次之间的变化不会对其他层次产生影响。这种独立性使得网络的设计更加灵活，可以针对不同的需求进行定制和优化。

TCP/IP模型

TCP/IP模型，全称为TCP/IP参考模型（TCP/IP reference model），是计算机网络的祖父ARPANET和其后继的因特网使用的参考模型。它是一组用于实现网络互连的通信协议，Internet网络体系结构以TCP/IP为核心。

从上到下依次为：应用层、传输层、网络层（也称为主机到主机层或网际层）、物理层（链路层，有时也包含物理层）。这一模型与OSI（开放式系统互联）参考模型相比更为简洁。

	TCP/IP模型	OSI模型
层次结构	四层	七层
定义方式	先有协议集然后建立模型	在协议开发前设计
通用性	不适用于非TCP/IP网络	具有通用性
复杂性	相对简单	层次过多，划分意义不大但增加了复杂性
抽象能力	较低，功能描述和实现细节混在一起	高，适合描述各种网络

这个模型将在之后大量会运用到。

TCP/IP协议

TCP/IP协议（Transmission Control Protocol/Internet Protocol）是互联网的核心协议套件，它定义了电子设备如何连入因特网以及数据如何在它们之间传输的标准。TCP/IP协议并非指单个协议，而是由一系列协议组成的协议族，这些协议共同工作以确保数据的可靠传输。

TCP（传输控制协议）

TCP是一种面向连接的、可靠的、基于字节流的传输层通信协议。TCP通过三次握手过程建立连接，确保数据包的顺序、完整性和正确性。TCP通过流量控制、拥塞控制等机制来避免网络拥塞，确保数据传输的可靠性。TCP适用于对可靠性要求较高的应用场景，如文件传输、网页浏览等。

IP（互联网协议）

IP是TCP/IP协议族中的网络层协议，它负责将数据包从源主机传输到目的主机。IP协议定义了数据包的格式、寻址方式和路由机制。IP地址是互联网中设备的唯一标识，通过IP地址，数据包可以在全球范围内的网络中传输。IP协议提供的是无连接的、不可靠的服务，它不保证数据包的顺序、完整性和正确性，这些功能由更高层的协议（如TCP）来实现

MAC地址

• MAC 地址用来识别数据链路层中相连的节点;

• 长度为 48 位, 及 6 个字节. 一般用 16 进制数字加上冒号的形式来表示(例如:08:00:27:03:fb:19)

• • 在网卡出厂时就确定了, 不能修改. mac 地址通常是唯一的。

IP地址

IP地址（Internet Protocol Address）是指互联网协议地址，又译为网际协议地址。它是IP协议提供的一种统一的地址格式，为互联网上的每一个网络和每一台主机分配一个逻辑地址，以此来屏蔽物理地址的差异。

功能

• 设备识别和寻址：用于识别和定位连接到网络上的设备，包括个人计算机、服务器、智能手机、路由器等。
• 数据路由：主要用于数据在网络中的传递。当一个设备通过互联网发送数据时，数据包会根据目标IP地址进行路由，路由器负责将数据从源IP地址发送到目标IP地址对应的设备。
• 网络通信：是实现网络通信的基础。网络中的设备可以通过IP地址相互通信，交换数据、发送请求和应答等。

类型与分类

IP地址有多种类型，主要根据版本和用途进行分类：

1.按版本分类：

• IPv4：目前广泛使用的IP地址标准，由四个十进制数（每个数的取值范围为0-255）组成，以“.”分隔，例如192.168.0.1。IPv4地址空间有限，预计将在未来被耗尽。
• IPv6：下一代IP地址标准，由八组四位十六进制数（每个数的取值范围为0-FFFF）组成，以“:”分隔，例如2001:0db8:85a3:0000:0000:8a2e:0370:7334。IPv6旨在解决IPv4地址空间不足的问题，提供几乎无限制的地址空间。

2.按用途分类：

• 公有IP地址：在公共互联网上唯一标识一个设备或网络的IP地址，可以直接被其他设备访问。通常由互联网服务提供商（ISP）分配。
• 私有IP地址：在局域网中使用的特定地址范围，不被路由器转发到公共互联网，用于内部通信。常见的私有IP地址范围包括IPv4的10.0.0.0-10.255.255.255、172.16.0.0-172.31.255.255和192.168.0.0-192.168.255.255等。
• 静态IP地址：在网络中固定分配给一个设备的IP地址，不会随着设备重新连接网络而改变。通常用于需要长期稳定连接的设备，如服务器。
• 动态IP地址：在网络中临时分配给一个设备的IP地址，可以随着设备重新连接网络而改变。由DHCP（Dynamic Host Configuration Protocol）服务器分配，通常用于普通用户终端设备。