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第一章，网络基础知识
一，计算机网络的规模划分
1.1 WAN（广域网）
- 覆盖多个远距离区域的远程网络
1.2 MAN（域域网）
- 连接整个城市的网络
1.3 LAN（局域网）
- 指一个楼层，一栋楼或者一个校园等相对较小区域内的网络
二，计算机与网络发展的七个阶段
2.1 批处理
- 事先将用户程序装入卡带，由计算机按照一定的顺序读取并执行
2.2 分时系统
- 多个终端与同一个计算机相连接，允许多个用户同时使用一台计算机的系统（特性：独占性）
2.3 计算机之间的通信
2.4 计算机网络的产生
- 能让各式各样的计算机互相连接
- 窗口系统的发明，使得可以同时执行多个程序，还能在这些程序之间自由的切换作业
2.5 互联网的普及
2.6 以互联网技术为中心的时代
- 电话网被IP网所取代，通过IP网，人们可以 实现实时电话通信，计算机之间的通信等
2.7 从“单纯建立连接”到“安全建立连接”
| 年代 | 内容 |
|---|---|
| 20世纪50年代 | 批处理时代 |
| 20世纪60年代 | 分时系统时代 |
| 20世纪70年代 | 计算机间通信时代 |
| 20世纪80年代 | 计算机网络时代 |
| 20世纪90年代 | 互联网普及时代 |
| 2000年 | 以互联网为中心的时代 |
| 2000年 | 无论何时何地一切皆TCP/IP的网络时代 |
三，协议
- 互联网中常用的代表性的协议有 ：IP，TCP，HTTP等，LAN中常用的协议有：IPX/SPX
- TCP/IP就是IP，TCP，HTTP等协议的集合
| 网络体系结构 | 协议 | 主要用途 |
|---|---|---|
| TCP/IP | IP，ICMP，TCP，UDP，HTTP，TELNET，SNMP，SMTP… | 互联网，局域网 |
| IPX/SPX | IPX，SPX，NPC | 个人电脑局域网 |
| AppleTalk | DDP，ETMP，AEP，ATP，ZIP… | 苹果公司现有产品的局域网 |
| DECnet | DPRNSPSCP… | 前DEC小型机 |
| OSI | FTAM，MOTIS，VT，CMIS/CMIP，CLNP，CONP… | |
| XNS | IDP，SPP，PEP… | 施乐公司网络 |
3.1 协议的重要性
- 协议可以分为很多种，每一种协议都明确的界定了它的行为规范。两台计算机之间必须能够支持相同的协议，并遵循相同协议进行处理，这样才能实现相互通信
-在计算机通信中，实现达成 一个详细的约定，并遵循这一约定进行处理尤为重要。这种约定其实就是协议
3.2 分组交换协议
- 分组交换是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。
四，协议由谁规定
- 国际标准化组织（ISO）制定了一个国际标准（OSI），对通信系统进行了标准化，现在虽然OSI定义的协议没有得到普及，但是其最初的设计指导方针却常被用于网络协议的制定当中。
- 我们所要研究的TCP/IP并非是ISO制定的标准，而是由IETF所建议的，致力于推进其标准化作业的一种协议，在当时，大学等研究机构和计算机行业作为中心力量，推动了TCP/IP的标准化进程，作为业界标准，俨然成为了全世界所广泛应用的通信协议。
- 标准化组织分为三类：国际级标准化机构，国际家标准化机构，以及民间团体，目前国际级标准化机构有ISO，ITU-T等，国家级有日本的JISC（制定了日本JIS）和美国的ANSI，民间团体包括IETF等组织。
五，协议分层和OSI参考模型
5.1 协议的分层
- 在制定标准化OSI之前，对网络体系结构相关的问题进行了充分的讨论，最终提出了作为通信协议设计指标的OSI参考模型，这一模型将通信协议中的功能分成了七层
- 每个分层都接收由他下一层所提供的特定服务，并且负责为自己的上一层提供特定的服务，上下层之间进行交互时所遵循的约定叫做”接口”，同一层之间的交互所遵循的约定叫做协议。
- 这里用打电话做个比方，我们在以前的时候是通过有线电话通话的，他的通话模型可以堪称是这样
- 我们人说的话经过电话线的处理和传播，到了另一头的听筒，这样两个人就能实现远程对话
- 话筒将我们说的话转成相应的电流信号，传到另一端的话筒，另一端的话筒将传过来的电流信号翻译成我刚才说的话，然后电话另一端的人就能听到我说的话
- 在这个过程中，我们读不懂电话中的电流，对于电话来说，也读不懂我们说的话，可是就这样完全不懂的两者，却实现了远程通信，这就是分层的意义
- 本层只管提供自己本层的事物，对于上下层之间，我们只需要知道对方提供给了我们什么东西或者我们要为对方提供什么东西，而不用去关心对方是否懂我们的意思或者我们是否懂对方的意思，这就是接口：接口就是上下层之间提供或者被提供数据的方式
- 而对应的层之间却是能互相理解自己的意思，比方说，在上图中，两个打电话的人属于同一层，他们可以使用两者都懂的汉语，或者是英语，对于电话机来说，他们只需要知道对方传来的电流信号从哪个信号开始是有用的，从哪个开始是无用的，就可以了，这就是协议：协议就是对应的层之间互相懂
- 而在信息技术飞速发展的今天，有线电话机很快被无限电话机取代，这说明我们上图的电话机层不再适用，但是就不代表我们通话的方式就要变化，对于我们人来说，打电话的方式丝毫未变，变得只是电话机层对我们说的话的处理方式
5.2 OSI参考模型
- OSI参考模型将一个复杂的协议整理并分成了易于理解的7个分层。
- 不过OSI终究只是一个模型，并没有对协议和接口，他只是对每一层的功能做了一个粗略的界定，若是要了解更多的细节，还需要参考每个协议的具体规范
5.3 OSI参考模型中各个分层的作用
| 分层名称 | 功能 | 每层功能概览 |
|---|---|---|
| 7 应用层 | 针对特定应用的协议 | 电子邮件——电子邮件协议，远程登录——远程登录协议，文件传输——文件传输协议 |
| 6 表示层 | 设备固有数据格式和网络标准数据格式的转换 | 接收不同表现形式的信息，如文字流、图像、声音等 |
| 5 会话层 | 通信管理。负责建立和断开通信连接（数据流动的逻辑通路）。管理传输层以下的分层。 | 何时建立连接，何时断开连接以及保持多久的连接？ |
| 4 传输层 | 管理两个节点之间的数据传输。负责可靠传输（确保数据被可靠地传送到目标地址） | 是否有数据丢失？ |
| 3 网络层 | 地址管理与路由选择 | 经过哪个路由传递到目标地址？ |
| 2 数据链路层 | 互连设备之间传送和识别数据帧 | 数据帧与比特流之间的转换 |
| 1 物理层 | 以“0”、“1”代表电压的高低、灯光的闪灭。界定连接器和网线的规格 | 比特流与电子信号之间的切换，连接器与网线的规格 |
5.4 OSI参考模型通信处理举例
- 假设现在X要给Y发送消息
- 那么这条消息从X的应用层会经过自身的七层，然后通过网络电缆或者无线发射器到Y端的最低层，最后在到Y
5.4.1 会话层以上的处理：
- 当X要给Y发送一条消息的时候，X先编辑好这条消息的内容，指定收消息的人是Y，点击发送之后，就来到了应用层协议的处理阶段，该协议会在所要传输的数据前段附加一个首部（标签）信息，这个首部表明了消息内容和收件人，当该条消息发送到Y端的应用层的时候，因为两个应用层使用的是同一协议，所以Y端的应用层能很方便的解析出消息内容和收件人信息
- 表示层的表示有 表现，演示的意思，因此更关注数据的表现形式。因为应用层可能因为软件的不同而在应用层完毕之后生成的数据格式不同，表示层负责将这些个不同的数据转换成网络通用的标准数据格式后再发送出去，接收端接收到网络通用的数据格式之后将之转换为该计算机特定的数据格式，表示层与表示层之间为了识别编码格式也会附加首部信息，从而将实际传输的数据转交给下一层去处理。
会话层，当我们编辑了五条信息之后，点发送之后，如果是让我们来处理这五条消息的发送顺序的话，我们可以选择每发一条消息建立一次连接，也可以直接建立一次连接将五条消息都发送完毕，会话层就是管理这个的，他也会在数据前段附加首部信息再转发给下一层
传输层，主机A和主机B之间的通信并准备发送数据，这一过程叫做建立连接，有了这个通信连接就可以使两个主机之间得以信息传递，当传输结束后，有必要将连接断开
- 网络层，网络层的作用是在网络与网络相互连接的环境中，将数据从发送端主机发送到接收端主机，两端主机之间有多条数据链路，网络层负责筛选正确的路线（筛选正确的目标地址），
- 数据链路层，通信传输实际上是通过物理的传输介质实现的，数据链路层的作用就是在这些通过传输介质互联的设备之间进行数据处理
- 物理层，物理层，将数据的0，1转换成电压和脉冲光传输给物理的传输介质，而相互智联的设备之间使用地址实现传输，这种地址被称为MAC地址（也称物理地址或者硬件地址），采用MAC地址，目的是为了识别连接到同一个传输介质上的设备，因此，在这一层中将包含MAC地址信息的首部附加到从网络层转发过来的数据上，将其发送到网络
六，传输方式的分类
分类一：面向有连接型和无连接型
- 面向有连接型：就像打电话一样，我们必须保证通话双方都拿起当拨打电话的时候，我们必须保证通话双方必须同时拿起电话（建立通信线路）的时候才能进行通信
- 面向无连接型：就像我们寄快递一样，我们仅仅只需要填一个地址就可以将包裹寄出去，快递接收员不需要知道你填的这个地址是否有效，快递是否最终会寄到你需要的地方，这些是不需要管的（只关心发的状态，而不关心收的状态）
分类二：电路交换和分组交换
- 电路交换：这里直接来张图
- 这就是电路交换，当不同的用户之间需要通信的时候，就共同连接到中间线路，但是这种方式会导致一个问题就是同时只能有一个通信
- 分组交换：分组交换跟电路交换差不多，这里还是来张图说明
- 还是通过一条公共线路来通信，只不过这个时候不是一对用户独占通信线路，而是将自己要发送的消息拆分包装成一个个的数据包，然后发送，这样，就实现了多人同时通信的效果
分类三：根据接收端数量分类
- 单播：就是一对一通信
- 广播：将消息从一台主机发送给与之相连的其他主机，比如电视，电视台将电视信号发送出去，发送给非特定的多个接收对象，像电视机特定的频道都有特定的频段，这个频段叫做广播域
- 多播：多播跟广播基本一样，只不过多播需要限制接收端的对象，比方说多人聊天，只有被群主允许的人才能加进去
- 任播：任播指的是在多个接收端中选择一台最符合网络条件的作为目标主机，然后就会只跟这台主机进行一对一通信，任播的应用有DNS根域名解析服务器
七，地址
- 通信传输中，发送端和接收端可以被视为通信主体，他们都能由一个所谓的“地址”的信息加以标识出来，当人们使用电话机时，电话号码就相当于地址，写信时，通信地址加上姓名就是 地址，现实生活中的地址容易理解，在计算机中的地址可能比较抽象，这么来说吧，不同的通信层面上地址的表示方法不同，但归根结底就是：地址是该通信层的发送端找到接收端的唯一方式，例如：TCP/IP中使用MAC地址，IP地址等，应用层使用电子邮件地址作为地址
地址的特性
唯一性
- 每个主机对象（或者说接收端对象）都是唯一被表示的，我们通信的时候只需要指定特定的地址即可，当然有人可能会问，那么你只能指定一个地址的话，那么多播和任播需要发送给多个地址，这个怎么办呢？
- 地址当然不是任意命名的，他会有分类，就比如说我们读大学会有学院分类，专业分类，班级分类，当我们想找某个确定的学生的时候，比方说“计算机学院软件工程专业5班小明”，那么，这个就可以称之为小明的地址，但是，当我们希望给软件工程全体学生通知期末考试的具体安排的时候，就可以说“计算机学院软件工程专业”，那么这就是整个软件工程专业的地址，这样也就是多播这种通信的实现方式。
层次性
- 就像上面说的，地址并不是随意命名的，而是根据一种特定的规则，比方说根据学校的院校专业划分，学校层 ，学院层，专业层等，通过不同的层次我们可以定位到不同范围的地址
- MAC地址和IP地址在标识一个通信主体的时候虽然都具有唯一性，但是他们当中只有IP地址具有层次性
- MAC地址 由设备的制造厂商针对每块网卡指定，人们可以通过制造商识别号，内部编号以及产品通用编号确保MAC地址的唯一性，但是这种地址信息对于寻找地址并没有起到任何作用，虽然MAC地址是真正的负责通信的地址，但是在实际寻址过程中，IP地址必不可少
- 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，说明他们处于同一个网段，同一个网段的主机一般属于同一个部门或者组织，这些网络号相同的主机在组织结构，提供商类型和地域分布上面都比较集中，这为IP寻址带来了极大的方便，这也是IP地址具有层次性的原因
八，网络的构成要素
- 搭建一套网络环境要涉及各种网络设备，这里仅仅介绍硬件设备
8.1，通信媒介与数据链路
- 计算机之间通过电缆相互连接，电缆可以分为很多种：双绞线电缆，光纤电缆，同轴电缆，串行电缆等，根据数据链路的不同选用的电缆类型也不尽相同，而媒介本身也可以划分为电波，微波等不同类型的电磁波
8.2，网卡
- 任何一台计算机连接网络时，必须使用网卡（也叫 网络接口卡，网络适配器，LAN卡等），计算机必须具备能够接入外网的NIC才能保证连接到网络
8.3，中继器
- 中继器是在OSI模型中的第一层–物理层面上延长网络的设备，由电缆传过来的电信号或光信号经由中继器的波形调整和放大再传给另一个电缆，中继器不仅可以完成信号的调整，也可以完成信号的转换（光纤到电缆之间的信号转换），通过中继器进行的网络延长并非是无限延长，例如一个10Mbps的以太网最多可以用4个中继器分段连接
8.4，网桥 / 2层交换机
- 网桥是在OSI模型的第二层–数据链路层面上连接两个网络的设备，他能识别数据链路层中的数据帧，并将这些数据帧临时存储于内存，再重新生成一个信号作为一个全新的帧转发给相连的另一个网段
- 网桥还能通过地址自学机制和过滤功能控制网络流量，这里所说的地址是指MAC地址，硬件地址，物理地址，以及适配器地址，也就是网络上针对NIC分配的具体地址
8.5，路由器 / 3层交换机
- 路由器是在OSI模型的第三层—网络层面上连接两个网络，并对分组报文进行转发的设备，上面的网桥根据MAC地址处理，而路由器根据IP地址处理
- 路由器还有分担网络负荷的作用，甚至有些路由器具备一定的网络安全功能，因此，在连接网络与网络的设备当中，路由器起着极为重要的作用
8.6，4 ~ 7 层交换机
- 4~7层交换机负责处理传输层到应用层的数据，以TCP等协议的传输层及其上面的应用层为基础，分析收发数据，并对其进行特定的处理，例如：为了能通过同一个URL将前端访问分发到后台多个服务器上，可以在这些服务器的前端加一个负载均衡器，这种负载均衡器就是4~7层交换机的一种
- 4~7层交换机的应用一般有：带宽控制，广域网加速器，特殊应用访问加速以及防火墙等
8.7，网关
- 网关是OSI参考模型中负责将从传输层到应用层的数据进行转换和转发的设备，它与4~7层交换机一样都是处理传输层以上的数据，它通常会使用一个表示层或应用层网关，在两个不能直接通信的协议之间进行翻译，最终实现两者的翻译
- 比如说手机邮件和互联网邮件之间的转换服务，因为他们在表示层和应用层中的“电子邮件协议”互不相同，所以，互联网与手机之间设置了一道网关，读取不同的协议之后，对他们进行合理的转换，再将相应的数据发送出去，这样即使应用的是不同电子邮件的协议，计算机与手机之间也能互相发送邮件
- 此外，有时候为了控制网络流量以及处于安全的考虑，会使用代理服务器，这也是网关的一种
九，现代网络时态
9.1，网络的构成
- 网络好比是现实中的道路交通网络，像高速路口这种地方被称作边缘网络，常用的设备有功能路由器，和三层交换机，
9.2，互联网通信
- 在人们家里联网的时候，一般会使用互联网接入服务，联网之后，汇集到无线局域路由器和最近交换机的通信会再次被连接到前面所提到的“接入层”，甚至还有可能通过边缘网络或主干网实现与目标地址之间的通信
9.3，移动通信
- 手机一开机，就会自动与距离最近的基站发生无线通信，基站上设有特定手机基站天线，基地本身也相当于网络的接入层