【计算机网络】—— 初识计算机网络

计算机网络的背景

前面一直在学习Linux底层的系统编程，比较枯燥和乏味，现在我们终于结束了所有系统编程的内容，进入比较有意思的网络阶段了，今天我们先了解一下网络的基础知识，了解一下网络发展史及网络的概念模型等知识。

网络发展

独立模式：计算机之间相互独立
网络互联：多台计算机连接在一起，完成数据共享
局域网LAN：计算机数量更多了，通过交换机和路由器连接在一起
局域网通信：1.任何一个主机发送信息，所有主机都能接收到，但是只有对应的主机会接收消息，其他主机则会丢弃该消息
2.任何时刻都只能有一个主机可以发消息，否则会发生碰撞
3.碰撞避免：因为可能发生碰撞，因此需要碰撞避免，就是防止在同一时刻有两个或以上的主机发消息
4.碰撞域：碰撞域又可以说叫冲突域，在以太网中，如果某个一个CSMA/CD网络上的两台计算机在同时通信时会发生冲突，那么这个CSMA/CD网络就是一个冲突域
5.碰撞检测：就是计算机边发送数据边检测信道上的信号电压大小
广域网WAN：将远隔千里的计算机都连在一起

网络层次划分

为了使不同计算机厂家生产的计算机能够相互通信，以便在更大的范围内建立计算机网络，国际标准化组织（ISO）在1978年提出了“开放系统互联参考模型”，即著名的OSI/RM模型（Open System Interconnection/Reference Model）。它将计算机网络体系结构的通信协议划分为七层，自下而上依次为：物理层（Physics Layer）、数据链路层（Data Link Layer）、网络层（Network Layer）、传输层（Transport Layer）、会话层（Session Layer）、表示层（Presentation Layer）、应用层（Application Layer）。其中第四层完成数据传送服务，上面三层面向用户。除了标准的OSI七层模型以外，常见的网络层次划分还有TCP/IP四层协议以及TCP/IP五层协议,接下来我们分别介绍一下这几个分层模型，但是重点介绍TCP/IP四层协议

OSI七层模型

TCP/IP四层(五层)模型(灰常重要)

物理层: 负责光/电信号的传递方式. 比如现在以太网通用的网线(双绞线)、早期以太网采用的的同轴电缆(现在主要用于有线电视)、光纤, 现在的wifi无线网使用电磁波等都属于物理层的概念。物理层的能力决定了最大传输速率、传输距离、抗干扰性等. 集线器(Hub)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. 例如网卡设备的驱动、帧同步(就是说从网线上检测到什么信号算作新帧的开始)、冲突检测(如果检测到冲突就自动重发)、数据差错校验等工作. 有以太网、令牌环网, 无线LAN等标准. 交换机(Switch)工作在数据链路层.
网络层: 负责地址管理和路由选择. 例如在IP协议中, 通过IP地址来标识一台主机, 并通过路由表的方式规划出两台主机之间的数据传输的线路(路由). 路由器(Router)工作在网路层.
传输层: 负责两台主机之间的数据传输. 如传输控制协议 (TCP), 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，如简单电子邮件传输（SMTP）、文件传输协议（FTP）、网络远程访问协议（Telnet）等. 我们的网络编程主要就是针对应用层

物理层我们考虑的比较少. 因此很多时候也可以称为 TCP/IP四层模型.
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
但是也并不是绝对的，很多的交换机也实现了网络层的转发；很多时候也实现了部分传输层的内容(如端口转发);

网络传输基本流程

网络传输流程图

两台计算机通过TCP/IP协议通讯的过程如下图所示

除顶层协议外，一下大部分协议在自己的报头当中必须要解决的两个问题是：

如何分离报头和有效载荷(分离)
判断应该将有效载荷交付给上层哪一个协议(分用)

数据包封装和分用

不同的协议层对数据包有不同的称谓,在传输层叫做段(segment),在网络层叫做数据报 (datagram),在链路层叫做帧(frame).
应用层数据通过协议栈发到网络上时,每层协议都要加上一个数据首部(header),称为封装
(Encapsulation).
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.
数据封装成帧后发到传输介质上,到达目的主机后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