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一. 网络概述
计算机网络就是通过一定形式连接起来的一组计算机系统，它需要四个要素的支持，即通信线路和通信设备、有独立功能的计算机、网络软件、能实现通信与资源共享的理论方法。计算机网络具有两大参考模型，分别是OSI参考模型和TCP/IP参考模型，其中OSI参考模型为理论模型，TCP/IP参考模型则已成为互联网通信的工业标准，现在的通信网络一般都采用TCP/IP协议簇，而应用编程都采用Socket套接字进行编程。
二. 网络体系结构的几个概念
网络体系结构主要涉及以下几个重要概念：
??① 协议：为计算机网络中的数据交换而建立的规则、标准或约定的合集。通信计算机双方必须共同遵从的一组约定。如怎么样建立连接、怎么样互相识别等。只有遵守这个约定，计算机之间才能相互通信交流。它的三要素是：语法、语义、时序。为了使数据在网络上从源到达目的，网络通信的参与方必须遵循相同的规则，这套规则称为协议（protocol），它最终体现为在网络上传输的数据包的格式。协议往往分成几个层次进行定义，分层定义是为了使某一层协议的改变不影响其他层次的协议。
??② 通信协议：通信双方必须共同遵守的规则和约定称为通信协议。通信双方对数据的理解需要建立在约定与协议之上。
??③ 接口：相邻两层之间的边界，在接口处规定了低层向上层提供的服务所使用的形式规范语句（服务原语）。
??④ 服务：某一层提供的功能，并能通过接口提供给其相邻的上层。
??⑤ 网络体系结构：对计算机网络各层功能的精确定义及其各层遵守协议的集合。
??⑥ 协议栈：网络各层协议按层次顺序排列而成的协议序列。
??⑦ 点到点：体现在物理上的两两连接，是物理拓扑结构，如光纤就必须是点到点的连接。点到点协议体现在IP网络层或以下两层。IP网络层是两两路由器进行点到点通信，中间没有跨越其他通信设备。点到点传输的优点是发送端设备送出数据后，它的任务已经完成，不需要参与整个传输过程，这样不会浪费发送端设备的资源。另外，即使接收端设备关机或出现故障，点到点传输也可以采用存储转发技术进行缓冲。点到点传输的缺点是发送端发出数据后，不知道接收端能否收到或何时收到数据。IP及以下各层采用的是点到点传输。
??⑧ 端到端：体现在逻辑上的两两连接。端到端是体现在网络传输层之间的，比加要将数据从A传送到E，中间可能经过A->B->C->D->E，对于传输层来说，它并不知道B、C、D的存在，它只认为报文数据是从A直接到E的，这就叫做端到端。总之，端到端是有无数的点到点实现和组成的。
三. 网络分层模型
1. 对网络分层的理解
分层能使简单的问题简单化，网络分层也是基于此原理。网络分层简化了网络设计，提高了网络互联的标准化程度。网络分层是上一层都依赖于下一层，只有最底层才是物理的实际通信，其他对等层是虚拟通信，分层原理与方法如下图所示：
网络分层模型设计以下术语：
??① 实体：每一层中的活动因素，可以是如何可发送或接受信息的硬件或软件进程。许多情况下，实体就是一个特定的软件模块。
??② 对等实体：位于不同机器上同一层中的实体。
??③ 服务提供者：n层（下层）是n+1层（上层）的服务提供者。
??④ 服务用户：n+1层（上层）是n层（下层）的服务用户。
??⑤ 服务访问点（SAP）：服务提供的地点，也即接口上相邻两层实体交换信息之处。
??⑥ 服务和协议的关系：服务是垂直的，协议是水平的。n层的服务用户只能看见n层的服务，无法看见n层的协议，在n层协议控制下，两个对等实体间的通信能使得n层能够向n+1层提供服务，要实现n层协议，需要使用n-1层提供的服务。
网络分层的好处
互联网的两大网络参考模型（OSI参考模型和TCP/IP参考模型）都是基于分层原理实现的。通过网络分层可以获得的好处有：各层之间相互独立，相邻层间交互只通过接口，使整个问题的复杂度下降。结构上可分隔开，各层都可以采用最合适的技术来实现，每一层的功能简单，易于实现和维护。若某一层改动时，只要不改变接口的服务关系，其它层则不受影响，灵活性好。分层有利于促进网络协议的标准化。
2. OSI 网络分层模型
2.1 OSI 模型概述
OSI（Open System Interconnection，开放式系统互连）是1984年由国际标准化组织（ISO）提出的一个网络参考模型。作为一个概念性框架，提出时希望以后不同的设备制造商和应用软件开发商遵循此标准。现在，此模型已成为计算机网络间和网络间进行通信的主要模型，目前使用的大多数网络通信协议的结构都是基于OSI参考模型或参照OSI参考模型的。
OSI模型把网络从逻辑上分为了7层，即物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层和应用层，如下图所示：
对OSI分层模型中各层的解释如下：
??① 物理层：是参考模型的最底层。该层是网络通信的数据传输介质，由连接不同结点的电缆与设备共同组成。物理层规定了激活、维持、关闭通信端点之间的机械特性、电气特性、功能特性以及过程特性。该层为上层协议提供了一个传输数据的物理媒体。在这一层，数据的单位称为比特（bit）。
??② 数据链路层：是参考模型的第2层。主要功能是：在物理层提供服务的基础上，在通信的实体间建立数据链路连接，传输以“帧”为单位的数据包，并采用差错控制与流量控制方法，使有差错的物理线路变成无差错的数据链路。
??③ 网络层：是参考模型的第3层。主要功能能是：为数据在结点之间的传输创建逻辑链路，通过路由选择算法为分组通过通信子网选择最适合的路径，以及实现拥塞控制、网络互联等功能。
??④ 传输层：是参考模型的第4层。主要功能是：向用户提供可靠的端到端服务，处理数据包错误、数据包次序，以及其他一些关键的传输问题。传输层向高处屏蔽了下层数据通信的细节，因此，它是计算机通信体系结构中关键的一层。
??⑤ 会话层：是参考模型的第5层。主要功能是：负责维护两个结点之间的传输连接，以确保点到点的传输不中断，以及管理数据交换等功能。
??⑥ 表示层：是参考模型的第6层。主要功能是：用于处理在两个通信系统中交换信息的表示方式，主要包括数据格式交互、数据加密与解密、数据压缩与恢复等功能。
??⑦ 应用层：是参考模型的最高层，为存储系统或网络应用程序提供访问网络服务的接口。
2.2 OSI 模型特点
OSI 参考模型只有物理层之间是直接连接的，对等层之间采用相同的对等协议。该模型在发送数据时，数据从高层到低层；在接收数据时，数据从低层到高层。
3. TCP/IP 网络分层模型
3.1 TCP/IP 模型概述
TCP/IP（又称TCP/IP 协议簇）是一组用于实现网络互联的通信协议，其名称来源于该协议簇中两个重要的协议（IP协议和TCP协议）。基于TCP/IP 的参考模型将协议分成四个层次，它们分别是网络接口层、网际互联层（IP层）、传输层（TCP层）和应用层。
??① 网络接口层：网络接口层与OSI参考模型中的物理层和数据链路层对应。
??② 网际互联层：网际互联层对应于OSI参考模型的网络层，主要解决主机到主机的通信问题。该层有四个主要的协议：网际协议（IP）、地址解析协议（ARP）、互联网组管理协议（IGMP）和互联网控制报文协议（ICMP）。IP协议是网际互联层最重要的协议，它提供的是一个不可靠的、无连接的数据报传递服务。
??③ 传输层：传输层对应于OSI参考模型的传输层，为应用层实体提供端到端的通信功能。该层定义了两个主要的协议：传输控制协议（TCP）和用户数据报协议（UDP）。TCP协议提供的是一种可靠的、面向连接的数据传输服务；而UDP协议提供的是不可靠的、无连接的数据传输服务。
??④ 应用层：应用层对应于OSI参考模型的会话层、表示层和应用层，为用户提供所需要的各种服务，例如FTP、Telnet、DNS、SMTP等。
3.2 OSI模型与TCP/IP模型比较
OSI引入了服务、接口、协议、分层的概念，TCP/IP借鉴了OSI的这些概念建立了TCP/IP参考模型。OSI先有模型、后有协议，先有标准，后进先实践；而TCP/IP则相反，先有协议何应用，再提出了模型，且是参照了OSI参考模型。OSI太复杂，TCP/IP简单却不全面，OSI花了很长时间进行标准化，与此同时，TCP/IP已被广泛使用，并以成为网络互联事实上的标准。
下图画出了TCP/IP 模型以以及该模型与OSI模型各层的对应关系：
3.3 TCP/IP数据包的封装与分用
网络中各层把数据当作一个流来处理，每层都有自己的传输单位，物理层传输单位是比特流，而只有这一层是物理的数据传输，其他层都是逻辑的；链路层传输单位是帧；网络层传输单位是分组；传输层传输是段。源主机应用层数据往下层传递时每一层要增加相应的首部，称为封装；到达目的主机后数据往上层传递时需要再剥掉相应的首部，称为拆封。
下图画出了网络分层时的数据流图：
IP层传输单位是IP分组，属于点到点的传输；TCP层传输单位是TCP段，属于端到端传输：
3.4 TCP/IP通信过程
下图画出了同一网段中的两台主机通过TCP/IP协议的通信过程，其中应用层使用的是FTP协议。除物理层是实际传输数据的，其他对等层只是虚拟通信（所以画的是虚线），对等层一般需要遵照相同的协议。上层传输数据只与相邻上下层有关系。TCP及其下层是由操作系统内核实现的，即它们是处理通信细节的。而应用层程序是通过Socket编程实现的，处理的是应用程序细节。
下图是不同网段中的两台主机通信过程：
四. 网络分类
通过网络分类，可以更好地了解网络的特点。下面按网络八个方面的特征对网络进行分类。并给出简要说明：
① 按覆盖范围
- 局域网（LAN）：如企业内部网、家庭内部网。
- 城域网（MAN）：一个城市的内部网络。
- 广域网（WAN）：连接世界各地方的网络。
② 按拓扑结构
- 星型拓扑：交换机网络，如企业网络。
- 环形拓扑：令牌环网，如FDDI网。
- 总线型拓扑：以太网，如企业部门及网络。
- 树型拓扑：层次级网络，如层次级城域网。
- 网状拓扑：广域网。
③ 按信息交换方式
- 电路交换：如打电话时，两端通话期间占用一条单独的线路。传统的电话线路就属于电路交换。
- 报文交换：通信两端在一个时间段内传递一个报文。
- 报文分组交换：通信两端在一个时间段内传递一个报文分组，最后由通信双方合成一个报文。TCP/IP网络属于报文分组交换。
④ 按传输介质
- 有线网：利用同轴电缆或双绞线介质通信的网络，如企业局域网。
- 光纤网：利用光纤进行通信的网络，如国家骨干网。
- 无线网：利用微波、磁波进行通信的网络，如手机GSM网、3G网和WIFI网。
⑤ 按通信方式
- 点对点传输网络：交换机网络。
- 广播式传输网络：以太网络。
⑥ 按网络使用目的：可分为共享资源网、数据处理网和数据传输网。
⑦ 按服务方式：可分为客户端/服务端网络和对等网。
⑧ 按照网络用途
- 通信子网： 负责完成网络数据的传输，转发等通信处理任务，它属于OSI模型的下三层（物理层、链路层、网络层）。一方面，作为与资源子网的主机，终端链接的接口，将主机和终端连入网内；另一方面，作为通信子网中的分组存储转发节点，完成分组的接收、校验、存储、转发等功能，实现将源主机报文准确发送到目的主机的作用。
- 资源子网：由主机系统，终端、终端控制器、联网外设、各种软件资源与信息资源组成。负责处理全网络面向应用的数据处理工作，而通信双方遵守共同协议。资源子网由计算机硬件和通信软件组成。
五. 网络地址
1. 网络地址父类
在网络中，按照地址可把网络地址分为如下四类：
- 物理地址：即MAC地址，如00-aa-00-64-c9-09。
- 逻辑地址：即IP地址，如127.0.0.1。
- 端口地址：应用基础端口号。
- 域名地址：万维网地址，如www.baidu.com。
2. MAC地址
MAC地址为48位，0~23位叫做组织唯一标识符，由IEEE（电器电子工程师协会）管理，生产以太网网卡的厂家就购买其中一组，再自行分配后24位，逐个将唯一地址赋予以太网卡。MAC地址属于平面地址，五层次结构，每个网络设备的网络地址全球唯一，只能用于局部范围寻址，MAC地址存在于网络的数据链路层。
3. IP地址
IP地址标识着网络中一个主机的位置，每个IP地址由32位（IPv4地址，4个字节）组成。分为网络号、主机号两部分，但现在都是采用CIDR方案，所以，IP地址现在只能表示主机号。另外，IP地址也是全球唯一的，寻址很容易。
IP地址有两种表示形式，分为二进制数表示和点分十进制数表示，其中二进制数由计算机内部使用，点分十进制数是方便人们记忆而引入的。
IP地址按照用途分，可分为单播地址、广播地址和多播（组播）地址，其中广播地址和多播地址仅应用于UDP协议。
4. IP地址分类
??IPv4的IP地址通常采用点分十进制数表示。例如，二进制数IP地址0xc0a80002用点分十进制数可表示为192.168.0.2。Internet被各种路由器和网关设备分隔成很多网段，为了标识不同的网段，需要把32位的IP地址分成网络号和主机号两部分，网络号相同的各主机位于同一网段，相互间可以直接通信，网络号和不同的主机之间通信则需要通过路由器转发。
??最早的IP地址分类没有单独的网络号，将IP地址分为5类，以适应大型、中型、小型网络的需要：
- 其中第一个字段是网络号（net-id），它标志主机或路由器所连接的网络。一个网络号在整个因特网内必须是唯一的。
- 第二个字段是主机号（host-id），它标志该主机（或路由器）。一个主机号在它前面的网络号所指明的网络范围内必须是唯一的。
??一个A类网络可以容纳的地址数量最大，能容纳1677万多台电脑，一个B类网络的地址数量是65536，一个C类网络的地址数量是256，D类地址用做多播地址，E类地址保留未用。
??随着Internet的飞速发展，这种划分方案的局限性很快显现出来，大多数组织都申请B类网络地址，导致B类地址很快就分配完了，而A类却浪费了大量地址。这种方式对网络的划分是扁平结构（flat）的，而不是层级结构（hierarchical）的，Internet上的每个路由器都必须掌握所有的网络信息，随着C类网络的大量出现，路由器需要检索的路由表越来越庞大，负担越来越重。
5. CIDR子网划分方法
??由于用一个IP地址来表示网络号和主机号造成了上面所述的问题，IEEE便提出了新的划分方案，即无类域间路由（Classless Inter-Domain Routing，CIDR）方案。网络号和主机号的划分需要用一个额外的子网掩码（subnet mask）来表示，而不能由IP地址本身的数值决定。也就是说，网络号和主机号的划分与这个IP地址是A类、B类还是C类无关，因此，称为无类型的。
??使用CIDR方案后，一个网络地址可包含IP地址和子网掩码两部分。例如，一个网络IP地址为140.252.20.68，子网掩码为255.255.255.0，也可用简洁的表示方法，如140.252.20…68/24。
进行自定义子网时，子网掩码需要由前面是连续的1和后面是连续的0构成。IP地址与子网掩码做“与”运算可以得到网络号。
