計算機網絡基礎(1): 拓撲結構/ OSI模型/ TCP/IP模型

來自mooc 《計算機網絡基礎及應用》南京理工大學、 《計算機網絡技術》寧波城市職業技術學院、來自網易雲課堂《計算機網絡工程基礎》高騫。

chapter1 導論

計算機網絡發展經歷了 單機階段、多機階段、網絡階段。

數據網絡的產生與發展：爲了實現 多臺電腦之間文件共享，打印機共享（屬於硬件共享）。

（1）簡單鏈接 1965：從主機到終端，主要爲了共享資源。

當時硬件很貴，主機--終端 至關於把一臺電腦的主機跟出去多個鍵盤與顯示器，實現多人使用。如今幾乎不用這種了。目前遠程控制和管理仍是用了這種技術。

（2）網絡化鏈接1975：客戶端-服務器模式（局域網）

 我的計算機出現了，你們都有本身的主機了。可是鏈接範圍與距離都是有限的。

（3）網絡間互聯 1985，經過internet，主機數量多，鏈接範圍廣。互聯網的某些部分能夠是廣域網。通常經過服務商（電信公司）經過他們的線路鏈接到internet。internet天生有個缺點，遵循TCP/IP, 早期被設計成全球化開放互聯，沒有過多考慮安全問題。

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三種網絡：電信、有線電視、計算機網絡。

內部網絡（局域網），內網服務器用於資源共享。

例如ftp://192.168.1.254/ 能夠上傳文件。

計算機網絡將地理位置不一樣的、具備獨立功能的多臺計算機經過通訊設備鏈接起來，在網絡操做系統、網絡管理軟件、網絡協議的管理下實現資源共享和信息傳遞。

1. 計算機網絡的功能：數據通訊、資源共享、分佈處理（把要處理的任務分給多個計算機來運行）、集中管理（母公司來管理分散在異地的子公司）、均衡負載（一臺計算機壞了，能夠叫另外一臺計算機）。

2. 計算機網絡的結構：按照系統組成：硬件+軟件；按照功能：通信子網、資源子網。

-----硬件+軟件

（1）主機又叫作服務器（性能高的一臺計算機）。有打印服務器、通訊服務器、數據庫服務器、應用程序服務器。其中，應用程序服務器有不少類型，好比提供郵件傳送接收的服務器、提供網頁瀏覽服務的www服務器、ftp文件傳遞服務器等。

（2）終端：網絡中的用戶訪問網絡，實現人機對話，叫作客戶機或者工做站。

（3）傳輸介質：鏈接各類設備，微波（無線）、雙絞線（有線）；

（4）網絡鏈接設備：用來實現網絡中各計算機之間的鏈接、網絡與網絡之間的互聯、數據信號的變換和路由選擇。交換機、路由器、modem調制解調器、無線接收發送器等。

（5）網絡軟件：受權用戶對於網絡資源的訪問，包括網絡操做系統、網絡協議軟件、網絡管理軟件、網絡通訊軟件、網絡應用軟件。其中，網絡操做系統用於實現不一樣主機之間的用戶通訊以及全網的硬件和軟件資源的共享，而且向用戶提供了一個統1、方便的網絡接口。

*常見的網絡操做系統有Linux， Unix, netware, windowsNT。目前在局域網中最經常使用的就是 Windows NT server, 這不一樣於 windows 2000這種單機操做系統。

Windows 2000 server 運用普遍。UNIX安全性好，不多被病毒攻擊，且自身提供了不少應用功能，包括路由、防火牆、域名服務、自動IP地址分類，可是UNIX只能運行在少數幾家廠商製造的硬件平臺上，硬件兼容性很差。Linux遵循了UNIX命令，比較有發展前途，源代碼是開放的，支持多硬件平臺。

*網絡協議軟件：網路協議是網絡通訊的數據傳輸規範。網絡協議軟件是用來實現這個網路協議功能的軟件。目前有TCP/IP協議軟件、 IPX/SPX協議軟件、IEEE802標準協議軟件等。

*網絡管理軟件：對網絡資源進行管理、對網絡進行維護的軟件。網絡的性能、計費、安全管理等。

*網絡通訊軟件是實現網絡中的各類設備之間進行通訊的軟件。

*網絡應用軟件：好比IE瀏覽器、QQ。

 

--------通信子網、資源子網

通訊子網：由通訊控制處理機、網絡鏈接設備、網絡通訊軟件、網絡管理軟件 構成。

資源子網：由終端、服務器、傳輸介質、網絡應用軟件、數據資源 構成。

3. 計算機網絡的分類

*按照網絡覆蓋的範圍分類有：

我的區域網PAN：筆記本與手機經過無線技術鏈接，範圍爲10m.

局域網LAN（local area network）,幾百米到幾公里的範圍。傳輸速度快，可是通常距離小。好比一幢樓裏面、一個學校、一個小區。組建成本低。

城域網 MAN（metropolitan area network）：幾十千米到幾百千米。好比一個城市的有線電視網。

廣域網 WAN ( wide area network)：幾千千米。覆蓋一個國家，甚至好幾個州。例如教育部的cernet, 某個大學的局域網是這個cernet 的組成部分。例如分佈在不一樣城市之間的公司。公司不可能本身會創建，須要依靠電信公司。

互聯網internet: 多個網絡互相鏈接的集合叫作互聯網。與廣域網不一樣！internet是全球範圍內的網絡互聯，基於TCP/IP協議。互聯網中的有些部分能夠是廣域網。

*按照網絡結構分類：peer to peer；client /server。

*按照應用技術分類：Ethernet（以太網）（10M、100M、1000M）、ISDN、DDN，PSTN，FR。

4. 計算機網絡的拓撲結構

把服務器和工做站、傳輸介質分別抽象成 點、線。常見的是星型、環型、總線型

 -----總線型的結構以下：全部的節點共享一根傳輸總線。全部的站點經過硬件接口鏈接在這根傳輸線上。

總線型的優勢：（1）組網費用低；（2）易拓展網絡，拓展只須要增長一個網絡接頭。

缺點：（1）全部主機共享一個主線，主機增長會致使網絡性能的降低；（2）總線一旦出現故障致使整個網絡中斷；（3）通信範圍有限制，要看總線的介質。

 

----星型拓撲結構：中心節點通常採用交換機或者hub。邏輯上仍是總線型。其優勢與總線型相同。

 各個節點之間的通訊都要通過中心節點。

 ----樹型網絡拓撲結構: 由根節點和分支節點構成。根節點接受數據，廣播式的發送到各個網絡中。

 優勢是能夠延伸出不少分支和子分支，所以容易在網絡中加入新的分支或者新的節點。

 

 根節點故障了，整個網絡就癱瘓了。

服務器（根節點）--交換機（第二層）--終端（第三層）。

 

----環型網絡拓撲結構

每一個節點的地位和做用是相同的。數據在這個閉合環型上沿着一個方向逐站逐站的傳送。

須要的電纜長度短，適合用光纖，單向傳輸。

 

 ----網狀拓撲結構

 全部節點之間的鏈接是任意的，沒有規律。實際的廣局網基本是採用了網狀拓撲結構，N個節點，鏈接網絡的鏈路有 N*(N-1)/2，若是鏈路數量小於它，那麼叫作半網狀拓撲結構。不然是全網狀拓撲結構。

優勢：一條線路壞了，還有其餘條。

缺點：網絡結構複雜，須要路由選擇和流向控制功能，維護難。

   

 

 ----- 蜂窩狀拓撲結構：主要用於無線網絡

 蜂窩的大小與基站、AP發射功率有關。

缺點: 易受環境影響，天氣差網路信號很差。

 

 ------- 混合型拓撲結構是把上述兩種以上結合在一塊兒。能夠知足較大網絡的一個拓展，通常用於廣域網。可是結構太複雜。

按照傳播方式不一樣，能夠分爲廣播式、點對點網絡。

廣播式：網絡中的計算機或者設備使用一個共享的通訊介質進行數據傳播。全部節點均可以收到任意節點發出的信息。

 

 

點對點網絡：一條通訊線路鏈接兩臺設備，數據從源端到目的端須要通過一臺或者多臺計算機。好比環型、網狀型、樹型。多用於局域網、廣域網的互聯中。點對點的通訊協議有PPP、PPPoE協議。

設計計算機網絡拓撲結構須要考慮的因素。

 

chapter2 網絡體系結構

1.網絡體系結構

 兩臺計算機要傳輸數據（好比經過QQ），中間要有一條傳輸數據的物理通道。

step1: 發送文件的計算機 要激活傳送數據的數據通路，即發送一些信息控制命令保證數據能在通路上正確發送；

step2: 告訴網絡 如何識別接受數據的計算機；

step3：發文件的計算機要檢查目的計算機是否開機且網絡是否正常。

step4： 檢查目的計算機應用程序（好比QQ）是否是準備就緒接受文件。

網絡通訊過程抽象爲--->層次結構模型. 分層處理！！

   

網絡發郵件的分層工做。不一樣層次有不一樣的任務，可是相鄰兩層有緊密的聯繫和接口。

 

計算機網絡體系結構的三要素： 層次、協議、接口。

接口是相鄰層間進行信息交換的界面，下層經過接口向上層提供服務，上層經過接口使用下層的服務。協議使得網絡中的數據可以正常進行,網絡協議的三個要素：語法、語義、同步。

 網絡體系結構最重要的是 網絡協議。它是爲網絡數據交換而制定的規則、約定與標準。網絡體系結構引入了 層次 layer 的概念。

    

通信層次必須是對等層。上層爲下層提供指示，下層爲上層提供服務。

 

 

2. OSI\RM參考模型

ISO 國際標準化組織 international standard organization, ISO 在1987年制定了OSI，它有7層模型，可讓不一樣廠牌的計算機用於共通的通訊協議。

局域網中普遍使用了以太網交換機。

User A 發送一份郵件，用發郵件軟件，注意軟件不是應用層！！

*當寫好郵件點擊send 以後，應用層纔會收到。SMTP 簡單郵件傳輸協議。

*表示層：發送方是電腦，接收方是手機，硬件不一樣，文件格式也不太通。表示層要作一次翻譯，好比ASCII碼，統一數據格式。

*會話層：用服務器通信，用戶名口令等。

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*傳輸、網絡層能夠一塊兒解釋：傳輸層、網絡層分別用了TCP、IP協議。

作四件事：傳輸保障（TCP）、地址、數據包交換、路由。

地址：IP地址。

數據的封裝 ：好比一封郵件-->數據包-->數據幀。封裝過程當中在數據的頭部會增長地址。

路由：數據傳輸中，路由器指引 IP地址數據包 應該走哪條路。

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數據鏈路層：數據怎麼在路上跑（數據在物理層面如何傳遞？）   

物理層：傳輸媒介。

兩個用戶之間的通信，最高層是軟件之間。不一樣層的數據形式不一樣.

發一封郵件---加TCP信息--加IP信息--MAC地址等---->對方收到郵件。

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OSI 有7個層次。

 

 底層負責網絡傳輸，不少網絡設備也都在這一層。

 ---物理層是OSI是最基礎的一層，實現設備與設備之間的物理接口。這一層裏數據的單位是bit. 常見的數據典型規範有如下幾種：EIATIA , RS-232, RS -449, V.35, RJ-45，常見的網絡設備有 中繼器、集線器、modem. 

 --- 數據鏈路層，提供一個比特流服務，創建相鄰結點之間的數據鏈路。這一層上的數據單位是幀 frame, 典型的協議有 SDLC，HDLC，PPP，Stp等。網絡設備有 二層交換機、網橋。

 

----- 網絡層 也叫通訊子網層。它的任務是解封數據鏈路層收到的幀，提取數據包，選擇合適的網間路由和交換的結點，確保數據包可以及時傳送。這一層上數據單位是package. 典型的協議有 IP、IPX、RIP。 常見設備有路由器、有路由功能的三層交換機。 網際的通訊問題，而不是網內！！！

 

IP協議

 

 

 

 一個IP地址能夠表明網絡中的主機，主機的程序如何區分？

IP協議很重要的是端口號。

 一臺電腦上能夠運行不少應用程序，數據包傳到電腦後，電腦根據端口號來查詢相應的應用進程。

 

 ---- 傳輸層 是真正的點對點，是主機到主機的一層，將數據從源端攜帶到接收方。

 這一層上數據單位是 數據段segment，典型的協議包括TCP、UDP、Spx。常見的網絡設備 是網關。

TCP協議 是可靠的面向鏈接的協議。

 

 四個字節一行，第一行的4個字節，32位，前16位是源端口號。

UDP協議是TCP的有效補充。

 

 -----會話層

管理主機之間的會話進程，負責創建、管理、終止進程之間的會話，一次鏈接就叫作一次會話。決定接受仍是傳送消息。

---- 表示層 

表示層一下的五層關注的事如何傳遞數據位，表示層關注的事 所傳遞的信息的語法和語義。不一樣計算機內部數據表示方法不一樣，爲了能相互通訊，表示層會對上層（應用層）的數據和信息進行變換，保證一個主機應用層的信息能夠被另外一個主機的應用程序所理解。

----- 應用層

負責網絡應用軟件與網絡操做系統的聯繫。

應用層直接面對用戶的具體應用，包含應用程序執行通訊任務所需的協議和功能，應用層爲操做系統或者網絡應用程序提供了訪問網絡服務的接口。  應用層協議常見有 超文本傳輸協議http，它是瀏覽器程序訪問因特網中其餘主機的網頁提供給了基本訪問服務接口；還有網絡ftp文件傳送，DNS域名訪問。

數據的分裝與解裝過程以下：

 

 假設主機1的應用進程AP1向主機2的應用進程AP2傳輸數據。AP1先將數據轉交給主機1的最高層（應用層），好比使用SMTP協議處理數據，在數據前加一個SMTP標記，使得接受主機2可以瞭解使用什麼的軟件來處理。 

以後進入表示層，進行格式轉換，使用一種通信雙方均可以識別的編碼來處理數據。

以後進入會話層，會話層會在兩個主機之間創建一條只用於傳輸該數據的一個會話通道，而且要監視其鏈接狀態，只有數據傳輸完成纔會斷開這個會話。

會話通道創建後，爲了保證數據傳輸的可靠性，主機1的傳輸層會將數據進行分段、編碼等。

網絡層是實際數據傳輸的層次，將傳輸當中處理完成的數據再次封裝，添加雙方的地址信息，併爲每個數據包找一條到主機2的最佳路徑。

數據鏈層會對網絡層的數據再次封裝，添加可以惟一表示每臺設備的MAC物理地址。

主機的物理層把上層的數據轉變爲電流傳輸的物理線路，經過物理線路把數據轉發到主機2。

MAC地址：Medium Access Control地址，媒體訪問控制，或者叫物理地址、硬件地址，用來定義網絡設備的位置。MAC地址是網卡決定的，是固定的。

主機2 把這個電信號轉換爲數據鏈路層的數據幀，數據鏈路層去掉本層的mac物理地址後，將數據遞交給網絡層，網絡層也去掉主機1的網絡層添加的內容後，遞交給傳輸層，最終到達主機2的應用層，使用SMTP（簡單郵件傳遞協議）協議進行分裝，這時候它知道了使用什麼軟件（電子郵件軟件）來使用這個數據。

 OSI模型的目標：在這個標準下，全世界的計算機都能交流。可是20世紀90年代，雖然整套的OSI國際標準已經有了，可是internet使用了TCP/IP 模型，已經搶先在全世界覆蓋了至關大的範圍了，當時也沒有其餘大廠家生產符合OSI標準的產品。OSI模型的市場化失敗！！

 

3. TCP/IP 協議  1989年

 被internet 使用, 它以其中最著名的傳輸控制協議TCP和網際協議IP所命名。有四個層次：應用層、傳輸層、網絡互聯層、網絡接口層。

 

 --- 網絡接口層：負責與物理網絡的鏈接。提供給上層（網路互聯層）一個接口，以便傳遞IP的分組數據。

--- 網絡互聯層：把數據分組發往目標網絡或主機。容許分組沿不用的路徑同時傳遞。該層定義了標準的數據分組協議：IP協議（internet of protocol）， 輔助協議 ICMP協議。網絡互聯層的任務是把IP分組投遞到它應該去的地方，所以IP分組的路由是關鍵的問題。

---傳輸層：任務是使源主機和目標主機上的對等實體能夠進行會話。這層上定義了兩個服務質量不一樣的協議，傳輸控制協議 TCP協議、用戶數據報協議UDP。

 

---應用層，有不少協議

   

總結