一、网络概述

1、网络的概念

两个不在同一地理位置的主机，通过传输介质和通信协议，实现通信和资源共享。

2、网络发展史

3、网络的四要素

• 传输介质：包括同轴电缆、光纤、双绞线以及无线电波等

4、网络功能

• 数据通信

• 资源共享

• 增加可靠性

• 提高系统处理能力

5、网络类型

6、网络协议与标准

7、网络中常见概念

8、网络拓扑结构

星型拓扑

优点

• 部署简单

• 扩展性强

• 故障诊断便捷

缺点

• 中心节点负荷集中

网型拓扑

• 每个节点至少连接两个其他节点

• 可靠性出色，但组网成本较高

二、网络模型

1、分层思想

1.1、概述

分层思想的核心理念是将复杂的系统或问题划分为多个独立的、相互关联的层级，每个层级有不同的功 能和责任。这种分层的方式可以使系统或问题更具结构化和可管理性，简化设计和实施过程，并提高系 统或问题的可扩展性和互操作性。

1.2、核心理念

• 模块化：将系统或问题划分为多个模块或层级，每个层级负责特定的功能，模块之间相互独立但也 相互关联。这样可以降低复杂度，使系统设计更加清晰和可扩展。

• 抽象性：每个层级都对其他层级提供特定的抽象接口，屏蔽了底层实现的复杂性，使各层级之间的 交互更加简化和统一。这样可以提高代码的可维护性和可重用性。

• 松耦合：每个层级之间通过抽象接口进行交互，层级之间的耦合度尽可能地降低，使得各个层级可 以独立地进行修改和演变。这样可以使系统更具灵活性和可扩展性。

• 可替换性：由于每个层级之间的耦合度较低，所以可以灵活地替换或添加新的功能层级，而不需要 对其他层级进行修改。这样可以使系统更容易适应变化的需求和技术。

2、OSI七层模型

1. 应用层（Application Layer）

• 功能：直接为用户应用程序提供网络服务，是用户与网络的接口。

• 核心任务：处理特定的应用需求，如文件传输、电子邮件、网页浏览等。

• 典型协议：HTTP（超文本传输协议）、FTP（文件传输协议）、SMTP（简单邮件传输协议）、POP3（邮局协议版本 3）等。

2. 表示层（Presentation Layer）

• 功能：负责数据的格式转换和表示，确保不同设备的应用层能理解对方的数据。

• 核心任务：

  • 数据编码（如 ASCII、Unicode）、格式转换（如文本、图像、音频的格式处理）；

  • 数据压缩与解压、加密与解密（如 SSL/TLS 加密）。

• 作用：屏蔽底层数据格式的差异，让应用层专注于业务逻辑。

3. 会话层（Session Layer）

• 功能：建立、管理和终止两个应用程序之间的会话（即通信连接）。

• 核心任务：

  • 会话的创建（如验证身份、协商通信参数）；

  • 会话的维护（如控制数据发送的顺序、断点续传）；

  • 会话的释放（正常关闭或异常中断时的处理）。

• 典型应用：数据库连接中的会话管理、视频会议中的连接控制。

4. 传输层（Transport Layer）

• 功能：为上层（应用层、表示层、会话层）提供端到端的可靠数据传输服务。

• 核心任务：

  • 数据分段与重组（将大块数据分割为小数据包，接收后重组）；

  • 流量控制（避免发送方速率过快导致接收方溢出）；

  • 差错控制（通过校验和、重传机制确保数据准确到达）；

  • 端口寻址（通过端口号识别主机上的不同应用程序，如 HTTP 用 80 端口）。

• 典型协议：

  • TCP（传输控制协议）：面向连接、可靠传输（适用于文件传输、网页加载等）；

  • UDP（用户数据报协议）：无连接、不可靠但高效（适用于视频直播、实时游戏等）。

5. 网络层（Network Layer）

• 功能：负责数据包从源主机到目标主机的路由选择和转发，解决不同网络之间的通信问题（即 “跨网传输”）。

• 核心任务：

  • 逻辑寻址（通过 IP 地址标识网络中的主机，如 IPv4、IPv6）；

  • 路由选择（通过路由协议选择最佳路径，如 RIP、OSPF）；

  • 拥塞控制（避免网络因数据过多而拥塞）。

• 典型协议：IP（网际协议）、ICMP（互联网控制消息协议，如 ping 命令基于此）、ARP（地址解析协议，将 IP 地址转换为 MAC 地址）。

6. 数据链路层（Data Link Layer）

• 功能：在相邻两个网络设备（如交换机与主机、路由器与交换机）之间的物理链路上传输数据帧，确保数据在物理层的可靠传输。

• 核心任务：

  • 物理寻址（通过 MAC 地址标识同一局域网内的设备）；

  • 帧的封装与拆封（将网络层的数据包包装为帧，添加帧头和帧尾用于校验）；

  • 差错控制（检测并纠正物理层传输的错误，如 CRC 校验）；

  • 流量控制（控制相邻设备间的数据发送速率）。

• 典型技术：以太网（Ethernet）、Wi-Fi（无线局域网）、PPP（点对点协议，用于拨号上网）。

7. 物理层（Physical Layer）

• 功能：定义网络设备与传输介质之间的物理连接规范，负责将数据转换为电信号、光信号或无线电信号等物理形式进行传输。

• 核心任务：

  • 传输介质的规格（如双绞线、光纤、无线电波）；

  • 信号的编码方式（如数字信号与模拟信号的转换）；

  • 物理接口标准（如接口类型、引脚定义、传输速率）。

• 典型设备：网卡、集线器、网线、光纤、无线网卡等。

3、TCP/IP五层模型

1. 应用层（Application Layer）

• 功能：直接为用户应用程序提供网络服务，定义应用程序之间的通信规则。

• 核心任务：处理具体的应用需求，如数据的生成、解析和交互逻辑。

• 典型协议：

  • 网页浏览：HTTP（超文本传输协议）、HTTPS（加密版 HTTP）；

  • 文件传输：FTP（文件传输协议）、SFTP（安全文件传输协议）；

  • 邮件服务：SMTP（简单邮件传输协议）、POP3（邮局协议）、IMAP（互联网消息访问协议）；

  • 远程登录：SSH（安全外壳协议）、Telnet；

  • 域名解析：DNS（域名系统）。

• 特点：是用户可见的最高层，直接与应用程序交互。

2. 传输层（Transport Layer）

• 功能：为应用层提供端到端的可靠或高效的数据传输服务，负责数据的分段、重组和传输控制。

• 核心任务：

  • 数据分段与重组：将应用层的大块数据分割为适合传输的小数据包，接收方再重组为完整数据；

  • 端到端连接管理：通过端口号识别主机上的不同应用程序（如 HTTP 默认 80 端口，HTTPS 默认 443 端口）；

  • 流量控制：调节发送速率，避免接收方因处理能力不足而丢失数据；

  • 差错控制：通过校验和、重传机制确保数据准确传输（仅 TCP 支持）。

• 典型协议：

  • TCP（传输控制协议）：面向连接、可靠传输（通过三次握手建立连接，四次挥手断开连接，确保数据无丢失、无重复、按序到达），适用于文件传输、网页加载等对可靠性要求高的场景；

  • UDP（用户数据报协议）：无连接、不可靠但高效（无需建立连接，传输速度快），适用于视频直播、实时游戏、语音通话等对实时性要求高的场景。

3. 网络层（Network Layer）

• 功能：负责将数据包从源主机路由到目标主机，解决不同网络之间的通信（跨网传输）问题。

• 核心任务：

  • 逻辑寻址：通过 IP 地址（如 IPv4、IPv6）标识网络中的主机，确定数据的源和目的地；

  • 路由选择：通过路由协议（如 RIP、OSPF、BGP）计算从源网络到目标网络的最佳传输路径；

  • 数据包转发：路由器等网络设备根据路由表将数据包转发到下一跳设备；

  • 拥塞控制：避免网络因数据量过大而拥塞。

• 典型协议：

  • IP（网际协议）：定义 IP 地址格式和数据包结构，是网络层的核心协议；

  • ICMP（互联网控制消息协议）：用于网络诊断和错误报告（如 ping 命令基于此协议）；

  • ARP（地址解析协议）：将 IP 地址转换为数据链路层的 MAC 地址；

  • RARP（反向地址解析协议）：将 MAC 地址转换为 IP 地址（较少使用）。

4. 数据链路层（Data Link Layer）

• 功能：在相邻网络设备（如主机与交换机、交换机与路由器）之间的物理链路上传输数据帧，确保物理层数据的可靠传输。

• 核心任务：

  • 物理寻址：通过 MAC 地址（硬件地址）标识同一局域网内的设备；

  • 帧的封装与拆封：将网络层的数据包包装为帧（添加帧头和帧尾，包含 MAC 地址和校验信息），接收方拆封后提取数据包；

  • 差错控制：通过 CRC（循环冗余校验）检测传输错误，丢弃错误帧；

  • 流量控制：调节相邻设备间的发送速率，避免缓冲区溢出。

• 典型技术与协议：

  • 以太网（Ethernet）：有线局域网的主流技术，定义了帧格式和传输规则；

  • Wi-Fi（802.11 系列协议）：无线局域网技术；

  • PPP（点对点协议）：用于拨号上网、专线连接等点对点通信；

  • 交换机：工作在数据链路层，通过 MAC 地址转发帧。

5. 物理层（Physical Layer）

• 功能：定义网络设备与传输介质之间的物理连接规范，负责将数据帧转换为可在物理介质上传输的信号（如电信号、光信号、无线电波）。

• 核心任务：

  • 传输介质：定义网线（双绞线、同轴电缆）、光纤、无线电波等介质的规格；

  • 信号编码：将二进制数据（0 和 1）转换为物理信号（如高低电压、光的明暗）；

  • 物理接口：定义接口类型（如 RJ45 接口、光纤接口）、引脚定义、传输速率（如 100Mbps、1Gbps）。

• 典型设备：网卡、集线器、网线、光纤、无线网卡、中继器等。

TCP/IP 五层模型	对应 OSI 七层模型	说明
应用层	应用层、表示层、会话层	TCP/IP 将 OSI 的上三层功能合并，由应用层统一处理
传输层	传输层	功能基本一致
网络层	网络层	功能基本一致
数据链路层	数据链路层	功能基本一致
物理层	物理层	功能基本一致

4、数据的封装与解封装过程

4.1、PDU（Protocol Data Unit，协议数据单元）

• 数据段：segment

• 数据包：packet

• 数据帧：frame

• 比特流：bits

4.2、数据封装与解封装过程

TCP/IP五层模型每层对应的工作设备： 

应用层：终端设备

传输层：防火墙

网络层：路由器

数据链路层：交换机

物理层：网卡

3、网络地址组成部分

6、相关概念

6.1、网络地址   

• 网络标识/网段

• 用于标记特定网络的符号

• 代表当前网络地址范围内的最小值

• 不能用于实际网络通信

6.2、广播地址

• 用于将数据包从一个网络广播到另一个网络中的所有主机。

• 该网络范围内的最大IP地址值

• 不可用于常规网络通信

6.3、子网掩码