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计算机网络是指将地理位置不同的具有独立功能的多台计算机及其外部设备#xff0c;通过通信线路连接起来#xff0c;在网络操作系统#xff0c;网络管理软件及网络通信协议的管理和协调下#xff0c;实现资源共享和信息传递的计算机系统。
要注意不… 一、什么是计算机网络
计算机网络是指将地理位置不同的具有独立功能的多台计算机及其外部设备通过通信线路连接起来在网络操作系统网络管理软件及网络通信协议的管理和协调下实现资源共享和信息传递的计算机系统。
要注意不只是通过Wi-Fi或者网线等方法连接到一起的电脑算是计算机网络任何属于广义计算机的设备比如手机平板电脑嵌入式设备都可以同时链接介质也可以是多种多样的网线光纤Wi-Fi蓝牙串口甚至是卫星都可以。只不过我们常说的计算机网络大部分时候指的都是电脑或者手机这种常见的个人设备连入的IP网络。对于一个软件工程学生来说研究这些就足够了。但是对于做数通产品的人来说我们研究的包括企业级网络比如商场、大型公司内部网络这种情况下对稳定性、带机量能同时允许接入网络的设备数量、带宽速度、权限、安全性等方面要求严格工业级网络一般是工厂或者外面的交通设施电力设施等等这种情况下对硬件本身的稳定性要求很高温度湿度对性能要求并不是很高因为这种情况下数据量不是很大还会有特殊要求比如特殊的电源3-PIN电源还有串口等等主干网络比如一个城市级别的运营商比如一级运营商移动、联通、典型、广电二级运营商铁通、长城等等的主干网络这种情况下对性能和稳定性要求高。大部分情况下我们说的是IP网络IP是一种协议协议就是一种约定一种规范还有很多其他协议比如有很多很多工业协议以及有很多私有协议。现在只要能理解家用小型网络就可以了。 二、计算机网络历史
第一阶段计算机网络萌芽阶段1946-1969
1946年2月14日世界上第一台计算机ENIAC(Electronic Numerical Intgrator And calculator)在美国诞生。其后的20多年计算机技术一直在寻找关于与通信技术相结合方面的发展20实际50年代初美国在本土和加拿大境内建立了一个半自动地面防控系统简称SAGE(赛其)系统可以说是网络的雏形。
在此期间范内瓦.布什 发布了《As we may think》,在这篇文章中指出了数字化时代的到来以及搜索引擎的雏形因此他被成为计算机网络的教父。 第二阶段计算机网络诞生阶段20世纪70到90年代
1969年美国国防部高级研究计划署ARPA建立ARPANet。10月29日在加州大学洛杉矶分校和斯坦福研究所进行互联实现随后扩展为四校加入加州大学圣巴巴分校犹他大学。随后发展成15个站点23台主机1973年ARPANet扩展成为国际互联网。
ARPA是现在互联网的雏形这是每一个学计算机网络的人都必须熟知的。而且也正是从这里开始使用分组交换技术。
第三阶段计算机网络协议标准产生与确立
ISO国际化标准组织经过十年的努力建立了OSI开放式系统互联架构确立了TCP/IP作为通用协议。TCP负责发现传输的问题一有问题就发出信号要求重新传输直到所有数据安全正确地传输到目的地。而IP是给因特网的每一台联网设备规定一个地址。
第四阶段internet国际互联
1986年NSF建立了国家科学基金网实现了全美互联
1987年9月14日CANET与德国卡尔斯鲁厄大学互联向世界发出第一封电子邮件Accross Great wall we can reach every corner in the world 跨越长城走向世界
1993年6月美国提出NII计划建立信息告诉公路
1994年4月中国正式加入信息高速公路
1997年4月中国建设了四大网络中国公用互联网中国教育科研网中国科学技术网中国金桥网
三、计算机网络分类
按照连接范围
从地理范围划分是一种大家都认可的通用网络划分标准。按这种标准可以把各种网络类型划分为局域网、城域网、广域网和互联网四种。局域网一般来说只能是一个较小区域内城域网是不同地区的网络互联不过在此要说明的一点就是这里的网络划分并没有严格意义上地理范围的区分只能是一个定性的概念。
局域网
Local Area NetworkLAN 通常我们常见的“LAN”就是指局域网这是我们最常见、应用最广的一种网络。局域网随着整个计算机网络技术的发展和提高得到充分的应用和普及几乎每个单位都有自己的局域网有的甚至家庭中都有自己的小型局域网。很明显所谓局域网那就是在局部地区范围内的网络它所覆盖的地区范围较小。局域网在计算机数量配置上没有太多的限制少的可以只有两台多的可达几百台。一般来说在企业局域网中工作站的数量在几十到两百台次左右。在网络所涉及的地理距离上一般来说可以是几米至10公里以内。局域网一般位于一个建筑物或一个单位内不存在寻径问题不包括网络层的应用。
这种网络的特点就是连接范围窄、用户数少、配置容易、连接速率高。目前局域网最快的速率要算现今的10G以太网了。IEEE的802标准委员会定义了多种主要的LAN网以太网Ethernet、令牌环网Token Ring、光纤分布式接口网络FDDI、异步传输模式网ATM以及最新的无线局域网WLAN。这些都将在后面详细介绍。 城域网
Metropolitan Area NetworkMAN 这种网络一般来说是在一个城市但不在同一地理小区范围内的计算机互联。这种网络的连接距离可以在10100公里它采用的是IEEE802.6标准。MAN与LAN相比扩展的距离更长连接的计算机数量更多在地理范围上可以说是LAN网络的延伸。在一个大型城市或都市地区一个MAN网络通常连接着多个LAN网。如连接政府机构的LAN、医院的LAN、电信的LAN、公司企业的LAN等等。由于光纤连接的引入使MAN中高速的LAN互连成为可能。
城域网多采用ATM技术做骨干网。ATM是一个用于数据、语音、视频以及多媒体应用程序的高速网络传输方法。ATM包括一个接口和一个协议该协议能够在一个常规的传输信道上在比特率不变及变化的通信量之间进行切换。ATM也包括硬件、软件以及与ATM协议标准一致的介质。ATM提供一个可伸缩的主干基础设施以便能够适应不同规模、速度以及寻址技术的网络。ATM的最大缺点就是成本太高所以一般在政府城域网中应用如邮政、银行、医院等。 广域网
Wide Area NetworkWAN 这种网络也称为远程网所覆盖的范围比城域网MAN更广它一般是在不同城市之间的LAN或者MAN网络互联地理范围可从几百公里到几千公里。因为距离较远信息衰减比较严重所以这种网络一般是要租用专线通过IMP接口信息处理协议和线路连接起来构成网状结构解决循径问题。这种城域网因为所连接的用户多总出口带宽有限所以用户的终端连接速率一般较低通常为9.6Kbps-45Mbps 如邮电部的CHINANETCHINAPAC和CHINADDN网。 无线网
无线网特别是无线局域网有很多优点如易于安装和使用。但无线局域网也有许多不足之处如它的数据传输率一般比较低远低于有线局域网另外无线局域网的误码率也比较高而且站点之间相互干扰比较厉害。用户无线网的实现有不同的方法。国外的某些大学在它们的校园内安装许多天线允许学生们坐在树底下查看图书馆的资料。这种情况是通过两个计算机之间直接通过无线局域网以数字方式进行通信实现的。另一种可能的方式是利用传统的模拟调制解调器通过蜂窝电话系统进行通信。在国外的许多城市已能提供蜂窝式数字信息分组数据 Cellular Digital Packet DataCDPD的业务因而可以通过CDPD系统直接建立无线局域网。无线网络是当前国内外的研究热点无线网络的研究是由巨大的市场需求驱动的。无线网的特点是使用户可以在任何时间、任何地点接入计算机网络而这一特性使其具有强大的应用前景。当前已经出现了许多基于无线网络的产品如个人通信系统 Personal CommunicationSystemPCS电话、无线数据终端、便携式可视电话、个人数字助理 PDA等。无线网络的发展依赖于无线通信技术的支持。无线通信系统主要有低功率的无绳电话系统、模拟蜂窝系统、数字蜂窝系统、移动卫星系统、无线LAN和无线WAN等。
常见的是Wi-Fi也就是一般家用路由器的Wi-Fi还有就是蜂窝网络蜂窝网络常见的向LTE4G及以下、5G等等。其实无线组网还可以用蓝牙、NFC等技术只不过一般家里用的很少。
顺便说一句你肯定不知道Wi-Fi最初标准是谁制定的是美国派女星海蒂·拉玛。要是感兴趣可以看她的百度百科也挺有意思的一个人。
https://baike.baidu.com/item/%E6%B5%B7%E8%92%82%C2%B7%E6%8B%89%E7%8E%9B/10933854?fraladdin 2. 按照拓扑
拓扑这个词以后会经常见到简单的说就是连接方式。
总线型本质是共享带宽的方式安装起来比较方便成本低如果某一站点出现问题不会影响整个网络但是当中传输介质出现问题会导致整个网络瘫痪 环形安装起来方便但是他的容量是有限的在组建好整个网络之后很难增加新的站点现在基本上不怎么使用这种了 星形现在使用频率较多 树形现在使用频率较多 3. 按照传输介质
双绞线也就是常说的网线现在一般常用的有五类、超五类、六类等就是一代代升级速度快准确度高传输距离长等一般五类线就能到千兆1GB有一部分超六类或者七类八类能到万兆10GB大部分家庭用千兆足够了因为一般宽带进来都不到千兆网络是一个短板效应的东西你这一条数据链路上传输速度取决于最慢的那个连接家里用万兆的线最后连接到一个十兆的服务器上传输速度也只能有十兆。顺便说一下双绞线英文是Twisted PairTPTP-LINK正是取名于此。 同轴电缆因为双绞线的发展制作成本高等目前很少使用。有线通目前还在使用同轴电缆用同轴电缆组网我没见过 光纤传输距离长速率高千兆抗干扰强所以是高安全网络的理想选择光纤的原理就是初中的光反射和光折射尽可能增大反射减小折射光纤一般用玻璃纤维做所以最好不要太过于弯折 无线网络采用微波红外线传输的
这几种介质更多的物理特性你要是感兴趣可以百度查一下程序员大部分时候不需要在意这些这些都是物理层协议一般都是硬件电气工程师在意的。
四、分组交换技术
在通信过程中通信双方以分组为单位、使用存储-转发机制实现数据交互的通信方式被称为分组交换PS:packet switching。
分组交换也称为包交换它将用户通信的数据划分成多个更小的等长数据段在每个数据段的前面加上必要的控制信息作为数据段的首部每个带有首部的数据段就构成了一个分组。首部指明了该分组发送的地址当交换机收到分组之后将根据首部中的地址信息将分组转发到目的地这个过程就是分组交换。能够进行分组交换的通信网被称为分组交换网。
分组交换的本质就是存储转发它将所接受的分组暂时存储下来在目的方向路由上排队当它可以发送信息时再将信息发送到相应的路由上完成转发。其存储转发的过程就是分组交换的过程。
分组交换的思想来源于报文交换报文交换也称为存储转发交换它们交换过程的本质都是存储转发所不同的是分组交换的最小信息单位是分组而报文交换则是一个个报文。由于以较小的分组为单位进行传输和交换所以分组交换比报文交换快。报文交换主要应用于公用电报网中。
分组交换的实质就是将要传输的数据按一定长度分成很多组为了准确的传送到对方每个组都打上标识许多不同的数据分组在物理线路上以动态共享和复用方式进行传输为了能够充分利用资源当数据分组传送到交换机时会暂存在交换机的存储器中然后根据当前线路的忙闲程度交换机会动态分配合适的物理线路继续数据分组的传输直到传送到目的地。到达目地之后的数据分组再重新组合起来形成一条完整的数据。
分组交换提出的背景是什么呢计算机网络出来之前主要是电话网络以前的电话特点是你和对方的电话的时候接线员给你把电话线接过去你就会占用这一条线路比如说电话局就一条电话线那你在打电话的时候别人就没办法用了而且你占用的不只是你这一条中间线路问题你还把你和你打电话的对方的终端占用了就算电话局有用不完的电话线也不能帮你实现同时和两个人打电话的需求不只是分出一个接口的问题就算分出一个接口你收到的数据是两条线上同时的可能你打电话听声音能听出来但对计算机都是二进制数据他就无法分辨是哪个计算机给它发的。所以就出现了分组交换的思想。分组交换简单的说就是所有的人都可以共用一条线路原来是必须保证数据传输完整你和一个人打完电话另一个人才能打现在不是了你说的话被分成很多小的数据段在这一秒你可以使用这条线那你的数据就在这条线上传输下一秒这条线的使用权不是你的了那你的数据被暂时存储起来等待仲裁什么时候这条线的使用权仲裁给你了你再发送出去这样大家可以共用一条线同时也可以和多个人同时打电话因为分组数据要求要标识数据来源和目的地当然还要标识很多其他的东西比如组顺序等等所以你和多个人同时打电话也可以分清楚是谁说的话对计算机就是知道是哪个计算机发来的就好像你现在可以一边发微信一遍听音乐是完全不会混乱的。这就是分组交换的意义。分组一般叫做packet数据包。
分组传输还有别的好处比如你一个数据包的大小是很好衡量的运营商就可以按照这个收费比如手机流量。当然还有其他好处但不太重要了。
刚才说的大家分时段用这条线叫做时分复用Time Division Multiplexing,TDM还有频分复用Frequency Division MultiplexingFDM就是电气上可以有很多频率每个人用一个频率也不会干扰大家还能一起用。 五、计算机网络分层
计算机网络太过于复杂我们必须对其进行分层处理每一层规定一族就是一个相关性强的合集协议这一族协议对下一层提供一定接口或者说服务就是可以让对方使用这一层功能的方法比如微信给你做个APP让你直接在APP操作而不需要管后面的服务器怎么设计的对上一层也会提供一定的接口。这种分层提供接口的思想在计算机科学中非常常用叫做封装。目的就是封闭内部实现对外提供固定的接口任何使用者不必关心内部实现是否改变会造成影响因为接口是固定的。封闭实现一个是为了给别人省事我要是改了里面的技术细节你不需要知道只要知道接口改没改就好一个是可能会涉及到一些机密比如一个公司做一个模块我们做的就不想让别的公司知道技术细节所以只给对面一些接口调用功能就好。封装一个指的是功能、协议封装还有事代码封装比如几个同事写不同的模块也需要封装自己的代码不能一个大的系统代码全都糅合到一起这样以后谁也不愿意接手做下一步的维护太乱了。
国际标准组织推出的是7层模型。
七层模型亦称OSIOpen System Interconnection。参考模型是国际标准化组织ISO制定的一个用于计算机或通信系统间互联的标准体系一般称为OSI参考模型或七层模型。
它是一个七层的、抽象的模型体不仅包括一系列抽象的术语或概念也包括具体的协议。 格式值从点分十进制转换点分十进制192.0.2.235不适用点分十六进制0xC0.0x00.0x02.0xEB每个字节被单独转换为十六进制点分八进制0300.0000.0002.0353每个字节被单独转换为八进制十六进制0xC00002EB将点分十六进制连在一起十进制3221226219用十进制写出的32位整数八进制30000001353用八进制写出的32位整数物理层定义物理设备的标准主要对物理连接方式电气特性机械特性等制定统一标准传输比特流因此最小的传输单位——位比特流IEEE 802.1A, IEEE 802.2到IEEE 802.
下面这张图非常壮观看个大概其就行只要理解协议是什么就行协议就是通信双方约定的一种方式比如之前讲的编码也可以作为协议来看。在网络上传输的数据流总要有个方法识别出有意义的数据就靠协议来实现了。 六、TCP/IP模型
OSI的七层模型只是一个理想化的建议性质的分层模型但实际上现在互联网用的主要是TCP/IP模型的五层分层。
早期阿帕网采用的是一种名为NCP的网络协议但是随着网络的发展以及用户对网络需求的不断提高这种协议已经不能充分支持阿帕网。NCP协议有一个很大硬伤它只能用于同构环境中。什么叫同构环境意思就是使用Windows操作系统的用户不能和MacOS操作系统的用户进行通信也不能和Android 的用户通信。无疑这样会大大限制互联网的发展用户使用体验也极为不好。在当时计算机的种类五花八门不同类型的计算机使用的语言也不同他们之间不能互相通信信息的传达很不方便。当时的阿帕网设计者们急需一种新的协议改变这一局面。这个重任落在当时就职于美国国防部高级研究计划局担任信息处理技术办公室主任的罗伯特·卡恩以及他的工作伙伴温特·瑟夫身上。 罗伯特·卡恩和温特·瑟夫后来被称为互联网之父是现代全球互联网发展史上最著名的两个科学家。为了开发和设计新的协议。1974年卡恩和瑟夫带着研究成果在IEEE期刊上发表了一篇题为《关于分组交换的网络通信协议》的论文正式提出TCP/IP用以实现计算机网络之间的互联。1983年美国国防部高级研究计划局决定淘汰NCP协议TCP/IP取而代之。从论文发表到正式被采用整整过去了近10年的时间。卡恩和瑟夫并没有将TCP/IP占为己有而是很大方的免费供所有计算机厂家使用这才造就了如今的互联网。到上世纪90年代TCP/IP协议得以大范围推广成为整个互联网的基石。2004年享有计算机界诺贝尔奖的“图灵奖”颁给了罗伯特·卡恩以表彰罗伯特·卡恩对互联网的卓越贡献。看很多神人的事迹就真的会感慨这些都是人类群星闪耀时没有他们我们会滞后多少年啊。
TCP/IP使用五层分层法。 IP负责为每一个设备分配一个唯一的地址就是IP地址。TCPTransmission Control Protocol数据传输协议负责数据传输。TCP在这里先不讲了。
IP指网际互连协议Internet Protocol的缩写是TCP/IP体系中的网络层协议。设计IP的目的是提高网络的可扩展性一是解决互联网问题实现大规模、异构网络的互联互通二是分割顶层网络应用和底层网络技术之间的耦合关系以利于两者的独立发展。根据端到端的设计原则IP只为主机提供一种无连接、不可靠的、尽力而为的这些词以后都会讲的数据包传输服务。
我们目前用的是IPV4。网际协议版本4英语Internet Protocol version 4IPv4又称互联网通信协议第四版是网际协议开发过程中的第四个修订版本也是此协议第一个被广泛部署的版本。IPv4是互联网的核心也是使用最广泛的网际协议版本其后继版本为IPv6直到2011年IANA IPv4位址完全用尽时IPv6仍处在部署的初期。IPv4使用32位4字节地址因此地址空间中只有4,294,967,2962个地址。不过一些地址是为特殊用途所保留的如专用网络约1800万个地址和多播地址约2.7亿个地址这减少了可在互联网上路由的地址数量。随着地址不断被分配给最终用户IPv4地址枯竭问题也在随之产生。基于分类网络、无类别域间路由和网络地址转换的地址结构重构显著地减少了地址枯竭的速度。但在2011年2月3日在最后5个地址块被分配给5个区域互联网注册管理机构之后IANA的主要地址池已经用尽。
IPv4地址可被写作任何表示一个32位整数值的形式但为了方便人类阅读和分析它通常被写作点分十进制的形式即四个字节被分开用十进制写出中间用点分隔。
格式值从点分十进制转换点分十进制192.0.2.235不适用点分十六进制0xC0.0x00.0x02.0xEB每个字节被单独转换为十六进制点分八进制0300.0000.0002.0353每个字节被单独转换为八进制十六进制0xC00002EB将点分十六进制连在一起十进制3221226219用十进制写出的32位整数八进制30000001353用八进制写出的32位整数 于一般由路由器和主机组成的互连系统我们可以使用下列方法定义系统中的子网。为了确定网络区域分开主机和路由器的每个接口从而产生了若干个分离的网络岛接口端连接了这些独立网络的端点。这些独立的网络岛叫做子网(subnet)。IP地址是以网络号和主机号来表示网络上的主机的只有在一个网络号下的计算机之间才能“直接”互通不同网络号的计算机要通过网关Gateway才能互通。但这样的划分在某些情况下显得并不十分灵活。为此IP网络还允许划分成更小的网络称为子网Subnet。 子网掩码(subnet mask)又叫网络掩码、地址掩码、子网络遮罩它用来指明一个IP地址的哪些位标识的是主机所在的子网以及哪些位标识的是主机的位掩码。子网掩码不能单独存在它必须结合IP地址一起使用。一个ipv4地址32位可以使用其中前面一部分位来表示所在子网后面一部分表示它在子网中的地址。
子网掩码是一个32位地址是与IP地址结合使用的一种技术。它的主要作用有两个一是用于屏蔽IP地址的一部分以区别网络标识和主机标识并说明该IP地址是在局域网上还是在远程网上。二是用于将一个大的IP网络划分为若干小的子网络。使用子网是为了减少IP的浪费。因为随着互联网的发展越来越多的网络产生有的网络多则几百台有的只有区区几台这样就浪费了很多IP地址所以要划分子网。使用子网可以提高网络应用的效率。通过计算机的子网掩码判断两台计算机是否属于同一网段的方法是将计算机十进制的IP地址和子网掩码转换为二进制的形式然后进行二进制按位与计算全1则得1不全1则得0如果得出的结果是相同的那么这两台计算机就属于同一网段。
刚才说到子网掩码前面一部分标识所在子网后面一部分标识子网内地址对应到ip地址上前一部分叫做网络号后一部分叫做主机号。在子网掩码中网络号部分是全1主机号部分是全0。所以可以直接用ip地址和子网掩码做按位与得到网络号判断两个主机是否是同一个子网。子网掩码中网络部分有多少个1也可以说这个子网掩码是多少位的比如一般常用的是24位的用斜杠加位数放在ip后面来表示192.168.1.1/24代表这个IP地址的网络号是192.168.1主机号是1。 你可以先不用管图里的地址分类这是历史问题以后会仔细讲的。一般你在公司看到的地址都是192.168.1.1/24开头或者192.168.0.0/24开头这都是内网地址。
八、总结
这一章主要要记住两个分层模型虽然没有仔细讲更多东西但要大概了解每一层是做什么的最后对IP地址做了简单的介绍。
