2.1

独立模式每一台计算机之间都是相互独立的如果几台计算机要协同工作需要相互之间传输数据那么就需要人工将数据从一台计算机拷贝到另一台计算机。

图1.1

局域网随机互联网技术的发展计算机数量的增多通过交换机和路由器将一定区域内的所有计算机连接起来让他们可以相互通信。

图1.3

广域网随着计算机数量的增多将更大范围、更多计算机连接起来的网络可称为广域网。

广域网和局域网是相对的概念在中国境内我们可以认为每个省的网络属于局域网而全国范围的网络是广域网而在全球范围内又可以认为中国的网络属于局域网。

图1.4

软件的设计是分层的分为前端和后端前端就是给用户的界面后端进行数据处理、数据运算等工作用户要通过前端将信息交付给后端进行处理后端也要将处理结果反馈给前端前端和后端就可以被视为软件的两层。

网络协议的设计也是分层的。

以图2.1所示的用户通信场景为例上层用户遵循语言协定汉语、英语等下层的通信设备也遵守各自的协议如采用电脑发微信不同电脑之间就要遵守特定的电脑协议。

此时如果两名老外要通过英语发送信息那么就只需要改变上层的用户协议而底层通信设备的协议不用修改再比如通信设备变为了卫星电话那么只需改变通信设备之间的协议即可用户层协议无需修改。

这就是协议的分层设计能够实现不同功能间的解耦。

图2.1

TCP/IP是一组协议的代名词TCP表示传输层协议IP表示网络层协议。

TCP/IP协议可分为以下五层每一层都呼叫下一层网络来实现自身需求。

物理层负责通过光/电信号来传输数据如光纤、集线器、调制解调器都属于物理层的设备集线器的工作是将信号放大以便实现远距离数据传输调制解调器则对信号进行变频、转化等操作。

数据链路层负责设备之间数据帧的传送和识别执行数据帧同步、冲突检测、数据校验等工作遵循以太网、无线WIFI、令牌环网等标准交换机是运行在数据链路层的硬件设备可以通过报文交换实现接受数据和发送数据到指定的计算机网络设备中。

网络层负责明确发送数据的源地址和接受数据的目标ip地址明确数据传输所经历的路由器路径路由器就是运行在网络层的设备。

数据传输层负责主机之间的数据传输如用户数据报协议UDP、控制传输协议TCP。

应用层负责上层用户使用的应用软件间的通信如电子邮件传输协议SMTP、文件传输协议FTP、远程网络访问协议Telnet。

TCP/IP的5层协议在计算机体系中的实现如图2.2所示操作系统至少要实现从数据传输层到物理层、路由器至少要实现从网络层到物理层、交换机至少要实现从数据链路层到物理层、而集线器则是仅仅实现在物理层。

图2.2

OSI七层模型从逻辑上将网络通信分为了七层每一层都有对应的功能、硬件设施以及协议。

物理层各种底层设备负责光/点信号的传输光纤、集线器、调制解调器都属于物理层。

数据链路层负责各个主机之间数据帧的传输负责帧同步、冲突检测以及准确性校验等工作这一层的标准有以太网标准、无线WIFI标准、令牌环网标准。

交换机是工作在数据链路层的设备。

网络层负责地址的管理和路由的选择路由器是工作在网络层的设备。

传输层负责主机之间的数据传输如用户数据报协议UDP、控制传输协议TCP。

会话层对通信进行管理负责通信的建立、终止和维持。

表示层实现上层设备数据和网络标准数据格式之间的转换。

应用层针对特定应用的协议如文件传输协议FTP、电子邮件传输协议SMTP、远程网络访问协议Telnet。

综上我们发现OSI七层模型和TCP/IP五层模型的低四层几乎是相同的差别在于上层OSI在操作系统之上的用户层面划分出了会话层、表示层和应用层而TCP/IP则直接归一化成应用层OSI是一种非常理想的理论指导模型TCP/IP是一种已经在网络工程中被成熟应用的设计模型这是因为在操作系统之上的用户软件场景非常复杂难以同一制定协议因此上层协议的维护便交给了用户来实现就有了TCP/IP五层协议模型。

图2.3展示了OSI七层模型每层对应的TCP/IP模型及在计算机体系中的位置。

图2.3

OSI七层模型与TCP/IP五层模型及计算机体系结构的对应关系

3.1

在我们的一般性认识中同一网段的计算机能够实现直接通信如电视机投屏只要手机和电视连接在同一网络下就可以直接投屏从手机向电视投屏本质就是同一网段中的计算机通信。

图3.1展示了统计网段中计算机设备通信的具体流程可见两台设备的通信并不是一台设备直接将数据发送给另一台设备而是要经过层层传输才能够到达。

根据TCP/IP五层模型发送数据的设备数据压从上层传递至下层通过以太网将数据发送至另一台设备另一台设备也要从下层到上层逐步获取数据。

图3.1

如图3.2所示的常见同一网段中可能存在多台计算机设备那么如何确保同一网段中两台设备之间通信其余的计算机设备不受干扰呢

这就要涉及到主机的地址了在局域网中每台主机都有唯一的Mac地址用于标识主机的唯一性可用于识别数据链路层中相连的节点

假设图3.2中的设备A要给设备C发送信息设备B由于处于同一网段中也会看到设备A发送的信息但是设备A在传送信息的时候会带上目标设备的Mac地址设备B在检测到信息不是发送给它的时候就会将信息自动屏蔽。

如果某个网络中两台设备一同发生数据导致数据信号在网络传输中发生碰撞就会出现数据冲突问题数据传输层要负责进行冲突检测如果发生冲突数据就要重发。

如果向某个网络中传入大量垃圾数据就会不断造成数据冲突这就是网络攻击的一种方式。

结论在局域网中通过Mac地址可以标识主机的唯一性可用于识别数据链路层中相连的节点。

图3.2

在广域网中每台计算机设备都与其专属的IP地址用于确定不同网段中发送数据的源主机和接收数据的目标主机。

如图3.3所示不同网段中计算机设备的通信需要由路由器充当连接各个网段的桥梁实现跨网段的数据传输。

图3.3

IP地址有IPv4和IPv6两种表达方式主流采用IPv4。

IP地址用于标识网络中主机的唯一性。

对于IPv4其表达方式为4个0~255的阿拉伯数字每个数据之间用

MAC地址用于标识数据链路层相连的节点。

MAC地址由48个二进制位构成采用16进制数

冒号来表示如

就是一个合法的MAC地址。

一般来说网卡出厂就配置好了MAC地址但也有些网卡支持用户自行配置MAC地址甚至在某些虚拟机中会存在重复的MAC地址。

以图3.4的模型解释IP地址和MAC地址的区别在广域网中我们希望将数据从主机A发送到主机B那么主机A和主机B的地址就是在通信中所讲的IP地址。

在数据链路层主机A发送的数据要依次经过路由器1、2、3才能到达主机B假设现在数据处于路由器1那么路由器1的地址就称为当前的MAC地址而接下来要经过的路由器2的地址就称为下一个MAC地址。

图3.4

源主机向下传输数据的时候每一层都要添加一些属性信息在每一层添加的信息被称为报头自顶向下添加报头的过程就是数据封装的过程。

目标主机在自底向下接受数据的时候在每一层都要去掉对应的报头去掉报头的过程过程就是数据的解包过程。

如源主机数据在经过网络层的时候要添加对应的IP地址信息用于查找目标主机而数据链路层需要添加下一个MAC地址以便于找到数据传输过程中下一个路由器的位置。

图3.5

网络协议的设计是分层的这样有利于适应复杂的场景并且可以实现不同功能之间的解耦。

TCP/IP五层设计模型是工程实践中常采用的协议设计方案自顶向下各层依次为应用层、传输层、网络层、数据链路层和物理层其中应用层为针对特定上层应用的协议传输层负责主机之间数据的传输网络层负责地址的管理和路由的选择数据链路层负责各个主机之间数据帧的传输物理层为底层的各种硬件设施。

OSI七层模型为一种理想的设计模型其下五层与TCP/IP相同依次为传输层、网络层、数据链路层和物理层差别在于上三层OSI七层模型的上三层为应用层、表达层、会话层。

其中应用层为针对特定应用的协议表达层负责向数据转化为网络能够识别的数据格式会话层负责通信的建立、终止和维护。

IP地址负责在网络中标识主机的唯一性MAC地址负责在数据链路层标识相连节点的地址。

网络中数据从上层向下层传输要添加报头从下层向上层传输要去掉报头添加报头的过程称为封装去掉报头的过程称为解包。