第五章 计算机网络

1. 网络概述

  • 计算机网络是计算机技术与通信技术相结合的产物，它实现了远程通信、远程信息处理和资源共享

  • 计算机网络的功能：数据通信、资源共享、负载均衡、高可靠性。

2. 拓扑结构

  • 总线型（利用率低、千扰大、价格低）
  • 星型(交换机形成的局域网、中央单元负荷大）
  • 环型（流动方向固定、效率低扩充难）
  • 树型（总线型的扩充、分级结构）
  • 分布式（任意节点连接、管理难成本高)

3. OSI / RM 参考模型

  • 物理层：二进制数据传输，物理链路和物理特性相关.

    中继器、集线器（多端口中继器）

  • 数据链路层：将数据封装成帧进行传送，准确传送至局域网内的物理主机上

    网桥、交换机（多端口网桥）、网 卡 PPTP、L2TP、SLIP、PPP

  • 网络层：数据分组传输和路由选择，能准确的将数据传送至互联网的网络主机上

    三层交换机、路由器、ARP、RARP、IP、ICMP、IGMP

  • 传输层：端到端的连接，传送数据至主机端口上

    TCP、UDP

  • 会话层：管理主机之间的会话，提供会话管理服务（建立、维护和结束会话）

  • 表示层：提供解释所交换信息含义的服务，包括数据之间的格式转换、压缩、加密等操作，对数据进行 处理

  • 应用层：实现具体的应用功能。直接进程间的通信

    POP3、FTP、HTTP、Telnet、 SMTP DHCP、TFTP、SNMP、DNS

4. 网络互连硬件

  • 物理层：中继器、集线器（可以看作成一种特殊的多路或多端口的中继器）
  • 数据链路层：网桥、交换机（可以看成多端口的网桥）
  • 网络层：路由器、ICMP（控制报文协议）
  • 应用层：网关
广播域 冲突域
物理层（集线器） × ×
数据链路层（交换机） × √
网络层（路由器） √ √

5. 网络诊断

  1. ping:用于检查网络是否连通；

  2. tracert(linux:traceroute):用于确定IP数据包访问目标所采取的路径，若网络不通，能定位到具体哪个结点不通；

  3. ipconfig_(linux:ifconfig)：(显示TCP/IP网络配置值，如：IP地址，MAC地址，网关地址等)

  4. nslookup(查询DNS记录)

  5. Netstat:用于显示网络连接、路由表和网络接口信息；

ipconfig命令的用法如下：

参数 说明 示例
无参数 显示所有网络适配器的IP地址、子网掩码和缺省网关值 ipconfig
/all 显示所有网络适配器的完整TCP/IP配置信息，包括DHCP服务是否已启动 ipconfig /all
/displaydns 显示本地DNS内容 ipconfig /displaydns
/flushdns 清除本地DNS缓存内容 ipconfig /flushdns
/registerdns DNS客户端手工向服务器进行注册 ipconfig /registerdns
/release DHCP客户端手工释放IP地址/释放所有连接 ipconfig /release
/renew DHCP客户端手工向服务器刷新请求（重新申请IP地址）/更新所有适配器 ipconfig /renew

6. 网络的协议

  • 局域网的协议：
    • IEEE802.3标准以太网（CSMA/CD），速度为10Mbps，传输介质为同轴电缆
    • IEEE802.3u为快速以太网，速度为100Mbps，传输介质为双绞线
    • IEEE802.3z为千兆以太网，速度为1000Mbps，传输介质为光纤或双绞线
    • IEEE802.4令牌总线网
    • IEEE802.5令牌环网
  • 无线局域网协议：
    • CSMA/CA（载波侦听多路访问方法）
  • 广域网的协议：
    • 点对点协议PPP（拨号上网）
    • 数字用户线xDSL (ADSL上传网速和下载网速不对等，下载网速一般很快）
    • 数字专线DDN（市内或长途的数据电路）
    • 帧中继（以帧为传输单位）

7. TCP/IP 协议族

  • 特性：

    • 逻辑编址（网卡-物理地址，Internet-逻辑地址）
    • 路由选择（定义路由器如何选择网络路径)
    • 域名解析（域名解析为IP地址
    • 错误检测和流量控制（可靠性、防止拥塞)

  • TCP/IP分层模型：

    • 应用层：具体应用功能
    • 传输层：提供应用程序间端到端的通信
    • 网际层：又称IP层，处理机器间的通信，数据以分组为单位
    • 网络接口层：又称为数据链路层，负责接收IP数据报，并把数据报通过选定的网络发送出去

  • 传输层协议：

    • UDP协议：不可靠连接，因为数据传输只管发送，不用对方确认，因此可能会有丢包现象。一般用于视频、音频数据传输
    • TCP协议：可靠连接，因为有验证机制,每发送一个数据包，都要求对方回复确认；初始建立连接，有 三次握手机制，即A发送连接信息给B(SEQ=X)，B收到后回复确认帧(SEQ=Y，ACK=X+1)，A收到确认帧后冉发送确认(SEQ=X+1，ACK=Y+1)，才能建立连接（上述SEQ表示本机发送的数据包序号，A和B之间的 SEQ分别计数，而ACK为确认帧，ACK=X+1表示已经收到了A机发送的第X个数据包，期望下一个收到第 X+1个数据包）

  • 应用层协议：

    • 基于TCP的FTP、HTTP等都是可靠传输。

      • FTP：可靠的文件传输协议,（端口：20（数据端口）、21（控制端口））
      • HTTP：超文本传输协议，用于上网。使用SSL加密后的安全网页协议为HTTPS
      • SMTP和POP3：邮件传输协议，邮件报文采用ASCII格式表示
      • Telnet：远程连接协议

    • 基于UDP的DHCP、DNS等都是不可靠传输

      • TFTP：不可靠的小文件传输协议
      • SNMP：简单网络管理协议，必须以管理员的身份登录才能完成配置
      • DHCP：动态分配IP地址协议，客户机/服务器模型，租约默认为8天，当租约过半时，客户机需要向DHCP 服务器申请续租，当租约超过87.5%时，如果仍然没有和当初提供IP地址的DHCP服务器联系上，则开始 联系其他DHCP服务器
      • DNS：域名解析协议，将域名解析为IP地址

8. 网络规划

  • 汇聚层：网络访问策略控制、数据包处理和过滤、策略路由、广播域定义、寻址。
  • 接入层：主要是针对用户端，实现用户接入、计费管理、MAC地址认证、MAC地
  • 址过滤、收集用户信息，可以使用集线器代替交换机。

9. 常用协议

9.1 电子邮件协议 SMTP 和 POP3

  • SMTP和POP3都使用TCP端口传输和接收邮件。
  • SMTP：仅传输 ASCII 文本，不能传输非文字性附件。主要用来发邮件，可以使用MIME（邮件附件k扩展协议），添加其他类型的附件。TCP端口号：25。
  • POP3：邮件接收协议；TCP端口号：110。
  • POP3基于C/S模式（Client/Server模式，客户端/服务器模式）。
  • PEM：私密邮件

9.2. ARP和RARP

  • 地址解析协议（ARP）和反地址解析协议（RARP）是网络层的一个重要的协议

  • ARP（地址解析协议）：将IP地址转换为MAC地址（物理地址）。

    IP到MAC地址的转换过程：

    1. 查询ARP高速缓存中是否有该IP地址
    2. 如果该IP地址在ARP高速缓存中，便使用与它对应的MAC地址，将数据报发送给所需的物理网卡
    3. 如果ARP高速缓存中没有该IP地址，ARP便在局域网上以广播方式发送一个ARP请求包
    4. 如果局域网上IP地址与某台计算机中的IP地址相一致，那么该计算机便生成一个ARP应答信息（单播），信息中包含对应的MAC地址。（广播传送请求，单播传送响应）

  • RARP（反地址解析协议）：将MAC地址转换为IP地址，主要用于无盘工作站。

9.3. DHCP（动态主机配置协议）

  • DHCP协议的功能和作用是：

    • 集中的管理、自动分配IP地址
    • 使网络环境中的主机动态地获得IP地址、Gateway地址、DNS服务器地址等信息
    • 提升地址的使用率

    DHCP客户端可以从DHCP服务器获得以下内容：

    • 本机IP地址
    • DNS服务器地址
    • DHCP服务器地址
    • 默认网关的地址

    无效地址：

    • Windows无效地址：169.254.X.X

      169.254.X.X是Windows系统在DHCP信息租用失败时自动给客户机分配的IP地址

    • Linux无效地址：0.0.0.0

9.4 DNS
浏览器输入域名 HOSTS→本地DNS缓存→本地DNS服务器→根域名服务器→ 顶级域名服务器→权限域名服务器。
主域名服务器接 收到域名请求 本地DNS缓存→根域名服务器

9.5 URL

协议名://主机名.域名.域名后缀.域名分类/目录/网页文件

组织模式 含义 地理模式 含义
com 商业机构 cn 中国
edu 教育机构 hk 中国香港
gov 政府机构 mo 中国澳门
mil 军事部门 tw 中国台湾
net 主要网络支持中心 us 美国
org 上述以外组织 uk 英国
int 国际组织 jp 日本

IPv6 128位地址空间、IPv4 32位地址空间。

10. 浏览器

  • DNS域名查询次序是：本地的hosts文件——本地DNS缓存——本地DNS服务器——根域名服务器
  • 主域名服务器在接受域名请求后查询顺序是：本地缓存——本地hosts文件——本地数据库——转发域名服务器

10.1 internet地址

Internet地址格式主要有两种书写形式：

  • 域名
  • IP地址

10.2 IP地址

IP地址：Internet中的主机地址实际上是用IP地址来唯一标识的。

IP地址有两种：

  • IPv4
  • IPv6

通常IP地址是指IPv4。

10.3 IPv4

每个IPv4地址都由4个小于256的数字组成（每个数字8位，共32位），数字之间用.分开，可分为5类：

补充：

  • 在IPv4中，全0代表的是网络，全1代表的是广播。

  • IPv4能表示的地址个数为：2^32^≈40亿。

    IP 说明
    127网段 回播地址，本地环回地址
    主机号非全0和非全1 可作为子网中的主机号使用
    主机号全0地址 代表这个网络本身，可作为子网地址使用
    主机号全1地址 特定子网的广播地址
    169.254.0.0 保留地址，用于DHCP失效（Win）
    0.0.0.0 保留地址，用于DHCP失效（Linux）

10.4 子网掩码

网络软件和路由器使用子网掩码来识别报文是仅存放在网络内部还是被路由转发到其他地方。

子网掩码是用来指明特定的IP地址中的网络号和主机号部分。子网掩码的格式与IP地址相同：

  • 所有对应网络号的部分用1填上；
  • 所有对应主机号的部分用0填上。

10.5 IPv6

IPv6具有长达128位的地址空间，可以彻底解决IPv4地址不足的问题。

IPv6理论上能表示的地址个数：2^128^=3.4×10^38^

在想象得到的将来，IPv6的地址空间是不可能用完的。

10.6 无线通信技术

流行的无线通信技术有WiFi、蓝牙等。其中，蓝牙覆盖范围最小、通信距离最短。