计算机网络基础

Posted 2021-02-05 cuiyuanzhang

在最开始，计算机网络使用的是单机模式，不同的计算机处理不同业务，也就不存在通信，随着业务要求的增加，人们就开始将一个个计算机连接在一起，形成一个计算机网络实现信息共享。

计算机网络根据规模可以分为广域网(WAN)城域网(MAN)和局域网(LAN)，我们通常所提的互联网多指广域网。

局域网

广域网

计算机网络发展概述

根据《图解TCP/IP》提出计算机网络的发展可以分为六个阶段：批处理阶段，分时处理阶段，计算机间通信阶段，计算机网络产生阶段，互联网普及阶段，互联网中心阶段。

批处理阶段

由于计算机制作成本高昂，不仅是个人还是小型公司都没有能力独立使用，于是便出现了批处理，批处理的意义就是事先将用户程序和数据装进磁盘，交由计算机按照顺序读取，使用户所执行的程序能够批量得到处理。
当然批处理计算机的制作成本依旧仍然价格昂贵，所以通常会放在专门进行计算机管理和运维的计算机中心，当时的计算机操作复杂，并且输出结果只能通过打印机打印才能得到，并且性能不佳，通常需要很久才能得到结果，工作效率低下。

分时系统阶段

分时系统(TSS)指的是多个终端与同一计算机连接，允许多个用户同时使用同一台计算机，这里终端指的是键盘显示器等输入输出设备。分时系统的特性包括：独占性，多路性，交互性，及时性。分时系统的出现首次实现了交互式的操作，并且促进了交互式编程语言BASIC的出现。此时，计算机开始走进办公场所。
在分时系统中，计算机和各个终端间用通信线路连接，但这并不是计算机之间相互连接。

计算机间通信阶段

随着计算机技术的发展，计算机的价格也不再让人望尘莫及，计算机也开始为处理日常事务而存在，但是不同计算机之间传输数据极为麻烦，人们只能通过磁盘实现数据传输，于是出现了计算机之间通过通信线路连接这一阶段，极大的缩短了传输时间。
计算机分布式处理也是在这一阶段出现的，公司内部不再仅存一台计算机，二十使用多台计算机来分布式处理，最后在交由总计算机处理得出结果。

计算机网络产生阶段

人们开始着手实现交换技术和不同厂商计算机之间的通信技术，能够让各式各样的计算机相互连接，同时在这一阶段窗口系统首次出现，也就是我们现在熟悉的一边听歌，一边聊天，一边敲代码的模式，多个应用程序可以同时进行。

互联网技术普及阶段

虽然在上一阶段实现了不同厂商异构计算机间的通信，但是布置这种环境所需要的成本不菲，互联网技术的出现解决了这一情况，也就是连接异构型计算机的通信网络技术，在此时E-mail和万维网飞速发展，真正的走进家庭。

互联网中心阶段

互联网的发展不再局限于计算机，手机、电视、游戏机都能联网使用，电商平台的发展，打车软件的广泛使用，衣食住行都有互联网的身影，互联网真正的融入了人们的日常生活。

协议

什么是协议？

协议就是一种计算机之间的一种约定，映照到人身上就是会汉语的人只能和会会汉语的人进行交谈。

有哪些协议？

在计算机网络通信领域中，协议是最常提及的词汇，互联网中常用的协议有TCP，IP，HTTP等，TCP/IP指的就是这些协议的集合，并不是TCP协议和IP协议，它是一种计算机网络体系结构。在局域网中通常使用IPX/SPX网络体系结构(Novell公司开发)。

• TCP/IP体系结构包括：IP，ICMP，TCP，UDP，HTTP，SNMP，SMTP等
• PX/SPX体系结构包括：IPX，SPX，NPC等

OSI七层模型

OSI来源

OSI模型是由国际标准化组织(ISO)提出的，目的是使协议标准化，让不同的计算机和操作系统间可以进行通信，推动网络普及。

OSI的分层

OSI模型将通信协议根据功能按顺序分为了七层，每层都接收下层的服务并且为上层提供服务，上下层之间遵循的约定叫接口，同层之间的约定叫做协议。
分层的优点在于能够细分通信功能，单独实现各层的协议，但是过分模块化会导致处理逻辑复写等情况。

分层介绍

• 应用层：为应用程序提供服务并规定应用程序中通信的相关细节，包括文件传输，电子邮件等协议。
• 表示层：将应用处理的信息转换为适合网络传输的格式，主要负责数据格式的转换。
• 会话层：主要负责数据传输相关的管理，如建立和断开通信连接和数据的分割等，。
• 传输层：起着确保数据可靠传输的作用，只在通信双方节点上进行处理，而无需再路由器上进行处理，会话层决定建立和断开连接的时机，传输层进行实际的处理，传输层指的是逻辑意义上的连接。
• 网络层：将数据传输到目标地址，主要负责寻址和路由选择。
• 数据链路层：负责物理层面上的节点之间的传输,数据帧和比特流之间的转换，数据链路层指的是物理的通信线路上的连接。
• 负责高电平、低电平和01比特流之间的互换，也就是电子信号和比特流之间的转换。

通信的分类

分组交换和电路交换

分组交换把数据分为名叫包的小单位进行传输的方法，报文首行通常会标明数据总大小，来源，接收端等信息，路由器会将分组数据先缓存到自己的缓冲区后再转发给目标计算机，路由器的缓存饱和时可能会出先数据丢失的情况。因为是通信线路共享，所以可以实现三个用户之间进行通信。TCP/IP就是分组交换。
在电路交换中，交换机主要负责数据的中转处理，计算机连接到交换机上，交换机和交换机之间通过众多通信线路进行连接，因此计算机之间进行传输数据时，需要建立一条通信电路，但是同一时刻如果存在多台计算机需要进行通信，就只能等待正在进行传输的两台计算机传输完毕才能进行传输。

单播、广播、多播和任播

单播就是一对一通信，比如说固定电话之间的通信。
广播就是指将消息从一台主机发送给与之相连的所有其他主机，但是它指的是在广播域(广播范围)内的才能进行。
多播和广播类似，但是多播需要限定某一组主机作为接收端。
任播是指在多台主机中选出一台作为接收端的一种通信方式，所选中的主机会返回一个单播信号。多存在于DNS服务器。

地址

通信传输中，发送端和接收端可以被视为通信主体。它们都能够被地址加以标识，不同层的协议使用不同的地址。

地址存在唯一性

每个通信地址必须明确主体对象，否则地址也就失去存在意义，目标主体可以指完成本次指令的计算机群组，也可以是单独一个计算机，也就是说广播、多播和地址的唯一性并不矛盾。

地址存在层次性

地址的层次性其实就是为了高效快速的找出通信的主体对象，可以通过国家的省市区的层次划分来理解。
MAC地址不存在层次性，因为MAC地址是由厂商在生产时对每块网卡进行制定的方式，相当于身份证号，但不同于身份证号，因为没法从mac地址中识别出其使用地址，只能作为网卡的唯一身份标识。

网络的构成

传输速率和吞吐量

传输速率是指两个设备之间数据流动的物理速率，单位为bps(每秒比特数)，在不同介质之中传输速率不同，但是传输速率是恒定的，不会出现波动。
吞吐量指的是处理数据的能力，网络拥堵程度等信息，我们通常使用吞吐量来比较不同web框架的速度。

一些网络设备

• 网卡是计算机实现联网的设备，也就是在计算机系统中常见的网络适配器，比如想要连接无线网络必须有无线网卡，连接有线网络必须要有有线网卡。
• 中继器位于物理层，是一个信号放大器，负责信号之间的转换。
• 网桥位于数据链路层连接 两个网络的设备，也被称为二层交换机，网桥能够识别数据链路层中的数据帧(和分组数据相似)，并将数据帧存储与内存，在重新生成全新的数据帧发送给相连的另一个网段。自学式网桥拥有自学机制，能够记住自己曾经转发的所有数据帧的mac地址，并保存到内存中，由此判断是否将数据报文转发给相邻网段。交换集线器(交换机)的每一个端口其实都提供网桥的功能。
• 路由器(3层交换机)工作在网络层，连接两个网络并对分组报文进行转发，网桥基于mac地址进行处理，路由器基于IP地址进行处理。
• 负载均衡器(4-7层交换机)工作在OSI参考模型的4-7层，以TCP等协议的传输层和网络层为基础，分析数据并进行相应处理。例如服务器集群的分发。

虚拟化技术和云

在一些电商网站，在双十一等购物高峰，服务器的访问量会极速提高，但在平时不会存在这么大的访问量，基于这样的背景，虚拟化技术被提出，如openstrack技术。应用拟化技术，将物理设备虚拟化的动态调整机制被称为云，只提供用户需要的信息。