网络编程先验知识1

介绍

• 互联网
• • • 1. 什么是互联网？
    • 2. 网络与网络之间是通过什么连接在一起的？
    • 3. 路由器是不是主机，为什么？
• OSI七层体系结构
• TCP/IP协议与五层体系结构
• IP地址与端口号
• • • 1. 分类IP
    • 2. 无分类编址（CIDR）
    • 3. 子网掩码
    • 4. IPv6的表示方式
    • 5. 协议端口号

互联网

1. 什么是互联网？

互联网（Internet）是一个全球性的计算机网络系统，通过一系列标准化的协议（如TCP/IP）将世界各地的计算机和网络设备连接在一起。它允许用户通过网络进行信息交换、资源共享、通信和各种在线服务。互联网的关键特征包括：

• 全球互联：连接全球范围内的各种网络，包括局域网（LAN）、广域网（WAN）等。
• 开放标准：使用统一的协议（如TCP/IP）确保不同设备和网络之间的互操作性。
• 分布式架构：没有中央控制机构，网络中的每个节点都可以通过路由和交换技术自主传输数据。
• 多样化服务：提供电子邮件、网页浏览、文件传输、在线游戏、社交媒体等多种服务。

2. 网络与网络之间是通过什么连接在一起的？

网络与网络之间主要通过以下几种方式连接在一起：

• 路由器（Routers）：负责在不同网络之间传输数据包，根据目标IP地址选择最佳路径进行转发。路由器是互联网的骨干设备，通过路由表和路由协议实现网络之间的互连。
• 交换机（Switches）：主要用于局域网内部的设备连接，也可以用于不同网络之间的连接，但通常需要通过路由器进行更广泛的网络互连。
• 网关（Gateways）：充当不同网络协议之间的桥梁，进行协议转换和数据转发。常用于连接不同类型的网络，如将内部网络与互联网连接。
• 光纤、电缆、卫星链路等传输介质：物理层面的连接方式，传输介质提供数据在不同地理位置的网络之间进行物理传输的通道。
• 网络服务提供商（ISPs）：提供网络接入和互连服务，通过其基础设施和服务将用户网络连接到更大的互联网。

3. 路由器是不是主机，为什么？

路由器不是主机。以下是原因及其区别：

• 路由器（Router）：

  • 功能：路由器的主要功能是连接不同的网络，转发数据包，并根据目标地址选择最佳路径。它使用路由表和路由协议来管理网络间的通信。
  • 特点：具有多个网络接口（如多个以太网端口），用于连接不同的网络。主要用于网络间的数据传输和管理。
  • 示例：家庭网络中的Wi-Fi路由器，企业网络中的核心路由器，ISP使用的骨干路由器。

• 主机（Host）：

  • 功能：主机是网络中的终端设备，运行应用程序，提供和使用网络服务。主机可以是服务器、个人电脑、智能手机等。
  • 特点：通常有一个或多个网络接口，用于连接到一个网络。主要用于数据的生成、处理和存储。
  • 示例：个人电脑、服务器、智能手机等。

总结：

• 功能区别：路由器主要用于连接网络和转发数据包，而主机主要用于运行应用程序和提供服务。
• 网络角色：路由器在网络层工作，负责网络间的通信；主机在应用层工作，负责数据的生成和使用。

因此，尽管路由器和主机都是网络中的关键设备，它们的功能和角色有显著区别，路由器不被视为主机。

OSI七层体系结构

OSI（Open Systems Interconnection）七层模型是一个标准化的网络框架，用于定义网络通信的各个阶段。每一层都为上一层提供服务，并从下一层接收服务。七层模型从底层到顶层依次为：

1. 物理层（Physical Layer）

   • 作用：负责实际的硬件传输，包括电缆、网卡、集线器等。它定义了物理设备的电气和物理规范，如电压、电流、传输速率、物理连接等。
   • 功能：信号的传输和接收。

2. 数据链路层（Data Link Layer）

   • 作用：负责节点间的数据传输和错误检测、纠正。它在物理层之上，提供了可靠的数据传输。
   • 功能：帧的组装和拆解、MAC地址寻址、错误检测与校正。

3. 网络层（Network Layer）

   • 作用：负责数据包的路由选择、转发、逻辑地址（如IP地址）的分配和管理。
   • 功能：路径选择和网络互连、路由选择、逻辑地址管理。

4. 传输层（Transport Layer）

   • 作用：提供端到端的通信服务，包括数据的分段和重组、流量控制、错误检测与恢复。
   • 功能：端口地址（如TCP/UDP端口）管理、数据分段与重组、流量控制、可靠数据传输。

5. 会话层（Session Layer）

   • 作用：负责建立、管理和终止会话。会话层控制对话（连接）的建立、管理和终止。
   • 功能：会话建立与管理、同步、对话控制。

6. 表示层（Presentation Layer）

   • 作用：负责数据的表示、翻译、加密和解密。它确保来自不同系统的数据可以互相理解。
   • 功能：数据格式化、加密与解密、数据压缩。

7. 应用层（Application Layer）

   • 作用：为应用程序提供服务，直接面向用户。它是用户与网络交互的界面。
   • 功能：文件传输、电子邮件、远程登录等应用服务。

这个分层模型的设计旨在简化网络通信的设计、开发和故障排除，并确保不同类型的网络硬件和软件可以互操作。

TCP/IP协议与五层体系结构

五层模型是对OSI七层模型的简化，用于描述计算机网络的分层结构。五层模型包括以下层次，从底层到顶层依次为：

1. 物理层（Physical Layer）

   • 功能：负责物理设备的传输和接收。它定义了硬件设备、传输介质、信号的电气特性和物理连接标准。
   • 作用：实现比特流的传输，通过介质传输原始的二进制数据。

2. 数据链路层（Data Link Layer）

   • 功能：负责在相邻节点间的可靠数据传输，包括帧的组装和拆解、物理地址（MAC地址）寻址、错误检测与纠正。
   • 作用：提供可靠的点到点的帧传输，处理物理层传输中的错误。

3. 网络层（Network Layer）

   • 功能：负责数据包的路由选择和转发。它管理网络间的逻辑地址（如IP地址），选择最佳路径传输数据。
   • 作用：路径选择、数据包的路由和转发、逻辑地址管理。

4. 传输层（Transport Layer）

   • 功能：提供端到端的通信服务，确保数据传输的可靠性和完整性。它包括数据的分段和重组、流量控制、错误检测与恢复。
   • 作用：端到端连接的建立与管理、数据分段与重组、流量控制、可靠数据传输。

5. 应用层（Application Layer）

   • 功能：为用户提供直接的网络服务，如文件传输、电子邮件、远程登录等。它是用户与网络交互的接口。
   • 作用：提供各种网络应用服务，直接面向用户。

五层模型简化了OSI七层模型，将表示层和会话层的功能合并到应用层中，使网络层次结构更加简洁易懂，同时保留了主要的网络功能。

IP地址与端口号

1. 分类IP

分类IP地址是早期IP地址分配方法，将IPv4地址划分为不同类别，每类具有不同的网络和主机位数。

• A类：

  • 范围：1.0.0.0 到 126.255.255.255
  • 网络位：8位
  • 主机位：24位
  • 默认子网掩码：255.0.0.0
  • 特点：适用于拥有大量主机的大型网络。例如，大型公司或机构。
  • 特殊地址：127.0.0.0 到 127.255.255.255保留用于环回测试（通常是127.0.0.1）。

• B类：

  • 范围：128.0.0.0 到 191.255.255.255
  • 网络位：16位
  • 主机位：16位
  • 默认子网掩码：255.255.0.0
  • 特点：适用于中型网络，例如大学或中型公司。

• C类：

  • 范围：192.0.0.0 到 223.255.255.255
  • 网络位：24位
  • 主机位：8位
  • 默认子网掩码：255.255.255.0
  • 特点：适用于小型网络，例如小企业或家庭网络。

• D类（多播）：

  • 范围：224.0.0.0 到 239.255.255.255
  • 特点：用于多播组，不用于主机寻址。应用于视频会议和直播等多点传送服务。

• E类（保留地址）：

  • 范围：240.0.0.0 到 255.255.255.255
  • 特点：保留供未来使用或研究目的，不用于常规网络通信。

2. 无分类编址（CIDR）

**无分类域间路由（Classless Inter-Domain Routing, CIDR）**是一种灵活的IP地址分配和路由聚合方法，取代了传统的A、B、C类网络划分。

• 表示方法：采用IP地址后跟斜杠和网络前缀长度表示法，例如192.168.1.0/24。
  • 192.168.1.0/24 表示前24位为网络地址，后8位为主机地址。
• 优点：
  • 灵活性：允许任意长度的网络前缀，提供了更灵活的地址分配。
  • 路由聚合：可以通过聚合多个网络前缀减少路由表的大小，优化路由性能。

3. 子网掩码

子网掩码用于区分IP地址中的网络部分和主机部分，通过掩码来确定网络地址。

• 表示方法：与IP地址一样，用点分十进制表示，例如255.255.255.0。
• 功能：与IP地址进行按位与运算（AND），以获得网络地址。
  • 例子：
    • IP地址：192.168.1.10
    • 子网掩码：255.255.255.0
    • 网络地址计算：192.168.1.10 AND 255.255.255.0 = 192.168.1.0

4. IPv6的表示方式

IPv6地址是128位长，用于解决IPv4地址不足的问题。

• 标准表示：用冒号分隔的8组16进制数，每组4个16进制数字，例如2001:0db8:85a3:0000:0000:8a2e:0370:7334。
• 简化表示：
  • 省略前导零：每组16进制数字前的零可以省略，例如2001:db8:85a3:0:0:8a2e:370:7334。
  • 双冒号表示一组连续的零：例如2001:db8:85a3::8a2e:370:7334。双冒号只能出现一次。

5. 协议端口号

端口号用于标识网络中不同应用程序的通信终端。主要分为三类：

• 知名端口（Well-known Ports）：

  • 范围：0-1023
  • 用途：用于常见的网络服务和协议。例如：
    • HTTP：80
    • HTTPS：443
    • FTP：21
    • SSH：22

• 注册端口（Registered Ports）：

  • 范围：1024-49151
  • 用途：分配给特定应用程序和服务，但不作为知名端口。例如：
    • Microsoft SQL Server：1433
    • MySQL：3306

• 动态或私有端口（Dynamic or Private Ports）：

  • 范围：49152-65535
  • 用途：用于临时或私有端口，通常由客户端应用程序在通信过程中动态分配。例如：
    • 客户端应用程序在建立TCP连接时可能使用这些端口。

每个端口号结合IP地址形成完整的套接字地址（Socket Address），用于网络通信中的特定应用程序。