软件设计师笔记——（第十章：计算机网络）

一、计算机网络的概念二、计算机网络的分类(⭐⭐)三、ISO/OSI网络体系结构(⭐⭐⭐)四、网络互联硬件 (⭐⭐⭐)五、局域网、广域网协议（⭐）六、TCP/IP协议簇（⭐⭐⭐）八、通信方式和交换方式（⭐）九、IPv4地址（⭐⭐⭐）十、网络地址转换(NAT)（⭐）十一、子网划分与子网掩码（⭐⭐⭐）十二、无分类编址（CIDR）（⭐⭐⭐）十三、IPv6地址（⭐⭐）十四、网络规划和设计（⭐⭐⭐）十五、零碎

大小胖虎

1706人浏览 · 2023-08-12 07:10:40

大小胖虎 · 2023-08-12 07:10:40 发布

一、计算机网络的概念

计算机网络，是指将地理位置不同（分散的）、具有独立功能的多台计算机及其外部设备，通过通线线路连接起来，在网络操作系统、网络管理软件、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集合。（是现代通信技术和计算机技术结合的产物）

功能：数据通信、资源共享、负载均衡、高可靠性

特点：互联互通、无主从关系（自治）

实现：软件、硬件、协议

二、计算机网络的分类(⭐⭐)

1、按通信距离分类

网络分类	缩写	分布距离	计算机分布范围	传输速率范围
局域网	LAN	10m左右	房间	4Mbps~~1Gbps
		100m左右	楼寓
		1000m左右	校园
城域网	MAN	10km	城市	50Kbps~~100Mbps
广域网	WAN	100km以上	国家或全球	9.6Kbps~~45Mbps

2、按网络拓扑结构分类

1、总线结构

特定：分布式控制故结构简单、利用率低、干扰较大、价格低、但系统可靠性高

2、星型结构

特点：交换机形成的局域网、中央单元负荷大、共享能力差、但维护容易配置灵活

3、环形结构

特点：流动方向固定、效率低、扩充难、但可靠性高

4、树形结构

特点：总线型的扩充、分级结构

5、分布式结构

特点：管理难、成本高、但任意节点连接故共享方便、可靠性高

三、ISO/OSI网络体系结构(⭐⭐⭐)

1、OSI七层协议参考模型

三个概念：

实体：任何可发送或接收信息的软件/硬件模块

协议：控制对等实体进行通信规则的集合

服务：下层为相邻上层通过接口（服务访问点）提供功能

网络协议三要素：

语法：数据与控制信息的结构或格式

协议：信息要完成的具体操作

同步：操作顺序要协调一致

1、应用层：（单位：比特）（实现设备：网关）

任务：提供用户和系统网络的界面（接口）

功能：文件传输、访问和管理、电子邮件业务

协议：FTP、HTTP、HTTPS、SMTP、POP3、DNS、DHCP

2、表示层：（实现设备：网关）

任务：在两个数据表示结构不同的通信系统间，处理信息的表示方式

功能：数据格式转换、数据加密和破解、数据压缩和解压

协议：JPEG、ASCLL、GIF、MPEG、DES

3、会话层：（实现设备：网关）

任务：实现不同主机（节点）间的会话（包括但不限于面向用户连接到建立、维护和释放、管理和控制、保证可靠传输）

功能：建立会话、保持会话、断开会话

协议：TCP、SQL、NFS

4、传输层：（单位：报文段）（实现设备：网关）

任务：负责主机间两个进程的通信

功能：为端到端连接提供可靠传输服务、流量控制、差错控制、服务质量管理

协议：TCP（报文段）、UDP（数据报）

5、网络层（单位：IP分组）（实现设备：路由器）

任务：将传输层报文段封装成分组（数据报）、选择路由将分组交付目的主机

功能：为传输层提供服务、组包拆包、路由选择、拥塞控制

协议：ICMP、ARP、RARP、IP、IGMP

6、数据链路层：（单位：帧）（实现设备：交换机、网桥）

任务：将网络层传下来的数据报组装成帧

功能：链路连接的建立和拆离和分离、帧定界和帧同步、差错检测

协议：SDLC、ATM、HDLC、LAPB、PPP、STP

7、物理层：（单位：比特）（实现设备：中继器、集线器）

任务：透明的传输比特流

功能：为数据端设备提供传送数据的通路

协议：FDDI、V.35、RJ—45

四、网络互联硬件 (⭐⭐⭐)

在网络互连时一般不能简单地直接相连，而是通过一个中间设备来实现，将其根据协议不同设备进行分类。

1、网络传输介质互联设备

T形头，收发器，网络接口单元、各类接口、调制解调器等

2、物理层互联设备

中继器：在比特级别对网络进行再生（放大信号）和重定时，使他们能够在网络上传输更长的距离

集线器：类似于一种特殊的的多路中继器，也具有信号放大的功能

3、数据链路层互联设备

网桥：两个局域网之间的桥梁，同时分析帧地址字段，以决定是否把收到的帧转发到另一个网络段上

交换机：具有简化、低价、高性能和高端口密集特点的交换产品

4、网络层互联设备

路由器：用于连接多个逻辑上分开的网络

5、应用层互联设备

网关：将协议以进行转换，数据重新分组，以便在两个不同类型网络系统之间进行通信

二、网络的传输介质

有限介质：双绞线、同轴电缆、光纤

无限介质：微波、红外线、激光、卫星通信

介质访问技术工作过程：

先侦听信道，如果信道空闲，则发送；如果信道忙，则继续侦听，直到信道空闲时立即发送。

开始发送后再进行一段时间的检测，方法是边发送边接收，并将收、发信息相比较，若结果不同，表明发送的信息遇到碰撞，于是立即停止发送，并向总线上发出一串阻塞信号，通知信道上各站冲突已发生。

已发出信息的各站收到阻塞信号后，等待一段随机时间，等待时间最短的站将重新获得信道，可重新发送。

五、局域网、广域网协议（⭐）

一、局域网协议

1、LAN模型

2、以太网（IEEE 802.3标准）

以太网类型	标准	速度	传输介质
IEEE802.3	标准以太网	10Mbps	同轴电缆
IEEE802.3u	快速以太网	100Mbps	双绞线
IEEE802.3z	千兆以太网	1000Mnps	光纤或双绞线
IEEE802.3ae	万兆以太网	10Gb/s	光纤

3、令牌环网（IEEE 802.5）

4、FDDDI（光纤分布式数据接口）

5、无线局域网WLAN技术标准：lEEE 802. 11

二、广域网协议

1、点对点协议

点对点协议（PPP）主要通过拨号或专线方式建立点对点连接发送数据

优点：简单、具备用户验证能力、可以解决IP分配等

2、数字用户线

xDSL是各种数字用户线的总称，主要DSL技术和产品如下：

ADSL：不对称数字用户专线

SDSL：但对称数字用户环路

IDSL：ISDN用的数字用户线

RADSL：速率自适应非对称型数字用户线

VDSL：甚高速数字用户线

3、数字专线（DDN）

4、帧中继（FR）

5、异步传输模式（ATM）

6、X.25协议

六、TCP/IP协议簇（⭐⭐⭐）

TCP/IP五大基本特性：逻辑编址、路由选择、域名解析、错误检测和流量控制、对应用程序的支持。

一、应用层：用户调用应用程序来访问TCP/IP互连网络

基于TCP的FTP、 HTTP......等都是可靠传输。
基于UDP的DHCP、 DNS......等都是不可靠传输。

FTP：文件传输协议（可靠），用于因特网上控制文件的双向传输（传输端口20、控制端口21）。

HTTP：超文本传输协议（可靠），用于从WWW服务器传输超文本到本地浏览器的传输协议。使用SSL加密后的安全网页协议为HTTPS。

SMTP（邮件发送）和POP3（邮件接收）：邮件传输协议（可靠），是一组用于由源地址到目的地址传送邮件的规则，邮件报文采用ASCII格式表示。

Telent：远程连接协议（可靠），是因特网远程登录服务的标准协议和主要方式。

TFTP：开销不大的小文件传输协议（不可靠）。

SNMP：简单网络管理协议（不可靠），由一组网络管理的标准协议，包含一个应用层协议、数据库模型和一组资源对象。该协议能够支持网络管理系统，用于监测连接到网络上的设备是否有任何引起管理师行关注的情况。

DHCP：动态主机配置协议（不可靠），基于UDP和基于C/S模型，为主机动态分配IP地址，有三种方式：固定分配、动态分配、自动分配。

DNS：域名解析协议（不可靠），通过域名解析出IP地址。

可靠传输		不可靠传输
端口号	服务协议	端口号	服务协议
20	（FTP）文件传输协议（传输）	53	（DNS）域名解析协议
21	（FTP）文件传输协议（控制）	67	（DHCP）动态分配IP地址协议（服务端）
23	（Telent）远程登录协议	68	（DHCP）动态分配IP地址协议（客户端）
25	（SMTP）邮件传输协议（发送）	69	（TFTP）小文件传输协议
80	（HTTP）超文本传输协议（HTTPS端口号：443）	161	（SNMP）简单网络管理协议（轮询）
110	（POP3）邮件传输协议（接受）	162	（SNMP）简单网络管理协议（陷阱）

二、传输层：提供应用程序之间的通信服务

TCP：（可靠）一般用于传输数据量比较少，且对可靠性要求高的场合（如：视频、音频）

UDP：（不可靠）一般用于传输数据量大，对可靠性要求不高，但要求速度快的场合（三次握手协议）

三、网络层：又称IP层，主要处理机器之间的通信问题

IP：网络层最重要最核心的协议（无连接，不可靠）

ICMP：因特网控制信息协议，检测网络通信顺畅

ARP和RARP：地址解析协议，ARP 是将IP地址转换为物理地址，RARP 是将物理地址转换为IP地址。

IGMP：网络组管理协议

四、网络连接层：处在TCP/IP协议的最底层，主要负责管理为物理网络准备数据所需的全部服务程序和功能。

五、经典例题

八、通信方式和交换方式（⭐）

1、通信方式

通向方向：数据通信是指发送方发送数据到接收方，可以分类如下：

单工：只能由设备A发送给设备B，即数据流只能单向流动。

半双工：设备A和设备B可以互相通信，但是同一时刻数据流只能单向流动。

全双工：设备A和设备B在任意时刻都能互相通信。

2、同步方式

异步传输：效率较低。较为简单可允许一定的误差。适用于点对点。

同步传输：效率较高。较为复杂，对双方时钟要求较高。可用于点对多点。

串行传输：适合低速设备、远距离的传送，一般用于广域网中。

并行传输：适合高速设备的传送，近距离的传送，常用语计算机内部各硬件模块之间。

2、交换方式

电路交换：通信一方进行呼叫，另一方接收后，在二者之间会建立一个专用电路。特点为面向连接、实时性高、链路利用率低，一般用于语音视频通信。

报文交换：用于早期的电报通信网，现在较少使用，通常被较先进的分组交换方式取代。特点面向无连接、提高线路可靠性、提高线路利用率。

分组交换：目前最常用的交换方式，以分组为单位，也是存储转发模式，因为分组的长度比报文小，所以时延小于报文交换，又可分为三种方式：

数据报：各个分组携带地址信息，自由的选择不同的路由路径传送到接收方，接收方接收到分组后再根据地址信息重新组装成原数据，是面向无连接的，但是不可靠的。
虚电路：发送方发送一个分组，接收方收到后二者之间就建立了一个虚拟的通信线路，二者之间的分组数据交互都通过这条线路传送，在空闲的时候这条线路也可以传输其他数据，是面向连接的，可靠的。
信号交换：异步传输模式ATM采用的交换方式，本质是按照虚电路方式进行转发，只不过信元是固定长度的分组，共53B，其中5B为头部，48B为数据域，也是面向连接的，可靠的。

九、IPv4地址（⭐⭐⭐）

1、IP地址的表示

机器中存放的IP地址是32位的二进制代码，每隔8位插入一个空格，可提高可读性，通常将32位二进制代码每8位二进制转换成十进制，就变成了4个十进制数，而后在每个十进制数间隔中插入“.”。

因为每个十进制数都是由8个二进制数转换而来，因此每个十进制数的取值范围为0~255

IP地址的组成：={<网络号>，<主机号>}

2、IP地址的分类

分类：IP地址分四段，每段八位，共32位二进制数组成。在逻辑上，这32位IP地址分为网络号和主机号，依据网络号位数的不同，可以将IP地址分为A、B、C、D、E五类：

可用网络号及网络最大主机数：

A类：1—126，2^24-2 （无0和127，因为0表示整个网络，127作为本机回环地址）

B类：128.1—191.255，2^16-2

C类：192.0.1—223.255.255，2^8-2

类别	点分十进制	二进制
A类	1.0.0.0	最低：	00000001 00000000 00000000 00000000
A类	126.255.255.255	最高：	01111110 11111111 11111111 11111111
B类	128.0.0.0	最低：	10000000 00000000 00000000 00000000
B类	191.255.255.255	最高：	10111111 11111111 11111111 11111111
C类	192.0.0.0	最低：	11000000 00000000 00000000 00000000
C类	223.255.255.255	最高：	11011111 11111111 11111111 11111111
D类组播	224.0.0.0	最低：	11100000 00000000 00000000 00000000
D类组播	239.255.255.255	最高：	11101111 11111111 11111111 11111111
E类保留	240.0.0.0	最低：	11110000 00000000 00000000 00000000
E类保留	255.255.255.255	最高：	11111111 11111111 11111111 11111111

带下划线的是网络号，不带下划线的是主机号。红色代表网络地址的最高位。

3、特殊的IP地址

NetID 网络号	HostID 主机号	作源地址	作目的地址	用途
全0	全0	✔	✖	本网内表示主机；路由表中表示默认路由，即整个网络
全0	特定值	✖	✔	本网某个特定主机
全1	全1	✖	✔	本网广播地址
特定值	全0	✖	✖	网络地址，表示一个网络
特定值	全1	✖	✔	对特定网络所有主机广播地址
127	任何非全0/1	✔	✔	本地回环测试，回环地址

十、网络地址转换(NAT)（⭐）

意义：通过专用网络地址转换为公用地址，从而对外隐藏内部管理的IP地址，它使得整个专用网只需要一个全球IP就可以访问互联网，由于专用网IP地址是可以重用的，所以NAT大大节省了IP地址的消耗。

公有地址：通过它直接访问因特网，是全网唯一的IP地址。

私有地址：路由器对私有地址一律不转发，不能直接访问因特网，下表所示为私地址范围

类别	范围	网段个数
A类	10.0.0.0 ~ 10.255.255.255	1
B类	172.16.0.0 ~ 172.31.255.255	16
C类	192.168.0.0 ~ 192.168.255.255	256

1、应用场景：

NAT转换表
WAN端	LAN端
172.48.10.15:40001	192.168.0.2:30000
172.48.10.15:40002	192.168.0.3:30000

上图流程：当私有网主机和公共网主机通信的IP包经过NAT网关时，
将IP包中的源IP或目的IP在私有IP和NAT的公共IP之间进行转换。

1、现在的宽带路由器实际上是路由+交换机的一体结构，
我们可以把它当成是两台设备。

2、WAN：接外部 IP 地址用，通常指的是出口，
转发来自内部 LAN 接口的 IP 数据包。

3、LAN：接内部 IP 地址用，LAN 内部是交换机。
我们可以不连接 WAN 口，把路由器当做普通交换机来使用

十一、子网划分与子网掩码（⭐⭐⭐）

1、子网划分

意义：一般公司在申请网络时，会直接获得一个范围很大的网络，如一个B类地址，但因为主机数之间相差的太大了，不利于分配，我们一般采用子网划分的方法来划分网络，就能根据主机个数来划分出最适合的方案，不会造成资源的浪费。

从主机号借用若干比特作为子网号

{<网络号>, <子网号>, <主机号>}；

对外表现为未划分网络；

2、子网掩码

①、子网掩码的组成：

作用：用来判断任意两台主机的IP地址是否属于同一网络的依据，就是拿双方主机的IP地址和自己主机的子网掩码做与运算，如结果为同一网络，就可以直接通信。

子网掩码32位与IP地址32位相对应，IP地址如果某位是网络地址，则子网掩码为1，如果是主机号，则子网掩码为0。

同属于一个子网的所有主机（或者路由器的一个端口对应的多个子网）其子网掩码都相同。

一个网络的范围是一个路由器

②、子网掩码的分类如下图：

3、子网地址

如何根据IP地址和子网掩码，计算网络地址：

①、将IP地址与子网掩码转换成二进制数。
②、将二进制形式的 IP 地址与子网掩码做“与”运算。
③、将得出的结果转化为十进制，便得到网络地址。如下图：

十二、无分类编址（CIDR）（⭐⭐⭐）

本质：消除了传统的A类、B类和C类地址以及划分子网的概念，将多个地址块聚合在一起生成一个更大的网络，从而包含更多的主机。

CIDR将32位IP地址划分为前后两个部分，前面的部分称为网络前缀或简称为前缀，用来指明网络，后面的部分则用来指明主机。

CIDR斜线记法：在IPV4地址后面加上斜线 “/”，在斜线后面写上网络前缀所占的比特数量。

CIDR把网络前缀相同的连续的IP地址组成一个CIDR地址块。

1、经典例题：

一、例题1

二、例题2

三、例题3

四、例题4

五、例题5

十三、IPv6地址（⭐⭐）

为什么会有IPv6协议？

①、32位的IPv4地址空间已经分派殆尽
②、CIDR、NAT未能从根本上解决地址不够用的问题、

IPv6的特点：

①、IPv6地址长度为128位，地址空间为2^128，与IPv4相比增大了2^96倍;
②、提高安全性，身份认证和隐私权是IPv6的关键特性;
③、IPv6简化了报文头部格式，加快报文转发，提高了吞吐量;
④、灵活的首部格式
⑤、允许协议继续演变，增加新的功能，使之适应未来技术的发展

IPv6地址表示形式

一般：4BF5:AA12:0216:FEBC:BA5F:039A:BE9A:2170

压缩：4BF5:0000:0000:0000:BA5F:039A:BE9A:2170
压缩后：4BF5:0:0:0:BA5F:039A:BE9A:2170
零压缩：4BF5::BA5F:039A:BE9A:2170 （零压缩：双冒号取代一串0（仅能出现一次）
FF05:0:0:0:0:0:0:B4 -> FF05::B4

IPv4和 IPv6的过渡期间，主要采用三种基本技术：

①、双协议技术：主机同时运行IPv4和1Pv6两套协议栈，同时支持两套协议。

②、隧道技术：这种机制用来在IPv4网络之上建立一条能够传输IPv6数据报的隧道。

③、翻译技术：利用一台专门的翻译设备（如转换网关），在纯IPv4和纯IPv6网络之间转换IP报头的地址，同时根据协议不同对分组做相应的语义翻译，从而使纯IPv4和纯IPv6站点之间能够透明通信。

十四、网络规划和设计（⭐⭐⭐）

要点分析:

①需求分析:网络功能要求、网络的性能要求、网络运行环境的要求、网络的可扩充性和可维护性原则。

②网络规划原则:实用性原则、开放性原则、先进性原则。

③网络设计与实施原则:可靠性原则、安全性原则、高效性原则、可扩充性原则。

④层次化网络设计：三层网络结构。

1、三层网络结构

三层模型将网络划分为：核心层（网络的高速交换主干）、汇聚层（提供基于策略的连接）、接入层（将工作站接入网络）。

核心层：提供不同区域之间的最优传送路径和高速数据传送；

汇聚层：将网络业务连接到接入层，并且实施与安全、流量、负载和路由相关的策略（工作站接入核心层前先做汇聚，以减轻核心层设备的负荷）；

接入层： 为局域网接入广域网或者终端用户访问网络提供接入；

网络划分	网络设计分层	连接对象	功能	作用
核心层	三层	三层以上交换设备	路由选择和高速数据传送	网络的高速交换主干
汇聚层	二层、三层	交换机和路由器	提供策略连接	网络接入层和核心层的“中介”
接入层	二层	电脑	终端接入	允许终端用户连接到网络

2、结构化布线系统（PDS）

①工作区子系统：实现工作区终端设备到水平子系统之间的互联。

②水平布线子系统：实现信息插座和管理子系统之间的互连。

③设备间子系统：实现中央主配线架与各种不同设别之间的连接。

④垂直干线子系统：实现各楼层设备间子系统之间的互连。

⑤管理子系统：连接各楼层水平布线子系统和垂直干缆线，负责连接控制其他子系统，为连接控制其他子系统提供连接手段。

⑥建筑群子系统：各个建筑物通信系统之间的互联。

3、经典例题

十五、零碎知识点（⭐⭐⭐）

1、URL

定义：Internet上的每一个网页都具有一个唯一的名称标识，通常称之为URL，简单地说URL就是web地址，俗称“网址”。

URL由3部分组成：资源类型、存放资源的主机类型、资源文件名

也可以认为由4部分组成：协议、主机、端口、路径（很多时候端口都是隐藏的）

还可以认为由7部分组成：协议、域名、端口、虚拟目录、文件名、锚、参数

URL的一般语法：protocol :// hostname[:port] / path / [;parameters][?query]#fragment（红色的为可选项）

一、案例说明1（协议、主机、端口、路径）

协议（HTTP）：规定数据传输的方式。

域名（IP）（或主机号）：在网络环境中找到主机。用 :// 与协议分隔开

端口（port）：（常省略）（HTTP为80，HTTPS为443）在网络主机上，标识一个进程（应用程序）。用：与域名分隔开

资源路径：标识网络资源。用：// 与端口分隔开（当省略端口号时用/与域名分开）

查询参数：传递给资源路径对应的数据。用 ? 与资源路径分隔开，查询内部参数用 & 分隔多个键值对

二、URL格式（域名=(主机名.组名.最高层域名）例：https://www.csdn.net)

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	上述以外部门	uk	英国
int	国际组织	jp	日本

2、常用的HTML标签

3、网络接入技术

①有线接入：

数字数据网（DDN）：网络传输速率高、时延小、透明度高、安全可靠、但成本高
综合业务数据网（ISDN）：一线通
非对称数字用户线路（ADSL）：在一对铜双绞线基础上为用户提供上、下非对称的传输速率。（三种方式：基于以太网—PPPoE、基于ATM—PPPoA、静态IP）
同轴光纤技术（HFC）、公用交换电话网络（PSTN）

②无线接入：

WIFI、蓝牙Bluetooth、红外（IrDA）、WAPI。

3G：WCDMA、CDMA2000、TD-SCDMA。

4G：FDD—LTE—频分、TD—LTE—时分。

5G：理论峰值1G。

③无线网分类：

无线局域网：（WLAN，802.11，WI－FI）
无线城域网：（WMAN，802.1６，WIMax）
无线广域网：（WWAN，3G/4G）
无线个人网：（WPAN，802.15，Bluetooth）

优势：移动性、灵活性、成本低、容易扩充

接入方式：有接入点模式、无接入点模式

4、冲突域和广播域

①默认网关：一台主机可以有多个网关。默认网关的意思是一台主机如果找不到可用的网关，就把数据包发给默认指定的网关，由这个网关来处理数据包。现在主机使用的网关，一般指的是默认网关。默认网关的IP地址必须与本机IP地址在同一个网段内，即同网络号.

②虚拟局域网VLAN：是一组逻辑上的设备和用户，这些设备和用户并不受物理位置的限制，可以根据功能、部门及应用等因素将它们组织起来，相互之间的通信就好像它们在同一一个网段中一样VLAN工作在0SI参考模型的第2层和第3层，一个VLAN就是一个广播域，VLAN之间的通信是通过第3层的路由器来完成的。

③冲突域和广播域：路由器可以阻断广播域和冲突域，交换机只能阻断冲突域，因此一个路由器下可以划分多个广播域和多个冲突域;一个交换机下整体是一个广播域，但可以划分多个冲突域;而物理层设备集线器下整体作为一个冲突域和一个广播域。