电脑进阶知识:计算机互联网基础篇!

2020-04-26 09:06:23  阅读 20 次 评论 0 条

电脑基础:计算机互联网基础知识篇

一、概述

网络的网络

网络把主机连接起来,而互联网是把多种不同的网络连接起来,因此互联网是网络的网络。

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ISP

互联网服务提供商 ISP 可以从互联网管理机构获得许多 IP 地址,同时拥有通信线路以及路由器等联网设备,个人或机构向 ISP 缴纳一定的费用就可以接入互联网。

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目前的互联网是一种多层次 ISP 结构,ISP 根据覆盖面积的大小分为第一层 ISP、区域 ISP 和接入 ISP。互联网交换点 IXP 允许两个 ISP 直接相连而不用经过第三个 ISP。

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计算机网络体系结构

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二、物理层

通信方式

根据信息在传输线上的传送方向,分为以下三种通信方式:

  • 单工通信:单向传输

  • 半双工通信:双向交替传输

  • 全双工通信:双向同时传输

带通调制

模拟信号是连续的信号,数字信号是离散的信号。带通调制把数字信号转换为模拟信号。

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三、数据链路层

基本问题

1. 封装成帧

将网络层传下来的分组添加首部和尾部,用于标记帧的开始和结束。

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2. 透明传输

透明表示一个实际存在的事物看起来好像不存在一样。

帧使用首部和尾部进行定界,如果帧的数据部分含有和首部尾部相同的内容,那么帧的开始和结束位置就会被错误的判定。需要在数据部分出现首部尾部相同的内容前面插入转义字符。如果数据部分出现转义字符,那么就在转义字符前面再加个转义字符。在接收端进行处理之后可以还原出原始数据。这个过程透明传输的内容是转义字符,用户察觉不到转义字符的存在。

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3. 差错检测

目前数据链路层广泛使用了循环冗余检验(CRC)来检查比特差错。

MAC 地址

MAC 地址是链路层地址,长度为 6 字节(48 位),用于唯一标识网络适配器(网卡)。

一台主机拥有多少个网络适配器就有多少个 MAC 地址。例如笔记本电脑普遍存在无线网络适配器和有线网络适配器,因此就有两个 MAC 地址。

局域网

局域网是一种典型的广播信道,主要特点是网络为一个单位所拥有,且地理范围和站点数目均有限。

主要有以太网、令牌环网、FDDI 和 ATM 等局域网技术,目前以太网占领着有线局域网市场。

可以按照网络拓扑结构对局域网进行分类:

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以太网

以太网是一种星型拓扑结构局域网。

交换机

交换机具有自学习能力,学习的是交换表的内容,交换表中存储着 MAC 地址到接口的映射。

正是由于这种自学习能力,因此交换机是一种即插即用设备,不需要网络管理员手动配置交换表内容。

四、网络层

概述

因为网络层是整个互联网的核心,因此应当让网络层尽可能简单。网络层向上只提供简单灵活的、无连接的、尽最大努力交互的数据报服务。

使用 IP 协议,可以把异构的物理网络连接起来,使得在网络层看起来好像是一个统一的网络。

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与 IP 协议配套使用的还有三个协议:

  • 地址解析协议 ARP(Address Resolution Protocol)

  • 网际控制报文协议 ICMP(Internet Control Message Protocol)

  • 网际组管理协议 IGMP(Internet Group Management Protocol)

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IP 数据报格式

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  • 版本 : 有 4(IPv4)和 6(IPv6)两个值;

  • 首部长度 : 占 4 位,因此最大值为 15。值为 1 表示的是 1 个 32 位字的长度,也就是 4 字节。因为首部固定长度为 20 字节,因此该值最小为 5。如果可选字段的长度不是 4 字节的整数倍,就用尾部的填充部分来填充。

  • 区分服务 : 用来获得更好的服务,一般情况下不使用。

  • 总长度 : 包括首部长度和数据部分长度。

  • 生存时间 :TTL,它的存在是为了防止无法交付的数据报在互联网中不断兜圈子。以路由器跳数为单位,当 TTL 为 0 时就丢弃数据报。

  • 协议 :指出携带的数据应该上交给哪个协议进行处理,例如 ICMP、TCP、UDP 等。

  • 首部检验和 :因为数据报每经过一个路由器,都要重新计算检验和,因此检验和不包含数据部分可以减少计算的工作量。

  • 标识 : 在数据报长度过长从而发生分片的情况下,相同数据报的不同分片具有相同的标识符。

  • 片偏移 : 和标识符一起,用于发生分片的情况。片偏移的单位为 8 字节。

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IP 地址编址方式

IP 地址的编址方式经历了三个历史阶段:

  • 分类

  • 子网划分

  • 无分类

1. 分类

由两部分组成,网络号和主机号,其中不同分类具有不同的网络号长度,并且是固定的。

IP 地址 ::= {< 网络号 >, < 主机号 >}

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2. 子网划分

通过在主机号字段中拿一部分作为子网号,把两级 IP 地址划分为三级 IP 地址。

IP 地址 ::= {< 网络号 >, < 子网号 >, < 主机号 >}

要使用子网,必须配置子网掩码。一个 B 类地址的默认子网掩码为 255.255.0.0,如果 B 类地址的子网占两个比特,那么子网掩码为 11111111 11111111 11000000 00000000,也就是 255.255.192.0。

注意,外部网络看不到子网的存在。

3. 无分类

无分类编址 CIDR 消除了传统 A 类、B 类和 C 类地址以及划分子网的概念,使用网络前缀和主机号来对 IP 地址进行编码,网络前缀的长度可以根据需要变化。

IP 地址 ::= {< 网络前缀号 >, < 主机号 >}

CIDR 的记法上采用在 IP 地址后面加上网络前缀长度的方法,例如 128.14.35.7/20 表示前 20 位为网络前缀。

CIDR 的地址掩码可以继续称为子网掩码,子网掩码首 1 长度为网络前缀的长度。

一个 CIDR 地址块中有很多地址,一个 CIDR 表示的网络就可以表示原来的很多个网络,并且在路由表中只需要一个路由就可以代替原来的多个路由,减少了路由表项的数量。把这种通过使用网络前缀来减少路由表项的方式称为路由聚合,也称为 构成超网 。

在路由表中的项目由“网络前缀”和“下一跳地址”组成,在查找时可能会得到不止一个匹配结果,应当采用最长前缀匹配来确定应该匹配哪一个。

地址解析协议 ARP

网络层实现主机之间的通信,而链路层实现具体每段链路之间的通信。因此在通信过程中,IP 数据报的源地址和目的地址始终不变,而 MAC 地址随着链路的改变而改变。

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ARP 实现由 IP 地址得到 MAC 地址。

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每个主机都有一个 ARP 高速缓存,里面有本局域网上的各主机和路由器的 IP 地址到 MAC 地址的映射表。

如果主机 A 知道主机 B 的 IP 地址,但是 ARP 高速缓存中没有该 IP 地址到 MAC 地址的映射,此时主机 A 通过广播的方式发送 ARP 请求分组,主机 B 收到该请求后会发送 ARP 响应分组给主机 A 告知其 MAC 地址,随后主机 A 向其高速缓存中写入主机 B 的 IP 地址到 MAC 地址的映射。


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