【总结】计算机网络原理

（本文只是自己的学习总结，不一定正确，仅供参考）

计算机网络基础

OSI参考模型

实际网络架构

网络接口层

信息传播的物理媒介——双绞线、同轴电缆、光纤、不同频率的电磁波等（电磁波在不同频率、不同调制方式下也认为是不同物理媒介）。

信息在各种物理媒介传播的不同传输协议——以太网、移动通信网、WIFI、蓝牙等。

不同传输协议规定的内容——物理接口形状、规格、电气特性、电压、频率、编解码方式等。

把来自数据链路层的数据帧转化成二进制位。

数据链路层

特殊字符转义透明传输、网络服务登录、计费、IP地址分配之前的通信。

把来自网络层的数据包加上帧头帧尾封装成数据帧。帧头帧尾包括源MAC地址、目标MAC地址、CRC校验和等。

网络层

全球基于IP地址的互联网络，通过路由器网络组网。ARP协议完成MAC地址与IP地址的对应。IP网络分段。网络传输的基础数据包。

把来自传输层的数据段加上IP头部封装成IP数据包。IP头部包括源IP地址、目标IP地址、子网掩码等。

传输层

提供进程之间的逻辑通信。

TCP每一个端口跟其他主机之间的连接又称为套接字(socket)，socket编程在传输层。

TCP连接={socket1,soket2}={IP1:port1,IP2,port2}

传输层建立了客户端-服务端的概念，发起TCP连接的是客户端，被动接受TCP连接的是服务端

应用层

域名，不同的网络服务。

管理机构

三大职能：

1.计算机网络协议参数约定；

2.IP地址分配；

3.域名服务（域名注册、域名解析、WHOIS查询，包括全球顶级域名、国家地区域名、根服务器）。

全球顶级机构：ICANN（美国主导）

大区级机构：ARIN（北美），RIPE（欧洲），APNIC（亚太，总部在日本东京），LACNIC（拉美），AFRINIC（非洲）

国家级机构：CNNIC（中国互联网络信息中心，中国）

申请国际域名、外国域名的时候，是向外国的管理机构申请。

计算机网络五层架构

网络接口层

通信频谱

电磁波谱：

无线电波-长中短波3kHz-300MHz;100km-1m（超视距，散射绕射穿透；地面广播电台；对讲机；刷卡。300kHz以上无线电波和微波合起来又叫射频）

微波300MHz-300GHz;1mm-1m（引起水共振并加热，过量微波伤害人；雷达卫星；移动通信；无线局域网。300kHz以上无线电波和微波合起来又叫射频）

红外线300GHz-10^14Hz（热效应；取暖）（100G=10^11）

可见光10^14Hz-10^15Hz;380nm-760nm（人能看到）

紫外线10^15Hz-10^17Hz（化学效应；杀菌）

X射线10^16Hz-10^21Hz（放射性；透视）

γ射线10^18Hz-∞（放射性；灭杀）

无线电波-散射（网线，广播电台，对讲机，近场通信）

微波-散射到直线（卫星广播/通信，移动通信，有线电视，无线局域网）

红外线-直线（遥控器）

可见光-直线（光纤）

通信方式

电话线（无线电波波段）

电话线可允许的电波频率范围比较广，最初只用来打电话有些浪费，后来为了把高频资源用起来，发明了ADSL电话线上网技术，接上分线器，把高频信号过滤出来，再用调制解调器（猫model）还原出数字信号，即可打电话上网两不误。

如今由于电话线本身的带宽限制，网速跟不上需求，逐渐淘汰，被双绞线或光纤取代。

一般频率可能在100MHz数量级。

双绞线（普通网线，无线电波波段）

分为屏蔽双绞线和非屏蔽双绞线两种。一般是非屏蔽双绞线，不安全，容易被电磁干扰或监听数据。

一般频率100MHz-1000Mhz之间。

双绞线规格分类

五类：100Mbps，适用于百兆网卡。

超五类：1000Mbps，适用于千兆网卡。

六类：1Gbps，适用于吉比特网卡。

同轴电缆（有线电视，微波波段）

有线电视广播网络。也有通过有线电视电缆接入互联网的技术（比如广电网络），原理同电话线上网。

一般频率1000MHz数量级。

移动通信（蜂窝网，地面手机信号塔，微波波段）

用于手机卡通信，3G/4G/5G上网，物联卡。以后随着移动通信网速度越来越快、资费越来越少，将逐渐取代其他网络接入方式。

一般频率1000MHz数量级，属于低频微波，具有一定的散射，不完全直线传播。

卫星通信（卫星广播电视，卫星网络，微波波段）

卫星广播电视。

卫星网络如北斗导航系统、卫星定位等。

一般频率1GHz数量级，直线传播。

光纤（可见光波段）

频率最高，带宽最大，可达Gbps以上数量级，超越计算机硬件处理速度，潜力巨大，超越一切有线、无线网络接入方式。但缺点是光纤怕弯折。

无线局域网（WLAN，微波波段）

WLAN是无线局域网的英文简称，WIFI是无线局域网的一种技术。主要有2.4GHz和5GHz两种，取决于协议、无线路由器、无线网卡的最慢者，最大传输速度1MB/s-10MB/s。

蓝牙（Bluetooth，微波波段）

2.4+GHz频段。但是频道有限，传输速度比较小，蓝牙4.0最大传输速度3MB/s。

射频识别和近场通信（RFID&NFC，无线电波波段）

10-100MHz数量级。门禁卡、校园卡、地铁卡、身份证、银行卡（非接触、非磁条）等贴近刷卡通信，一方是无源器件，通过电磁波能量感应交互信息。RFID早已有之，两者的关系是NFC起源于RFID，NFC更加规范和安全，NFC最近开始纳入手机的通信方式中。

网络设备与服务

分离器

分离同一有线通信介质中不同频率的信号，比如电话线的一转二的小盒子。

转发器

信号放大。

调制解调器（猫Model）

电话线有对应的猫，双绞线有对应的猫，光纤有对应的猫，每一种有线通信介质都需要特定的猫来转换信号，让计算机能够识别。

通信基础设施

有线通信的光纤铺设、电缆铺设，入户，通信卫星，移动通信信号塔，中继机房等。

数据链路层

本层封装

ID：MAC地址

每个接入互联网的设备终端都要有网卡，每个网卡都要分配一个全球唯一的MAC地址，MAC地址的前部分记录厂家信息，所以可以通过MAC地址获知网卡品牌类型。

MAC地址是计算机网络通信数据的最底层、最基础的识别ID。例
c0:3f:d5:32:2c:66（共48位）。

（在应用层面可以更改MAC地址，更改以后可能与局域网中的其他机器冲突）

网络通信需要经过大量路由器，每经过一个路由器都要把MAC地址换成路由器的MAC地址，所以不能通过MAC地址溯源，实际使用中MAC地址只能在局域网中可以定位。

以太网数据帧

以以太网协议为例（其他协议的帧头比以太网复杂，但均尊从帧头-数据-校验尾的格式）：

封装重要字段：

源MAC地址

目的MAC地址

内部数据类型（IP/ARP/RARP）

校验尾

网卡

接入以太网的有线网卡、接入移动网络的无线网卡、接入无线局域网WIFI的无线网卡等。

工作在数据链路层，收发物理层的信号，在网卡内进行数据链路层的封装与解封，与计算机内部进行网络层IP数据包交互。

以太网网卡（基于双绞线通信）

可直接连接双绞线通信，其他线缆则需要调制解调器进行信号转换。

100Mbps，即百兆网卡，最大数据传输速度=100Mbps/8=12.5MB/s（通信领域计算bit位数，计算机计算byte字节数）

1000Mbps，即千兆网卡，最大数据传输速度=1000Mbps/8=125MB/s

还有1Gbps网卡。

若计算机其他硬件性能太差或外界网络太差，可向下兼容降级。

可通过查看本地连接看到网卡默认速度。

移动通信网卡（基于移动通信网通信）

运营商——移动联通电信

技术迭代——2G/3G/4G/5G

技术协议——GSM/GPRS/CDMA/LTE等

身份验证——手机卡

WIFI网卡（基于无线局域网通信）

没有太统一的标准名称，一般分为工作频率2.4G/5G两大类

蓝牙网卡（基于蓝牙通信）

蓝牙4.0

蓝牙4.1

以太网

以太网是最重要的数据链路协议类型。不采用网络设备的以太网是总线连接，同一时刻只能有一个数据在网络信道上传输，虽然有碰撞检测与避让机制，但效率和可靠性还是不太好，半双工。

所以实际成规模的以太网均采用网络设备。

网络设备与服务

集线器Hub（淘汰）

多个设备连接到集线器上，相当于多个设备连接到总线上，多个集线器组成的网络同样如此，全部处于同一个以太网冲突域，不能同时传输两个数据。仍然是原始的以太网构造。

网桥Bridge（淘汰）

多个设备连接到网桥上，也相当于连接到总线上，但多个网桥之间能够隔离冲突域（内部芯片记忆子域的MAC地址），截流同域数据，通过异域数据。

无线AP

无线的AP相当于有线的集线器或网桥，只是提供网络的接入功能。比如插入电脑的类似U盘的小无线设备，通过接入电脑，间接通过电脑上网。

交换机Switch（或称桥接器）

由网桥的理念发展而来，网桥的最优实现。彻底消灭冲突域，记忆所有连接到交换机的设备MAC地址，由交换机决定数据发往哪个设备，存储转发，可暂存数据排队。安全，其他设备不会收到数据，不能抓包。

交换机根据MAC地址转发数据，跟IP地址无关。

交换机是当今最重要的两种网络设备之一（交换机数据链路层、路由器网络层）。

交换机可指定特定的MAC地址上网，指定联网数量，对局域网进行管理。

多个交换机之间可能产生环（找不到目标设备，一直传递下去），循环不止，可通过生成树算法解决。

交换机可设置多个虚拟局域网VLAN，逻辑上等同于多个独立的局域网，之间可通过交换机互相通信。

网络层

本层封装

ID：IP地址

Ipv4——32位，点分十进制表示法，共4段，每段0-255，例如192.168.255.255

Ipv6——128位，冒分十六进制表示法&