TCP/IP（一）之開啟計算機網絡之路

前言

　　在一段時間里，都很想知道一台電腦怎么跟另一台電腦通信的，我發送一個qq給女朋友，怎么准確的發送過去的，又是怎么接受消息的。

　　接下來一段時間給大家慢慢分享關於計算機網絡的相關知識。

一、局域網、廣域網和Internet

1.1、局域網

　　1）概述

　　局域網（Local Area Network，LAN）是指在某一區域內由多台計算機互聯成的計算機組。一般是方圓幾千米以內。局域網可以實現
　　　　文件管理、應用軟件共享、打印機共享、工作組內的日程安排、電子郵件和傳真通信服務等功能。局域網是封閉型的，可以由辦公室內的兩台計算機組成，也可以由一個公司內的上千台計算機組成。
　　局域網（Local Area Network，LAN）是在一個局部的地理范圍內（如一個學校、工廠和機關內），一般是方圓幾千米以內，將各種計算機，外部設備和數據庫等互相聯接起來組成的計算機通信網。
　　　　它可以通過數據通信網或專用數據電路，與遠方的局域網、數據庫或處理中心相連接，構成一個較大范圍的信息處理系統。局域網可以實現文件管理、應用軟件共享、打印機共享、
　　　　掃描儀共享、工作組內的日程安排、電子郵件和傳真通信服務等功能。
　　　　局域網嚴格意義上是封閉型的。它可以由辦公室內幾台甚至上千上萬台計算機組成。決定局域網的主要技術要素為：網絡拓撲，傳輸介質與介質訪問控制方法。

　　2）特點　

　　覆蓋范圍較小、自己花錢買設備來組件小型網絡，寬帶固定，自己維護 

　　覆蓋范圍小：相比於整個internet來講，局域網肯定很小了，例如，校園網、企業網，覆蓋范圍也就那么一點

　　寬帶固定：因為是局域網，范圍小，網絡部擁堵，幾乎就是有多少帶寬，趨於穩定

　　自己花錢買設備維護：比如以下的是校園網， 三個教室，每個教室都有電腦，每台電腦都連自己教室里的交換機，接入交換機又連到學校里一個更大的匯聚交換機，匯聚交換機連接外面的網絡，

　　　　　　　　　　　　校園內每間教室或者每個用網的地方都是如此來上網的，這樣學校自己花錢買的交換機， 自己來維護自己學校里面的網絡。

　　　　

1.2、廣域網

　　1）概述

　　廣域網（WAN，Wide Area Network）也稱遠程網（long haul network ）。通常跨接很大的物理范圍，所覆蓋的范圍從幾十公里到幾千公里，
　　　　它能連接多個城市或國家，或橫跨幾個洲並能提供遠距離通信，形成國際性的遠程網絡。
　　覆蓋的范圍比局域網（LAN）和城域網（MAN）都廣。廣域網的通信子網主要使用分組交換技術。廣域網的通信子網可以利用公用分組交換網、衛星通信網和無線分組交換網，
　　　　它將分布在不同地區的局域網或計算機系統互連起來，達到資源共享的目的。如因特網（Internet）是世界范圍內最大的廣域網。
　　廣域網是由許多交換機組成的，交換機之間采用點到點線路連接，幾乎所有的點到點通信方式都可以用來建立廣域網，
　　　　包括租用線路、光纖、微波、衛星信道。而廣域網交換機實際上就是一台計算機，有處理器和輸入/輸出設備進行數據包的收發處理。

　　2）舉例生活：距離遠 花錢租帶寬　

　　看下圖，我們不管哪個地方上網，都必須聯網，上網能訪問一些網站，跟別人聊天，為什么呢？
　　因為有一些ISP在幫我們做牽線工作。ISP(Internet Service Provider)因特網服務提供商，電信、聯通、移動等，它們在各個地方埋網線，有自己的主機、 然后我們出錢連入他們的網絡，
　　就能訪問上網了。有一些網站站點放在電信機房中，我們電信網去訪問，就會比較快，因為通往主機那邊的地址的方式很多，如果電信網訪問放在聯通主機房中的網址，則相對會受到影響。

　　　　

1.3、Internet

　　Internet，中文正式譯名為因特網，又叫做國際互聯網。它是由那些使用公用語言互相通信的計算機連接而成的全球網絡。一旦你連接到它的任何一個節點上，就意味着您的計算機已經連入Internet網上了。
　　Internet目前的用戶已經遍及全球，有超過幾億人在使用Internet，並且它的用戶數還在以等比級數上升。

二、計算機數據之間通信的過程

2.1、路由器的功能（轉發收到的分組）

　　1）什么是分組？

　　發送一段數據，將該段數據進行分組發送，而不是一次性全發送完。

　　2）什么是分組交換？

　　　　在網路中，路由器跟路由器之間有一定的距離， 我們計算機要發送一段數據出去，首先將數據分成n個分組，在每個分組前特定的頭部，就成了數據包。

　　然后將數據包發送到路由器，通過路由器來接受這些數據包，然后一部分一部分的發送，接受，在發送其中一個數據包的過程中，占用了其中的道路，發送完這一個，

　　就釋放，並不是一直占用該資源，直到傳輸結束，在其接受或發送數據時，也可以接受或發送別的數據，看先接受誰，就先發送誰，其實就是一個隊列。

　　3）分組交換、電路交換、報文交換的區別？

　　電路交換：就是電話線， A打給B ，AB之間的電話線就接通了，那么不管他兩說沒說話，說多久，直到掛斷之前，該線都是在占用之中。

　　報文交換：一次性發送完整的數據，那么該段路就被占用，傳完就釋放，然后接下一步的傳送。直到到達目的地

　　分組交換：高效、靈活、迅速、可靠。

　　4）圖解

　　　　情景： 1號計算機和2號計算機組成局域網， 主機1、主機2、主機3就相當於電信的主機，網頁都存在在主機中

　　　　

　　　　4.1）ip地址跟MAC地址：　　　

　　　　　　每個計算機都有自己獨特的ip地址，全球獨一無二，跟電話一樣，有些電話是 031-開頭 有些地區是079開頭， 這是分地區的，ip地址也是一樣，

　　　　　　mac地址：每台計算機上都有一個物理地址，也是獨有的。在網卡上面，路由器也有mac地址。

　　　　4.2）號計算機如何通過www.baidu.com來訪問到百度的主頁：

　　　　　　每台計算機上都有DNS解析器， 通過DNS將域名解析成對應地址，

　　　　　　路由器每次識別目標ip地址，以此來更改原mac地址和下一步目標的mac地址

　　　　　　

　　　　4.3）主機如何將網頁數據發回請求的計算機：　　　

　　　　　　第一步：將要返回的數據分成N份
　　　　　　第二步：每次將發送幾份到緩存中，緩存就相當於隊列，先進先出，緩存中發一份發回請求的計算機
　　　　　　第三步：計算機接到第一份，返回一個數據，讓主機發送下一份，然后將緩存中剛才發送的那一份刪除
　　　　　　第四步；如果中途數據丟包，則從緩存中繼續發送剛才不成功那一份，直到接收到請求的計算機發回的確認數據。

三、OSI參考模型

3.1、OSI參考模型概述

　　

　　OSI（Open Systems Interconnection Reference Model）OSI/RM   簡稱 OSI 開放系統互連參考模型，通俗的將就是我們說的7層協議的體系結構

　　OSI七層模型的划分：

　　OSI定義了網絡互連的七層框架（物理層、數據鏈路層、網絡層、傳輸層、會話層、表示層、應用層），即ISO開放互連系統參考模型。

　　每一層實現各自的功能和協議，並完成與相鄰層的接口通信。OSI的服務定義詳細說明了各層所提供的服務。某一層的服務就是該層及其下各層的一種能力，它通過接口提供給更高一層。各層所提供的服務與這些服務是怎么實現的無關。

　　　　

3.2、各層功能概述

　　在這里我們簡單描述一下各層的功能，不詳細深究，因為每一層實際都是一個復雜的層。整個過程以公司A和公司B的一次商業報價單發送為例子進行講解。

　　注意：這七層是在發送數據到網線之前，在計算機中內部就已經經過了這7層，不是在傳輸過程中才慢慢經過這7層的。

　　1）應用層　

　　　　OSI參考模型中 最靠近用戶的一層，是為 計算機用戶提供應用接口，也為用戶直接提供各種網絡服務。我們常見應用層的網絡服務協議有： HTTP，HTTPS，FTP，POP3、SMTP等。

       　　 例子 ：實際公司A的老板就是我們所述的用戶，而他要發送的商業報價單，就是應用層提供的一種網絡服務，當然，老板也可以選擇其他服務，比如說，發一份商業合同，發一份詢價單，等等。

　　2）表示層

　　 　　表示層提供各種用於 應用層數據的編碼和轉換功能,確保 一個系統的應用層發送的數據能被另一個系統的應用層識別。如果必要，該層可提供一種 標准表示形式，

　　　　用於 將計算機內部的多種數據格式轉換成通信中采用的標准表示形式。數據 壓縮和加密也是表示層可提供的轉換功能之一。

　　　　例子：由於公司A和公司B是不同國家的公司，他們之間的商定統一用英語作為交流的語言，所以此時表示層（公司的文秘），就是將應用層的傳遞信息轉翻譯成英語。

　　　　　　　同時為了防止別的公司看到，公司A的人也會對這份報價單做一些加密的處理。這就是表示的作用，將應用層的數據轉換翻譯等。

　　3）會話層

　　　　 會話層就是 負責建立、管理和終止表示層實體之間的通信會話。該層的通信由不同設備中的 應用程序之間的服務請求和響應組成。 

　　　　例子：會話層的同事拿到表示層的同事轉換后資料，（會話層的同事類似公司的外聯部），會話層的同事那里可能會掌握本公司與其他好多公司的聯系方式，這里公司就是實際傳遞過程中的實體。

　　　　　　　他們要管理本公司與外界好多公司的聯系會話。當接收到表示層的數據后，會話層將會建立並記錄本次會話，他首先要找到公司B的地址信息，然后將整份資料放進信封，並寫上地址和聯系方式。

　　　　　　　准備將資料寄出。等到確定公司B接收到此份報價單后，此次會話就算結束了，外聯部的同事就會終止此次會話。

　　4）傳輸層

　　　　 傳輸層建立了 主機端到端的鏈接，傳輸層的作用是 為上層協議提供端到端的可靠和透明的數據傳輸服務，包括處理差錯控制和流量控制等問題。該層向高層屏蔽了下層數據通信的細節，

　　　　使高層用戶看到的只是在兩個傳輸實體間的一條主機到主機的、可由用戶控制和設定的、可靠的數據通路。我們通常說的， TCP UDP就是在這一層。端口號既是這里的“端”。 

　　　　例子： 傳輸層就相當於公司中的負責快遞郵件收發的人，公司自己的投遞員，他們負責將上一層的要寄出的資料投遞到快遞公司或郵局。

　　5）網絡層

　　　　 本層 通過IP尋址來建立兩個節點之間的連接，為源端的運輸層送來的分組，選擇合適的路由和交換節點， 正確無誤地按照地址傳送給目的端的運輸層。

　　　　 就是通常說的IP層。這一層就是我們經常說的 IP協議層。IP協議是Internet的基礎。

　　　　例子： 網絡層就相當於快遞公司龐大的快遞網絡，全國不同的集散中心，比如說，從深圳發往北京的順豐快遞（陸運為例啊，空運好像直接就飛到北京了），

　　　　　　    首先要到順豐的深圳集散中心，從深圳集散中心再送到武漢集散中心，從武漢集散中心再寄到北京順義集散中心。這個 每個集散中心，就相當於網絡中的一個IP節點。

　　6）數據鏈路層　　　　

　　　　將比特組合成字節,再將字節組合成幀,使用鏈路層地址 (以太網使用MAC地址)來訪問介質,並進行差錯檢測。
　　　　數據鏈路層又分為2個子層：邏輯鏈路控制子層（LLC）和媒體訪問控制子層（MAC）。
　　　　MAC子層處理CSMA/CD算法、數據出錯校驗、成幀等；LLC子層定義了一些字段使上次協議能共享數據鏈路層。 在實際使用中，LLC子層並非必需的。

　　7）物理層

　　　　實際最終信號的傳輸是通過物理層實現的。通過物理介質傳輸比特流。規定了電平、速度和電纜針腳。
　　　　常用設備有（各種物理設備）集線器、中繼器、調制解調器、網線、雙絞線、同軸電纜。這些都是物理層的傳輸介質。
　　　　例子： 快遞寄送過程中的交通工具，就相當於我們的物理層，例如汽車，火車，飛機，船。

3.3、各層通信的特點

　　通信特點：對等通信     

　　對等通信，為了使數據分組從源傳送到目的地，源端OSI模型的每一層都必須與目的端的對等層進行通信，這種通信方式稱為對等層通信。在每一層通信過程中，使用本層自己協議進行通信。

　　　　

四、TCP/IP五層模型

 TCP/IP五層協議和OSI的七層協議對應關系如下　　

　　

在每一層都工作着不同的設備，比如我們常用的交換機就工作在數據鏈路層的，一般的路由器是工作在網絡層的。

　　

在每一層實現的協議也各不同，即每一層的服務也不同.下圖列出了每層主要的協議。其中每層中具體的協議。

　　

五、OSI參考模型和TCP/IP協議

　　1）OSI參考模型和TCP/IP協議圖

　　　　

　　2）發送數據：數據的封裝，各個層次都做了什么事情

　　　　

　　3）數據封裝后的樣子

　　　　

　　4）接受數據，解封裝

　　　　

六、計算機上的各種性能指標解釋

速率、帶寬、吞吐量、時延、時延帶寬積、往返時間、利用率

6.1、速率

　　在計算機與計算機之間通信時傳輸數據位數的速率 單位 bit/s 1 bit也就是 1 位

　　byte 與 bit 的區別和換算

　　　　byte：字節 　　　bit：位

　　　　1byte = 8bit

　　按字節換算

　　　　1 k = 1024byte　　M與byte之間的換算是1024

　　　　1M = 1024K　　　

　　按位換算

　　　　1kb = 1000bit

　　　　1Mb = 1000Kb

　　　　1Gb = 1000Mb

　　問題一：我們人們常說的我的網絡是8M 為什么下載速度只有1M/S呢？

　　　　這里的8M，單位是Mb，也就是按位來算的， 而下載速度是按字節算的 8M = 8000Kb = 8000，000bit = 1000，000 byte ≈1000kb ≈1M

　　　　所以一般都市直接除以8，8M的網絡下載速度就是1M/s 100M的網下載速度也就10M/s

6.2、帶寬

　　接口支持最高的傳輸速率， 也就是我們的帶寬是8M， 帶寬是100M. 就是最高支持一次傳輸8M，自己換算一下，能傳多個位。 

6.3、吞吐量

　　單位時間內通過某個網絡的數據量

　　簡單的說，就是通過一根網線一次性傳輸的多少個位，最高位就是帶寬，但不是每次傳輸都達到了帶寬值，有可能通過的只有3M，5M，都不一定，通過的量就是我們說的吞吐量　　　　　

6.4、時延

　　發送時延、傳播時延、處理時延、排隊時延

　　發送時延 = 數據塊長度(bit)/信道寬度(bit/s)

　　過一個特定情景來講解　　　　　　　　　　　　　　　　　　

　　　　A----------------路由器---------------------B

　　　　A發送0101010101(10bit)數據到B 帶寬是10bit/s　　A距離B 100米 信號在信道上的傳播速率 10米/s

　　　　當從開始發送1到最后一個0從A的網卡中出來結束，發送時延 = 10bit/10bit/s = 1s

　　傳播時延 = 信道長度（米）/信號在信道上傳播速率(米/秒)

　　傳播時延：從A發送1開始，到路由器，接受最后一個0結束，這一段也算是傳播時延，路由器到B之間也是 100/10 = 10秒。 在電線上花費的時間是10秒

　　排隊時延：路由器接受數據，有一個緩沖區，相當於隊列，數據到路由器，先到緩沖區排隊等待路由器一個個接受數據，直到路由器開始接受第一個位，這就是排隊時延，從路由器出來也需要排隊時延

　　處理時延：路由器開始接受第一個位，這就開始處理數據了，到最后一個位接受完，這之間就是處理時延

6.5、時延帶寬積

　　 其實也就是在信道中有多少位數據在其中，用的是帶寬，也就是最高的數據。

　　傳播時延 * 帶寬　

6.6、往返時間

　　從A到B，在B返回數據到A，之間用了多少時間

　　使用命令 ping www.baidu.com 從我們瀏覽器到存放百度地址的主機，然后返回數據到我們計算機需要的時間

 

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