计算机网络的知识与我们的生活息息相关，对于每一个开发者来说更是十分重要，深入理解它，将有助于我们在实际工作中迅速解决相关问题。本篇就计算机网络的基本知识进行概要性总结。

计算机网络基础

目录：
1.计算机网络常识
2.网络参考模型OSI与TCP/IP
3.理解数据封装传递过程
4.三次握手与四次挥手
5.理解IP地址
6.子网掩码
7.端口的作用
8.TCP与UDP
9.DNS的作用
10.网关

一、计算机网络常识

计算机网络指将地理位置不同的多台计算机及其外部设备，通过通信线路连接起来，在网络操作系统及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系统。
根据不同的方式，计算机网络可以分类如下：

计算机网络分类.png

1.理解网络节点

局域网(LAN)：局域网是一种在小区域内使用的，由多台计算机组成的网络，覆盖范围通常局限在10 千米范围之内，属于一个单位或部门组建的小范围网。

城域网(MAN)：城域网是作用范围在广域网与局域网之间的网络，其网络覆盖范围通常可以延伸到整个城市，借助通信光纤将多个局域网联通公用城市网络形成大型网络，使得不仅局域网内的资源可以共享，局域网之间的资源也可以共享。

广域网(WAN)： 广城网是一种远程网，涉及长距离的通信，覆盖范围可以是个国家或多个国家，甚至整个世界。由于广域网地理上的距离可以超过几千千米，所以信息衰减非常严重，这种网络一般要租用专线，通过接口信息处理协议和线路连接起来，构成网状结构，解决寻径问题。

2.理解网络交换

线路交换：
线路交换是相对于分组交换的一个概念。电路交换要求在通信前首先建立连接通道，这个连接通道用于双方通信，并且一直维持到双方通信结束。整个通信过程始终占用通道、带宽、码字等资源。
优点：数据传输可靠、有序；
缺点：带宽固定，沿着一条链路通信，网络资源利用低，初始化连接建立慢；

报文交换：
报文交换是分组交换的前身，它的原理是：存储接收到的报文，判断其目标地址以选择路由，最后，在下一路由空闲时，将数据转发给下一路由。
优点：高效、灵活、迅速、可靠；
缺点：延时时间长且不定，通信不可靠，不适合计算机网络；

分组交换：
分组交换是将资料组合成适当大小的区块，称为封包，再通过网络来传输。这个传送封包的网络是共享的，每个单位都可以独立把封包再传送出去，而且配置自己需要的资源。
优点：多路复用，网络利用率高，
缺点：延迟大，实时性差，设备功能复杂

3.理解网络拓扑结构

计算机网络拓扑(Computer Network Topology)是指由计算机组成的网络，其中设备的分布情况以及连接状态，把它们画在图上就成了拓朴图，常见的拓扑结构如下：

计算机网络拓扑

• 总线型：
  优点：成本低，易于扩展；
  缺点：可靠性不高，维护困难，传输效率低；
  总线两端需要安装终端器或者接地。不然电信号传递到总线两端，由于介质不同，电信号反方向反弹就会造成网络不稳定。
• 星型：
  优点：易于扩展；
  缺点：线路利用率低；
  星型拓扑最常见的应用场景就是交换机
• 树型：
  优点：易于扩展；方便从某一个分支节点隔离故障；
  缺点：节点对于根的依赖太大，若根发生故障，则全网不能工作；类似于星型拓扑结构
• 环形网络：
  优点：成本低；
  缺点：维护困难，如果环状网络上设备较多，会造成延迟；
• 全网状和部分网状：
  优点：可靠性高，易于扩充，组网灵活；由于存在冗余线，其中一条网络断开，还有备用网络来实现通信；
  缺点：成本高，结构复杂，维护困难

注意：生活中的计算机连接方式是将上面两种或多种共同使用，这样的方式称混合式拓扑结构。

4.衡量计算机网络的主要指标

• 速率：
  速率是指计算机网络中的主机在数字信道上，单位时间内从一端传送到另一端的数据量，即数据传输率，也称数据率或比特率。比特(bit)是数据量的最小单位，s(秒)是时间单位。速率的单位是bit/s，类似的有kb/s(k=10^{3)、Mb/s(M=10}6)、Gb/s(G=10^{9)、Tb/s(T=10}12)；
  另外，字节(Byte)也是用于计量存储容量的一种计量单位，1个字节等于8个比特，即：1Byte=8bit 1B=8b 1B/s=8b/s(或1Bps=8bps)

• 带宽(bandWidth)：
  带宽是计算机网络中的主机在数字信道上，单位时间内从一端传送到另一端的最大数据量，即最大速率。
  在实际上网应用中，我们接入宽带网络时，速率却相差甚远，这主要是因为ISP提供的线路带宽使用的单位是比特，而一般下载软件显示的是字节（1字节=8比特），所以要通过换算，才能得实际值。

我们以1M宽带为例，按照换算公式换算一下：1Mb/s=1000Kb/s=1000/8KB/s=125KB/s。而且，网络数据传输还要受到温度和传输环境的影响，导致电信号减弱，所以真实情况下，1M宽带的真实网速度比125KB/s还要小些。

二、网络参考模型OSI与TCP/IP

1.OSI七层模型

开放系统互联参考模型(Open System Interconnect)，简称OSI参考模型。其目的是为异种计算机互连提供一个共同的基础和标准框架，并为保持相关标准的一致性和兼容性提供共同的参考。OSI参考模型的分层示意图如下：

OSI七层参考模型.png

总结OSI参考模型的特点：
1.只是定义一种抽象结构，而并非具体实现的描述；
2.最上层应用层最接近用户，最下层物理层最接近实际的数据传递；
3.上三层用于为用户提供服务，下四层用于为实际数据传递提供服务；
下面是对于OSI七层模型的更为具体解释：

OSI七层模型详解.png

2.TCP/IP四层模型

OSI七层参考模型是理论上的网络通信模型，而我们在实际的互联网络中使用的是TCP/IP四层模型，它们的对应关系如下：

参考链接：
1、百度百科：ARP协议
2、一个协议应该属于哪一层是以什么为标准划分的

网际互联层：

• 网际互联层对应OSI参考模型的网络层；
• 主要解决主机到主机的通信问题，它所包含的协议涉及数据包在整个网络上的逻辑传输。
• 该层有三个重要的协议：网际协议(IP)、互联网组管协议(IGMP)和互联网控制报文协议(ICMP)。

传输层：

• 传输层对应OSI参考模型的传输层；
• 为应用层实体提供端对端的通信功能更，保证了数据包的顺序传送及数据的完整性。
• 该层定义了两个主要的协议：传输控制协议(TCP)和用户数据包协议(UDP)。

应用层：
应用层对应OSI参考模型的应用层；为用户提供所需要的各种服务，例如：FTP、Telent、DNS、SMTP等。

3.总结：OSI参考模型与TCP/IP模型的异同

相同点：
1.OSI参考模型和TCP/IP参考模型都采用了层次结构概念；
2.都能够提供面向连接和无连接的的两种通信服务机制；
不同点：
1.可靠性要求不同，后者更高；
2.OSI模型是在协议开发之前设计的，具有通用性；TCP/IP协议是先有协议后建立的模型，不适用于非TCP/IP网络；

三、理解数据封装过程

网络参考模型清晰的描述了网络中数据的传输过程，其中的每层都负责与其他机器的对等层进行通信，这也涉及到了数据的封装问题。现在，我们可以通过一个实例来具体分析数据封装的过程：

理解数据封装过程.png

FTP服务器向员工主机发送数据分为两个阶段：FTP服务器发送数据、员工主机接收数据
FTP服务器发送数据：
1.应用层将数据(目标文件)传递给传输层，传输层为其添加TCP头部和端口信息，此时数据单元被称为段；
2.传输层将数据段传递给网络层，网络层再次封装添加IP头部，此时数据单元被称为包；
3.数据链路层接收网络层包，继续封装为其添加Mac头部和尾部，此时数据单元被称为帧；
4.物理层将接收到的数据转化为比特流，在网络中传送；

员工主机接收数据：
员工主机接收数据的过程与FTP服务器发送数据过程相反，刚好是逐层的解封装操作，最终在其应用层，用户可以得到目标文件数据；

四、三次握手与四次挥手

在TCP/IP协议中，TCP协议用于提供可靠的连接服务，这其中涉及到了三次握手与四次挥手过程，现在对它们进行具体的分析。

1.理解三次握手

三次握手是为了建立一个可靠的连接，此过程可参考下图：

三次握手.png

第一次握手：
建立连接时，客户端发送SYN包（syn=x）到服务器，并进入SYN_SENT状态，等待服务器确认；
SYN：同步序列编号（Synchronize Sequence Numbers）。

第二次握手：
服务器收到SYN包，必须确认客户的SYN(ACK=x+1）,同时自己也发送一个SYN包（syn=y）,即SYN+ACK包,此时服务器进入SYN_RECV状态；
ACK：确认字符(Acknowledgement)，在数据通信中，接收站发给发送站的一种传输类控制字符。表示发来的数据已确认接收无误。

第三次握手：客户端收到服务器的SYN+ACK包，向服务器发送确认包ACK(ack=y+1），此包发送完毕，客户端和服务器进入ESTABLISHED（TCP连接成功）状态。

完成三次握手后，客户端与服务器开始传送数据。

2.四次挥手

四次挥手用于终止TCP连接，断开一个TCP连接需要客户端和服务端总共发送4个包，以确认连接的断开。此过程可参考下图：

四次挥手.png

“由于TCP连接是全双工的，因此每个方向都必须单独进行关闭。这原则是当一方完成它的数据发送任务后就能发送一个FIN来终止这个方向的连接。收到一个 FIN只意味着这一方向上没有数据流动，一个TCP连接在收到一个FIN后仍能发送数据。首先进行关闭的一方将执行主动关闭，而另一方执行被动关闭。” ——摘自百度

第一次挥手：
客户端发送一个FIN，用来关闭客户到服务器的数据传送，并进入FIN_WAIT_1状态。

第二次挥手：
服务器收到客服端的FIN，发回一个ACK，确认序号为收到的序号加1。和SYN一样，一个FIN将占用一个序号。
服务器段进入CLOSE_WAIT状态。

第三次挥手：
服务器发送一个FIN，用来关闭服务器到客户端的数据传递，服务器端进入LAST_ACK状态。

第四次挥手：
客户端收到服务器的FIN后，进入进入TIME_WAIT状态；
客户端发送一个ACK给服务器，确认序号为收到序号+1，Server进入CLOSED状态，完成四次挥手。

特别注意：上述是客户端主动关闭，服务器端被动关闭的情况，实际中还可能出现双方同时发起关闭的情况，具体的流程可参考下图：

四次挥手，双方同时发起关闭.png

3.三次握手、四次挥手的原因

为什么建立连接协议是三次握手，而关闭连接却是四次挥手呢？
对于建立连接的过程，服务器端在接收到客户端SYN请求报文后，可以把ACK和SYN(ACK起应答用，而SYN起同步作用)在一个报文里来发送。

而对于关闭连接的过程，当服务器端收到客户端的FIN报文时，它仅仅表示客户端不再发送数据了，但未必服务器端所有的数据全部发送给客户端了。所以，此时的服务器端可以立即关闭，也可以继续发送一些数据给客户端之后，再发送FIN报文给客户端，来表示同意关闭连接。因此断开连接，服务器端的ACK报文和FIN报文多数情况下都是分开发送的。

五、IPv4地址详解

IP地址为互联网上的每一个网络和每一台主机分配一个逻辑地址，用于实现通信。我们目前正在大量使用的是IPv4(IP协议的第四版)。

1.IP包头结构

在讲到数据封装过程时，我们看到网络层添加了IP包头，其详细结构如下：
注：字段后面括号里的数字是指该字段在IP数据包头信息中所占的位(bit)数；

IP包头结构.png

上述是IP包头的结构，我们会看到IP包头中有待选加入的字段，所以IP包头不一定就是20个字节，IPV4在解包检测时需要判断包头的长度，比较浪费时间，这也是它比IPV6慢的原因。

2.IP地址分类

最初设计互联网络时，为了便于寻址及层次化构造网络，每个IP地址包括两个标识码ID，即网络ID和主机ID。同一个物理网络上的所有主机都使用同一个网络ID，网络上的一个主机(包括网络上工作站，服务器和路由器等)有一个主机ID与其对应。
IP地址根据网络ID的不同分为5种类型，A类地址、B类地址、C类地址、D类地址和E类地址，其中D和E为特殊地址，不对用户开放使用，分类的具体情况如下：

IP地址分类.png

我们真正用到的是A、B、C类IP地址，关于它们的详细信息如下：

IP地址分类A、B、C.png

A类地址：
1.前8位(一个字节)为网络ID，剩下24位(三个字节)为主机ID；
2.网络地址的最高位必须是0
3.A类地址数量少，有126个网络，每个网络可容纳主机：256的3次方-2=16777214台。

B类地址：
1.前16位为网络ID，剩下16位为主机ID；
2.网络地址的最高位必须是10
3.B类地址有16384个网络，每个网络可容纳主机：256的2次方-2=65534台。

C类地址：
1.前24位为网络ID，剩下8位为主机ID；
2.网络地址的最高位必须是110
3.B类地址有209万余个网络，每个网络可容纳主机：256-2=254台。

3.了解IPv6地址

IPv6是下一版本的互联网协议，它的提出最早是为了解决IPv4地址空间被耗尽的问题；与IPv4相比，IPv6主要有以下的优势：

• 扩大了地址空间，IPv6采用128位(16个字节)地址长度；按保守方法估算IPv6实际可分配的地址，整个地球的每平方米面积上仍可分配1000多个地址；
• 提高了网络的整体吞吐量；
• 改善整个服务质量(Qos)；
• 提高安全性；
• 支持即插即用和移动性；

六、子网掩码

IP地址在设计时就考虑到地址分配的层次特点，将每个IP地址都分割成网络号和主机号两部分，以便于IP地址的寻址操作。但IP地址的网络号和主机号各是多少位呢？如果不指定，就不知道哪些位是网络号、哪些是主机号，这就需要通过子网掩码来实现。

将子网掩码作为一个32位地址，和IP地址结合使用，我们可以屏蔽IP地址的一部分以区别网络号和主机号，并说明该IP地址是在局域网上，还是在远程网上；也可以将一个大的IP网络划分为若干小的子网络；

对于A类地址来说，默认的子网掩码是255.0.0.0；对于B类地址来说默认的子网掩码是255.255.0.0；对于C类地址来说默认的子网掩码是255.255.255.0。

1.子网掩码分类

子网掩码一共分为两类。一类是缺省子网掩码，一类是自定义子网掩码。缺省子网掩码即未划分子网，对应的网络号的位都置1，主机号都置0。
A类网络缺省子网掩码：255.0.0.0
B类网络缺省子网掩码：255.255.0.0
C类网络缺省子网掩码：255.255.255.0
自定义子网掩码是将一个网络划分为几个子网，需要每一段使用不同的网络号或子网号，实际上我们可以认为是将主机号分为两个部分：子网号、子网主机号。形式如下：
未做子网划分的ip地址：网络号 + 主机号
做子网划分后的ip地址：网络号 + 子网号 + 子网主机号

下面演示了子网掩码具体用法：一个B类的IP地址，为其配置一个C类标准子网掩码，可实现划分子网，操作效果如下：

###

总结:

• 将IP地址与子网掩码做与运算得到当前网络地址；
• 将IP地址中与子网掩码相对应的为0的部分全部换成1就得到当前网络的广播地址；

七、传输层端口

1.端口的作用

我们已经知道，一台拥有IP地址的主机可以提供许多服务，比如Web服务、FTP服务、SMTP服务等，这些服务完全可以通过1个IP地址来实现。但是，主机是怎样区分不同的网络服务呢？显然不能只靠IP地址，因为IP地址与网络服务的关系是一对多的关系。这实际上是通过“IP地址+端口号”来区分不同的服务的。

这里的端口，并非指物理意义上的端口，而是特指TCP/IP协议中的端口，是逻辑意义上的端口。端口应用于网络参考模型中的传输层，端口号标识了计算机应用层中的各个进程，从而区分不同的服务。

2.常见的端口号

端口号是16位的，所以最多有2的16次方个端口，常见的端口号有以下几个：

3.查看端口

打开计算机终端界面，输入netstat命令可以查看端口信息：
netstat -an
-a : 查看所有连接和监听端口
-n: 显示IP地址和端口号，而不显示域名和服务名

八、TCP与UDP协议

传输层有两个重要的传输协议，它们分别是传输控制协议TCP，用户数据包协议UDP；

1.TCP协议(Transmission Control Protocol)

TCP是一种面向连接的、可靠的、基于字节流的传输层通信协议；TCP包头的结构如下图：

TCP.png

TCP协议的特点：

• TCP是面向连接的可靠的传输控制协议，建立连接需要三次握手，释放连接需要进行四次挥手。保证连接的建立，数据的同步传输。
• 面向字节流，会把从上层传输下来的数据当作是无结构的字节流。
• 只能一对一的通信。
• TCP在IP协议的基础之上添加了序号机制，确认机制，超时重传机制，数据校验，从而保证传输的可靠性，同时保证不出现丢失或者是乱序。

2.UDP协议

UDP是一种无连接的传输层协议，提供面向事务的简单不可靠信息传送服务。UDP包头的结构如下图：

UDP协议.png

UDP协议的特点：

• UDP是面向无连接的数据包服务，一方向另一方发送数据不需要建立连接。相当于发短信，别人是否收到，短信信息是否丢失都不能知道。
• 面向报文，从上层接收的数据如果报文不大于传输限制，则直接加上首部传输，如果报文过大，则进行IP分片后，再分别加入首部进行传输。
• UDP协议可以一对一通信，也可以一对多通信。
• UDP仅仅是尽最大的努力进行交付，只是做比较初级的检查，比如端头检查，差错检测，往往在传输过程中会出现分组丢失、乱序、重复传输等问题。

九、DNS域名系统

互联网需要通过IP地址来进行通信，但是IP地址记忆困难，所以使用英文字符组合的域名来代替。比如：为了进入百度首页，我们可以在浏览器中输入IP地址:119.75.217.109，也可以直接输入域名:htpts://www.baidu.com；显然第二种方式更加方便和记忆。

但是，这需要我们建立域名与IP地址的相互映射关系，DNS(Domain Name System，域名系统)正是为了解决这一问题而存在。

1.IP地址到主机名的映射有两种方式：

静态映射
其实，每台设备上都配置了域名到IP地址的映射，各设备独立维护自己的映射表，而且只供本设备使用；比如在windows电脑中，打开"window\system32\drivers\etc”路径下的hosts文件，其中就存在域名与IP地址的对应关系。

动态映射
建立一套域名解析系统，只在专门的DNS服务器上配置域名到IP地址的映射；网络上需要使用域名通信的设备，首先需要到DNS服务器查询域名所对应的IP地址。

本机静态映射文件的优先级高于DNS域名解析服务器；在访问网站的时，设备会首先在本机静态映射文件里查找对应关系，如果找不到才会使用DNS。但是静态映射不能包含大量的IP映射，而且域名维护也十分困难，所以只作为普通调试使用。

2.DNS服务器的原理

下图展示了客户机通过域名，访问远程Web服务器的流程，具体的步骤如下：

DNS服务器的原理.png

1客户机向DNS服务器发送域名查询请求；
2.DNS服务器告知客户机Web服务器的IP地址；
3.客户机使用DNS返回的IP地址，与Web服务器通信；

3.域名空间结构(完全合格域名)

通常 Internet 主机域名的一般结构为：主机名.三级域名.二级域名.顶级域名，如下图：

域名空间结构(完全合格域名).png

顶级域名：由Internet网络协会进行登记和管理，它还为Internet的每一台主机分配唯一IP地址；顶级域分为组织域、国家地区域。

二级域名：个人或者企业向域名分配组织申请得到
主机域名：常见的是www用于代表网页服务；
注意："顶级域名.二级域名.三级域名”，三者通过“.”连接在一起后在全球唯一;

4.DNS查询过程

DNS查询过程.png

递归查询：
客户机向NDS服务器的查询是递归查询，即当客户机向DNS服务器发出请求后，若DNS服务器本身不能解析，则会向另外的DNS服务器发出请求，得到结果后转发给客户机；

迭代查询：
DNS服务器收到一次迭代查询结果回复一次结果，这个结果不一定是目标IP与域名的映射关系，也可以是其他DNS服务器的地址；

十、网关(Gateway)

"网关，又称网间连接器、协议转换器。网关在网络层以上实现网络互联，是最复杂的网络连接设备，仅用于两个高层协议不同的网络互联。网关既可以用于广域网互联，也可以用于局域网互联。” ——摘自百度

通俗的讲，网关其实就是一种充当转换重任的服务器或者路由器，通过下面的图会更加方便的理解：

网关(Gateway).png

图中显示了我们在生活中常见的两种网络设备：交换机和路由器，总结它们的功能如下：
交换机：
1.使用交换机时，网线连接在交换机的端口上，交换机会自动记录了各个主机的MAC地址；
2.交换机识别MAC地址，但不识别IP，因为它在数据链路层，而不是网络层；
2.交换机只负责同一网段的通信；

网关：
1.网关是计算机硬件设备，一般是路由器，负责在不同的网段通信，也可以在服务器上模拟路由功能；
2.网关负责连接不同网段的局域网，在所有内网计算机访问的不是本网段的数据时使用；
3.网关负责将内网IP转化为公网Ip，或者将公网IP转化为内网IP;

下面是在Windows系统计算机上的一个网关配置示例：

Windows系统计算机上的一个网关配置示例.png

分析：如果不配置网关与DNS，当前计算机只能在局域网内通信，而不能连接互联网;
网关：网关负责将内网IP转化为公网Ip，或者将公网IP转化为内网IP;
DNS：将域名翻译为真正的IP地址；

总结

本文只是概括性的总结了计算机网络的基本知识，为了更深层次的学习，仍需要再不断的学习和探索，继续加油！