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计算机网络体系
计算机网络体系结构分为 OSI 七层模型和实际使用的 TCP/IP 四层模型。本章从物理层到应用层逐层梳理核心概念。
一、体系结构分类
| OSI 七层模型 | TCP/IP 四层模型 |
|---|---|
| 应用层 | 应用层 |
| 表示层 | 应用层 |
| 会话层 | 应用层 |
| 传输层 | 传输层 |
| 网络层 | 网络层 |
| 数据链路层 | 物理接入层 |
| 物理层 | 物理接入层 |
二、物理层
物理层实现主机和网络之间的物理连接，规定与传输媒体接口相关的特性。
通信方式
| 通信方式 | 说明 |
|---|---|
| 单工通信 | 只能由 A 向 B 发送，通信单向 |
| 半双工通信 | 同一时间只能单向，不能同时收发 |
| 全双工通信 | 同一时间既能接收又能发送，效率最高 |
常见引导型传输媒体
- 双绞线： 分为屏蔽双绞线（STP）和非屏蔽双绞线（UTP）。两根线绞起来可以有效减少相互之间的电磁干扰。
- 同轴电缆： 由内导体铜制芯线、绝缘层、网状编织的外导体屏蔽层、塑料保护外层组成，抗干扰性好，广泛用于较高速率的传输。
- 光缆： 由非常透明的石英玻璃拉成细丝，由纤芯和包层构成双层通讯柱，分为单模光纤和多模光纤。
信道复用技术
| 复用方式 | 原理 |
|---|---|
| 频分复用 | 根据波的频率不同，将不同频段的波用于不同通信 |
| 时分复用 | 将时间分割为时间段，按时间段区分信息类别（同步时分复用） |
| 统计时分复用 | 时分复用的改进：有数据才占用时隙，动态分配（异步时分复用） |
| 光分复用 | 光的频分复用，用不同频率的光携带不同信息 |
三、数据链路层
数据链路层将上层的数据转化为数据帧发送到链路上，以及把接收到的帧中的数据取出交给网络层。
通信方式
- 点对点通信： 只能两点之间的通信，常见协议是 PPP。
- 广播通信： 一对多通信，常见协议是 CSMA/CD（载波监听多点访问/冲突检测）。
核心要解决的问题
- 封装成帧： 在数据前后分别添加首部和尾部构成帧，方便接收端确定帧的首尾（帧定界符），并定义最大传输单元（MTU）表示一次可传输的最大长度。
- 透明传输： 内容中若出现与帧定界符相同的字符，在字符前加上转义字符，称为字符填充或字节填充。
- 差错检测： 比特在传输过程中可能产生差错，最常用的差错检测算法是 CRC（循环冗余检验）。
四、网络层
网络层向上提供简单灵活的、无连接的、尽最大努力交付的数据报服务。
IP 协议族
IP 协议是 TCP/IP 体系中最主要的协议之一，常说的 IP 协议其实是一个协议族，还包含配套协议：
| 协议 | 全称 | 作用 |
|---|---|---|
| ARP | 地址解析协议 | 将 IP 地址转化为实际物理地址（MAC 地址），存储在 MAC 地址表中 |
| ICMP | 网际控制报文协议 | 差错情况和异常情况的反馈，分为询问报文和差错报告报文 |
| IGMP | 网际组管理协议 | 控制和管理多播、组播 |
IP 地址分类
- A 类： 前 8 位为网络位，后 24 位为主机位，首位为 0。
- B 类： 前 16 位为网络位，后 16 位为主机位，前两位为 10。
- C 类： 前 24 位为网络位，后 8 位为主机位，前三位为 110。
- D 类： 用于多播（组播），前四位为 1110。
- E 类： 保留地址，前五位为 11110。
五、传输层与应用层
传输层： 负责端到端的通信，核心协议是 TCP（可靠、面向连接）和 UDP（高效、无连接），详见《TCP 与 UDP 详解》。
应用层： 直接为用户提供服务，常见协议有 HTTP/HTTPS、FTP、SMTP、DNS、SSH 等。