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計算機網(wǎng)絡背景

計算機網(wǎng)絡背景是一個復雜而豐富的領域，涵蓋了從計算機單機模式到網(wǎng)絡互聯(lián)的演變過程，以及網(wǎng)絡技術的不斷發(fā)展和創(chuàng)新。

計算機單機模式和獨立發(fā)展

在早期，計算機主要以單機模式存在，即每臺計算機都是獨立的，它們之間無法直接進行通信和數(shù)據(jù)共享。這種模式下，計算機之間的協(xié)同工作非常困難，效率也極低。例如，當多個計算機需要共同完成某項任務時，它們只能通過物理媒介（如光盤、磁帶等）來傳遞數(shù)據(jù)，這大大限制了計算機的應用范圍和效率。

網(wǎng)絡互聯(lián)的興起與發(fā)展

隨著計算機技術的不斷發(fā)展，人們開始意識到將多臺計算機連接在一起的重要性。于是，網(wǎng)絡互聯(lián)的概念應運而生。網(wǎng)絡互聯(lián)不僅實現(xiàn)了計算機之間的數(shù)據(jù)共享和通信，還大大提高了計算機系統(tǒng)的整體性能和效率。

局域網(wǎng)（LAN）的出現(xiàn)： 局域網(wǎng)是指在一個較小區(qū)域內（如一個樓層、一棟樓或一個校園）的計算機相互連接形成的網(wǎng)絡。它主要使用交換機和路由器等設備進行數(shù)據(jù)轉發(fā)和路由選擇。 廣域網(wǎng)（WAN）的擴展： 廣域網(wǎng)則是指覆蓋多個遠距離區(qū)域的遠程網(wǎng)絡。它通?？缭匠鞘?、國家甚至全球范圍，通過長途通信線路（如光纜、衛(wèi)星等）將多個局域網(wǎng)連接起來。 城域網(wǎng)（MAN）的補充： 城域網(wǎng)是連接整個城市的網(wǎng)絡，它比局域網(wǎng)更大但比廣域網(wǎng)更小。城域網(wǎng)為城市范圍內的計算機提供了高效、穩(wěn)定的數(shù)據(jù)傳輸服務。

互聯(lián)網(wǎng)的形成與普及

互聯(lián)網(wǎng)是計算機網(wǎng)絡發(fā)展的高級階段，它是一個由全球范圍內的眾多計算機網(wǎng)絡相互連接而成的龐大網(wǎng)絡。互聯(lián)網(wǎng)的形成經歷了多個階段，包括ARPANET的創(chuàng)建、TCP/IP協(xié)議的普及以及互聯(lián)網(wǎng)的商業(yè)化等。

ARPANET的創(chuàng)建： ARPANET是美國國防部高級研究計劃局在20世紀60年代末創(chuàng)建的第一個分組交換網(wǎng)絡。它最初只連接了四臺計算機，但為后來的互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展奠定了基礎。TCP/IP協(xié)議的普及： TCP/IP協(xié)議是互聯(lián)網(wǎng)的核心協(xié)議之一，它規(guī)定了互聯(lián)網(wǎng)中數(shù)據(jù)傳輸?shù)母袷胶鸵?guī)則。隨著TCP/IP協(xié)議的普及和應用，越來越多的計算機和網(wǎng)絡開始支持該協(xié)議，從而實現(xiàn)了互聯(lián)網(wǎng)的互連和互通?；ヂ?lián)網(wǎng)的商業(yè)化： 隨著互聯(lián)網(wǎng)的不斷發(fā)展，其商業(yè)化進程也逐漸加速。越來越多的公司開始提供互聯(lián)網(wǎng)接入服務、網(wǎng)站建設服務以及電子商務等應用服務。這些服務的出現(xiàn)不僅豐富了互聯(lián)網(wǎng)的應用場景和功能，還推動了互聯(lián)網(wǎng)產業(yè)的快速發(fā)展。

協(xié)議

在計算機網(wǎng)絡中，協(xié)議是一種“約定”，它規(guī)定了數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡中傳輸?shù)姆绞健⒏袷健㈨樞蛞约半p方進行通信的交互規(guī)則。這些規(guī)則確保了不同設備和系統(tǒng)之間能夠相互理解和協(xié)作，從而實現(xiàn)了信息的有效傳遞和共享。

協(xié)議的作用

確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_性：協(xié)議規(guī)定了數(shù)據(jù)的傳輸格式和順序，確保了數(shù)據(jù)在傳輸過程中不會出現(xiàn)錯誤或丟失。提高通信效率：通過規(guī)定數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆绞胶晚樞颍瑓f(xié)議可以優(yōu)化通信過程，減少不必要的等待和重傳，從而提高通信效率。保障安全性：協(xié)議中通常包含安全性的規(guī)定，如數(shù)據(jù)加密、身份認證等，以保障數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩浴?/p>

協(xié)議的分類

計算機中的協(xié)議可以根據(jù)不同的標準進行分類，常見的分類方式包括：

1.按協(xié)議的功能分類：

應用層協(xié)議：如HTTP（超文本傳輸協(xié)議）、FTP（文件傳輸協(xié)議）、SMTP（簡單郵件傳輸協(xié)議）等，這些協(xié)議為應用程序提供了網(wǎng)絡服務。傳輸層協(xié)議：如TCP（傳輸控制協(xié)議）和UDP（用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議），這些協(xié)議負責向用戶提供端到端的通信服務，實現(xiàn)流量控制和差錯控制。網(wǎng)絡層協(xié)議：如IP（互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議），它定義了能夠標識所有結點的邏輯地址，還定義了路由實現(xiàn)的方式和學習的方式。數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議：如以太網(wǎng)協(xié)議，它定義了如何在單個鏈路上傳輸數(shù)據(jù)。物理層協(xié)議：定義了數(shù)據(jù)傳輸?shù)奈锢斫橘|和接口標準，如RS-232、USB等。

2.按協(xié)議的開放性分類：

開放式協(xié)議：如TCP/IP協(xié)議族，這些協(xié)議是公開的、標準化的，任何廠商都可以按照標準開發(fā)支持這些協(xié)議的產品。私有協(xié)議：某些廠商為了保持技術領先或實現(xiàn)特定功能，可能會開發(fā)自己的私有協(xié)議，這些協(xié)議通常不公開或只在小范圍內使用。

協(xié)議的實現(xiàn)

協(xié)議的實現(xiàn)通常涉及軟件編程和硬件支持兩個方面。在軟件方面，開發(fā)人員需要按照協(xié)議規(guī)范編寫相應的程序代碼，以實現(xiàn)協(xié)議規(guī)定的功能。在硬件方面，則需要提供相應的接口和物理介質來支持協(xié)議的運行。

協(xié)議的標準化

協(xié)議的標準化是計算機網(wǎng)絡發(fā)展的重要保障。通過制定統(tǒng)一的協(xié)議標準，可以確保不同廠商的設備能夠相互通信和協(xié)作，從而實現(xiàn)網(wǎng)絡的互聯(lián)互通。國際標準化組織（ISO）和互聯(lián)網(wǎng)工程任務組（IETF）等機構在協(xié)議標準化方面發(fā)揮了重要作用。

OSI模型

OSI模型，即開放式系統(tǒng)互聯(lián)（Open Systems Interconnection）模型，是由國際標準化組織（ISO）在1985年研究并提出的網(wǎng)絡互連模型。該模型是一個分層的網(wǎng)絡通信協(xié)議體系結構，它定義了網(wǎng)絡互連的七層框架，每一層都完成特定的功能，并將其整合到更高層次的通信過程中。 OSI模型從低到高依次分為以下七層：

1.物理層（Physical Layer）

主要功能：負責傳輸數(shù)據(jù)比特流，即將數(shù)據(jù)從發(fā)送方傳輸?shù)浇邮辗?，通過物理介質（如網(wǎng)線、無線信號等）實現(xiàn)。傳輸單位：比特（bit）。常用設備：集線器、中繼器、調制解調器、網(wǎng)線、雙絞線、同軸電纜等。

2.數(shù)據(jù)鏈路層（Data Link Layer）

主要功能：負責數(shù)據(jù)包的傳輸和接收，錯誤檢測和糾正，確保數(shù)據(jù)的可靠傳輸。該層將比特組合成字節(jié)，再將字節(jié)組合成幀，使用鏈路層地址（如以太網(wǎng)使用MAC地址）來訪問介質，并進行差錯檢測。傳輸單位：幀（Frame）。 重要協(xié)議：ISO1745、HDLC（高級數(shù)據(jù)鏈路控制）等。 常用設備：交換機、網(wǎng)卡等。

3.網(wǎng)絡層（Network Layer）

主要功能：通過IP地址和路由器實現(xiàn)數(shù)據(jù)包的傳輸，負責數(shù)據(jù)包的尋址和路由選擇，實現(xiàn)不同網(wǎng)絡之間的通信。傳輸單位：數(shù)據(jù)包（Packet）。重要協(xié)議：IP協(xié)議（Internet Protocol）、ICMP（Internet Control Message Protocol）、ARP（Address Resolution Protocol）、RARP（Reverse Address Resolution Protocol）等。常用設備：路由器。

4.傳輸層（Transport Layer）

主要功能：提供端到端的可靠數(shù)據(jù)傳輸，確保數(shù)據(jù)包按順序到達目的地。該層還負責處理差錯控制和流量控制等問題。傳輸單位：段（Segment）或報文（Message）。重要協(xié)議：TCP（Transmission Control Protocol，傳輸控制協(xié)議）、UDP（User Datagram Protocol，用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議）等。

5.會話層（Session Layer）

主要功能：建立、管理和終止會話，確保數(shù)據(jù)流的正確傳輸，如會話控制和同步。傳輸單位：會話（Session）。

6.表示層（Presentation Layer）

主要功能：處理數(shù)據(jù)的編碼、加密和壓縮，確保數(shù)據(jù)格式的統(tǒng)一和可識別。該層還可以將不同格式的數(shù)據(jù)進行轉換，以便不同系統(tǒng)之間的互操作性。傳輸單位：報文（Message）。

7.應用層（Application Layer）

主要功能：為用戶提供網(wǎng)絡服務，如HTTP（用于網(wǎng)頁瀏覽）、FTP（用于文件傳輸）、SMTP（用于電子郵件傳輸）等，完成各種應用程序之間的數(shù)據(jù)傳輸。傳輸單位：報文（Message）。

OSI模型的特點

分層結構：將整個通信過程劃分為七個層次，每個層次都有特定的功能和任務，并通過接口與鄰近層次進行通信。這種分層結構使網(wǎng)絡設計更加靈活，并且可以獨立地對每個層次進行改進和擴展。

模塊化設計：每個層次在OSI模型中都是獨立的模塊，具有特定的功能和接口。這種模塊化設計使得網(wǎng)絡協(xié)議的開發(fā)和維護更加容易，同時也方便了協(xié)議的替換和升級。

協(xié)議標準化：OSI模型對網(wǎng)絡通信的每個層次都定義了特定的協(xié)議，這些協(xié)議是經過國際標準化組織（ISO）標準化的。標準化的協(xié)議確保了不同廠商之間的互操作性，使得網(wǎng)絡設備和系統(tǒng)能夠正常地進行通信。

獨立性：每個層次在OSI模型中都是相互獨立的，層次之間的變化不會對其他層次產生影響。這種獨立性使得網(wǎng)絡的設計更加靈活，可以針對不同的需求進行定制和優(yōu)化。

TCP/IP模型

TCP/IP模型，全稱為TCP/IP參考模型（TCP/IP reference model），是計算機網(wǎng)絡的祖父ARPANET和其后繼的因特網(wǎng)使用的參考模型。它是一組用于實現(xiàn)網(wǎng)絡互連的通信協(xié)議，Internet網(wǎng)絡體系結構以TCP/IP為核心。

從上到下依次為：應用層、傳輸層、網(wǎng)絡層（也稱為主機到主機層或網(wǎng)際層）、物理層（鏈路層，有時也包含物理層）。這一模型與OSI（開放式系統(tǒng)互聯(lián)）參考模型相比更為簡潔。

TCP/IP模型OSI模型層次結構四層七層定義方式先有協(xié)議集然后建立模型在協(xié)議開發(fā)前設計通用性不適用于非TCP/IP網(wǎng)絡具有通用性復雜性相對簡單層次過多，劃分意義不大但增加了復雜性抽象能力較低，功能描述和實現(xiàn)細節(jié)混在一起高，適合描述各種網(wǎng)絡

這個模型將在之后大量會運用到。

TCP/IP協(xié)議

TCP/IP協(xié)議（Transmission Control Protocol/Internet Protocol）是互聯(lián)網(wǎng)的核心協(xié)議套件，它定義了電子設備如何連入因特網(wǎng)以及數(shù)據(jù)如何在它們之間傳輸?shù)臉藴?。TCP/IP協(xié)議并非指單個協(xié)議，而是由一系列協(xié)議組成的協(xié)議族，這些協(xié)議共同工作以確保數(shù)據(jù)的可靠傳輸。

TCP（傳輸控制協(xié)議）

TCP是一種面向連接的、可靠的、基于字節(jié)流的傳輸層通信協(xié)議。TCP通過三次握手過程建立連接，確保數(shù)據(jù)包的順序、完整性和正確性。TCP通過流量控制、擁塞控制等機制來避免網(wǎng)絡擁塞，確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?。TCP適用于對可靠性要求較高的應用場景，如文件傳輸、網(wǎng)頁瀏覽等。

IP（互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議）

IP是TCP/IP協(xié)議族中的網(wǎng)絡層協(xié)議，它負責將數(shù)據(jù)包從源主機傳輸?shù)侥康闹鳈C。IP協(xié)議定義了數(shù)據(jù)包的格式、尋址方式和路由機制。IP地址是互聯(lián)網(wǎng)中設備的唯一標識，通過IP地址，數(shù)據(jù)包可以在全球范圍內的網(wǎng)絡中傳輸。IP協(xié)議提供的是無連接的、不可靠的服務，它不保證數(shù)據(jù)包的順序、完整性和正確性，這些功能由更高層的協(xié)議（如TCP）來實現(xiàn)

MAC地址

MAC 地址用來識別數(shù)據(jù)鏈路層中相連的節(jié)點; 長度為 48 位, 及 6 個字節(jié). 一般用 16 進制數(shù)字加上冒號的形式來表示(例如:08:00:27:03:fb:19) ? 在網(wǎng)卡出廠時就確定了, 不能修改. mac 地址通常是唯一的。

IP地址

IP地址（Internet Protocol Address）是指互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議地址，又譯為網(wǎng)際協(xié)議地址。它是IP協(xié)議提供的一種統(tǒng)一的地址格式，為互聯(lián)網(wǎng)上的每一個網(wǎng)絡和每一臺主機分配一個邏輯地址，以此來屏蔽物理地址的差異。

功能

設備識別和尋址：用于識別和定位連接到網(wǎng)絡上的設備，包括個人計算機、服務器、智能手機、路由器等。數(shù)據(jù)路由：主要用于數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡中的傳遞。當一個設備通過互聯(lián)網(wǎng)發(fā)送數(shù)據(jù)時，數(shù)據(jù)包會根據(jù)目標IP地址進行路由，路由器負責將數(shù)據(jù)從源IP地址發(fā)送到目標IP地址對應的設備。網(wǎng)絡通信：是實現(xiàn)網(wǎng)絡通信的基礎。網(wǎng)絡中的設備可以通過IP地址相互通信，交換數(shù)據(jù)、發(fā)送請求和應答等。

類型與分類

IP地址有多種類型，主要根據(jù)版本和用途進行分類：

1.按版本分類：

IPv4：目前廣泛使用的IP地址標準，由四個十進制數(shù)（每個數(shù)的取值范圍為0-255）組成，以“.”分隔，例如192.168.0.1。IPv4地址空間有限，預計將在未來被耗盡。IPv6：下一代IP地址標準，由八組四位十六進制數(shù)（每個數(shù)的取值范圍為0-FFFF）組成，以“:”分隔，例如2001:0db8:85a3:0000:0000:8a2e:0370:7334。IPv6旨在解決IPv4地址空間不足的問題，提供幾乎無限制的地址空間。

2.按用途分類：

公有IP地址：在公共互聯(lián)網(wǎng)上唯一標識一個設備或網(wǎng)絡的IP地址，可以直接被其他設備訪問。通常由互聯(lián)網(wǎng)服務提供商（ISP）分配。私有IP地址：在局域網(wǎng)中使用的特定地址范圍，不被路由器轉發(fā)到公共互聯(lián)網(wǎng)，用于內部通信。常見的私有IP地址范圍包括IPv4的10.0.0.0-10.255.255.255、172.16.0.0-172.31.255.255和192.168.0.0-192.168.255.255等。靜態(tài)IP地址：在網(wǎng)絡中固定分配給一個設備的IP地址，不會隨著設備重新連接網(wǎng)絡而改變。通常用于需要長期穩(wěn)定連接的設備，如服務器。動態(tài)IP地址：在網(wǎng)絡中臨時分配給一個設備的IP地址，可以隨著設備重新連接網(wǎng)絡而改變。由DHCP（Dynamic Host Configuration Protocol）服務器分配，通常用于普通用戶終端設備。

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