从入门到精通：网络基础（一）

前言

计算机网络是现代信息社会的基石，几乎所有的数字通信和数据交换都依赖于网络。理解网络的基本概念和技术，对于每一个IT从业者来说都是必不可少的。在这篇文章中，我们将从网络的起源和发展开始，逐步深入探讨局域网（LAN）和广域网（WAN）的概念，理解网络协议的重要性，重点讲解TCP/IP五层模型，以及网络传输的基本流程，包括数据包的封装和分用。希望通过这篇文章，能够帮助你从入门到精通网络基础知识。

1. 计算机网络背景

网络发展

计算机网络的发展经历了多个阶段，从最初的独立模式，到现在的全球互联网，计算机网络已经成为我们生活和工作中不可或缺的一部分。

独立模式：
在计算机发展的初期，每台计算机都是一个孤立的设备，无法与其他计算机进行通信。这种独立模式下，计算机的应用范围非常有限，仅能用于本地的计算和数据处理。随着计算机数量的增加和应用需求的扩大，人们逐渐意识到计算机之间相互通信和数据共享的重要性。

网络互联：
为了实现计算机之间的数据共享和通信，人们开始尝试将多台计算机连接在一起，形成一个网络。通过网络，计算机可以共享资源，如文件、打印机和数据库，并且可以相互通信，实现协同工作。这种网络互联的模式极大地扩展了计算机的应用范围，提高了工作效率。

局域网（LAN）：
局域网是一种在相对较小的地理范围内（如办公室、建筑物或校园）连接的计算机网络。局域网内的计算机通过交换机和路由器等网络设备连接在一起，可以实现高速的数据传输和资源共享。局域网的特点是高带宽、低延迟和可靠性高，广泛应用于企业、学校和家庭网络中。

广域网（WAN）：
随着互联网的发展和全球化的进程，人们需要将地理位置相隔较远的计算机连接在一起，形成广域网。广域网覆盖的范围较大，可以跨越城市、国家甚至大洲。广域网通常通过光纤、卫星和其他高速通信线路连接，具有长距离传输的能力。互联网就是一个典型的广域网，通过它，我们可以实现全球范围内的信息交流和资源共享。

天朝特色的广域网：
在某些特定的环境下，广域网也可以被看作是一个较大的局域网。例如，中国的互联网在某种程度上可以被视为一个具有中国特色的广域网。这种网络结构既能提供广域网的功能，又具有局域网的管理和控制特点。

网络的发展不仅改变了计算机的应用模式，也深刻影响了社会的各个方面。通过网络，人们可以方便快捷地获取信息、进行交流和协作，极大地提高了工作效率和生活质量。在未来，随着技术的不断进步，网络将继续发展和演变，为我们的生活带来更多的便利和可能性。

2. 认识协议

什么是协议

网络协议是指计算机之间进行通信所遵循的规则和约定。协议规定了数据传输的格式、步骤和控制信息，确保不同设备之间能够正确理解和处理彼此传输的数据。

协议的意义：
计算机网络中的传输媒介是光信号和电信号，通过频率和强弱来表示0和1这样的信息。为了传递各种不同的信息，需要约定好双方的数据格式和通信规则。这就是协议的作用，它确保了不同设备、操作系统和网络硬件能够顺畅地通信。

协议的本质：
协议就像是语言中的方言，虽然在一个小范围内（如一个局域网）通信双方可以约定一种特殊的通信方式，但在更大范围内（如互联网）需要遵守统一的标准。这些标准由一些国际组织和机构制定，并在全球范围内推广使用。

协议不仅仅是一个简单的约定，它包含了多个层次的定义和规范，确保数据在传输过程中能够被正确地解析和处理。协议的定义和实现需要考虑到各种可能的情况和问题，如数据丢失、网络拥塞和设备故障等。因此，协议的设计和实现是一个复杂的过程，需要综合考虑各种因素，确保数据传输的可靠性和效率。

网络协议初识

协议分层：
为了简化网络通信的复杂性，协议通常被设计成多个层次，每一层实现特定的功能。分层的好处在于，每一层可以独立开发和优化，而不影响其他层。例如，OSI七层模型将网络通信分为七个层次，每一层都有明确的职责和功能。

OSI七层模型：
OSI（Open System Interconnection，开放系统互连）七层网络模型是一个逻辑上的定义和规范，将网络从逻辑上分为七层。每一层都有相关、相对应的物理设备，如路由器和交换机。OSI七层模型的主要功能是帮助不同类型的主机实现数据传输，其最大优点是将服务、接口和协议这三个概念明确地区分开来，概念清楚，理论完整。但由于其复杂性和不实用性，实际应用中更多使用TCP/IP模型。

3. TCP/IP五层模型

TCP/IP模型概述

TCP/IP是一组协议的代名词，包含了许多协议，组成了TCP/IP协议簇。TCP/IP通讯协议采用了五层的层级结构，每一层都呼叫它的下一层所提供的网络来完成自己的需求。

物理层：
物理层负责光/电信号的传递方式，如以太网使用的网线（双绞线）、光纤和无线电磁波等。物理层决定了最大传输速率、传输距离和抗干扰性。集线器（Hub）工作在物理层。

数据链路层：
数据链路层负责设备之间的数据帧的传送和识别，例如网卡设备的驱动、帧同步、冲突检测和数据差错校验等。交换机（Switch）工作在数据链路层。

网络层：
网络层负责地址管理和路由选择，通过IP地址标识主机，并通过路由表规划数据传输的线路。路由器（Router）工作在网络层。

传输层：
传输层负责两台主机之间的数据传输，如传输控制协议（TCP），能够确保数据可靠地从源主机发送到目标主机。

应用层：
应用层负责应用程序间的沟通，如简单电子邮件传输协议（SMTP）、文件传输协议（FTP）和网络远程访问协议（Telnet）等。网络编程主要针对应用层。

4. 网络传输基本流程

数据包封装和分用

网络传输中，不同协议层对数据包有不同的称谓。在传输层称为段（segment），在网络层称为数据报（datagram），在链路层称为帧（frame）。当应用层数据通过协议栈发到网络上时，每层协议都要加上一个数据首部（header），称为封装（Encapsulation）。封装过程确保数据在传输中能够被正确识别和处理。

数据封装成帧后，通过传输介质到达目的主机后，每层协议再剥掉相应的首部，根据首部中的上层协议字段将数据交给对应的上层协议处理，这个过程称为分用（Decapsulation）。