网络基础
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网络通信核心原理
网络通信定义
网络通信是指终端设备（如电脑、手机）借助计算机网络，实现信息传递的过程。简单来说，就是让不同设备之间能 “对话”，把文字、图片、视频等信息从一个设备传到另一个设备。
信息传递过程
我们可以把信息传递比作 “快递运输”，具体对应关系如下(参考华为文档图例)：
| 快递运输流程 | 网络信息传递流程 | 说明 |
|---|---|---|
| 物品（你要寄的东西） | 数据载荷 | 最终要传递的核心信息，比如你发的微信消息、下载的文件 |
| 包裹（装物品的盒子 + 快递单） | 报文（数据载荷 + 头部 + 尾部） | 给核心信息加上 “包装”（头部和尾部），方便网络传输和识别 |
| 本地集散中心 | 发送端网关路由器 | 负责把 “包裹”（报文）整理后，发送到主干网络 |
| 天空 / 公路（运输干线） | Internet 主干道 | 连接不同地区的核心传输通道，像全国性的网络 “高速公路” |
| 目的地集散中心 | 接收端网关路由器 | 接收来自主干网络的 “包裹”，再转发到最终目的地 |
| 拆包裹（拿出物品） | 解封装 | 去掉报文的 “包装”（头部和尾部），提取出核心的 “数据载荷” |
以两台计算机通过 Internet 通信为例，完整流程是：
发送端计算机→给数据加头部 / 尾部（封装成报文）→发送到网关路由器→通过 Internet 主干道传输→接收端网关路由器→解封装（去掉头部 / 尾部）→把数据传给接收端计算机。(参考华为文档图例)
关键术语解释
| 术语 | 通俗解释 | 重点说明 |
|---|---|---|
| 数据载荷 | 要传递的 “干货” 信息 | 比如文档内容、视频画面、语音数据等 |
| 报文 | 网络中 “打包好的信息单元” | 由 “数据载荷 + 头部 + 尾部” 组成，是网络传输的基本单位 |
| 头部 | 加在数据前面的 “信息卡” | 最关键的两个头部： 1. IP 头部（三层头部）：记录发送端和接收端的 IP 地址，相当于 “快递单上的收件人 / 寄件人地址” 2. 二层头部（如以太网头部）：记录设备的 MAC 地址，相当于 “快递最后一公里的小区门牌号” |
| 尾部 | 加在数据后面的 “校验码” | 用于验证数据在传输中是否损坏，比如判断 “包裹有没有被拆开过、里面的东西有没有坏” |
| 封装 | 给 “数据载荷” 打包的过程 | 从应用层到物理层，每一层都会给数据加对应的头部（部分层加尾部），让数据能在网络中传输 |
| 解封装 | 给 “报文” 拆包的过程 | 从物理层到应用层，每一层都会去掉对应的头部（部分层去尾部），最终提取出核心数据 |
| 网关 | 网络的 “中转站” | 能实现不同类型网络的转换（比如家里的 WiFi 和小区宽带）、选择数据传输路径，相当于 “快递集散中心” |
| 路由器 | 网络的 “导航员” | 根据报文的目的地址，选择最合适的传输路径，比如从北京发往上海的报文，路由器会决定走 “北京→济南→南京→上海” 还是其他路线 |
| 终端设备 | 网络的 “使用者设备” | 就是我们日常用的设备，比如电脑（PC）、手机、平板、打印机、摄像头等，负责发送或接收信息 |
网络的分类
我们可以根据网络覆盖的 “地理大小”，把网络分成三类，就像 “小区、城市、国家” 的范围区别：
| 网络类型 | 英文缩写 | 覆盖范围 | 常见例子 | 特点 |
|---|---|---|---|---|
| 局域网 | LAN | 方圆几千米以内（小范围） | 家里的 WiFi 网络、公司的办公网络、学校的机房网络 | 速度快、延迟低、成本低，只供局部区域的设备使用 |
| 城域网 | MAN | 一个城市的范围 | 城市的教育城域网（连接全市的学校）、政务城域网（连接全市的政府部门） | 覆盖范围比局域网大，连接多个局域网，通常由运营商或政府建设 |
| 广域网 | WAN | 几十公里到几千公里（大范围） | Internet（互联网）、跨省的企业专网 | 覆盖范围最大，能连接不同城市、不同国家的局域网和城域网，是全球信息互通的基础 |
网络参考模型
网络通信就像 “工厂流水线”，把复杂的信息传递拆分成多个 “工序”（分层），每个 “工序” 只负责自己的工作，这样能提高效率、方便维护。常见的有两种参考模型：OSI 模型和 TCP/IP 模型。
OSI 参考模型
OSI 模型是国际标准化组织制定的 “理想分层模型”，把网络通信分成 7 层，从下到上依次是：
物理层→数据链路层→网络层→传输层→会话层→表示层→应用层
各层核心工作
| 层级 | 通俗功能 | 类比例子 |
|---|---|---|
| 物理层 | 负责 “物理连接”（比如网线、WiFi 信号），传递电信号 / 光信号 | 相当于 “工厂的电线、传送带”，负责把原材料（信号）传送到下一道工序 |
| 数据链路层 | 给物理层的信号加 “MAC 地址标签”，实现相邻设备的通信 | 相当于 “给原材料贴上限速标签、工位编号”，让原材料能准确传到隔壁工位 |
| 网络层 | 负责 “跨网络传输”，通过 IP 地址选择传输路径（路由器工作在此层） | 相当于 “工厂的物流调度中心”，根据目的地地址，安排原材料走哪条路线 |
| 传输层 | 负责 “端到端的可靠传输”，比如判断数据是否传完、有没有丢失 | 相当于 “工厂的质检 + 进度跟踪员”，确保原材料能完整、不丢失地送到目的地工位 |
| 会话层 | 负责 “建立和管理通信会话”（比如打开一个 APP 的连接） | 相当于 “工厂的订单系统”，负责开启一个订单（会话）、关闭订单 |
| 表示层 | 负责 “数据格式转换”（比如加密、压缩、编码） | 相当于 “工厂的包装 / 解压车间”，把数据压缩变小（方便传输）、加密（防止泄密） |
| 应用层 | 直接给用户提供 “应用服务”（比如浏览网页、发微信） | 相当于 “工厂的成品车间”，直接产出用户能用到的产品（如微信、浏览器） |
分层核心原则
- 下层为上层提供服务：比如物理层给数据链路层提供 “信号传输服务”，网络层给传输层提供 “路径选择服务”。
- 通过 NSAP 地址通信：NSAP 是 “网络服务访问点” 的缩写，相当于每层之间的 “接口地址”，让上层能准确调用下层的服务。
TCP/IP 参考模型（4 层 / 5 层，实际应用模型）
TCP/IP 模型是互联网实际使用的 “实用模型”，比 OSI 模型更简洁，常见的 4 层划分是：
网络接入层→网际层→传输层→应用层
TCP/IP 与 OSI 模型的对应关系
| TCP/IP 模型（4 层） | OSI 模型（7 层） | 核心功能 |
|---|---|---|
| 应用层 | 应用层 + 表示层 + 会话层 | 提供应用服务（如 HTTP、FTP）、数据格式转换、会话管理 |
| 传输层 | 传输层 | 端到端传输（TCP/UDP 协议） |
| 网际层（互联网层） | 网络层 | IP 地址管理、路由选择（路由器工作在此层） |
| 网络接入层 | 数据链路层 + 物理层 | 物理连接、MAC 地址通信 |
传输层核心协议（TCP 与 UDP）
传输层有两个核心协议，就像 “快递的两种配送方式”，分别适用于不同场景：
| 协议 | 特点 | 适用场景 | 通俗例子 |
|---|---|---|---|
| TCP（传输控制协议） | 1. 面向连接：传输前要先 “握手” 建立连接 2. 可靠传输：能判断数据是否丢失，丢失了会重传 3. 有序传输：保证数据按发送顺序到达 | 对 “可靠性要求高” 的场景 | 1. 浏览网页（HTTPS）：必须完整接收页面内容，不能少字漏图 2. 文件传输（FTP）：下载文件不能损坏，否则无法打开 3. 发送邮件：邮件内容不能丢失或乱序 |
| UDP（用户数据报协议） | 1. 无连接：传输前不用建立连接，直接发 2. 不可靠传输：不判断数据是否丢失，丢了也不重传 3. 速度快：因为不用做 “可靠性检查”，延迟低 | 对 “速度要求高、允许少量丢失” 的场景 | 1. 视频通话：偶尔卡一下（丢少量数据）不影响整体通话，但若延迟高会很卡顿 2. 直播：允许偶尔掉帧，但若延迟高会和主播互动不同步 3. 语音通话（如微信语音）：少量数据丢失听不出差别，速度优先 |
TCP 的 “三次握手”（建立连接）
TCP 建立连接时，发送端和接收端要通过 3 次 “消息确认”，确保双方都能正常收发数据，就像两个人打电话前的确认：
- 甲（发送端）：“喂，你能听到吗？”（发送 SYN 报文，请求建立连接）
- 乙（接收端）：“能听到，你能听到我吗？”（发送 SYN+ACK 报文，确认收到甲的请求，并请求甲确认）
- 甲（发送端）：“能听到，我们开始聊吧！”（发送 ACK 报文，确认收到乙的请求，连接建立）
以 PC1（1.1.1.1:1024）和 PC2（2.2.2.2:23）为例，具体报文交互：
- 第 1 次握手：PC1 发送 TCP 报文，Seq=a（序列号 a）、Ack=0（还没收到 PC2 的消息），Flags=SYN（请求建立连接）
- 第 2 次握手：PC2 回复 TCP 报文，Seq=b（序列号 b）、Ack=a+1（确认收到 PC1 的 Seq=a），Flags=SYN+ACK（确认请求 + 请求建立连接）
- 第 3 次握手：PC1 回复 TCP 报文，Seq=a+1（序列号更新）、Ack=b+1（确认收到 PC2 的 Seq=b），Flags=ACK（确认请求）
- 此时，TCP 连接正式建立，双方可以开始传输数据。
TCP 的 “四次挥手”（断开连接）
TCP 断开连接时，需要 4 次 “消息确认”，因为双方都要确认 “没有数据要传了”，就像打电话结束前的确认：
- 甲（发送端）：“我说完了，要挂电话了。”（发送 FIN 报文，请求断开连接）
- 乙（接收端）：“好的，我知道了，等我把剩下的话说完。”（发送 ACK 报文，确认收到断开请求，但可能还有数据要传）
- 乙（接收端）：“我也说完了，可以挂电话了。”（发送 FIN 报文，确认自己也没有数据要传，请求断开连接）
- 甲（发送端）：“好的，挂了。”（发送 ACK 报文，确认收到断开请求，连接断开）
以 PC1（1.1.1.1:1024）和 PC2（2.2.2.2:23）为例，具体报文交互：
- 第 1 次挥手：PC1 发送 TCP 报文，Seq=101（当前序列号）、Ack=301（确认收到 PC2 的 Seq=300），Flags=FIN（请求断开连接）
- 第 2 次挥手：PC2 回复 TCP 报文，Seq=301、Ack=102（确认收到 PC1 的 Seq=101），Flags=ACK（确认断开请求）
- 第 3 次挥手：PC2 发送 TCP 报文，Seq=302、Ack=102，Flags=FIN（请求断开连接，自己无数据可传）
- 第 4 次挥手：PC1 回复 TCP 报文，Seq=102、Ack=303（确认收到 PC2 的 Seq=302），Flags=ACK（确认断开请求）
- 此时，TCP 连接正式断开。
网络基本架构
企业或园区的网络通常采用 “三层架构” 设计，就像 “公司的管理层（核心层）→部门主管（汇聚层）→员工（接入层）”，每层负责不同的工作，分工明确、易于维护。
（一）三层架构整体流程
终端设备（手机、电脑）→接入层设备→汇聚层设备→核心层设备→Internet / 其他网络
简单说：员工（终端）→部门办公室（接入层）→部门主管办公室（汇聚层）→公司总部（核心层）→外部合作伙伴（Internet）
（二）各层核心功能与设备
| 层级 | 核心功能 | 常用设备 | 通俗说明 |
|---|---|---|---|
| 1. 接入层 | 1. 连接终端设备（让电脑、手机能连入网络） 2. 提供丰富的接口（有线网口、WiFi 信号） 3. 简单的接入控制（比如限制某台设备连网） | 二层交换机（L2 交换机）、无线 AP（WiFi 发射器） | 相当于 “公司的前台 / 门禁”，负责让员工（终端）进入公司（网络），提供进门的 “通道”（接口） |
| 2. 汇聚层 | 1. 作为局域网的 “网关”（连接接入层和核心层） 2. 实现访问控制（比如限制销售部不能访问技术部的文件） 3. 汇总接入层的流量（把多个接入层的 data 集中传给核心层） | 三层交换机（L3 交换机） | 相当于 “公司的部门主管”，负责管理多个前台（接入层），控制部门内的访问权限，把部门的需求汇总后传给总部（核心层） |
| 3. 核心层 | 1. 传输全网的核心流量（比如公司总部到 Internet 的 data） 2. 对流量进行管控（比如优先传输重要的业务数据） 3. 保证高速、稳定的传输（设备性能要求最高） | 高性能三层交换机、核心路由器 | 相当于 “公司的 CEO / 总部”，负责处理全公司的核心业务（核心流量），确保数据传输快速、不卡顿，是网络的 “心脏” |
（三）架构示意图（以园区网为例）
Internet（外部网络）
↓
核心层（高性能三层交换机/路由器）——负责核心流量传输
↓
汇聚层（三层交换机）——每个汇聚层对应一个办公区域
↓
接入层（二层交换机/无线AP）——连接终端设备
↓
终端设备（办公区域1：PC、打印机；办公区域2：手机、服务器；办公区域3：摄像头、平板）
五、常用网络设备详解
路由器
核心功能
- 转发 IP 报文：根据报文的目的 IP 地址，从路由表中选择一条路径，把报文传给下一个设备（类似 “快递员根据地址选路线”）。
- 连接不同类型的网络：比如把家里的 WiFi（局域网）和小区的宽带（广域网）连起来。
- 隔离广播域：防止某个局域网的 “广播风暴”（比如一台设备不停发无效消息）影响其他网络（类似 “防止一个部门的噪音影响其他部门”）。
- 维护路由表：路由表是 “地址 - 路径” 的对应表，比如 “要去 192.168.1.0 网段，走路由器 A”，路由器会通过路由协议（如 OSPF）自动更新路由表。
- 网络地址转换（NAT）：把局域网的 “私有 IP” 转换成广域网的 “公有 IP”（比如家里的电脑用 192.168.1.100，通过路由器转换成公网 IP 后才能访问 Internet）。
工作场景
家里的 “无线路由器”（兼具路由器和 AP 功能）、公司核心层的 “核心路由器”、运营商的 “骨干路由器”。
交换机
分类与功能
| 类型 | 核心功能 | 适用场景 |
|---|---|---|
| 二层交换机（L2） | 1. 基于 MAC 地址转发数据帧（“根据小区门牌号送快递”） 2. 连接终端设备（提供多个网口，让多台电脑连网） 3. 分割冲突域（防止两台设备同时发数据导致冲突） | 接入层（比如办公室里的交换机，连接 10 台 PC） |
| 三层交换机（L3） | 1. 兼具二层交换机和路由器的部分 |
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