软件工程师——(五)计算机网络

1. OSI/RM七层模型

1. 发展历程说明

• 计算机网络的奠基石,计算机网络整个的基础是构建于七层模型之上的
• 由于一开始互联网的推进工作是由各个公司自行推进,推进的过程中发现各个企业的标准不统一,导致互联网无法发展(互联网的思想是把全世界的计算机都连接起来)
• 此时就有人提出必须有公用的标准,得到了广为的认可,但是对于使用那个标准的问题,每个厂商都不愿意放弃自己的标准
• 此时就提出大家都放弃自己的标准,由国际标准化组织制定新的标准,大家都成为此标准的成员
• 就形成了此时的七层模型

2. 各层说明———考点(包含那七个层次、各层的主要功能以及主要设备)

1. 物理层

• 1、主要功能
  • 进行二进制数据的传输
• 2、主要设备
  • 中继器———类似古代的烽火台,对信息原封不动的传输
  • 集线器———相当于多端口的中继器

2. 数据链路层

• 1、主要功能
  • 定义了帧的概念,传送以帧为单位的信息,便于传输的时候进行识别,比如网卡的MAC地址就是一个帧地址
• 2、主要设备
  • 网桥———连接两个同类型网络的设备
  • 交换机———相当于多端口的网桥,用来连接多个设备
  • 网卡———一块被设计用来允许计算机在计算机网络上进行通讯的计算机硬件
• 3、相关协议
  • PPTP
  • L2TP
  • SLIP
  • PPP

3. 网络层

• 1、主要功能
  • 分组的传输和路由的选择
• 2、主要设备
  • 三层交换机———加了路由的交换机
  • 路由器
• 3、相关协议
  • ARP———地址解析(IP地址转MAC地址)
  • RARP———反向地址解析(MAC地址转IP地址)
  • IP
  • ICMP———因特网的控制协议,Ping命令检测网络是否通畅就是属于该类中的协议
  • IGMP

4. 传输层

• 1、主要功能
  • 端到端的连接,涉及到端口号的问题
• 3、相关协议———传输层的主导协议
  • TCP———可靠的协议,通信的时候会建立连接
  • UDP———不可靠的协议,通信的时候不建立连接
    • 直接将数据包从原地址发送到目标地址,而没有类似TCP一样反馈的过程

5.会话层、6.表示层、7.应用层

• 1、主要功能
  • 会话层———建立、管理和终止会话
  • 表示层———数据的格式与表达、加密、压缩
  • 应用层———实现具体的应用功能
• 2、相关协议
  • POP3———基于TCP,邮件传输协议
  • FTP———基于TCP,文件传输协议
  • HTTP———基于TCP,传输网页数据的协议
  • TeInet———基于TCP,进行远程登录的协议
  • SMTP———基于TCP,邮件传输协议
  • DHCP———基于UDP,局域网中常见,用于IP地址的动态分配工作
  • TFTP———基于UDP,小文件传输协议
  • SNMP———基于UDP,简单网络管理协议
  • DNS———基于UDP,域名解析协议

3. 练习题

习题分析
- 需分析出那个两个不是同一局域网内的计算机,即两台计算机跨越了网络层
- P和Q之间使用网桥连接,网桥是二层设备,没有跨越网络层,所以能通过
- P和S之间使用路由器连接,路由器是三层设备,跨越了网络层,所以不能通过
- Q和R之间使用集线器连接,网集线器是一层设备,没有跨越网络层,所以能通过
- S和T之间使用交换机连接,交换机是二层设备,没有跨越网络层,所以能通过
- 所以答案选B

2. 网络技术标准与协议

1. 几大协议族———需了解

• 1、说明———协议族(即不是单一的协议,是有多个协议的整合体)
• 2、分类
  • TCP/IP协议———重量级协议
  • IPX/SPX协议———局域网及时战略游戏基本都支持该协议
  • NETBEUI协议———不支持路由,所以速度很快

2. TCP协议

• 1、包含验证机制———传输信息的时候会有反馈信息,从而及时知道哪些数据包正常(没有正常)且顺利的传输到目的地
• 2、TCP三次握手

3. DHCP协议

• 1、说明
  • 作用———进行IP地址的动态分配
  • 客户机/服务器模式
  • 租约默认为8天———过了租期,可能分配给别人
  • 默认租约过半就申请续约
  • 包含不同的分配策略(固定分配、动态分配、自动分配)
  • 169.254.X.X———假地址,不能和外界通信;windows中分配的IP如果是该格式的,说明可能没有和DHCP服务器连接上
  • 0.0.0.0———假地址,不能和外界通信;linux中分配的IP如果是该格式的,说明可能没有和DHCP服务器连接上
• 2、分配过程
  • 在局域网中都会有DHCP的服务器
  • 客户机接入到网络之后,向DHCP服务器提出IP地址的分配请求,服务器就会根据网络IP地址资源的情况给客户机分配IP地址
  • 客户机就可以利用分配的IP地址接入网络

4. DNS协议

• 1、说明
  • 作用———负责IP地址和域名之间的转换
  • 一般访问网络的时候是通过域名来访问某个站点,而在网络系统中,真正识别计算机的是IP地址
  • 但是IP地址是一长串数字,不便于记忆,所以有了域名,从而便于记忆
  • 此时就需要机器把域名转成IP地址,就有了DNS协议
• 2、递归查询———考点
  • 说明———服务器必须回答目标IP与域名的映射关系(负责到底)
• 3、迭代查询———考点
  • 说明———服务器收到一次迭代查询回复一次结果,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(移交给别人)
• 4、两种形式
  • 1、常见形式———对于根域名服务器压力不大
  • 2、较少采用———对于根域名服务器负担重,效率低
• 5、示例

分析过程
- 根域名服务器直接回复了本地域名服务器,所以根域名服务器采用了迭代查询
- 中介域名服务器收到查询的要求之后,,不是直接反馈结果,而是去授权域名服务器查询到了结果之后,返回给了本地域名服务器,所以是一个递归查询
- 所以答案是A

5. 其他协议说明

• 1、SNMP———了解是简单网络管理协议即可
• 2、TFTP———主要和FPTP区别(一个可靠,一个不可靠)
• 3、Samba———既可以使用TCP,也可以使用UDP实现,文件共享协议,可跨平台
• 4、CIFS———既可以使用TCP,也可以使用UDP实现,文件共享协议
• 5、NFS———既可以使用TCP,也可以使用UDP实现,文件共享协议

3. 计算机网络的分类

1. 按分布范围———看整个网络覆盖的范围有多大

• 1、局域网———办公室级别
• 2、城域网———城市级别
• 3、广域网———比城市范围大的级别
• 4、因特网———全球性的网络级别

2. 按拓扑结构———需要掌握(基本特点)

• 1、总线型
  • 基本特点———使用一条总线将各个终端连接起来,传输信息依靠该总线来进行
• 2、星型
  • 基本特点———使用中心节点连接其他各个节点
  • 缺点———一旦中心节点故障,整个网络瘫痪(存在单点故障问题)
  • 使用示例———办公室网络使用的就是星型结构,中间节点就是交换机,所有的计算机连接到同一交换机上,形成局域网,一旦交换机故障,整个网络故障
• 3、环型
  • 基本特点———多个终端连接成一个环,信息环形传递
  • 优点———可靠性比较好,不会出现单点故障问题(任何一点出现故障,可以从另外一边进行信息传递)

4. 网络规划与设计

1. 规划和设计的基本原则

• 1、网络规划原则
  • 实用性原则———可以解决实际性的问题
  • 开放性原则———基于一致性的标准,实现开发性
  • 先进性原则———基于实用性和开放性原则,结合实际情况,选择先进一些的设备(不能用过于过时的东西,否则不便于后续升级改造)
• 2、网络设计任务
  • 确认网络总体目标
  • 确认总体设计原则
  • 通信子网设计
  • 资源子网设计
  • 设备选型
  • 网络操作系统与服务器资源设备
  • 网络安全设计
• 3、网络设计原则
  • 可用性
  • 可靠性
  • 可恢复性
  • 适应性
  • 可伸缩性
• 4、网络实施原则
  • 可靠性原则
  • 安全性原则
  • 高效性原则
  • 可扩展性原则
• 5、网络实施步骤
  • 工程实施计划
  • 网络设备到货验收
  • 设备安装
  • 系统测试
  • 系统试运行
  • 用户培训
  • 系统转换

2. 逻辑网络设计———核心:IP地址方案和安全方案

3. 物理网络设计

4. 层次化网络设计———(自下而上的方式进行设计)———考点(接入层、汇聚层、核心层各层要完成的职能)

• 1、接入层———底层,只有一个层次,只需要把终端设备接入,最多加一下用户的计费
• 2、汇聚层———中间层,可以有多个层次,可以根据需求灵活安排与处置
• 3、核心层———顶层,只有一个层次,只做高速的数据交换和转发(要求设备性能比较高,一般有冗余设计,防止出错,保证可靠性)

5. IP地址

1. IP归类划分———(IP地址划分第一阶段)

1. 地址分类说明

• 1、A类———普通IP地址
  • 地址组成说明———四段(32位)地址中,第一段(前8位)是网络号,后三段(后24位)是主机号;首位为0,所以总共地址空间从0-127
  • 拥有IP地址数量(包含的主机数量)———2^24-2(减去后24位全0(网络地址)和全1(这个网络中的广播地址)的地址)=16777214
• 2、B类———普通IP地址
  • 地址组成说明———四段(32位)地址中,前两段(前16位)是网络号,后两段(后16位)是主机号;首位为1,所以总共地址空间从128-191
  • 拥有IP地址数量(包含的主机数量)———2^16-2(减去后16位全0(网络地址)和全1(这个网络中的广播地址)的地址)=65534
• 3、C类———普通IP地址
  • 地址组成说明———四段(32位)地址中,前三段(前24位)是网络号,后一段(后8位)是主机号;首位为1,所以总共地址空间从192-223
  • 拥有IP地址数量(包含的主机数量)———2^8-2(减去后8位全0(网络地址)和全1(这个网络中的广播地址)的地址)=254
• 4、D类组播
  • 拥有IP地址数量
• 5、E类保留
  • 拥有IP地址数量

2. 子网划分———(IP地址划分第二阶段)

0. 说明

• 1、解决问题
  • 一个机构要用到的主机IP数为500个,分配一个C类不够用,分配一个B类太浪费,需要进行分类机制改良
• 2、分子网
  • 将IP地址分成若干个可以容纳指定主机个数的网络,从而解决部分问题,但是不能解决所有问题
• 3、重点考察———给定一个场景,让做网络的划分(将一个网络分成多个网络)或做超网(将多个网络汇聚成一个更大的网络)

1. 子网掩码

• 1、说明
  • 划分多少个网络,就是通过设置不同的子网掩码,从而达到网络的划分或网络的汇聚
• 2、作用
  • 区分一个IP地址哪些部分是网络号,哪些部分是主机号
• 3、求解步骤
  • 1、将十进制IP转换为二进制表示
  • 2、根据地址的A\B\C类确定哪些位(x)为网络号,哪些位(y)为主机号
  • 3、计算网络号表示子网号位数/计算需要的主机号位数
    • 1)网络的划分———计算网络号表示子网号位数———2^k>=N,其中k指代用于表示子网号而取的主机号位数,N代表分成的子网个数
    • 2)网络的汇聚———计算需要的主机号位数———2^k-2>=N,其中k指代用于表示主机号位数,N代表每个子网中主机数
  • 4、子网掩码中,为1的部分对应网络号,为0的部分对应主机号
  • 5、最终子网掩码为
    • 1)网络的划分———前(x+k)位为1,后(y-k)位为0
    • 2)网络的汇聚———前(x+y-k)位为1,后(k)位为0

2. 网络的划分——例题说明

• 1、168.195.0.0转换为二进制为1010 1000 1100 0011 0000 0000 0000 0000
• 2、因为168为128-191之间,所以为B类网———前16位为网络号,后16位为主机号
• 3、由公式2^k>=N——2^k>=27-->k=5,所以需要使用主机号位的前5位来充当网络号
• 4、所以子网掩码中前16+5=21位为1,后16-5=11位为0
• 5、所以求得子网掩码为1111 1111 1111 1111 1111 1000 0000 0000
• 6、转换为十进制表示为255.255.248.0

3. 网络的汇聚——例题说明

• 1、168.195.0.0转换为二进制为1010 1000 1100 0011 0000 0000 0000 0000
• 2、因为168为128-191之间,所以为B类网———前16位为网络号,后16位为主机号
• 3、由公式2^k-2>=N——2^k-2>=700-->k=10,所以只需要使用主机号位的后10位来代表主机号
• 4、所以子网掩码中前16+16-10=22位为1,后10位为0
• 5、所以求得子网掩码为1111 1111 1111 1111 1111 1100 0000 0000
• 6、转换为十进制表示为255.255.252.0

4. 另一种考题形式

• 1、问题———问两个网络(IP地址)是否属于同一个子网
• 2、求解过程
  • 1)将两个IP都转为二进制表示
  • 2)分析其网络号和子网号分别是多少位
  • 3)看网络号和子网号是否相同
  • 4)相同———在同一个子网中,否则不在一个子网中

3. 无分类编制(无类域间路由)———(IP地址划分第三阶段)

0. 说明

• 1、说明———打破原始地址分类概念
• 2、表达示例———172.18.129.0/24
  • 按照原始地址分类方式落在B类
  • 后边带了一个数24,代表将该IP地址转换为二进制之后,前24个比特位是网络号,后8位为主机号
  • 此时该网络可容纳的主机数为2^24-2=254台

1. 例题

• 例题分析
  • 1、C类子网前24位为网络号,后8位为主机号
  • 2、该地址块前20个为网络号,后12位为主机号,所以还可以从主机号中拿出24-20=4个位来做子网号,4个位的子网号可以得到2^4=16个子网
  • 3、所以答案为C

4. 特殊含义IP地址

6. HTML———对于其标签有一定认识

7. 无线网

8. 网络接入技术

1. 有线接入

• 1、公用交换电话网络(PSTN)
  • 说明———最原始的拨号上网形式
  • 缺点———速度慢,资费高,被淘汰
  • 应用———目前应用于POS机、传真
• 2、数字数据网(DDN)
  • 说明———专用网、专线
• 3、综合业务数字网(ISDN)
  • 说明———一线通
  • 作用———解决了上网和通话不能同时进行的问题,且速率比以前快了一倍(可以达到128k)
• 4、非对称数字用户线路(ADSL)———主要
  • 说明———使用电话线进行通信,目前广泛应用于许多家庭网络
  • 优点———不用重新布线,降低成本
  • 带宽———实际应用(下行:8M,上行:512K),国际上可达(上行:20G)
• 5、同轴光纤技术(HFC)
  • 说明———主干网是光纤,入户是同轴电缆.现阶段新的小区许多光纤到户
  • 优点———下行和上行一般对等
  • 应用———机顶盒可以接触网线来开通网络服务

2. 无线接入———通过无线接入

• 1、IEEE 802.11(WiFi)
  • 说明———局部的连接方式
• 2、IEEE 802.15(蓝牙Bluetooth)
• 3、红外(IrDA)
• 4、WAPI

3. 3G/4G

• 1、3G时代
  • 1、WCDMA(全球广泛应用)
    • 优点———最成熟、稳定性最好,基站最好
  • 2、CDMA2000(小范围应用)
    • 运营商———中国电信
  • 3、TD-SCDMA(小范围应用)
    • 说明———名义上的国产的(中国主导推出的,但是标准规范中90%以上的专利还是国外的)
    • 缺点———不怎么成熟,速率低,功耗大
    • 运营商———中国移动
• 2、4G时代
  • 1、LTE-Advanced
    • 说明———主流
    • 分类
      • TDD(时分双工)———由TD-SCDMA发展而来
      • FDD(频分双工)———由WCDMA发展而来
  • 2、WirelessMAN-Advanced(802.16m)(WiMAX)
    • 说明———属于4G标准

9. IPV6

• 1、说明
• 2、基本特点
• 3、地址分类
• 4、为什么提出IPV6
  • 核心原因———IPV4资源不够用
  • 另一方面———分配的不公平(70%分给了美国)