程序员基石必修课，计算机网络底层原理

用户33798581553
27 阅读9分钟

程序员基石必修课，计算机网络底层原理

程序员基石必修课，计算机网络底层原理

获取ZY↑↑方打开链接↑↑

计算机网络底层原理是指支撑网络通信的基础理论和技术。理解这些原理有助于更好地设计和实现高性能的网络应用程序。以下是计算机网络底层原理的关键概念及其详解：

  1. OSI 模型

OSI（Open Systems Interconnection）模型是一种理论上的网络分层模型，用于描述网络通信的不同层面。虽然实际应用中常常使用的是 TCP/IP 模型，但 OSI 模型仍然有助于理解网络通信的不同层次。

层次划分

  • 第 7 层 应用层：提供应用程序接口，如 HTTP、FTP、SMTP 等。
  • 第 6 层 表示层：处理数据格式转换、加密解密等。
  • 第 5 层 会话层：负责建立、管理和终止会话。
  • 第 4 层 传输层：负责端到端的数据传输，如 TCP、UDP。
  • 第 3 层 网络层：负责路由选择，如 IP 协议。
  • 第 2 层 数据链路层：负责节点之间的数据传输，如 Ethernet、PPP。
  • 第 1 层 物理层：处理物理信号的传输，如电压、电流、光信号等。
  1. TCP/IP 模型

TCP/IP 模型是当前互联网通信的实际标准，它将网络通信划分为四个层次：

层次划分

  • 应用层：提供应用程序接口，如 HTTP、FTP、SMTP。
  • 传输层：负责端到端的数据传输，如 TCP、UDP。
  • 网络层：负责路由选择，如 IP 协议。
  • 网络接口层：负责物理信号的传输，如 Ethernet。
  1. 网络协议

网络协议定义了数据在网络中的传输规则。以下是几种重要的网络协议：

TCP (Transmission Control Protocol)

  • 可靠传输：提供面向连接的、可靠的字节流服务。
  • 流量控制：通过滑动窗口机制来控制发送速率。
  • 拥塞控制：通过慢启动、拥塞避免等机制来应对网络拥塞。

UDP (User Datagram Protocol)

  • 无连接：不需要建立连接即可发送数据报文。
  • 不可靠传输：不保证数据的可靠传输，适用于实时应用。

IP (Internet Protocol)

  • 寻址：为数据包提供源地址和目的地址。
  • 路由选择：通过路由表确定数据包的最佳路径。
  1. 数据链路层

数据链路层负责在相邻节点之间可靠地传输数据帧。常用的链路层技术包括：

Ethernet

  • 局域网技术：以太网是最常见的局域网技术，支持多种速度。
  • MAC 地址：每个以太网设备都有一个唯一的 MAC 地址。

PPP (Point-to-Point Protocol)

  • 点对点连接：用于建立点对点的连接，常见于拨号上网。
  • 链路控制：提供链路建立、维护等功能。
  1. 物理层

物理层负责比特流的传输，涉及到物理介质、信号传输等。常见的物理层技术包括：

电缆

  • 同轴电缆：早期使用的宽带传输媒介。
  • 光纤：高速、长距离传输的理想选择。

无线传输

  • Wi-Fi：无线局域网技术，支持多种标准（如 802.11a/b/g/n/ac）。
  • 蓝牙：短距离无线通信技术，常用于个人设备之间的通信。
  1. 网络设备

网络设备用于连接不同网络，实现数据转发等功能：

路由器

  • 路由选择：根据路由表将数据包转发到正确的目的地。
  • NAT (Network Address Translation) ：在网络边界转换私有 IP 地址为公网 IP 地址。

交换机

  • 数据转发：根据 MAC 地址表转发数据帧。
  • VLAN (Virtual Local Area Network) ：虚拟局域网技术，用于隔离不同的广播域。
  1. 网络安全

网络安全是网络通信的重要组成部分，涉及到数据加密、身份认证、防火墙等技术：

加密

  • 对称加密：使用相同的密钥进行加解密，如 AES。
  • 非对称加密：使用公钥加密、私钥解密，如 RSA。

身份认证

  • 用户名/密码认证：最常用的认证方式。
  • 多因素认证：结合多种认证方式，提高安全性。

防火墙

  • 包过滤：根据数据包的头部信息决定是否允许通过。
  • 应用网关：检查应用层数据，提供更细粒度的控制。

通过以上内容，你可以了解到计算机网络底层原理的主要方面。如果你对某个具体的概念或者技术有更深入的兴趣，可以继续提问。

  1. 数据封装与解封装

数据封装

数据在传输过程中需要经过不同层次的封装，每一层都会添加自己的头部信息（有时还会添加尾部信息），以确保数据能够在网络中正确传输。封装的过程如下：

  1. 应用层：原始数据（如文本、图片等）。
  2. 传输层：添加 TCP 或 UDP 头部信息，形成段（Segment）或数据报（Datagram）。
  3. 网络层：添加 IP 头部信息，形成数据包（Packet）。
  4. 数据链路层：添加帧头（如以太网帧头），形成帧（Frame）。
  5. 物理层：将帧转换成比特流（Bits），通过物理介质传输。

数据解封装

在接收端，数据会经历相反的过程，即逐层去除头部信息，恢复原始数据。解封装的过程如下：

  1. 物理层：将接收到的比特流还原成帧。

  2. 数据链路层：去除帧头信息，提取出数据包。

  3. 网络层：去除 IP 头部信息，提取出段或数据报。

  4. 传输层：去除 TCP 或 UDP 头部信息，恢复原始数据。

  5. 应用层：处理最终的数据。

  6. 端口号与端口分配

端口号

端口号用于标识主机上的特定进程或服务。TCP 和 UDP 协议都使用端口号来区分不同的应用。端口号是一个 16 位的数字，范围从 0 到 65535。

端口分配

  • 熟知端口（Well-known ports）：0-1023，为某些常用服务预留，如 HTTP（80）、HTTPS（443）、FTP（20/21）、SSH（22）等。
  • 注册端口（Registered ports）：1024-49151，为某些注册服务使用。
  • 动态/私有端口（Dynamic/Private ports）：49152-65535，可供临时使用，如客户端软件随机选择的端口。
  1. DNS (Domain Name System)

功能

DNS 用于将域名转换为 IP 地址，使用户可以通过易于记忆的域名访问网站。

工作原理

  1. 客户端查询：用户在浏览器中输入网址。

  2. 本地 DNS 解析：本地 DNS 服务器尝试解析域名。

  3. 递归查询：如果本地 DNS 不知道答案，则会向上级 DNS 服务器递归查询。

  4. 权威 DNS 解析：最终找到负责该域名的权威 DNS 服务器。

  5. 返回结果：权威 DNS 服务器返回 IP 地址给客户端。

  6. NAT (Network Address Translation)

功能

NAT 用于在内部网络（使用私有 IP 地址）与外部网络（使用公有 IP 地址）之间转换 IP 地址，节省公网 IP 地址资源。

类型

  • 静态 NAT：固定映射内部地址到外部地址。
  • 动态 NAT：使用一个地址池，根据需要分配外部地址。
  • PAT (Port Address Translation) ：通过端口号来区分不同的内部主机，允许多个内部主机共享一个外部 IP 地址。
  1. TCP 三次握手与四次挥手

三次握手

TCP 连接建立需要通过三次握手完成：

  1. SYN：客户端向服务器发送 SYN 包，请求建立连接。
  2. SYN-ACK：服务器回复 SYN-ACK 包，确认连接请求。
  3. ACK：客户端发送 ACK 包，确认服务器的 SYN-ACK 包，连接建立。

四次挥手

TCP 连接关闭需要通过四次挥手完成：

  1. FIN：一方（通常是客户端）发送 FIN 包，表示不再发送数据。

  2. ACK：另一方（通常是服务器）回复 ACK 包，确认收到 FIN 包。

  3. FIN：另一方也发送 FIN 包，表示也准备关闭连接。

  4. ACK：最初发送 FIN 的一方回复 ACK 包，确认收到对方的 FIN 包，连接关闭。

  5. 流量控制与拥塞控制

流量控制

量控制是为了防止发送方发送数据的速度超过接收方处理数据的能力。TCP 使用滑动窗口机制来进行流量控制。

拥塞控制

拥塞控制是为了防止过多的数据注入网络，导致网络拥塞。TCP 使用慢启动、拥塞避免、快速重传和快速恢复等算法来实现拥塞控制。

  1. 安全协议

SSL/TLS

SSL（Secure Sockets Layer）和 TLS（Transport Layer Security）是用于加密传输数据的安全协议，主要用于 HTTP 协议的安全版本 HTTPS 中。

工作原理

  1. 握手阶段：客户端与服务器进行密钥交换。

  2. 记录层协议：加密数据传输。

  3. 警报协议：处理错误和异常。

  4. 网络拓扑结构

拓扑结构

网络拓扑结构描述了网络中节点之间的连接方式，主要有以下几种：

  • 总线型拓扑：所有节点连接到同一根总线上。
  • 星型拓扑：所有节点连接到一个中心节点（如交换机）。
  • 环型拓扑：节点按环形连接，数据沿环形传递。
  • 树型拓扑：多层星型拓扑的组合。
  • 网状拓扑：每个节点与其他多个节点相连。
  1. 网络路由选择算法

路由选择算法

路由选择算法决定了数据包在网络中的传输路径，主要有以下几种：

  • 静态路由：手动配置路由表。
  • 距离向量路由：如 RIP（Routing Information Protocol）。
  • 链路状态路由：如 OSPF（Open Shortest Path First）。
  • 路径向量路由：如 BGP（Border Gateway Protocol）。
  1. QoS (Quality of Service)

功能

QoS 用于在网络中提供优先级服务，确保某些类型的流量（如语音、视频）得到优先处理。

实现

  • 标记：在数据包头部标记优先级。
  • 队列管理：使用不同的队列来处理不同优先级的流量。
  • 带宽限制：为不同类型的流量分配带宽。

通过以上内容，你可以更全面地了解计算机网络底层原理。如果你有任何具体的问题或者需要进一步的解释，请随时告诉我！

avatar
文章
阅读
粉丝