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计算机网络学习记录之网络通讯原理

article 2025/2/21 23:34:31

在计算机网络的学习过程中，了解网络通讯原理是非常重要的，它有助于我们开发出更强大的网络应用程序。下面就来详细探讨一下互联网协议相关内容。

互联网协议概述

互联网协议主要解决两个关键问题：一是描述计算机应该如何接入 Internet，二是规定计算机通讯所遵从的标准。

OSI 七层协议

OSI 的全称是 Open System Interconnect，即开放式网络互联，简称为 OSI 通讯模型。它是由 ISO（国际化标准组织）在 1985 年定义的一种网络通讯模型，从硬件到软件再到通讯，都做了相对完善的规划。需要注意的是，下三层和硬件相关，中间的传输层和通讯紧密相关，上三层则和软件相关。

TCP 5 层模型

TCP 5 层模型包括物理层、数据链路层、网络层、传输层和应用层。

1. 物理层

计算机进行通讯需要借助媒介来搭建网络。硬件层面是通过电信号（0 和 1）来完成通讯的，其中 1 代表高电压，0 代表低电压。计算机底层只能使用 0/1 二进制进行通讯。

2. 数据链路层

单纯由物理层传输的 0 和 1 本身没有意义，必须是具有特定组合的 0 和 1 才行。数据链路层遵从以太网协议，它有以下规定：

传输时，数据以 “数据包” 的形式传输，称作 “帧”。每一帧分为 “帧头” 和 “数据” 两部分。
帧头（head）中包含源 MAC 地址、目标 MAC 地址以及数据类型。数据需要以字节（Byte）为单位进行传输，1M = 1024KB，1KB = 1024B（字节），一帧数据大概为 1KB。
MAC 地址是网卡自带的唯一标识，由厂商分配。其中前 6 位代表生产厂商，后 6 位代表网卡生产序号。

ARP 协议（Address Resolution Protocol，地址解析协议）是在网络范围内寻找 MAC 地址的一种通讯协议，它采用广播模式通讯（就像调到特定频道后 24 小时接受信息一样）。其优点是能在一定范围内找到 MAC 地址，但缺点是无法应对数量庞大的通讯请求。

3. 网络层

由于以太协议采用广播通讯协议，导致全世界的电脑在任何时间都会接收到大量无效数据。为应对这一问题，采取的策略是划分子网。

网络层的作用就是划分网络，它遵从网络 IP 协议和网络地址相关规则。我们通过子网掩码来判断多个 IP 地址是否在同一子网范围内。

4. 传输层

计算机之间的通讯，本质上是应用软件和应用软件之间的通讯。

问：那么软件是如何区分不同的软件呢？

答：端口号

端口号的取值范围是 0 - 65535，其中 1024 以下为系统端口，比如 3306 是 MySQL 数据库端口，22 是 Linux 服务器端口，1521 是 Oracle 端口。

传输层的作用是建立端口到端口的通讯，主要有 TCP 协议和 UDP 协议。

TCP 协议：其特点是安全、可靠、高效，依赖连接，遵从一问一答模式，就好比我们和 AI 进行提问交流一样。

TCP 协议通讯时的步骤如下：

建立连接：包含三次握手。第 1 次，客户端发起请求，请求建立连接；第 2 次，服务器返回响应，告知客户端服务器状态正常；第 3 次，客户端再次发起请求，告诉服务器客户端状态正常。
- 数据传输：在连接建立后进行数据的传输。
关闭连接：遵从四次挥手。第 1 次，客户端发起请求，请求断开连接；第 2 次，服务端返回响应，告知客户端服务器已知晓；第 3 次，服务器再次返回响应，告诉客户端可以正式断开；第 4 次，客户端发送消息，正式断开连接。
UDP 协议：类似于发短信、发邮件、邮寄信封，无法保证数据在传输过程中的实时性和可靠性。因此，绝大多数的应用软件底层在传输时都使用 TCP 协议。由于 TCP 协议底层需要使用 IP 协议，所以也被称为 TCP/IP 协议。