网络通信基础知识

通信是指人与人、人与物、物与物之间通过某种媒介和行为进行的信息传递与交流。

网络通信，是指终端设备之间通过计算机网络进行的通信。

网络通信的例子：

信息传递过程

虚拟的信息传递与真实的物品传递过程有许多相似之处。

数据通信网络

由路由器、交换机、防火墙、无线控制器、无线接入点，以及个人电脑、网络打印机、服务器等设备构成的通信网络。

数据通信网络最基本的功能是实现数据互通。

网络设备

• 交换机

距离终端用户最近的设备，用于终端用户接入网络、对数据帧进行交换等。

• 终端设备（PC、服务器等）的网络接入

• 二层交换（Layer 2 Switching）

• 路由器

网络层设备，可以在因特网中进行数据报文转发。路由器根据所收到的报文的目的地址选择一条合适的路径，将报文传送到下一个路由器或目的地，路径中最后的路由器负责将报文送交目的主机。

• 实现同类型网络或异种网络之间的通信

• 隔离广播域

• 维护路由表（Routing Table）、

• 运行路由协议

• 路径（路由信息）选择、IP报文转发

• 广域网接入、网络地址转换

• 连接通过交换机组建的二层网络

• 防火墙

网络安全设备，用于控制两个网络之间的安全通信。它通过监测、限制、更改跨越防火墙的数据流，尽可能地对外部屏蔽网络内部的信息、结构和运行状况，以此来实现对网络的安全保护。

• 隔离不同安全级别的网络

• 实现不同安全级别的网络之间的访问控制（安全策略）

• 用户身份认证

• 实现远程接入功能

• 实现数据加密及虚拟专用网业务

• 执行网络地址转换

• 其他安全功能

• 无线设备

局域网、城域网、广域网

按照地理覆盖范围来划分，网络可以分为局域网 (Local Area Network)、城域网 (Metropolitan Area Network) 和广域网 (Wide Area Network)。

• 局域网（LAN）

在某一地理区域内由计算机、服务器以及各种网络设备组成的网络。局域网的覆盖范围一般是方圆几千米以内。

典型的局域网有：一家公司的办公网络，一个网吧的网络，一个家庭网络等。

• 城域网（MAN）

在一个城市范围内所建立的计算机通信网络。

典型的城域网有：宽带城域网、教育城域网、市级或省级电子政务专网等。

• 广域网（WAN）

通常覆盖很大的地理范围，从几十公里到几千公里。它能连接多个城市甚至国家，并能提供远距离通信，形成国际性的大型网络。

典型的广域网有：Internet（因特网）。

网络拓扑

网络拓扑（Network Topology）是指用传输介质（例如双绞线、光纤等）互连各种设备（例如计算机终端、路由器、交换机等）所呈现的结构化布局。

网络拓扑形态

按照网络的拓扑形态来划分，网络可分为星型网络、总线型网络、环形网络、树形网络、全网状网络和部分网状网络。

网络层协议

网络层经常被称为IP层。但网络层协议并不只是IP协议，还包括ICMP（Internet Control Message Protocol)协议、IPX（Internet Packet Exchange）协议等。

• IP协议

IP是Internet Protocol的缩写。Internet Protocol本身是一个协议文件的名称，该协议文件的内容非常少，主要是定义并阐述了IP报文的格式。

经常被提及的IP，一般不是特指Internet Protocol这个协议文件本身，而是泛指直接或间接与IP协议相关的任何内容。

• 数据封装

• IPv4报文格式

• 数据包分片

将报文分割成多个片段的过程叫做分片。

网络中转发的IP报文的长度可以不同，但如果报文长度超过了数据链路所支持的最大长度，则报文就需要分割成若干个较小的片段才能够在链路上传输。

• 生存时间 (Time to Live, TTL)

TTL字段设置了数据包可以经过的路由器数目。一旦经过一个路由器，TTL值就会减1，当该字段值为0时，数据包将被丢弃。

• 协议号 (Protocol)

IP报文头中的协议号字段标识了将会继续处理该报文的协议。即指出此数据包携带的数据使用何种协议，以便目的主机的IP层将数据部分上报给哪个进程处理。

什么是IP地址

IP地址在网络中用于标识一个节点（或者网络设备的接口）。

IP地址用于IP报文在网络中的寻址。

• IP地址表示

一个IPv4地址有32 bit。

IPv4地址通常采用“点分十进制”表示。

IPv4地址范围：0.0.0.0~255.255.255.255。

• IP地址构成

网络部分：用来标识一个网络。

主机部分：用来区分一个网络内的不同主机。

网络掩码：区分一个IP地址中的网络部分及主机部分。

• IP地址寻址

网络部分：用来标识一个网络，代表IP地址所属网络。

主机部分：用来区分一个网络内的不同主机，能唯一标识网段上的某台设备。

• IP地址分类 (有类编址)

为了方便IP地址的管理及组网，IP地址分成五类：

• IP地址类型

通常把一个网络号所定义的网络范围称为一个网段。

网络地址：用于标识一个网络。

例如：192.168.10.0/24

广播地址：用于向该网络中的所有主机发送数据的特殊地址

例如：192.168.10.255/24

可用地址：可分配给网络中的节点或网络设备接口的地址。

例如：192.168.10.1/24

网络地址和广播地址不能直接被节点或网络设备所使用。

一个网段可用地址数量为：2ⁿ-2（n：主机部分的比特位数）

• IP地址计算

例：172.16.10.1/16这个B类地址的网络地址、广播地址以及可用地址数分别是：

私网IP地址

公网IP地址：IP地址是由IANA统一分配的，以保证任何一个IP地址在Internet上的唯一性。这里的IP地址是指公网IP地址。

私网IP地址：实际上一些网络不需要连接到Internet，比如一个大学的封闭实验室内的网络，只要同一网络中的网络设备的IP地址不冲突即可。在IP地址空间里，A、B、C三类地址中各预留了一些地址专门用于上述情况，称为私网IP地址。

A类：10.0.0.0~10.255.255.255

B类：172.10.0.0~172.31.255.255

C类：192.168.0.0~192.168.255.255

特殊IP地址

IP地址空间中，有一些特殊的IP地址，这些IP地址有特殊的含义和作用，举例如下。

IPv4 vs IPv6

由全球IP地址分配机构，IANA (Internet Assigned Numbers Authority)管理的IPv4地址，于2011年完全用尽。随着最后一个IPv4公网地址分配完毕，加上接入公网的用户及设备越来越多，IPv4地址枯竭的问题日益严重，这是当前IPv6替代IPv4的最大源动力。

划分子网

• 原网段分析

例如：192.168.10.0/24网段

• 向主机借位

向主机借位，形成子网。

• 计算子网网络地址

主机位全为0，计算子网网络地址。

• 计算子网广播地址

主机位全为1，计算子网广播地址。

ICMP协议

Internet控制消息协议ICMP (Internet Control Message Protocol)是IP协议的辅助协议。

ICMP协议用来在网络设备间传递各种差错和控制信息，对于收集各种网络信息、诊断和排除各种网络故障等方面起着至关重要的作用。

• ICMP重定向

ICMP重定向报文是ICMP控制报文中的一种。在特定的情况下，当路由器检测到一台机器使用非最优路由的时候，它会向该主机发送一个ICMP重定向报文，请求主机改变路由。

• ICMP差错检测

ICMP Echo消息常用于诊断源和目的地之间的网络连通性，同时还可以提供其他信息，如报文往返时间等。

功能：Ping

Ping是网络设备、Windows、Unix和Linux平台上的一个命令，其实是一个小巧而实用的应用程序，该应用基于ICMP协议。

Ping常用于探测到达目的节点的网络可达性。

• ICMP错误报告

ICMP定义了各种错误消息，用于诊断网络连接性问题；根据这些错误消息，源设备可以判断出数据传输失败的原因。如：当网络设备无法访问目标网络时，会自动发送ICMP目的不可达报文到发送端设备。

功能：Tracert

Tracert基于报文头中的TTL值来逐跳跟踪报文的转发路径。Tracert是检测网络丢包和时延的有效手段，同时可以帮助管理员发现网络中的路由环路。