一份超詳細(xì)的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)
隨著現(xiàn)代科技的飛速發(fā)展，互聯(lián)網(wǎng)已經(jīng)變得無(wú)處不在，成為了我們?nèi)粘Ｉ钪斜夭豢缮俚囊徊糠帧Ｈ欢S之而來(lái)的是網(wǎng)絡(luò)安全和網(wǎng)絡(luò)文明等一系列問(wèn)題。
為了更好地保護(hù)自己的權(quán)益，同時(shí)也為了維護(hù)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的健康，我們需要對(duì)一些基本的網(wǎng)絡(luò)常識(shí)有所了解。下面是一些關(guān)于網(wǎng)絡(luò)基本常識(shí)的總結(jié)。
網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)
(1) 互聯(lián)網(wǎng)和因特網(wǎng)：互聯(lián)網(wǎng)（Internet）是指連接全球各種計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)，它是一個(gè)全球范圍內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施。而因特網(wǎng)（Internet）是互聯(lián)網(wǎng)的核心技術(shù)，是一種基于TCP/IP協(xié)議族的廣域網(wǎng)，它使得不同的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)能夠相互連接、通信和共享資源，讓全球各地的計(jì)算機(jī)能夠互相交流和訪(fǎng)問(wèn)信息。
(2) 計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)：以能夠相互共享資源（硬件、軟件、數(shù)據(jù)等）的方式互聯(lián)起來(lái)的多臺(tái)自治計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的集合。互聯(lián)的計(jì)算機(jī)是分布在不同地理位置的多臺(tái)獨(dú)立的自治計(jì)算機(jī)。集合是指聯(lián)網(wǎng)計(jì)算機(jī)必須遵循相同的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議實(shí)現(xiàn)資源共享。
(3) 因特網(wǎng)的起源和發(fā)展：因特網(wǎng)起源于上世紀(jì)60年代末和70年代初，最初是美國(guó)國(guó)防部高級(jí)研究計(jì)劃署（ARPA）的一個(gè)項(xiàng)目，旨在建立一種分布式的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)，以實(shí)現(xiàn)信息的共享和通信。隨著時(shí)間的推移，因特網(wǎng)不斷發(fā)展壯大，逐漸成為全球最大的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)。
(4) IP地址的劃分：IP地址是互聯(lián)網(wǎng)上用于標(biāo)識(shí)和定位設(shè)備的一種地址，類(lèi)似于我們現(xiàn)實(shí)世界中的門(mén)牌號(hào)。為了正確地將數(shù)據(jù)包送達(dá)目標(biāo)設(shè)備，互聯(lián)網(wǎng)采用了IP地址來(lái)唯一標(biāo)識(shí)每個(gè)設(shè)備。IP地址由32位（IPv4）或128位（IPv6）的數(shù)字組成，用于在網(wǎng)絡(luò)上進(jìn)行路由和尋址。劃分IP地址的目的是為了方便網(wǎng)絡(luò)管理和地址分配，通過(guò)劃分可以將地址空間分配給不同的網(wǎng)絡(luò)和主機(jī)。
(5) IPv4和IPv6：IPv4（Internet Protocol version 4）是互聯(lián)網(wǎng)最常用的IP協(xié)議版本，采用32位地址，總共可表示約42億個(gè)唯一的地址。由于互聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展和設(shè)備增多，IPv4地址空間逐漸緊缺，因此引入了IPv6（Internet Protocol version 6）協(xié)議。IPv6采用128位的地址空間，理論上可以提供遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)IPv4的地址數(shù)量，以滿(mǎn)足未來(lái)互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展需求。
(6) 子網(wǎng)掩碼：子網(wǎng)掩碼是用來(lái)劃分IP地址的網(wǎng)絡(luò)部分和主機(jī)部分的一種參數(shù)，用于確定一個(gè)IP地址所屬的網(wǎng)絡(luò)。它與IP地址進(jìn)行邏輯運(yùn)算后，可以提取出網(wǎng)絡(luò)標(biāo)識(shí)符和主機(jī)標(biāo)識(shí)符。子網(wǎng)掩碼中的1表示網(wǎng)絡(luò)部分，0表示主機(jī)部分。通過(guò)正確設(shè)置子網(wǎng)掩碼，可以實(shí)現(xiàn)靈活的網(wǎng)絡(luò)劃分和地址分配，提高網(wǎng)絡(luò)的管理效率。
(7) 路由器：路由器是實(shí)現(xiàn)分組交換(packet switching)的關(guān)鍵構(gòu)件，其任務(wù)是轉(zhuǎn)發(fā)收到的分組，這是網(wǎng)絡(luò)核心部分最重要的功能。
(88) 交換模式：早期廣域網(wǎng)的通信子網(wǎng)數(shù)據(jù)交換方式中，可采用電路交換和存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)交換。存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)交換主要采用分組交換形式，包括數(shù)據(jù)報(bào)和虛電路兩種分組交換方式。
(9) 電路交換：提供面向連接的服務(wù)，資源獨(dú)占。通信實(shí)時(shí)性強(qiáng)，適用于交互會(huì)話(huà)類(lèi)通信；但是存在對(duì)突發(fā)性通信不適應(yīng)，系統(tǒng)效率低，不具備存儲(chǔ)數(shù)據(jù)、差錯(cuò)控制的能力，無(wú)法發(fā)現(xiàn)和糾正傳輸過(guò)程中發(fā)生的差錯(cuò)。
(10) 吞吐量表示在單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)某個(gè)網(wǎng)絡(luò)或信道的數(shù)據(jù)量。
網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)
OSI網(wǎng)絡(luò)的七層結(jié)構(gòu)
七層結(jié)構(gòu)是指ISO（國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織）制定的開(kāi)放系統(tǒng)互連參考模型，它將計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)通信的過(guò)程劃分為七個(gè)層次。每個(gè)層次具有不同的功能和責(zé)任，從物理連接到應(yīng)用程序，分別為：
(1) 物理層（Physical Layer）：負(fù)責(zé)傳輸原始的比特流，主要定義電氣、光學(xué)和機(jī)械接口的標(biāo)準(zhǔn)，例如電纜規(guī)范和傳輸介質(zhì)。
(2) 數(shù)據(jù)鏈路層（Data Link Layer）：在物理層之上，提供可靠的數(shù)據(jù)傳輸，將原始的比特流劃分為數(shù)據(jù)幀，并進(jìn)行錯(cuò)誤檢測(cè)和修復(fù)，確保數(shù)據(jù)的可靠性。
(3) 網(wǎng)絡(luò)層（Network Layer）：負(fù)責(zé)邏輯編址和路由選擇，將數(shù)據(jù)包從源主機(jī)傳輸?shù)侥繕?biāo)主機(jī)，通過(guò)IP地址進(jìn)行尋址和路由。
(4) 傳輸層（Transport Layer）：為應(yīng)用程序提供端到端的可靠通信，主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)分段、流量控制、數(shù)據(jù)的可靠性和順序保證，常見(jiàn)的傳輸協(xié)議有TCP（傳輸控制協(xié)議）和UDP（用戶(hù)數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議）。
(5) 會(huì)話(huà)層（Session Layer）：建立、管理和終止應(yīng)用程序之間的會(huì)話(huà)連接，包括會(huì)話(huà)的控制和同步，確保通信的有序性和穩(wěn)定性。
(6) 表示層（Presentation Layer）：處理數(shù)據(jù)的表示和轉(zhuǎn)換，例如數(shù)據(jù)的編碼、解碼、數(shù)據(jù)加密和解密，確保不同系統(tǒng)的數(shù)據(jù)格式能夠互相理解。
(7) 應(yīng)用層（Application Layer）：提供網(wǎng)絡(luò)服務(wù)和應(yīng)用程序之間的接口，包括電子郵件、文件傳輸、遠(yuǎn)程登錄等各種應(yīng)用服務(wù)。
TCP/IP四層網(wǎng)絡(luò)模型
TCP/IP四層模型是互聯(lián)網(wǎng)上廣泛使用的參考模型，它是基于實(shí)際協(xié)議棧發(fā)展而來(lái)的，包括：
(1) 網(wǎng)絡(luò)接口層（Network Interface Layer）：負(fù)責(zé)物理連接和數(shù)據(jù)鏈路操作，以太網(wǎng)、Wi-Fi等都在這一層工作。
(2) 網(wǎng)際層（Internet Layer）：相當(dāng)于OSI模型的網(wǎng)絡(luò)層，負(fù)責(zé)IP尋址、路由選擇和數(shù)據(jù)包的轉(zhuǎn)發(fā)。
(3) 傳輸層（Transport Layer）：相當(dāng)于OSI模型的傳輸層，提供端到端的可靠數(shù)據(jù)傳輸和流量控制，主要由TCP和UDP協(xié)議實(shí)現(xiàn)。
(4) 應(yīng)用層（Application Layer）：相當(dāng)于OSI模型的會(huì)話(huà)、表示和應(yīng)用層，包括各種應(yīng)用服務(wù)和應(yīng)用協(xié)議，例如HTTP、SMTP、FTP等。
五層協(xié)議
五層協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)是指在中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)，它是對(duì)傳統(tǒng)的OSI模型和TCP/IP模型的簡(jiǎn)化和優(yōu)化，主要包括五個(gè)層次：
(1) 網(wǎng)絡(luò)接入層：負(fù)責(zé)物理接入和數(shù)據(jù)鏈路接入，例如以太網(wǎng)、Wi-Fi等。
(2) 網(wǎng)絡(luò)層：負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)包的路由和轉(zhuǎn)發(fā)，以及IP尋址和轉(zhuǎn)發(fā)。
(3) 傳輸層：負(fù)責(zé)端到端的可靠數(shù)據(jù)傳輸和流量控制，主要由TCP和UDP協(xié)議實(shí)現(xiàn)。
(4) 會(huì)話(huà)層：負(fù)責(zé)建立、管理和終止應(yīng)用程序之間的會(huì)話(huà)連接，確保通信的有序性和穩(wěn)定性。
(5) 應(yīng)用層：提供各種網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用服務(wù)和應(yīng)用協(xié)議，例如HTTP、SMTP、FTP等。
這些網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)模型都提供了對(duì)網(wǎng)絡(luò)通信的層次化和功能分離的理論框架，以便更好地理解和設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。
IPv4
IPv4是32位的地址空間，因此總共有2^32個(gè)IPv4地址，即約42.9億個(gè)地址。
A類(lèi)地址、B類(lèi)地址和C類(lèi)地址是IPv4地址分類(lèi)中的三個(gè)主要類(lèi)別，用于劃分不同規(guī)模的網(wǎng)絡(luò)。
(1) A類(lèi)地址
IP地址構(gòu)成：0 + 網(wǎng)絡(luò)號(hào)(7bit) + 主機(jī)號(hào)(24bit)
網(wǎng)絡(luò)數(shù)量：128個(gè)網(wǎng)絡(luò)（2^7=128）
取值范圍：0.0.0.0~127.255.255.255
舉例：一個(gè)A類(lèi)地址網(wǎng)段13.0.0.0 ~ 13.255.255.255
【A類(lèi)地址】– 特殊網(wǎng)絡(luò)
0.0.0.0 ~ 0.255.255.255 （IEEE保留的地址，不進(jìn)行分配）
10.0.0.0 ~ 10.255.255.255 （專(zhuān)用的私有地址）
127.0.0.0 ~ 127.255.255.255（用于回送地址測(cè)試，如本地測(cè)試127.0.0.1）(2) B類(lèi)地址
IP地址構(gòu)成：10 + 網(wǎng)絡(luò)號(hào)(14bit) + 主機(jī)號(hào)(16bit)
網(wǎng)絡(luò)數(shù)量：16384個(gè)網(wǎng)絡(luò)（2^14=16384）
取值范圍：128.0.0.0 ~ 191.255.255.255
舉例：
一個(gè)B類(lèi)地址網(wǎng)段：130.55.0.0 ~ 130.55.255.255
每個(gè)網(wǎng)絡(luò)中的主機(jī)數(shù)量：2^16 – 2 = 65534– 特殊網(wǎng)絡(luò)
172.16.0.0~172.31.255.255（專(zhuān)用的私有地址）。
(3) C類(lèi)地址
IP地址構(gòu)成：110+網(wǎng)絡(luò)號(hào)(21bit)+主機(jī)號(hào)(8bit)；
網(wǎng)絡(luò)數(shù)量：2097152個(gè)網(wǎng)絡(luò)（2^21=16384）
取值范圍192.0.0.0 ~ 223.255.255.255
舉例某一個(gè)C類(lèi)地址網(wǎng)段：
210.46.10.0 ~ 210.46.10.255
每個(gè)網(wǎng)絡(luò)中的主機(jī)數(shù)量：2^8 – 2 = 254 – 特殊網(wǎng)絡(luò)
192.168.0.0~192.168.255.255（專(zhuān)用的私有地址）注意，這些地址范圍不是嚴(yán)格規(guī)定的，有些特殊地址和保留地址也存在。此外，A、B和C類(lèi)地址的劃分是IPv4早期的一種分類(lèi)方案，現(xiàn)代的網(wǎng)絡(luò)通常采用無(wú)類(lèi)別域間路由選擇（CIDR）來(lái)管理和分配IP地址，使得更靈活和高效地利用地址空間。
子網(wǎng)的基本概念
子網(wǎng)的基本概念是將一個(gè)大的IP地址空間劃分成多個(gè)較小的網(wǎng)絡(luò)，每個(gè)子網(wǎng)都有自己的唯一網(wǎng)絡(luò)地址。子網(wǎng)劃分可以提高網(wǎng)絡(luò)的效率和安全性。由于標(biāo)準(zhǔn)分類(lèi)的IP地址在分配使用時(shí)浪費(fèi)嚴(yán)重，子網(wǎng)允許將網(wǎng)絡(luò)劃分成多個(gè)部分供內(nèi)部使用，但是對(duì)于外部網(wǎng)絡(luò)仍然像一個(gè)網(wǎng)絡(luò)一樣。子網(wǎng)技術(shù)將某一個(gè)A類(lèi)網(wǎng)段、B類(lèi)網(wǎng)段或C類(lèi)網(wǎng)段，再劃分成多個(gè)子網(wǎng)，每個(gè)子網(wǎng)形成單獨(dú)的網(wǎng)絡(luò)，有效解決IP地址浪費(fèi)問(wèn)題。
(1) 子網(wǎng)掩碼subnet mask，也稱(chēng)子網(wǎng)屏蔽碼，用來(lái)標(biāo)識(shí)一個(gè)IP地址在哪一個(gè)子網(wǎng)內(nèi)。子網(wǎng)掩碼中網(wǎng)絡(luò)號(hào)和子網(wǎng)號(hào)對(duì)應(yīng)的二進(jìn)制位都為1，主機(jī)號(hào)都為0。子網(wǎng)掩碼用于標(biāo)識(shí)IP地址中哪部分是網(wǎng)絡(luò)地址，哪部分是主機(jī)地址。它是一個(gè)與IP地址相對(duì)應(yīng)的32位二進(jìn)制數(shù)，其中網(wǎng)絡(luò)地址部分全為1，主機(jī)地址部分全為0。子網(wǎng)掩碼告訴網(wǎng)絡(luò)設(shè)備如何將IP地址劃分為網(wǎng)絡(luò)地址和主機(jī)地址，以確定數(shù)據(jù)包在局域網(wǎng)中的傳輸路徑。通過(guò)使用子網(wǎng)掩碼，可以將IP地址分段規(guī)劃，充分利用IP地址空間，同時(shí)也提供更有效的路由和轉(zhuǎn)發(fā)。
(2) 子網(wǎng)的地址結(jié)構(gòu)：子網(wǎng)使用三級(jí)地址結(jié)構(gòu)，網(wǎng)絡(luò)號(hào)+子網(wǎng)號(hào)+主機(jī)號(hào)，在標(biāo)準(zhǔn)分類(lèi)的主機(jī)號(hào)部分通過(guò)借位實(shí)現(xiàn)子網(wǎng)號(hào)，從而進(jìn)行子網(wǎng)的劃分。
(3) 網(wǎng)關(guān)（Gateway）是連接一個(gè)子網(wǎng)與另一個(gè)子網(wǎng)或外部網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備，它在不同網(wǎng)絡(luò)之間進(jìn)行數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)。網(wǎng)關(guān)充當(dāng)一個(gè)中繼站，負(fù)責(zé)將數(shù)據(jù)包從一個(gè)網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)到另一個(gè)網(wǎng)絡(luò)，它對(duì)外部網(wǎng)絡(luò)屏蔽了內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)的細(xì)節(jié)。在本地網(wǎng)絡(luò)中，網(wǎng)關(guān)通常是一個(gè)路由器，它負(fù)責(zé)將數(shù)據(jù)包從一個(gè)子網(wǎng)路由到另一個(gè)子網(wǎng)。網(wǎng)關(guān)是實(shí)現(xiàn)不同網(wǎng)絡(luò)之間通信的關(guān)鍵組件。
(4) DNS（Domain Name System）是一種分布式的命名系統(tǒng)，用于將域名（例如www.example.com）轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)的IP地址。當(dāng)我們?cè)跒g覽器中輸入一個(gè)域名時(shí)，瀏覽器需要查詢(xún)DNS服務(wù)器來(lái)獲取該域名對(duì)應(yīng)的IP地址，然后才能建立與目標(biāo)主機(jī)的連接。DNS起到類(lèi)似電話(huà)簿的作用，它將易記的域名映射到對(duì)應(yīng)的IP地址，使得人們可以使用便于記憶的域名來(lái)訪(fǎng)問(wèn)網(wǎng)絡(luò)資源。DNS的存在使得互聯(lián)網(wǎng)更加方便、易用，并且可以支持動(dòng)態(tài)的IP地址變化。
總結(jié)起來(lái)，子網(wǎng)掩碼用于劃分IP地址，網(wǎng)關(guān)用于不同網(wǎng)絡(luò)之間的數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)，而DNS用于將域名轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)的IP地址，從而實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信和資源訪(fǎng)問(wèn)。這些要素相互配合，構(gòu)成了現(xiàn)代互聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)架構(gòu)。
IPv6
IPv6（Internet Protocol version 6）的引入是因?yàn)镮Pv4（Internet Protocol version 4）地址空間的枯竭問(wèn)題。IPv4使用32位的地址，最多可以分配約42億個(gè)IP地址，但隨著互聯(lián)網(wǎng)的迅速發(fā)展和設(shè)備的普及，可用的IPv4地址已經(jīng)枯竭。為了滿(mǎn)足日益增長(zhǎng)的互聯(lián)網(wǎng)設(shè)備數(shù)量和提供更大的地址空間，IPv6被提出并逐漸推廣使用。
IPv6采用128位的地址空間，相比IPv4的32位地址空間，IPv6可以提供可觀的地址數(shù)量，約為3.4 x 10^38個(gè)。這使得每個(gè)地球上的每顆塵埃粒子都可以擁有大量的IPv6地址，從而解決了IPv4地址枯竭的問(wèn)題。此外，IPv6還提供了一些其他改進(jìn)和功能，如更好的安全性、自動(dòng)地址配置、移動(dòng)性支持和更高的性能。
IPv6有三種表示方法，包括：
1 冒分十六進(jìn)制表示法（Colon-Hexadecimal Notation）
格式為X:X:X:X:X:X:X:X,其中每個(gè)X表示地址中的16b，以十六進(jìn)制表示，
ABCD:EF01:2345:6789:ABCD:EF01:2345:6789
這種表示法中，每個(gè)X的前導(dǎo)0是可以省略的，例如：2001:0DB8:0000:0023:0008:0800:200C:417A→ 2001:DB8:0:23:8:800:200C:417A
2 0位壓縮表示法（Zero Compression）
在某些情況下，一個(gè)IPv6地址中間可能包含很長(zhǎng)的一段0，可以把連續(xù)的一段0壓縮為“::”。
但為保證地址解析的唯一性，地址中”::”只能出現(xiàn)一次，例如：
FF01:0:0:0:0:0:0:1101 → FF01::1101
0:0:0:0:0:0:0:1 → ::1
0:0:0:0:0:0:0:0 → ::
3 內(nèi)嵌IPv4地址表示法（IPv4-Mapped Address）
為了實(shí)現(xiàn)IPv4-IPv6互通，IPv4地址會(huì)嵌入IPv6地址中，
此時(shí)地址常表示為：X:X:X:X:X:X:d.d.d.d，前96b采用冒分十六進(jìn)制表示，
而最后32b地址則使用IPv4的點(diǎn)分十進(jìn)制表示，
例如::192.168.0.1與::FFFF:192.168.0.1就是兩個(gè)典型的例子，注意在前96b中，壓縮0位的方法依舊適用。IPv6的引入和多種表示方法的使用，為互聯(lián)網(wǎng)的可持續(xù)發(fā)展提供了更可靠的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)和更廣闊的地址空間。
