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计算机网络的总结
2026/10/14 3:36:22 网站建设 项目流程

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文章目录

  • 前言
    • 现在把镜头拉近,回到网络本身是怎么工作的:从分层模型开始,看抽象语言怎么变成二进制、再变成电信号,看路由器怎么靠IP地址隔离泛洪范围、实现转发
  • 计算机技术
    • 抽象语言 --- 电信号
    • 阿帕 → 阿帕网 → 互联网
    • 对等网
    • 冲突 → CSMA/CD
    • 地址 → MAC地址
    • 延迟
    • 安全
    • 交换机
    • 冲突域
    • 广播域
    • 泛洪
    • APR
    • VLSM-----可变长子网掩码
    • CIDR
  • 总结

前言

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计算机网络的发展是一部从封闭走向开放、从孤立走向互联的创新史。
网络一开始要解决的是“不同网络怎么互通”的问题,ARPANET和TCP/IP把这个问题从实验室推向现实,但真正落地时,每个厂商的设备各行其是,于是“多协议路由器”成了刚需。
思科抓住了“异构网络互联”的痛点,通过提供可靠的路由设备,成为互联网时代的核心基础设施供应商1984年Bosack夫妇发明多协议路由器,1986年AGS问世,Cisco IOS统一了命令行,CCIE统一了人才标准,Catalyst和Nexus铺开产品线,思科把“互联”做成了标准和生意,也成了互联网早期的规则制定者;
但思科的标准和价格门槛太高,尤其在运营商和新兴市场,华为1987年入场,从代理交换机做起,1993年C&C08完成技术转型,再用自研VRP平台统一路由器和交换机,以更低成本、更贴地服务从农村打到运营商和政企,产品覆盖AR/NE、S系列和CloudEngine,并建立HCIA-HCIP-HCIE认证体系,走出一条自主全栈的路

现在把镜头拉近,回到网络本身是怎么工作的:从分层模型开始,看抽象语言怎么变成二进制、再变成电信号,看路由器怎么靠IP地址隔离泛洪范围、实现转发

提示:以下是本篇文章正文内容,下面案例可供参考

计算机技术

抽象语言 — 电信号

我们在编写语言时,给计算机输入一串串代码,然后计算机就会按照我们设定的程序运行
但机器是无法读懂人类的语言的,却能执行人想要它执行的操作,怎么实现的呢?
计算机要处理的是人的抽象语言,但传输靠电信号
所以我们可以把问题转换为
抽象语言要怎么变成电信号?
要变成电信号,先得变成二进制。
以及我们需要了解的应用层和表示层
应用层负责编码,表示层负责把二进制整理成统一格式,比如字符集、压缩、加密,不然不同系统看不懂同一串二进制。
它们之间的关系我们可以用一个更直观的方式表示出来

抽象语言 — 编码 — 应用层编码 — 二进制 — 表示层
二进制 — 电信号 — 介质访问控制层处理电信号 — 物理层

我们解决了人类与计算机的沟通问题,既然叫计算机“网络”,
我们接下来的任务就是把它们像网一样链接在一起,从基础开始一步步理解“万物互联”

说到互联,我们肯定就离不开“互联网”这一概念,以及它的前身,阿帕网。

阿帕 → 阿帕网 → 互联网

1957年
苏联发射斯普特尼克,美国受到刺激,于是在1958年成立ARPA(高级研究计划局,后来叫DARPA),想搞一个能在部分节点被毁后仍能通信的网络。
有了编码和传输的基础,美国国防部高级研究计划局搞了阿帕网,最初只连几台机器,后来,
1971年发出第一封电子邮件;
1973年首次跨大西洋连接;70年代TCP/IP被提出并逐步完善;
1983年1月1日,ARPANET正式切换到TCP/IP,
1990年ARPANET正式退役,但它的技术、协议和思想演变成了今天的互联网。

在这个过程中,也出现了很多问题,新概念,如对等网,集线器等

对等网

最早几台机器直连,谁都能和谁说话,没有中心,这叫对等网。
但机器一多,直连就不够了。怎么办?集线器概念开始出现。
集线器
机器多了,就用集线器把多台机器连起来。集线器是物理层设备,收到什么就复制给所有其他口。
但机器运行难免会出现问题
我们总结成四个问题:冲突、地址、延迟、安全。对它们集中进行定义,处理。

冲突 → CSMA/CD

集线器最直接的问题是冲突,如果有两台机器同时发送信息,它们电信号撞会在一起,
解决办法是CSMA/CD(载波侦听多路访问/冲突检测),用人话讲就是,发之前先看是否有空,空闲才发,发的时候继续听,发现冲突就停,等一段时间再重发。
其实本质就是排队。
冲突解决了,但集线器不会认地址,我们想要交流就只能广播,没法一对一,暴露隐私不说,更是涉及到了安全等问题

地址 → MAC地址

于是有了MAC地址:设计为48位二进制,格式统一,全球唯一,芯片出厂时烧录,比如 6C-94-66-EF-89-36,但还没解决问题,它还是只会广播,因为它不是从一开始就知道每个人的MAC地址的,有这个形同虚设

我们开始注意一个重要问题,这些设备最终是要给人使用的,肯定要考虑用户的体验问题

延迟

所有口共享一个域,因为我们前边提到的 CSMA/CD协议导致同一时刻只能一台发,机器越多冲突越多,退避重发就会导致延迟巨大大,带宽还平分,
等待是种美德,但总等难免让人想放弃这种美德,怎么解决?

安全

更别提它广播式转发,任何机器都能抓到别人的数据,没有隐私。
那么这么多问题交杂在一起,想要处理一个就还会带动别的问题,该怎么解决呢?

交换机

于是,交换机就出现了。
它是二层设备,解决了集线器三个大问题:无限延长传输距离、完全解决冲突、实现单播。
很关键且精良的设备,那它如何实现的呢?

首先交换机怎么实现单播的?
数据来到交换机,先看源MAC,把“源MAC + 进入接口”记进MAC地址表;
再看目标MAC,查表。表里有记录就直接从对应口转发,实现单播;
表里没记录就泛洪,从除进入口外的所有口发一遍。
泛洪范围就是广播域。一个接口可以对应多个MAC地址,一个MAC地址只能对应一个接口。
同时为了防止表无限膨胀
MAC地址表有老化时间,默认300秒

这就很好的解决了地址问题,但还有两个问题呢?

每口独立冲突域、全双工、独享带宽,按MAC单播,缓解延迟和窃听

这里还提到的概念“泛洪”, 还有域之类的,什么意思?它们之间有什么关系吗?

首先我们先说

冲突域

一个区域内,两台设备同时发数据会撞在一起,这个区域就是冲突域。
集线器时代,所有设备共享同一根线、同一个信道。同一时刻只能一台发,两台同时发,电信号就撞了。
所以“冲突域”这个概念是被集线器的物理特性逼出来的。
但因为交换机的每个口是独立信道,不会互相撞,所以每个口是一个独立冲突域,冲突域这个概念在交换机上基本被消灭了。

广播域

一个广播帧能到达的范围。在这个范围内,所有设备都能收到这个广播。

以太网早期就有广播需求,比如ARP问“谁是192.168.1.1”,DHCP问“谁是DHCP服务器”,这些都需要让所有人听到。但“所有人”不能是全世界,否则网络会被广播淹没。所以需要一个边界,边界内广播能到,边界外广播被挡住。这个边界就是广播域。

泛洪

我们首先了解交换机是透明桥接设备,它不像路由器那样有路由表,它靠MAC地址表转发。
交换机收到一个数据帧,如果表里没有目标MAC,它不能直接丢弃,因为那样可能把数据弄丢。它也不能只发一个口,因为不知道是哪个。所以它只能“到处问”,这就是泛洪。
泛洪可以帮助我们找到对应地址,发送信息,但它却因为机制问题导致安全问题,前面提到的安全延迟问题也只是延缓,范围一括大也还是会重新出现

此时思科创始人开始思考,交换机解决了同一网络内的转发,但不同网络之间怎么办?而且交换机不隔离广播域,泛洪范围太大。
于是
1984年,斯坦福大学的Leonard Bosack和Sandy Lerner夫妇为解决不同网络间邮件互通问题,发明了多协议路由器并创立思科。
1986年首台产品AGS问世。
路由器出现,让互联的概念开始真正流通
它是三层设备,作用有两个:1. 隔离泛洪范围,一个接口对应一个泛洪范围;2. 在不同网络之间转发。

它是如何运作的呢?
这里就要出现IP地址了
IP是逻辑地址,给每台联网设备一个“门牌号”,让数据能在不同网络之间找到路。它不绑定硬件,可以改、可以分配,这是它和MAC最大的区别。

以太网靠MAC寻址,但MAC是出厂烧录的物理地址,不体现位置。交换机只能在同一个广播域里转发,网络一大就撑不住。要让多个网络互联,就需要一个能体现在哪个网段的地址,路由器才能按网段找路。于是IP出现,成为网络层的核心。

IP地址分网络位和主机位,网络位不同代表不同泛洪范围,主机位用于在同一范围内区分不同主机。子网掩码由连续的1和连续的0组成,1代表网络位,0代表主机位,比如255.255.255.0。

APR

到这里,设备有了IP,但数据要在以太网上发,还得知道对方的MAC地址。IP是逻辑地址,MAC是物理地址,两者怎么对应?于是需要ARP,地址解析协议,通过一种地址获取另一种地址。

正向ARP,通过IP获取MAC。设备广播发ARP请求,广播域内所有设备收到后,先记录源IP和源MAC到本地ARP缓存表,再看请求的IP是不是自己。不是就丢弃,是自己就应答,告诉对方自己的MAC。

也可以反向ARP,通过MAC获取IP。

VLSM-----可变长子网掩码

ARP解决了地址解析,但IP地址怎么分配才不浪费?
固定子网掩码会导致地址浪费,于是有了VLSM,用于子网划分。
比如192.168.0.0/24划分4个网段,变成四个/26;172.16.0.0/16划分6个网段,借3位变成/19。

有一些例子可以参考一下

192.168.0.0/24 — 划分4个网段
192.168.0.00 XXXXXX — 192.168.0.0/26
192.168.0.01 000000 — 192.168.0.64/26
192.168.0.10 000000 — 192.168.0.128/26
192.168.0.11 000000 — 192.168.0.192/26

172.16.0.0/16 ---- 6个网段
172.16.000 00000.00000000 — 172.16.0.0/19 — 172.16.0.1 - 172.16.31.254
172. 16.001 00000.00000000 — 172.16.32.0/19 — 172.16.32.1 - 172.16.63.254 172.16.010 00000.00000000 — 172.16.64.0/19 — 172.16.64.1 - 172.16.95.254
172.16.011 00000.00000000 — 172.16.96.0/19 — 172.16.96.1 - 172.16.127.254
172.16.100 00000.00000000 — 172.16.128.0/19 — 172.16.128.1 - 172.16.159.254 172.16.101 00000.00000000 — 172.16.160.0/19 — 172.16.160.1 - 172.16.191.254
172.16.110 00000.00000000 — 172.16.192.0/19 172.16.111 00000.00000000 — 172.16.224.0/19

CIDR

VLSM是往下切,但路由表里条目太多怎么办?于是有了CIDR,用于汇总,原则是“取相同,去不同”。比如四条192.168.0.0/24汇总成192.168.0.0/22,叫超网;172.16.0.0/24到172.16.3.0/24汇总成172.16.0.0/22,叫子网汇总。

同样例子帮助理解
192.168.1.00000000
192.168.1.10000000
192.168.1.0/24

我们看到 192.168.1. 这些是相同的,那我们保留前24位,第25不同,掩码为24

192.168.00000000.0
192. 168.00000001.0
192.168.0.0/23

192.168.00000000.0/24
192.168.00000001.0/24
192.168.00000010.0/24
192. 168.00000011.0/24

192.168.0.0/22 — 超网

172.16.0.0/24
172.16.1.0/24
172.16.2.0/24
172.16.3.0/24
172.16.0.0/22 — 子网汇总

总结

OSI/RM

最后回头看,OSI/RM是ISO在1979年提出的开放式系统互联参考模型,把这一切串成一个完整体系:
应用层、
表示层、
会话层,

网络应用和网络服务器之间建立,维持

传输层、
网络层
数据链路层 MAC — 介质访问控制
物理层 LLC — 逻辑链路控制层

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