单工模式与双工模式#

1. 单工模式 (Simplex)

   • 定义：数据只能在一个方向上传输，就像单行道。

   • 特点：一方固定为发送端，另一方固定为接收端，角色不能改变。

   • 常见例子：

     • 广播（收音机、电视）：电台发送信号，你只能接收，不能通过收音机发回信号。

2. 半双工模式 (Half-Duplex)

   • 定义：数据可以在两个方向上传输，但不能同时进行。就像一条单车道桥梁，同一时间只能有一方的车通过，需要交替行驶。

   • 特点：可以收也可以发，但收发不能同时进行。

   • 常见例子：

     • 对讲机：你说的时候我不能说，我说的时候你不能说，需要说“Over”来切换。

3. 全双工模式 (Full-Duplex)

   • 定义：数据可以同时在两个方向上传输，就像宽阔的双向车道。

   • 特点：发送和接收完全独立，可以同时进行，效率最高。

四种拓扑类型#

1. 总线型 (Bus Topology)

   1
   设备A      设备B      设备C      设备D
   2
     │         │         │         │
   3
     │         │         │         │
   4
     ├─────┬─────┬─────┬─────┬─────┤
   5
   ════════════════主干电缆═════════════════
   

   • 结构：所有设备都连接到一条公共的主干电缆（总线） 上。
   • 工作方式：一台设备发送的数据会通过总线传播给所有设备，但只有目标地址匹配的设备才会接收。
   • 优点：结构简单，布线容易，成本低。
   • 缺点：
     • 故障难以排查：任何一个节点连接故障都可能影响整个网络。
     • 性能差：所有设备共享总线带宽，同一时间只能有一台设备发送数据，否则会产生冲突。
     • 主干电缆故障会导致全网瘫痪。
   • 常见应用：早期的以太网（10Base2, 10Base5），现在已很少见。

   ---

2. 星型 (Star Topology)

   1
           设备A
   2
             │
   3
             │
   4
   设备B ────[中心节点]──── 设备C
   5
             │
   6
             │
   7
           设备D
   

   • 结构：所有设备都直接连接到一个中央节点（如交换机或集线器）。
   • 工作方式：中央设备负责所有数据的转发和通信管理。
   • 优点：
     • 易于管理和扩展：增加新设备很方便。
     • 故障容易隔离：单个设备故障不会影响其他设备，只有中央节点故障会导致全网瘫痪。
     • 稳定性高。
   • 缺点：
     • 对中央设备依赖极高：中央节点是单点故障源。
     • 布线成本较高：需要更多电缆。
   • 常见应用：这是现代有线局域网（LAN）最主流的拓扑结构，比如你家里的Wi-Fi路由器连接电脑、手机的方式，其实就是星型拓扑。

   ---

3. 环型 (Ring Topology)

   1
          →→→→→ 设备A →→→→→
   2
          ↑               ↓
   3
          ↑               ↓
   4
         设备D          设备B
   5
          ↑               ↓
   6
          ↑               ↓
   7
          ←←←←← 设备C ←←←←←
   

   • 结构：所有设备首尾相连，形成一个物理或逻辑上的闭环。
   • 工作方式：数据沿着环单向或双向传输，每个设备都是一个中继器，接收并转发信号。
   • 优点：
     • 数据沿固定方向传输，避免冲突。
     • 在令牌环网络中，性能相对稳定。
   • 缺点：
     • 可靠性差：任意一个节点或一段电缆故障都可能导致整个环路中断，全网瘫痪。
     • 添加或移除设备时需要断开环路，影响网络正常运行。
   • 常见应用：曾经用于令牌环网和FDDI网络，现在较少见，但在一些工业网络或城域网中仍有应用。

   ---

4. 网状 (Mesh Topology)

   1
           设备A
   2
           / |  \
   3
         /   |    \
   4
   设备B -----╀--- 设备C
   5
         \   |    /
   6
           \ |  /
   7
           设备D
   

   • 结构：设备之间存在多条冗余的互联路径。分为全网状（每两个设备都直接相连）和部分网状。
   • 工作方式：数据可以通过多条路径到达目的地，具有很高的可靠性。
   • 优点：
     • 极高的可靠性：单点故障不会影响整体网络，路径冗余提供了备份。
     • 性能好：数据可以选择最佳路径传输。
   • 缺点：
     • 成本极高：需要大量的布线和端口，实现和维护非常复杂。
   • 常见应用：互联网骨干网、大型运营商网络、军事网络等对可靠性要求极高的场景。

最小传输单元#

PDU：Protocol Data Unit协议数据单元

应用层：APDU

表示层：PPDU

会话层：SPDU

传输层：Segment 段

网络层：Packet 包

数据链路层：Frame 帧

物理层：Bit

OSI七层模型的优缺点#

OSI模型是一位完美的理论导师，而TCP/IP模型是一位实用的工程师

OSI七层模型的优点

1. 概念清晰，易于理解
   • 将复杂的网络通信过程分解为七个层次分明、功能单一的模块，极大地降低了学习和理解的难度。它是网络教育的黄金标准和通用语言。
2. 标准化与互操作性
   • 为硬件和软件制造商提供了一个开放的标准框架，确保不同厂商生产的网络产品能够相互兼容、协同工作。
3. 简化故障排查（排障）
   • 当网络出现问题时，可以按照“从下到上”（物理层→应用层）或“从上到下”的顺序逐层检查，快速定位问题所在层次，大大提高了排障效率。
4. 模块化设计，易于开发和扩展
   • 各层之间相互独立，每一层的协议和功能可以单独开发、升级或替换，而不会影响其他层。例如，从IPv4升级到IPv6（网络层）不需要改变以太网（数据链路层）或HTTP协议（应用层）。

OSI七层模型的缺点

1. 理论化重于实用化
   • 它是一个理论参考模型，而非强制性的实施规范。在实际应用中（如TCP/IP协议栈），几乎没有网络协议会严格地、完整地实现全部七层。
2. 有些层次显得冗余或不必要
   • 会话层和表示层的功能在现实中的协议里很少被单独实现。它们的职责通常被合并到应用层（如SSL/TLS加密）中，导致这两层存在感很弱。
3. 复杂性高
   • 严格的分层虽然清晰，但也可能带来额外的处理和开销，在某些场景下不如更精简的模型（如TCP/IP四层模型）高效。
4. 与主流TCP/IP模型不完全匹配
   • 当今互联网的基石是TCP/IP模型，它只有四层（网络接口层、网际层、传输层、应用层）。学习OSI模型后，还需要一个“映射”过程才能理解实际使用的TCP/IP协议，这有时会让人感到困惑。

网络按照区域划分#

1. 局域网 (LAN - Local Area Network)

   • 范围：小范围地理区域，通常是一个家庭、一栋办公楼、一个校园或一个园区。
   • 特点：
     • 覆盖范围小：几米到几公里。
     • 高速度、低延迟：传输速度非常快（千兆/万兆很常见），延迟很低。
     • 自己管理：通常由个人或单位自己建设、管理和维护。
   • 技术：主要使用以太网 (Ethernet) 和 Wi-Fi。
   • 好比：一栋大楼内部的公司快递系统。快递员可以非常快速地在各个楼层和办公室之间传送文件和包裹，但不出这栋大楼。

   ---

2. 城域网 (MAN - Metropolitan Area Network)

   • 范围：一个城市的范围。
   • 特点：
     • 覆盖范围介于LAN和WAN之间（一个城市及其郊区）。
     • 连接一个城市内的多个局域网。
   • 技术：以前常用光纤分布式数据接口 (FDDI) 和城域以太网，现在更多是运营商的光纤网络。
   • 好比：同城快递服务。负责连接城市内各个大楼（局域网）之间的快递运输，比如从城东的办公楼寄件到城西的工厂。

   ---

3. 广域网 (WAN - Wide Area Network)

   • 范围：超大地理范围，跨越城市、国家甚至洲际。
   • 特点：
     • 覆盖范围极大：几百公里到全球。
     • 速度相对较慢，延迟较高：由于距离远，需要经过多次中转。
     • 使用公共设施：通常需要租用运营商（如电信、联通）的线路和服务。
   • 技术：互联网 (Internet) 就是最大的广域网。其他技术还包括MPLS、专线等。
   • 好比：全国或全球的航空货运网络。负责将包裹从一座城市的国家机场运到另一座城市的国家机场，中间涉及复杂的航线规划和多个中转枢纽。

局域网规范#

1. （已废弃）令牌环网 (Token Ring - IEEE 802.5)

好比：只有一支麦克风的会议。谁手里有麦克风谁才能发言，发言完把麦克风按顺序传给下一个人。秩序很好，但效率不高。

2. （已废弃）FDDI网络 (Fiber Distributed Data Interface)

   好比：一条双向高速环城路。如果一条方向的道路施工堵塞，车辆可以立即掉头使用另一条方向的道路继续到达目的地，保证了交通不中断。

   ---

3. 以太网 (Ethernet - IEEE 802.3)（一种局域网规范）

   • 核心原理：采用 “载波侦听多路访问/冲突检测” 机制。简单说就是“先听再说，边说边听”。
     • CSMA/CD：设备想发送数据前，先检查线路上是否有信号（载波侦听）。如果没信号，就开始发送，同时继续监听是否与其他设备的数据发生了冲突。如果冲突，则等待一个随机时间后重试。
   • 拓扑结构：早期是总线型（所有设备接在一根 coaxial 电缆上），现在是星型（所有设备连接到交换机）。
   • 优点：
     • 简单灵活：协议简单，易于实现，硬件成本低廉。
     • 易于扩展和维护：添加新设备非常方便。
     • 极强的适应性：从最初的10 Mbps，发展到100M（快速以太网）、1G、10G、100G，速度和介质（铜缆、光纤）不断演进，生命力极强。
   • 缺点：
     • 早期有冲突问题：在共享式总线环境下，网络负载重时性能会因冲突而急剧下降。但这个缺点随着交换机的出现被彻底解决（交换机为每个端口提供独立带宽，避免了冲突）。
   • 结局：绝对的胜利者。如今我们所说的“局域网”几乎100%指的是以太网。Wi-Fi（无线局域网）在逻辑上也借鉴了其核心思想（但用的是CSMA/CA避免冲突）。

   好比：一个自由的讨论会。任何人想发言都可以直接说（发送数据），但如果发现同时有别人也在说（冲突），就都停下来，等一会儿再尝试。虽然可能混乱，但规则简单，效率高。

接口#

• RJ45接口（网口）：F口（FastEthernet）为以太网口，代表快速以太网，支持百兆传输。

  

• 同轴线缆接口（电视线）

• 光纤口

  

线缆#

将设备连到一起#

• 中继器（只有两口）

• 集线器（多端口的中继器）

以太网中拉线距离#

1. 特性：以太网双绞线最大只能传递100米。这是由于信号在传递过程中会有衰减，100米是信号衰减的可接受最大极限。
2. 信号衰减：如果使用双绞线传递超过100米的距离，信号会严重衰减，导致数据丢失。
3. 解决方法：使用集线器（HUB）来放大信号并延长传输距离。通过连接多个集线器，可以实现更长的传输距离。

网络传输标准#

交换机的工作原理#

1. 交换机的工作原理类似于立体立交桥，通过多个接口实现数据的并行传输

2. 每个接口都在一个冲突域内，全双工通信避免了数据碰撞

3. 交换机分割冲突域，将一个大冲突域划分为多个小的冲突域。

   • PC和HUB连接在同一冲突域内，而交换机每个接口属于独立冲突域（减小冲突域的范围，加了冲突域的个数，冲突域多了好一点，因为不在一个冲突域内就不会冲突）
   • 交换机连接HUB和PC时，划分了多个冲突域

   

企业局域网的构建#

1. 企业局域网构建包括PC、交换机和HUB等硬件设备
2. 不同设备之间使用直通线，相同设备之间使用交叉线
3. 交叉线直通线自适应的技术允许使用任意类型的线缆连接设备

数据链路层的两个子层#

数据链路层帧格式#

注意单位是字节，可以转换为比特（1Byte=8bit）

MAC地址#

MAC（Media Access Control Address）：媒体访问控制地址（MAC地址，物理地址）

• 用来唯一的标识网络中的一台设备，然后在局域网中向该设备发送数据
• 每个网卡芯片都会烧录一个全球唯一的MAC地址

DMAC（Destination MAC）地址和SMAC（Source MAC）地址由6个字节(Byte)组成（即6×8bit=48bit），通常以12个十六进制数字表示（1个十六进制=4个二进制，即4bit，所以总共也是12×4bit=48bit）

DMAC地址（目的MAC地址）：目的地址标记数据发送给谁

• IEEE addsigned：IEEE分配的，占前24位
• Vendor assigned：厂商自己分配的，占后24位

SMAC地址（源MAC地址）：源地址标记自己用于接收对面回传的数据

广播地址#

回忆之前提到的七层中最小传输单元：

• 应用层：APDU
• 表示层：PPDU
• 会话层：SPDU
• 传输层：Segment 段
• 网络层：Packet 包
• 数据链路层：Frame 帧
• 物理层：bit

广播数据帧：就是数据帧MAC地址全为F的数据

• FFFF.FFFF.FFFF

• FF-FF-FF-FF-FF-FF

当交换机收到一个目标MAC地址全F，将会从其他所有端口发送出去

交换机是转发广播帧的，没有办法隔离广播域，路由器可以用来隔离广播域

互联网层IP协议介绍#

互联网层IP地址讲解#

互联网层设备-路由器#

传输层TCP的三次握手与四次挥手#

传输层UDP协议的介绍#

应用层协议介绍#

设计一个完整的网络架构#

如何衡量一个网络架构的好坏#

如何排查网络的连通性问题#