1      通信导读

1.1      通信史导入

通信，通信，指人与人或人与自然之间通过某种行为或媒介进行的信息交流与传递，从广义上指需要信息的双方或多方在不违背各自意愿的情况下采用任意方法、任意媒质，将信息从某方准确安全地传送到另方

按照传输介质，通信分为有线通信（明线通信、电缆通信、光缆通信、光纤光缆通信）和无线通信（微波通信、短波通信、移动通信、卫星通信、 散射通信）；按照信号分类，通信分为模拟通信和数字通信；通信关键事件：

1) 1837年，美国人莫尔斯发明电报机

2) 1875年，贝尔发明史上第一支电话

3) 1895年，俄国人波波夫和意大利人马可尼同时成功研制了无线电接收机

4) 1920年代，英国人贝尔德成功进行了电视画面的传送，被誉为电视发明人

5) 1980年代，高琨将通信带入光通信时代

手机无线通信历经了2G/3G/4G的发展，正在迈入5G通信时代！计算机网络的发展为万物互联提供的连接基础，其最大特点是实现资源充分共享，现在家庭通过PON、ADSL、VDSL等技术都实现了与互联网的充分连接，光纤到户，越来越多的居民逐步实现网络自由

1.2 ICT技术融合

发展到5G之后，IT/CT技术不断进行融合，网络和云也越来越不分家，通常会采用前沿的IT的技术来解决通信行业问题，传统的通信手段和前沿的IT技术都是ICT的范畴，比如移动电话、卫星通信、网络硬件软件、计算机、微信语音聊天、远程视频和教学等等都属于ICT技术范畴

1.3 OSI七层模型简介

当今世界上最流行的TCP/IP协议族并不是完全按照OSI参考模型来划分的，相比于OSI七层模型没有会话层和表示层；

下面就以OSI七层模型来介绍整个网络框架

在7层模型中，每一层都提供一个特殊的网络功能。从网络功能的角度观察：下面4层（物理层、数据链路层、网络层和传输层）主要提供数据传输和交换功能，即以节点到节点之间的通信为主；第4层作为上下两部分的桥梁，是整个网络体系结构中最关键的部分；而上3层（会话层、表示层和应用层）则以提供用户与应用程序之间的信息和数据处理功能为主。简言之，下4层主要完成通信子网的功能，上3层主要完成资源子网的功能。

1.4      通信描述术语与单位

2      物理层

2.1      通信设备

1）集线器（Hub）

集线器也称HUB，工作在OSI七层结构的第一层物理层，属于共享型设备，接收数据广播发出，在局域网内一般都是星型连接拓扑结构，每台工作站都连接到集线器上。由于集线器的带宽共享特性导致网络利用效率极低，一般在大中型的网络中不会使用到集线器。现在的集线器基本都是全双工模式，市面上常见的集线器传输速率普遍都为100Mbps。

2）交换机

交换机顾名思义以交换为主要功能，工作在OSI第二层（数据链路层），根据MAC地址进行数据转发。交换机的每一个端口都属于一个冲突域，而集线器所有端口属于一个冲突域。交换机通过分析Ethernet包的包头信息（其中包含了源MAC地址、目标MAC地址、信息长度等），取得目标MAC地址后，查找交换机中存储的地址对照表（MAC地址对应的端口），确认具有此MAC地址的网卡连接在哪个端口上，然后将信包送到对应端口，有效的抑制IP广播风暴。并且信息包处于并行状态，效率较高。

3）路由器

路由器可以应用于大网络中，为更多用户提供通信服务；路由器是连接两个或多个网络的硬件设备，在网络间起网关的作用，是读取每一个数据包中的地址然后决定如何传送的专用智能性的网络设备。路由器是根据目的IP进行寻址转发，找到下一出口；路由器工作原理是存储转发，内部可以分成控制平面和数据通信平面；

3）***

为了保障网络安全，防止外部入侵，通常在内部网络和外部网络之间设置***；常见操作系统WINDOWS和LINUX也都会自带一些***

2.2      通信介质

一个局域网中，常用的通信介质有同轴电缆（数字电视连接线）、双绞线、光纤

1) 光纤：光纤通信是传输网络通信的主要技术；光纤利用光的反射原理，来远距离传递信号，具有耗散小、带宽大、传输距离远等出色优点，但是光纤也有色散等问题，光纤色散是由于光纤所传送信号的不同频率成分或不同模式成分的群速度不同，而引起传输信号畸变的一种物理现象；光接收机噪声是影响光接收机灵敏度的主要因素，各类光波波长范围

2）网线（又称双绞线）：网线采用RJ-45标准，传输距离在100米左右，正常情况下，家用电脑与集线器设备互联都用网线

无线通信常用的通信技术有卫星通信、WIFI通行、蜂窝通信（基站）等

3） WIFI，无线通信，通常工作在2.4GHz频段；5G WIFI通常工作在4.9G左右

2.3      无线通信与频谱干扰

无线通信模型常常采用蜂窝模型，也就是我们所说的手机通信，手机通信，通过 手机-无线基站-核心网-无线基站-手机，实现2部手机互通

2个通信设备使用相同或者相近的频率发送信号，就会容易产生干扰

3      数据链路层

3.1      数据链路层定位与特点

数据链路层介乎于物理层和网络层之间。数据链路层在物理层提供的服务的基础上向网络层提供服务，其最基本的服务是将源自物理层来的数据可靠地传输到相邻节点的目标机网络层。

数据链路层主要有两个功能 ：帧编码和误差纠正控制。

来源：https://baike.baidu.com/item/%E6%95%B0%E6%8D%AE%E9%93%BE%E8%B7%AF%E5%B1%82/4329290?fr=aladdin

3.2      报文格式

数据链路层的数据单元称作帧，信息帧（I帧）、监控帧（S帧）和无编号帧（U帧）三种不同类型的帧；常见的数据帧格式如下：

参考：http://c.biancheng.net/view/6391.html

MAC地址：每一个出厂网络设备都会有一个MAC地址，网络设备的MAC地址是唯一的，共有48位组成

3.3      以太网

以太网是一种计算机局域网技术，IEEE组织的IEEE 802.3标准制定了以太网的技术标准，它规定了包括物理层的连线、电子信号和介质访问层协议的内容，而交换式以太网正是广泛应用的以太网，可运行在100、1000和10000Mbps那样的高速率，分别以快速以太网、千兆以太网和万兆以太网的形式呈现，我们常说的以太网，就是100M以太网

3.4      相关协议

3.5 VLAN

一个VLAN的消息区域可以看成一个冲突域

4      网络（IP）层

4.1      功能和作用

4.2      报文格式

网络层的数据单元称作IP包，IPV4报文头部长度20字节，

4.3      常见的协议

网络层通常采用的协议包括IP、ICMP、ARP、RARP

1) ARP

ARP（Address Resolution Protocol），是根据IP地址获取物理地址的MAC地址

2) ICMP协议

ICMP协议是PING命令的基础协议，PING命令就是使用ICMP的Echo Reply能力

4.4 IPV4地址划分

IPV4地址划分（参考https://blog.csdn.net/qq_40896594/article/details/108424060）

IPV4地址占用32位（bit），通常使用点分十进制的方式表示，一个IP地址由网络地址和主机地址组成

• A 类地址范围：1.0.0.1 ~ 126.255.255.254。
• B 类地址范围：128.0.0.1 ~ 191.255.255.254
• C 类地址范围：192.0.0.1 ~ 223.255.255.254。

衍生问题，192.168.0.0/27的主机号是多少？（192.168.0.0）可用主机数是多少个？（30,192.168.0.1~192.168.0.30）

4.5 IPV6基础

IPV6地址占用128位（bit），跟IPV4相比，具有地址空间更大、安全性更好、扩展性更强等特点

1）IPV6地址表示

冒分十六进制表示法，格式为X:X:X:X:X:X:X:X，其中每个X表示地址中的16b，以十六进制表示，例如：ABCD:EF01:2345:6789:ABCD:EF01:2345:6789；在某些情况下，一个IPv6地址中间可能包含很长的一段0，可以把连续的一段0压缩为“::”。但为保证地址解析的唯一性，地址中”::”只能出现一次，例如：FF01:0:0:0:0:0:0:1101 → FF01::1101；IPV6支持的最小MTU是1280字节

• ::1:0:4F3A:206:AE14（首位不能为空）
• aa:bb:cc:dd:e:0:1 （只有7段，不满足128位）
• 35:1:0:aa::bb:cc （合法）
• 2001:1::aa:bb::cc（存在多处省略）

参考 https://baike.baidu.com/item/IPv6

4.6      路由

IP路由机制，根据目的IP地址，查询下一跳地址；

大型网络不适合使用静态路由，大量的手工配置会让网络维护不堪重负，通常我们会引入动态路由协议，常见的动态路由协议有OSPF、BGP等

4.7 QoS（服务质量）

5      传输层

5.1      功能和作用

传输层典型的网络协议是TCP和UDP，其中TCP提供可靠的网络传输服务，UDP提供不可靠的传输服务；一台服务器各种应用的TCP/UDP端口号都是不相同的，否则会出现冲突，端口号的范围0~65535

5.2 TCP

传输控制协议（TCP，Transmission Control Protocol）是为了在不可靠的互联网络上提供可靠的端到端字节流而专门设计的一个传输协议。TCP提供可靠的网络传输服务，可以利用校验、重传、拥塞控制等机制保障网络可靠，重传的常见状况有：1）报文传输过程中丢失；2）接收端ACK报文丢失或超时；3）接收端异常未对报文响应；

远程登陆协议Telnet、SMTP、文件传送协议FTP依赖TCP协议。

TCP三次握手的过程如下：

1)        客户端发送SYN（SEQ=x）报文给服务器端，进入SYN_SEND状态。

2)        服务器端收到SYN报文，回应一个SYN （SEQ=y）ACK（ACK=x+1）报文，进入SYN_RECV状态。

3)        客户端收到服务器端的SYN报文，回应一个ACK（ACK=y+1）报文，进入Established状态。

三次握手完成，TCP客户端和服务器端成功地建立连接，可以开始传输数据了。

慢启动（Slow Start），是传输控制协议（TCP）使用的一种阻塞控制机制。每收到1个ACK报文，拥塞窗口增加1个MSS，每收到1个ACK报文，拥塞窗口增加1个MSS，每收到1个ACK报文，拥塞窗口增加1个MSS

5.3 UDP

6      会话层

6.1      会话层的功能和作用

会话层（Session Layer）是OSI模型的第5层，是用户应用程序和网络之间的接口，核心功能就是建立、维护和管理会话。主要任务是：向两个实体的表示层提供建立和使用连接的方法。将不同实体之间的表示层的连接称为会话。因此会话层的任务就是组织和协调两个会话进程之间的通信，并对数据交换进行管理

6.2      DNS

域名系统（英文：Domain Name System，缩写：DNS）是互联网的一项服务，它作为将域名和IP地址相互映射的一个分布式数据库，能够使人更方便地访问互联网；例如下图ping www.baidu.com，可以直接将百度的域名解析为14.215.177.38，浏览器输入网址后，首先进行的就是域名解析

参考https://baike.baidu.com/item/%E5%9F%9F%E5%90%8D%E7%B3%BB%E7%BB%9F/2251573?fromtitle=DNS&fromid=427444&fr=aladdin

7      表示层

8      应用层

8.1      定位与作用

应用层（Application Layer）是OSI参考模型的最高层，它是计算机用户，以及各种应用程序和网络之间的接口，其功能是直接向用户提供服务，完成用户希望在网络上完成的各种工作。它在其他6层工作的基础上，负责完成网络中应用程序与网络操作系统之间的联系，建立与结束使用者之间的联系，并完成网络用户提出的各种网络服务及应用所需的监督、管理和服务等各种协议。

8.2      典型应用协议

应用层为用户提供的服务和协议有：文件服务、目录服务、文件传输服务（FTP）、远程登录服务（Telnet）、电子邮件服务（E-mail）、打印服务、安全服务、网络管理服务、数据库服务等

1)     http

超文本传输协议（Hyper Text Transfer Protocol，HTTP）是一个简单的请求-响应协议，从www服务器传输超文本到本地浏览器的传送协议，它通常运行在TCP之上，使用默认端口80，https使用默认端口443；它指定了客户端可能发送给服务器什么样的消息以及得到什么样的响应；我们常说的404返回码，就是在请求不到页面时服务器端返回值

2)     FTP：文件传输，默认TCP端口21，是客户端/服务器模式

3)     Telnet：远程登录，默认TCP端口23

4)     E-mail（SMTP）：邮件可以采用C/S架构，也可以用B/S架构，SMTP是电子邮件常用的控制协议，采用PoP3协议进行邮件下载

5)     视频流协议：RTP/RTSP/HLS

8.3      典型流程解析

1)        使用浏览器上网

²  浏览器输入www.baidu.com

²  使用DNS协议进行域名解析，将www.baidu.com解析为IP地址

²  使用http协议向百度发送请求，传输层使用tcp协议+80端口

²  服务器返回文本内容

9      网络安全与实操

9.1 MAC地址查看

WIN10可使用 ipconfig /all来查看网卡的MAC地址

9.2      互通性检测

通常使用PING命令进行网络互通性检测

9.3      网络跟踪

WINDOWS：Tracert

Linux：tracert/tracepath

比如，为了发现自己电脑跟淘宝服务器之间经历了哪些设备，就可以使用tracert taobao.com进行跟踪

9.4 NAT转换

NAT是英文"网络地址转换"的缩写

9.5      网络安全

通常网路安全服务包括访问控制服务、数据完整***、数据保密***、抵赖***；网络安全面临的挑战主要包括IP地址伪造、路由劫持、电波信号劫持、Ddos攻击等

10  操作系统与程序基础

10.1   算法优化

算法评价的维度包括健壮性可靠性、正确性、时空复杂度等几个维度；

10.2   程序效率

程序效率是指计算机资源能否有效地使用，即系统运行时尽量占用较少空间，却能用较快速度完成规定功能；算法是影响程序效率的重要因素，减少循环嵌套次数能够有效提升效率

10.3 Lunix基础

1） linux的特点：

² Linux特点有自由、开放源代码

² Linux自身具备一整套工具链，容易自行建立系统的开发环境和交叉运行环境

²  内核开放，使得可以自行设计和开发出真正的硬实事系统；对于软实时系统，在Linux中也容易得到实现

²  强大的网络支持，使得可以利用Linux的网络协议栈开发嵌入式的TCP/IP网络协议

2） linux常用命令

参考：https://www.cnblogs.com/xuxinstyle/p/9609551.html