无线网络应用
课程名称：无线网络应用
课程教师：一大堆
E志者协会电脑部必修课程，一门似乎挺有意思的通识课，精彩五连课。
在这节课，你可能会学到——什么是Wifi，什么是无线AP，什么是802.11n，什么是802.11AC……
主要学习计算机网络的基础知识及应用、无线网络的基础知识及其应用。
当今网络
从1999年的802.11协议规定的WiFi开始，后逐渐有802.11a（Wifi2）、802.11b（Wifi1）直到最新即将发布的802.11be（Wifi7），WiFi已经经过了很久的发展。
C/S架构：客户端（Client）与服务器（Server）。在小企业或家庭网络中，许多计算机既是服务器，又是客户端，这种网络称为对等网络（P2P）
网络组件
网络的三类组件：网络设备、网络介质、网络服务。
- 终端设备是通过网络传输的消息的源或目的地，中间设备则将每台终端设备连接到网络。
- 网络介质即媒体，是消息传输的方式，包括电、光、电波等。
- 网络服务则包括通信时运行的程序。
网络表示方式
网络图通过符号表示构成网络的不同设备和连接。
- 网络接口卡NIC包括有线网卡和无线网卡
- 端口Port是网络设备上的接口或插口
- 接口Interface是连接到独立网路的专用端口
拓扑图可用来研究网络
- 物理拓扑图：识别设备和电缆的物理位置
- 逻辑拓扑图：识别设备、端口和地址的逻辑方案
常见网络类型
LAN局域网
针对较小地理区域，一般是企业、家庭等。可为内部终端设备和中间设备提供较高的带宽。
WAN广域网
针对广泛地理区域，通常由服务提供商（SP）或Internet服务提供商（ISP）管理，能够提供LAN之间的较慢链路。
其他网络类型还包括
- 无线局域网（WLAN），类似LAN，但是通过无线方式连接较小地理区域
- 城域网（MAN）
- 储存区域网格（SAN）
互联网
Internet是一个互连网络的全球集合，多个LAN通过WAN连接而互连，然后WAN再彼此连接下去。
而Internet下还有内部网（Intranet）和外联网（Extranet），分别用于私有局域网和基本工作网络。
Internet连接
家庭和小型办公室通常通过同轴电缆、DSL（数字用户线路）、移动电话和卫星通信。
其中DSL可以提供高带宽的传输，通过电话线路运行，通常使用非对称DSL（ADSL），下载速度高于上传速度。
现在许多家庭更常使用光纤线缆。
企业之间则更多使用专用租用线路（专线）、WAN、DSL连接。
企业中使用更多的是对称数字用户线路（SDSL），相对ADSL来说，SDSL提供相同的上传和下载速度。
网络趋势
- 自带设备。任何设备以任何方式连接到任何内容是一种全球趋势。
- 在线协作。连接网络不仅仅是访问数据应用程序，还有与他人协作
- 视频通信
- 云计算。云计算是改变我们访问和储存数据的方法。
无线宽带
- 无线Internet服务提供商（WISP）
类似家庭无线局域网的无线技术，将用户连接到专用的接入点或热点的ISP - 无线宽带技术
例如智能手机或平板电脑链接的移动通信技术（WWAN），如4G，5G
协议和模型（网络通信协议和网络模型）
规则
通信的三个要素：
- 源，即发送方
- 通道
- 目的，即接收方
成功的人际沟通需要遵守规则，成功的计算机网络通信也需要遵守一定的规则或协议。包括五个方面
- 消息编码
- 消息格式和封装
- 消息大小
- 消息时序
- 消息传输选项或模式
消息编码
编码将消息转换为另一种可供传输的形式，便于传输。而解码是编码的逆向过程，目的是解释信息。主机之间的编码则是将信息转化为比特位，再将每一位编码为对应的传输样式（电子脉冲、光波或电磁波）。
消息格式和封装
就像信件封装在信封中进行投递一样，计算机消息也要进行封装，以方便传输和处理。每条计算机消息在发送前都以特定的格式封装，称为帧（Frame），提供目的地址，源地址等信息。
消息大小
源主机将长消息分割为同时符合最小和最大长度要求的多个片顿或帧。帧太长或太短都无法传输（以太网帧：64~1518字节）。每个帧也有自己的编址信息。
消息时序
- 访问方法：决定了可以发送消息的时间，网络主机需要访问方法来了解开始发送消息的时间以及在出错时的相应方法。
- 流量控制：影响着可以发送的信息量和发送速度。
- 响应超时：通过协议来确定等待响应的时长以及响应超时后的操作。
消息模式
- 一对一称为单播
- 一对多称为组播或多播
- 如果所有主机都要接受该消息，称为广播。
协议
协议定义了设备之间交换信息的通用格式和规则，常见的有HTTP、FTP、TCP、IP等。
协议簇
执行某种通信功能所需的一组内在相关协议。协议簇显示为分层结构。上层负责处理发送的消息内容，下层负责通过网络传输数据和向上层提供服务。
标准组织
- 互联网工程任务组（IETF），负责开发、更新和维护一些协议与技术。例如发布的征求意见（RFC）文档规定了HTTP、FTP、POP3的端口等。
- 互联网名称与数字地址分配机构(ICANN)，负责全球IP地址分配、全球域名管理、TCP/IP协议中的端口号分配。
- 电气电子工程师协会IEEE，推动诸多行业发展，包括电力与能源等
参考模型
TCP/IP模型和OSI模型是研究和讨论网络功能时的主要模型。
使用分层模型有助于协议设计，促进竞争，同时通过分层让各层相对独立，避免一个协议层影响其他层。
- 应用层，用户的应用程序和网络之间的接口
- 表示层，协商数据交换格式
- 会话层，允许用户使用简单易记的名称建立连接
- 传输层，传输（数据的分段、传输与重组）
- 网络层，将数据进行路由以经过大型网络（逻辑IP地址，选择路由）
- 数据链路层，决定访问网络介质的方式（物理MAC地址）
- 物理层，转化为物理信号
上层与用户近，而下层与介质近。
数据封装
随着数据沿协议栈向下传递，每层都要添加各种协议信息。此过程被称为封装。
一段数据在任意协议层的表示形式统称为：协议数据单元（PDU），自上而下逐渐称为数据（7、6、5），数据段（4），数据包（3），数据帧（2），比特流（1）。
数据访问
本地网络中所有设备都要使用同一个协议。本地有线网络中最常用的协议集就是以太网，定义了本地网络通信的许多方面，包括消息的编码、格式和封装、大小、时序、模式。
协议的标准化
由IEEE负责维护网络标准，包括以太网和无线标准等，负责以太网的IEEE委员会是802.3。
物理地址
以太网中的主机都会获得一个物理地址，用于在网络中标识自己。每一个以太网络接口都有一个物理地址，称为介质访问控制（MAC）地址。长度为48位，可以表示为12个十六进制数字，写为xx:xx:xx:xx:xx:xx
MAC地址表示某一主机的独特身份，而不指明主机在网络中的位置。如果一直通过广播来进行交流，弄那么将大量消耗带宽，减慢网络速度。造成广播风暴。
因此，最好将大型网络分割成多个小型网段，使用层次设计模型。
层次式设计有三个基本层，分别是
- 接入层：连接本地以太网络中的主机。
- 分布层：将较小的本地网络相互连接起来。
- 核心层：分布层设备间的高速及大数据量连接。
接入层为终端用户设备连接到网络提供连接点，通常是交换机。
分布层为不同的网络提供连接点，并且控制信息在网络之间的流动，主要是路由器。
核心层很厉害，可以快速传输大量数据，包含性能非常强大的高速交换机和路由器（交换路由处理器）
逻辑地址
使用逻辑寻址方案标识主机位置，即IP寻址方案。
IP地址（v4）包含两部分
- 网络部分：前面的第一部分标识本地网络，所有连接到同一本地网络的主机，其IP地址的网络部分都一样。
- 主机部分：后面的第二部分标识特定主机，在同一本地网络中，IP地址的主机部分是每台主机所独有的。
IP地址的重要作用之一就是确定网络通信流量应保留在本地还是应上移到层次式网络的更高层去进行中转。
创建以太网络的接入层
接入层
接入层是网络最基本的层级，在有线以太网中，每台主机都可以用网线直接连接到交换机。
交换机的功能（重要）
交换机Switch是接入层的多端口设备，可将多台主机连接到网络。当一主机发送消息到连接在交换机上的另一主机时，交换机将接受并拆包解码数据帧，以读取消息的目的主机物理(MAC)地址部分，然后在MAC地址表也叫交换表)中查找端口以作出转发决定。
当消息在主机之间发送时，交换机将检查：目的MAC地址是否存在MAC地址表。如果存在，交换机就会在源端口和目的端口之间创建一个临时连接，称为电路，为两台主机的通信提供一个专用通道。主机间每次通信都会创造一条新的独立电路，这些电路使交换机上多个通信可以同时进行，而不会发生冲突使数据损坏。
当同一网络中多个设备同时发送消息，电子信号相遇就会相互影响并被损坏，称为冲突。通过以太网的CSMA/CD机制解决（后退等待重发解决）。
如果目标地址不在交换表当中，就会采用“泛洪”（flooding）的方式广播。当新主机相应泛洪消息或者发送信息时，交换机就会获取其MAC地址与连接的端口。
广播消息和交换机
在本地网络中，某台主机需要将消息同时发送到所有其他主机，可以使用“广播”消息。特征为广播MAC地址，为FF:FF:FF:FF:FF:FF，全1。
当一台主机接收到发送给广播地址的消息时，他会接受并处理该消息。接收是指到某处，而接受才会进行拆包处理。本地网络也称为广播域。
ARP协议
在本地网络中，仅当帧所包含的目的MAC地址与某台主机MAC相同，或者是广播MAC时，才会接受该帧。
但网络应用常依靠目的IP地址标识网络位置，故需一种机制来实现，已知IP找到MAC地址。发送主机使用地址解析协议（ARP）来发现同一本地网络中已知IP地址的任何主机的MAC地址。
- 发送广播帧，包含目的主机IP。
- 目的主机将MAC地址返回原始主机。
- 发送主机收到回送消息后将该MAC地址和IP地址成对存储到ARP表当中。
创建网络的分布层
分布层
随着网络扩大，将一个本地网络分成多个接入层网络，由路由器进行互联。
分布层的网络设备用于连接网络，而非独立的主机。交换机端口多，路由器接口少
路由器的特点
所有型号的路由器实质上都是计算机，由CPU和内存等硬件组成，也包含OS。
路由器的网络接口比计算机丰富。包含LAN接口和WAN接口，其中LAN接口用于连接LAN设备，而WAN连接外部网络。
路由器的功能（重要）
路由器Router是一种用于连接不同本地网络的分布层网络设备。交换机只能拆包读取数据帧中的MAC地址，但路由器可进一步拆包解码数据帧中的数据包内的IP地址。
路由器利用路由表来确定发送消息的路径。路由器的每个接口都连接到一个本地网络，每个路由器都包含一个路由表，里面有多条路由信息，每条路由包含三个要素
- 本路由器的一个接口
- 通过该接口能够到达的目的网络地址
- 这条路由/路线的优劣信息
当路由器收到一个帧时，就会对该帧进行解封装，然后将数据包中的目的IP的网络部分与路由表中各条路由的要素进行比较。如果找到一个目的网络地址对应的路由，路由器就将数据包封装在一个新帧中，然后将新帧从表中找到的出口接口转发出去。
路由器分割广播域，有几个接口就有几个广播域。路由器一般不会转发目的地址为广播IP地址的消息即广播消息（目的IP地址为255.255.255.255）
默认网关
必须在本地网络的每台主机上配置正确的默认网关。默认网关就是本地网络的出口，IP地址就是主机所在本地网络直接连接着的那个路由器接口的IP地址。
当主机发送消息到远程网络时，必须使用路由器。
路由器维护的表格
路由器要同时使用ARP表和路由表来储存信息。路由表包含之前提到的三个元素，路由器使用路由表来确定如何转发。
可通过两种方式在路由表中加入条目，动态设定是用从其他网络中其他路由器收集到的信息动态更新，而静态设定则是由管理员手动输入。
默认路由是路由器转发时不在表中的数据包的接口，通常连接至其他路由器。
小结
交换机是连接同一本地网络的，通过交换机可实现同一网段内部的通信。路由器是连接不同本地网络的，通过路由器可实现跨网段通信。
关于通信过程中地址变化的总结（在线考试）
数据在从源主机到目的主机的过程中需要经过多个路由。当到路由器时，先解封装旧帧，找出目的IP地址，再通过路由表决定怎么走，封装为新帧再发出去。
每段路上的数据帧，不变的是源和目的IP地址，而一直在变的是源和目的MAC地址。
通过ISP连接到Internet
Internet网云
数据包会经过许多网络设备，可以将这么多网络设备想象成一个由很多路由器组成的网络。
常见的网络线缆
通信的常见介质可以是某种类型的物理线缆，也可以是无线的电磁波。源和目标之间的连接可以是直接的，也可以是间接的，还可能跨越多种介质类型。
物理电缆分为两类
- 金属电缆：使用电子脉冲
- 光纤：使用光脉冲
双绞线是最常见的网络布线类型，也是大多数局域网的基础。还有同轴电缆和光纤用于数据的传输。
双绞线电缆
双绞线电缆由一对或多对绝缘铜线构成，每一对以塑料材质绝缘的铜线相互扭在一起。最外面包裹着一层橡胶的防护套。
数据传输对干扰和噪声很敏感，双绞线电缆容易受到电磁干扰（EMI）的影响。多根电缆如果在很长距离中被捆扎在一起，还可能会发生串扰crosstalk。
针对不同情况，可采用三种类型的双绞线电缆：非屏蔽双绞线UTP、屏蔽双绞线STP和外屏蔽双绞线ScTP。
双绞线布线中，每单位长度的绞合数量决定了电缆的抗干扰能力。CAT3三类线绞绕次数少，抗干扰能力弱；而CAT5五类线绞绕次数多，抗干扰能力强。
常见的电缆类型还有3类线、5类线、5e类线、6类线、7类线、8类线。
IEEE802.3af后，可以实现以太网供电，通过4线对的双绞线来传输直流电，可以让端点设备有更大的灵活性。10M和100M双绞线的8根线中只有1236用于传输数据，4578空着不用，所以可以用于传输直流电。
UTP电缆（重要）
电缆末端线序有两种，分别为T568A和T568B，安装时应在两种布线模式种选择一种。
将水晶头弹片朝下，如果两边使用同个线序，则称为直通线，如果两边不同，则称为交叉线，如果两边镜面堆成，则称为反转线。
直通电缆和交叉线缆在网络上都有其特定的用途。
- 两个直接连接，并且使用不同引脚来进行发送和接受的设备称为不相似设备，使用直通电缆来交换数据。
- 两个直接连接、并且使用相同引脚来进行发送和接受的设备称为相似设备，使用交叉电缆来交换数据。
在数据传输中，为了减少和抑制外界干扰，发送和接受的数据均以差分方式传输，即一对线互相扭在一起传输一路差分信号。差分信号是指一根线以正电平方式传输信号，另一根线以负电平信号传输同一信号。当线路中出现干扰信号时，其对两根线的影响是相同的。因而在接收端对两路信号执行差分即减法运算，即可还原出原始信号。
反转线用于交换机、路由器等网络设备的控制台端口调试。