计算机网络平台基础原理

# 1. 网络基础概念

## 1.1 网络的定义与发展历程

网络是指将各种设备（如计算机、手机、服务器）通过通信线路连接起来，实现信息交换与资源共享的系统。网络的发展可以分为三个阶段：

- 第一阶段是以电话网为基础的通信网络，实现了点到点的通信；
- 第二阶段是计算机网络的出现，实现了多点到多点的通信；
- 第三阶段是互联网的普及，实现了全球范围内的信息交换与资源共享。

## 1.2 OSI网络模型与TCP/IP协议

网络通信采用分层的结构，OSI（开放系统互联）模型和TCP/IP协议是两种常用的网络通信模型。OSI模型分为物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层和应用层，而TCP/IP协议包括网络接口层、网络层、传输层和应用层。

## 1.3 网络拓扑结构与传输介质

网络拓扑结构指的是网络中设备的布局方式，常见的网络拓扑包括总线型、星型、环型和网状型等。传输介质指的是数据传输的物理通道，包括双绞线、同轴电缆、光纤和无线信道等。不同的拓扑结构和传输介质会影响网络的传输效率和可靠性。

以上是网络基础概念的介绍，接下来我们将深入探讨网络协议与通信原理的相关内容。

# 2. 网络协议与通信原理

网络协议是计算机网络中实现数据交换和通信的规则集合。本章将介绍网络协议的基本概念和通信原理，包括IP地址与子网划分、网络层协议和传输层协议等内容。

## 2.1 IP地址与子网划分

IP地址是互联网中设备标识和寻址的方式之一，它是由32位二进制数表示，通常以IPv4和IPv6两种形式存在。IPv4地址由四个8位字段组成，以点分十进制表示。而IPv6地址由128位二进制数组成，以冒号分隔的八组十六进制数表示。

在网络中，为了更好地管理和利用IP地址空间，常常需要对IP地址进行子网划分。子网划分将一个大的IP地址空间分成若干个小的子网，不同的子网可以分配给不同的网络或主机使用。子网划分通常使用子网掩码来表示，子网掩码与IP地址进行按位与操作，用于判断同一子网内的主机。

下面是一个使用Python编写的示例代码，用于计算并显示给定IP地址的子网划分情况：

import ipaddress

def subnet_calculator(ip_address, subnet_mask):
    network = ipaddress.IPv4Network(ip_address + '/' + subnet_mask, strict=False)
    print("Network address: ", network.network_address)
    print("Broadcast address: ", network.broadcast_address)
    print("Number of usable hosts: ", network.num_addresses - 2)
    print("Subnet mask: ", network.netmask)

subnet_calculator('192.168.0.0', '255.255.255.0')

代码解释：

- 首先，我们导入了Python的`ipaddress`库，用于处理IP地址和子网掩码。
- 接着，我们定义了一个名为`subnet_calculator`的函数，它接受两个参数：IP地址和子网掩码。
- 在函数内部，我们使用`ipaddress.IPv4Network`类创建一个IPv4网络对象。通过将IP地址和子网掩码拼接在一起，并将`strict`参数设置为`False`，我们可以得到划分子网后的网络对象。
- 最后，我们打印出网络地址、广播地址、可用主机数和子网掩码。

运行以上代码，我们将会得到类似以下输出结果：

Network address:  192.168.0.0
Broadcast address:  192.168.0.255
Number of usable hosts:  254
Subnet mask:  255.255.255.0

通过这个示例，我们可以清楚地了解到如何进行IP地址的子网划分，并使用Python来计算相关网络参数。

## 2.2 网络层协议（如IP、ICMP、ARP）

网络层协议是计算机网络中进行跨网络通信和路由选择的协议。在TCP/IP协议族中，常见的网络层协议包括IP（Internet Protocol）、ICMP（Internet Control Message Protocol）和ARP（Address Resolution Protocol）等。

### 2.2.1 IP（Internet Protocol）

IP是互联网的核心协议之一，它为数据包提供了一种从源到目的地的传输方式。IP协议使用IP地址来标识网络上的主机或路由器，通过路由选择算法将数据包从源主机发送到目的主机。

以下是一个使用Python的`socket`库发送IP数据包的示例代码：

import socket
import sys

def send_ip_packet(destination_ip, message):
    try:
        # 创建一个IPv4的原始套接字
        s = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_RAW, socket.IPPROTO_RAW)
    except socket.error as e:
        print("Failed to create socket: ", str(e))
        sys.exit()

    # 构建IP数据包
    source_ip = '192.168.0.1'
    ip_version = 4
    ip_ihl = 5
    ip_tos = 0
    ip_tot_len = 0
    ip_id = 54321
    ip_frag_off = 0
    ip_ttl = 255
    ip_proto = socket.IPPROTO_TCP
    ip_check = 0
    ip_saddr = socket.inet_aton(source_ip)
    ip_daddr = socket.inet_aton(destination_ip)

    ip_header = struct.pack('!BBHHHBBH4s4s', (ip_version << 4) + ip_ihl, ip_tos, ip_tot_len, ip_id, ip_frag_off,
                            ip_ttl, ip_proto, ip_check, ip_saddr, ip_daddr)

    # 发送IP数据包
    s.sendto(ip_header + message.encode(), (destination_ip, 0))
    print("IP packet sent successfully.")

send_ip_packet('192.168.0.2', 'Hello, world!')

代码解释：

- 首先，我们导入了Python的`socket`和`sys`库。
- 在`send_ip_packet`函数中，我们尝试创建一个IPv4的原始套接字，以便发送原始IP数据包。
- 接着，我们定义了一些IP数据包的字