计算机基础知识

基础知识

高低电平

计算机的存储和速度都是基于这个来表示的。

计算机容量单位

在物理层面，使用高低电平记录信息，1表示高电平，0表示低；如上面的《高低电平》
所以计算机理论上只认识0/1两种状态
0/1称为bit（比特位）
因为bit太小了，因此发展出来更大的单位
字节 1byte=8bits

网络速度

cpu的速度

2G赫兹，表示cpu每秒钟高低电平的频次。

字符与编码集

ASC||码

使用7个bits就可以完全表示 ASC||码码
包含95个可打印字符
33个不可打印字符包含控制字符
33+95=128=2^7
所以7个bits就可以完全表示 ASC||码码

扩展的ASC||码

由于数学符号等等需要表示，对ASC||码进行扩展，从原来7bits变成8bits表示，
这样就从原来的2^7 变成2^8=256个可表示的字符了。

中文编码集

第一个是GB2312
第二个GBK 向上兼容 GB2312

Unicode

Unicode 是兼容全球的字符集，也是全球字符规范，称为统一码万国码单一码。
Unicode 定义了世界通用的符号集，UTF-*实现了编码
UTF-8以字节为单位对Unicode进行编码

UTF-8

UTF-8的编码中一个中文字符或符号，是用三个字节表示的，以此可知三个字节能表示的字符有2^24=16777216个，足够使用了，UTF-8是万国码，包含中文韩文日文。

组成篇

计算机结构

计算机存储器分类

下图中，从上往下分别为：
cpu的寄存器以及高速缓存
计算机的内存
外部存储设备如磁盘 u盘移动硬盘，
速度从上往下由高到低。

存储器之间的通讯：

当前使用的数据存储在主存上，不使用的数据放在辅存里面。
辅存是为了解决主存容量的不足。

内存

主存储器即内存，是RAM 随机存取存储器，
RAM通过电容存储数据，必须隔一段时间刷新一次
如果断电，那么一段时间后将丢失所有数据

操作系统位数与内存容量的关系

按照地址总线的位数，操作系统分为32和64位系统，
由上图可知内存是通过地址总线与cpu通讯的，
因此 32位系统只支持 2^32=42^30=4GB 的内存；
64位系统能支持 2^32=2^342^30=2^34GB 的内存；

高速缓存

高速缓存其实就是内存，是cpu将一部分内存转换为高速缓存。

字是指存放在一个存储单元中的二进制代码组合
字块存储在连续的存储单元中而被看作是一个单元的一组字

一个字有32个位(bit)组成
一个字块假设有B个字
主存共M个字块
如下图：

主存的总容量就是 BM32

主存其实就是内存

主存与缓存的联系与区别

主存容量远大于缓存
缓存来自于主存的复制
存储的逻辑结构类似都是由字和字块构成
缓存速度更快

cpu

可参考 10分钟看懂CPU构造原理

控制器

运算器

计算机网络

海底光缆的网站

https://www.infrapedia.com

OSI七层模型与tcp/ip四层模型

由于设计和推广的问题，OSI七层模型并没有被广泛运用，
反而是 tcp/ip四层模型用的比较广泛。

二者之间的关系

从一个计算机发出信息到达另外一个计算机的过程

网络拓扑

家庭

企业

两种请求模式

普通的客户端发起请求到服务器
对等连接模式p2p
比如迅雷下载等，每一个客户端安装迅雷，进行下载后，这个客户端也就变成了一个服务器端，
当另外一个客户端发起迅雷下载请求时，就从你的客户端中获取你之前下载的迅雷资源。

MAC地址

每个设备都拥有唯一的mac地址
mac地址是物理地址，硬件地址
mac地址一共有48个比特位大小，十六进制表示；
查看mac地址,下面的物理地址就是mac地址：

# 执行 ipconfig /all 命令，注意使用cmd
Windows IP 配置

   主机名  . . . . . . . . . . . . . : WINDOWS-HQKMGPA
   主 DNS 后缀 . . . . . . . . . . . :
   节点类型  . . . . . . . . . . . . : 混合     
   IP 路由已启用 . . . . . . . . . . : 否       
   WINS 代理已启用 . . . . . . . . . : 否       
   DNS 后缀搜索列表  . . . . . . . . : DHCP HOST

以太网适配器 以太网:

   媒体状态  . . . . . . . . . . . . : 媒体已断开连接
   连接特定的 DNS 后缀 . . . . . . . :
   描述. . . . . . . . . . . . . . . : Realtek PCIe GbE Family Controller
   物理地址. . . . . . . . . . . . . : C8-5B-88-88-B7-42
   DHCP 已启用 . . . . . . . . . . . : 是
   自动配置已启用. . . . . . . . . . : 是

无线局域网适配器 WLAN:

   连接特定的 DNS 后缀 . . . . . . . : DHCP HOST
   描述. . . . . . . . . . . . . . . : Intel(R) Dual Band Wireless-AC 3165
   物理地址. . . . . . . . . . . . . : B8-11-11-A5-3B-C4
   DHCP 已启用 . . . . . . . . . . . : 是
   自动配置已启用. . . . . . . . . . : 是
   本地链接 IPv6 地址. . . . . . . . : fe80::8da0:c9ea:204f:6cb3%16( 
首选)
   IPv4 地址 . . . . . . . . . . . . : 192.168.0.103(首选) 
   子网掩码  . . . . . . . . . . . . : 255.255.255.0
   获得租约的时间  . . . . . . . . . : 2022年9月19日 20:17:06
   租约过期的时间  . . . . . . . . . : 2022年9月19日 23:30:05        
   默认网关. . . . . . . . . . . . . : 192.168.0.1
   DHCP 服务器 . . . . . . . . . . . : 192.168.0.1
   DHCPv6 IAID . . . . . . . . . . . : 129532312
   DHCPv6 客户端 DUID  . . . . . . . : 00-01-00-01-28-2D-54-1F-C8-5B-76-38-B7-42
   DNS 服务器  . . . . . . . . . . . : 192.168.1.1
                                       192.168.0.1
   TCPIP 上的 NetBIOS  . . . . . . . : 已启用

以太网适配器 vEthernet (Default Switch):

   连接特定的 DNS 后缀 . . . . . . . :
   描述. . . . . . . . . . . . . . . : Hyper-V Virtual Ethernet Adapter
   物理地址. . . . . . . . . . . . . : 00-12-86-E9-2A-99
   DHCP 已启用 . . . . . . . . . . . : 否
   自动配置已启用. . . . . . . . . . : 是
   本地链接 IPv6 地址. . . . . . . . : fe80::551:d2cf:49a4:163e%27(首
选)
   IPv4 地址 . . . . . . . . . . . . : 172.21.80.1(首选) 
   子网掩码  . . . . . . . . . . . . : 255.255.240.0
   默认网关. . . . . . . . . . . . . :
   DHCPv6 IAID . . . . . . . . . . . : 452990301
   DHCPv6 客户端 DUID  . . . . . . . : 00-01-00-01-28-2D-54-1F-C8-5B-76-38-B7-42
   DNS 服务器  . . . . . . . . . . . : fec0:0:0:ffff::1%1
                                       fec0:0:0:ffff::2%1
                                       fec0:0:0:ffff::3%1
   TCPIP 上的 NetBIOS  . . . . . . . : 已启用

以太网协议

是一种局域网技术；
应用于数据链路层的协议
使用以太网可以完成相邻设备的数据帧传输

局域网内设备数据传输：以太网与mac地址

局域网内的电脑A如何发送数据给同在局域网内的B电脑，
其实路由器就是通过mac地址进行查找

报文为何要被一层层封装

页面发送一个http请求，要经历七层模型：应用层表示层会话层传输层网络层数据链路层物理层。
其实这每一层都有自己这一层的地址标记信息，通过这些标记信息，
才能准确找到接收端。

接收端会反过来把信息一层层拨开。
例如数据链链路层，会为 ip数据报文的头尾加上帧首部、尾部，
帧的首部、尾部标记了接收端的地址信息，
路由器通过解析帧首尾部信息，将报文数据发送给对应的接收端：

关于数据链路层重要作用之一：封装成帧

网络层

为什么需要网络层

在上面《以太网协议》中，我们已经提到

使用以太网可以完成相邻设备的数据帧传输

而以太网就是数据链路层的协议。
也就是说，在局域网内，从一个设备发送数据给另外一个设备，这两个设备就是相邻设备。
我们只需通过数据链路层就可以完成了。
但数据链路层却无法将数据传输到局域网之外的设备。
如何解决这个问题呢，
因此就有了网络层。

IP协议

虚拟互连网络

实际的计算机网络是错综复杂的
物理设备通过使用ip协议，屏蔽了物理网络之间的差异
当网络中的主机使用ip协议连接时，则无需关注网络细节
如下实际上的A与B电脑之间传输的网络是非常复杂的：可是由于网络层各方的硬件设备等都遵守了ip协议，
因此我们不用去关心A和B之间复杂的网络传输拓扑，
只需要关注ip协议本身即可，
我们不用关心以上复杂的网络传输拓扑，我们将它简化为一个虚拟的互连网络即可：

于是ip协议有以下特性：

IP协议使得复杂的实际网络变成一个虚拟互连的网络
IP协议使得网络层可以屏蔽底层细节而专注网络层的数据转发
比如不用关心数据是通过无线网络还是有线网线传输等等。
IP协议解决了在虚拟网络中数据报传输路径的问题。

OSI七层模型的相互屏蔽设计

每一层相当于一个独立的黑箱，
每一层之间只通过约定好的协议api或接口进行通信；
每一层都不用关心其他层内部如何实现；
就好比数据链路层与网络层交互时，二者是独立黑箱，只通过约定的协议或接口进行通信。

其实这种设计也是现在计算机或软件设计的一种经典原则。
比如无论是 window、还是mac OS 操作系统，无论这些操作系统内部如何封装计算机的硬件指令，
但这些操作系统最终暴露给软件开发的底层协议都是一样的。
同样的一个软件，在window、MAC OS 上都能正常运行。

网络层(ip协议)传输过程实例

一个五层一个三层

首先需要了解下，路由器只有三层；
OSI是七层模型，但计算机实际上只有5层；

逐跳

网络层其实就是ip协议传输过程：

ip协议的转发流程有一个特点，就是逐跳(hop-by-hop):
下面A到B的过程，就是从中间每个设备之间进行逐个转发，最终传输到B，这就是逐跳：

mac地址表

在上面两个相邻设备之间传输的过程，知道在数据链路层有一个mac地址表，
设备之间通过mac地址表进行寻址传输：

路由表

网络层传输是通过路由表进行寻址传输的：

计算机或路由器都拥有路由表。

单从网络层角度看传输过程

从数据链路层、网络层角度看传输过程

mac地址与ip联系与区别

在以上过程中：
数据帧的每一跳的mac地址都在变化；
ip数据报每一跳的ip地址始终不变；

这也侧面说明了 mac地址与ip地址的区别和作用。
mac地址与ip地址还有一个不同：
当你电脑在家的时候，ip是一个地址；
在公司的时候又是一个地址，但mac地址都不变。

ip地址

ip地址的2进制表示：

子网(网络号)与主机号

子网也称为网络号

特殊的主机号

特殊网络号

如此可以看到，开头为0、127、128.0、192.0.0 都有特殊用途；
或者后三位全为 0.0.0 或 255.255.255 也都是特殊ip；

本地回环地址：

除去上述特殊ip后，实际的数量：

特殊用途的D、E类地址

D E 类地址有特殊用途

子网

为什么要有子网

为什么不造成ip浪费，比如一个公司要申请100个ip地址，
如果按网络段A、B、C类申请，会造成ip地址浪费。
此时给A、B、C类设置网络号，公司只申请每个大类下面的网络号数量，
那么就不浪费了。
首先我们要搞清楚，网络号是啥，其实下图中，主机号是对应左侧网络号段下能用的ip数量，
我们申请ip的时候，都是申请某个网络号下的所有主机号，
比如C类网络号范围是 192.0.1 - 223.255.255；
那么我们申请时，都是申请上述范围内的一个网络号，比如 192.0.9，然后这个网络号，可以分配254个ip号(也就是分配给电脑的主机号)。
这就是网络号的概念，网络号其实就是用来给 ip更精细的划分。

另外假如一个公司只有100人，那么按照上面的网络号进行申请，那么得到了254 ip ，这样就浪费了，
为了更加精细划分网络号，那么就有了子网的概念，我们将主机号的二进制的第一位按照0和1划分为该网络号下的子网，
那么此时每个子网对应的主机号就只有254/2 = 127个，
一百个人的公司按子网去申请，就有127个ip，ip就没有浪费多少了。

子网掩码

有了子网后，我们需要通过ip确定该ip的子网号，
如何判断呢，
这个时候就有了子网掩码的产生，
我们可以通过 ip和子网掩码的二进制ip，进行与的运算，可以得到改ip号的对应子网号。

无分类编址CIDR

无分类编址CIDR 是相对子网掩码更加灵活的一个子网划分方式，其中的子网、超网就是它的概念，
目前运用广泛的也是 CIDR 这种。

网络地址转换NAT技术

网络地址转换NAT技术用于多个主机通过一个公有ip访问互联网的私有网络中。
NAT减缓了ip地址的消耗，但增加了网络通信的复杂度

ICMP协议

ICMP协议是配合IP协议一起工作的，会对IP报文进行组装

ping 与 ICMP协议

ping应用运用的就是ICMP协议，检查自己的网络问题：
ping 回环地址127.0.0.1 检查自己的网络驱动器是否正常；
ping 网关地址，这里的网关指路由器，检查电脑与路由器连接是否正常；

网关就是路由器

ping 远端地址，比如百度，检查是否能上网；

Traceroute 与 ICMP协议

Traceroute应用运用的就是ICMP协议,检查到达目的ip地址，经过了哪几跳。可查看本文的《逐跳》
或者说是探测ip数据报在网络中走过的路径。

Traceroute的工作原理，
Traceroute 为了探测ip路径。
首先它会封装一个 TTL为1的报文，
到达n1后，因为 TTL 的特性是每经过一跳，就减1，所以 TTL 变成0，
TTL变成0后，中型网络 n1 就会向源机器A发出一个 ICMP 终点不可达报文，
机器A 收到报文后， Traceroute 会再发一个 TTL 为2的报文；
经过n1 到达 n2 的时候，TTL 变成 0， n2向机器A发送一个 ICMP 终点不可达报文，
如此往复
当到达机器B时，机器B将发送一个回应的报文，说明你发的数据我收到了。
此时 Traceroute 就知道了整个ip路径。

1	tracert github.com

RIP协议

OSPF协议

外部网关路由协议之BGP协议

解决两个内部网络使用不同协议，比如一个用RIP协议，一个用OSPF协议