计算机网络

1计算机网络概述

1.1 网络的主要功能

1. 数据通信：最基本功能。收发电子邮件、即时聊天、浏览网页、视频会议。
2. 资源共享：共享硬件（网络打印机、存储）、软件和数据资源，提高利用率、降低成本。
3. 分布式处理与负载均衡：把大型任务分给多台计算机协同完成（如集群、云计算）。
4. 提高可靠性：一台机器故障时，任务可由网络中的其他机器接替。
5. 集中管理：便于对分散的用户和数据进行统一管理（如企业 OA、校园网）。

1.2 计算机网络的发展

• 第一代（20 世纪 50 年代）：面向终端的远程联机系统，一台主机带多个终端（不是真正意义的网络）。
• 第二代（60 年代末）：计算机—计算机网络，标志是 1969 年美国 ARPANET（阿帕网），Internet 的前身。
• 第三代（70-80 年代）：网络体系结构标准化，出现 OSI 参考模型与 TCP/IP 协议簇。
• 第四代（90 年代至今）：Internet 普及与高速互联，移动互联网、物联网快速发展。

2网络的组成与分类

2.1 网络的逻辑组成

任何网络都由三要素构成：若干主机（节点）、一个通信线路/连接介质、一套通信协议。 物理上包括：计算机、网络接口卡、传输介质、网络设备以及协议软件。

2.2 按覆盖的地理范围分类（最常用分类）

2.3 按拓扑结构分类

拓扑结构指网络中节点与链路的几何排列形式：

2.4 其他分类方式

• 按传输介质：有线网（双绞线、光纤）与无线网（Wi-Fi、4G/5G）。
• 按交换方式：电路交换、报文交换、分组交换（现代计算机网络的主流，数据分成若干分组转发）。
• 按使用性质：公用网、专用网。

3网络体系结构

网络通信极其复杂，工程师采用分层思想：把大问题划分为若干功能相对独立的层，每层只与相邻层打交道， 上层使用下层的服务而不必关心其实现。

3.1 OSI 七层参考模型

国际标准化组织 ISO 提出的开放系统互连参考模型，从下到上共 7 层：

记忆口诀："物、链、网、传、会、表、应"（自下而上）。

3.2 TCP/IP 四层模型

TCP/IP 是 Internet 实际使用的体系结构，更简洁实用，只有四层（教学上也常把它拆成五层讲解）：

3.3 数据的封装与传递

发送方数据自上层向下传递时，每经过一层都加上本层的控制信息（首部，链路层还有尾部），称为封装： 应用数据 → TCP 报文段 → IP 数据报 → 帧 → 比特流；接收方再自下而上逐层解封装。 可形象理解为"套信封"：每一层套一个写好收发规则的信封，到对端再逐层拆开。

4常见网络协议

协议簇中最核心的是传输层的 TCP/UDP 与网络层的 IP。

4.1 TCP 与 UDP

4.2 应用层常用协议一览

5IP 地址、域名与 DNS

5.1 IPv4 地址

IP 地址是网络中主机的逻辑标识，IPv4 长 32 位，写成 4 个 0～255 的十进制数（点分十进制），如 192.168.1.100。 它由网络号 + 主机号两部分组成。按首字节范围分为 A～E 五类：

• 子网掩码：用于区分 IP 中的网络号与主机号，如 C 类默认 255.255.255.0。IP 与掩码按位"与"运算即得到网络地址。
• 私有地址：只能在局域网内部使用、不能在公网路由，如 192.168.x.x、10.x.x.x、172.16～31.x.x。家庭路由器常用 192.168.1.1。
• 特殊地址：127.0.0.1 为本机回环地址（localhost）。

5.2 IPv6

IPv4 地址仅约 43 亿个，早已枯竭。IPv6 长达 128 位，地址数量近乎无限，采用冒号分隔的十六进制表示， 如 2001:0db8::1，还内置了更好的安全性与自动配置能力，正在全球规模部署。

5.3 域名与 DNS

数字 IP 难以记忆，人们用域名访问网站，如 www.example.com。域名呈层次结构：

  www  .  moe  .  gov  .  cn
  ↑主机名    ↑二级域    ↑顶级域（国家域 cn / 通用域 com、org、edu）

DNS（域名系统）像互联网的"电话簿"：浏览器输入域名后，先向 DNS 服务器查询得到对应 IP 地址，再用 IP 建立连接。 URL（统一资源定位符）即网址，一般格式：协议://主机:端口/路径/文件名， 如 https://www.example.com:443/news/index.html。

6网络互连设备与传输介质

6.1 网络互连设备

6.2 传输介质

• 双绞线：最常用（网线），由两两绞合的铜线组成以减少干扰，分屏蔽 STP 与非屏蔽 UTP（如五类、六类线），RJ45 水晶头，适合室内短距离。
• 光纤：利用光的全反射传输光信号，带宽极大、距离远、抗电磁干扰、不导电，是骨干网和千兆/万兆宽带入户的主力；分单模（远距离）与多模（短距离）。
• 同轴电缆：早期以太网与有线电视使用。
• 无线传输：无线电波（Wi-Fi、蓝牙）、微波、红外线、卫星通信。

7Internet 与 WWW

Internet（因特网/互联网）是由全球无数网络通过 TCP/IP 协议互连而成的"网络的网络"。 1969 年 ARPANET 诞生；1991 年蒂姆·伯纳斯-李发明 WWW，使 Internet 从学术走向大众。

7.1 Web 的三个关键技术

• HTML 超文本标记语言：描述网页的结构与内容。
• HTTP 协议：浏览器与 Web 服务器之间请求—响应的规则（GET 取资源、POST 提交数据）。
• URL：资源在网上的唯一地址。后续还发展出 CSS（样式）、JavaScript（交互）。

7.2 一次网页访问发生了什么

1. 用户在浏览器输入 URL，浏览器调用 DNS 把域名解析成 IP 地址。
2. 浏览器与服务器的 443 端口建立 TCP 连接（HTTPS 还要完成 TLS 握手加密）。
3. 浏览器发送 HTTP 请求（请求首页文件）。
4. 服务器处理后以 HTTP 响应返回 HTML。
5. 浏览器解析 HTML，继续请求其中的 CSS、JS、图片并渲染呈现；用户操作可再次发起请求（B/S 模式）。

7.3 常见 Internet 服务

电子邮件、文件传输 FTP、搜索引擎、即时通信、网络音视频、电子商务、电子政务、在线教育、远程医疗…… 两种应用架构：B/S（浏览器/服务器，免安装、易维护）与 C/S（客户端/服务器，性能好、需安装，如微信 PC 版、网游）。

8网络安全基础

8.1 常见安全威胁

8.2 主要安全技术

• 防火墙：位于内网与外网之间，按规则允许或阻止数据包进出（有软件防火墙和硬件防火墙）。
• 数据加密：把明文变为密文，分对称加密（加密解密同密钥，如 AES）与非对称加密（公钥加密、私钥解密，如 RSA）。
• 数字签名与数字证书：验证信息发送者身份、保证数据完整性和不可否认性（HTTPS 的信任基础是 CA 证书）。
• 身份鉴别与访问控制：密码、短信验证码、U 盾、指纹/人脸等多因素认证；按权限最小化原则授权。
• 入侵检测（IDS/IPS）、杀毒软件、及时打补丁、数据备份。

8.3 安全使用习惯