1计算机网络概述
1.1 网络的主要功能
- 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。
- 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。
- 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)。
- 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。
- 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。
计算机网络 = 通信子网(负责数据传输,如线路、交换机)+ 资源子网(提供和使用资源的主机、软件数据);网络建立的主要目的是资源共享。
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)
| 类型 | 英文/范围 | 特点 |
|---|---|---|
| 个域网 | PAN,约 10 m 内 | 个人设备互联,如蓝牙耳机、Zigbee、UWB |
| 局域网 | LAN,几米~几公里 | 校园、办公楼、家庭网络;速度高、误码率低、单位自己建设管理 |
| 城域网 | MAN,一座城市 | 连接多个局域网,如城市政务网、光纤到户 |
| 广域网 | WAN,几十公里以上 | 跨城市、跨国,依托运营商线路;Internet 是最大的广域网 |
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:
总线型
所有节点共享一条总线;结构简单但主干故障全网瘫痪,易冲突
星型
节点都连到中心设备(交换机/集线器);易于维护,中心故障全网受影响
环型
节点连成闭合环,信号单向传递;光纤分布式 FDDI 曾用此结构
网状型
节点间有多条链路;可靠性最高,用于广域网骨干,成本高
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:
| 层 | 名称 | 主要功能 | 典型协议/设备 |
|---|---|---|---|
| 7 | 应用层 | 为应用程序提供网络服务 | HTTP、FTP、SMTP、DNS |
| 6 | 表示层 | 数据格式转换、加密压缩、编码 | JPEG、SSL 加解密 |
| 5 | 会话层 | 建立、管理和终止会话 | — |
| 4 | 传输层 | 端到端可靠传输、流量与差错控制 | TCP、UDP |
| 3 | 网络层 | 寻址与路由选择,跨网络转发分组 | IP、ICMP;路由器 |
| 2 | 数据链路层 | 相邻节点间成帧、差错检测、MAC 寻址 | Ethernet;交换机、网卡 |
| 1 | 物理层 | 在介质上传送原始比特流 | 双绞线、光纤;中继器、集线器 |
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):
| TCP/IP 四层 | 对应 OSI 层 | 典型协议 |
|---|---|---|
| 应用层 | 应用层 + 表示层 + 会话层 | HTTP、HTTPS、FTP、DNS、SMTP、POP3、DHCP、SSH |
| 传输层 | 传输层 | TCP、UDP |
| 网际层(互连网层) | 网络层 | IP(IPv4/IPv6)、ICMP、ARP |
| 网络接口层 | 数据链路层 + 物理层 | Ethernet、Wi-Fi、PPP |
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。
路由与交换的区别:交换机工作在数据链路层,根据 MAC 地址在同一局域网内转发帧;路由器工作在网络层,根据 IP 地址在不同网络之间选择路径转发分组。
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
TCP 传输控制协议
- 面向连接:传输前需"三次握手"建立连接
- 可靠:确认重传、差错校验、流量控制、拥塞控制
- 面向字节流,只支持一对一
- 开销较大,适合网页、邮件、文件传输
UDP 用户数据报协议
- 无连接:发送前不建立连接,即发即走
- 不保证可靠、不保证顺序,尽量交付
- 支持一对一、一对多、多对多
- 开销小、实时性好,适合直播、语音通话、DNS 查询
4.2 应用层常用协议一览
| 协议 | 全称/作用 | 默认端口 |
|---|---|---|
| HTTP/HTTPS | 超文本传输协议 / 其加密版本,浏览网页 | 80 / 443 |
| FTP | 文件传输协议,上传下载文件 | 21(控制连接) |
| SMTP | 简单邮件传输协议,发送邮件 | 25 |
| POP3 / IMAP | 接收邮件(IMAP 可在服务器端管理邮件) | 110 / 143 |
| DNS | 域名系统,把域名解析为 IP 地址 | 53 |
| DHCP | 动态主机配置协议,自动分配 IP 地址 | 67/68 |
| SSH | 安全远程登录与管理 | 22 |
| Telnet | 早期远程登录(明文,不安全) | 23 |
HTTP 是明文协议,数据可能被窃听篡改;HTTPS = HTTP + SSL/TLS 加密层,地址栏带小锁标志,涉及账号密码、支付的网站必须使用 HTTPS。
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:
| 类别 | 首字节范围 | 网络号/主机号 | 用途 |
|---|---|---|---|
| A 类 | 1~126 | 8 位网络号 + 24 位主机号 | 超大型网络 |
| B 类 | 128~191 | 16 + 16 | 中型网络 |
| C 类 | 192~223 | 24 + 8 | 小型局域网(最常见) |
| D 类 | 224~239 | — | 组播地址 |
| E 类 | 240~255 | — | 保留实验 |
- 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
| 设备 | 工作层 | 功能 |
|---|---|---|
| 网卡 NIC | 物理层/链路层 | 计算机联网的接口,拥有全球唯一的 MAC 地址(物理地址,48 位十六进制) |
| 中继器/集线器 Hub | 物理层 | 放大再生信号、延长传输距离;集线器所有端口共享带宽且广播(已基本淘汰) |
| 网桥/交换机 Switch | 数据链路层 | 根据 MAC 地址智能转发帧,每个端口独享带宽,是局域网核心设备 |
| 路由器 Router | 网络层 | 连接不同网络,根据 IP 地址选路转发,家庭宽带路由器还提供拨号、Wi-Fi、DHCP |
| 网关 Gateway | 高层 | 不同协议体系网络之间的转换设备,局域网主机访问外网的"出口" |
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
- 用户在浏览器输入 URL,浏览器调用 DNS 把域名解析成 IP 地址。
- 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)。
- 浏览器发送 HTTP 请求(请求首页文件)。
- 服务器处理后以 HTTP 响应返回 HTML。
- 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
| 威胁 | 说明 |
|---|---|
| 计算机病毒 | 能自我复制、附着在正常程序上并传播,发作时破坏文件或系统 |
| 木马 | 伪装成正常软件,暗中窃取信息或远程控制计算机(不主动自我复制) |
| 蠕虫 | 利用网络漏洞主动扫描传播,常造成网络拥塞(如勒索软件 WannaCry) |
| 黑客攻击 | 暴力破解、SQL 注入、XSS、DDoS 拒绝服务攻击等 |
| 钓鱼网站 | 仿冒银行/购物网站骗取账号密码 |
| 信息泄露与篡改 | 在传输或存储中被窃听、截获、修改 |
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
① 及时更新系统和软件;② 安装杀毒软件并开启防火墙;③ 不点击陌生链接和附件、不安装来源不明的软件; ④ 不同网站使用不同强密码并开启二次验证;⑤ 重要数据定期备份(321 原则:3 份副本、2 种介质、1 份异地);⑥ 公共 Wi-Fi 下谨慎进行支付操作。
本章小结:计算机网络以分层模型组织复杂通信——OSI 七层是理论标准,TCP/IP 四层是 Internet 事实标准; IP 负责寻址选路,TCP/UDP 负责端到端传输,HTTP/DNS 等应用层协议支撑了 WWW;交换机管局域网、路由器连不同网络;开放与安全始终是网络的一体两面。下一章学习如何通过程序设计指挥计算机解决问题。