高校春季计算机网络重点讲义

高校春季计算机网络重点讲义第一章计算机网络体系结构与核心模型计算机网络的核心是体系结构，它定义了网络组件间的通信规则与层次分工。目前主流的体系结构有两种：OSI七层模型（开放式系统互联参考模型）与TCP/IP四层模型（因特网核心模型）。1.1OSI七层模型（逻辑分层）OSI模型从下到上分为：物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层、应用层。每层承担独立功能，通过“层间接口”传递数据（以“协议数据单元PDU”形式）：物理层：负责比特流的传输（如电信号、光信号），定义传输介质（双绞线、光纤）、接口标准（RJ-45、LC）。数据链路层：将比特流封装为“帧”，处理差错（CRC校验）、接入控制（如CSMA/CD），典型协议如以太网（Ethernet）、PPP。网络层：负责“端到端”的逻辑寻址与路由选择，核心是IP协议，将数据报从源主机转发到目标主机。传输层：提供“进程间”的可靠/不可靠通信，TCP（可靠）与UDP（不可靠）是核心协议。1.2TCP/IP四层模型（实际应用）TCP/IP模型更贴近实际网络，分为：网络接口层、网络层、传输层、应用层。它与OSI的对应关系为：网络接口层→物理层+数据链路层；网络层→OSI网络层；传输层→OSI传输层；应用层→OSI会话+表示+应用层。TCP/IP的核心是IP协议（网络层）与TCP/UDP协议（传输层），它们共同支撑了因特网的通信基础。1.3分层的意义分层设计让网络功能“模块化”：每层只需关注自身职责，降低复杂度（如物理层升级光纤，不影响传输层的TCP协议）。同时，分层也便于故障排查（如网络不通时，可从物理层开始逐层排查）。第二章物理层与数据链路层：网络通信的“底层基石”2.1物理层：信号与介质的“对话”物理层的核心是信号传输与介质适配：传输介质：双绞线（如超五类、六类，支持100Mbps~10Gbps）、光纤（单模/多模，长距离高速传输）、无线（电磁波，如WiFi的2.4G/5G频段）。编码方式：将数字信号转换为适合传输的形式，如曼彻斯特编码（每个比特中间有跳变，用于同步，以太网早期采用）、差分曼彻斯特编码（跳变仅表示逻辑变化）。接口标准：如RJ-45（双绞线以太网接口）、LC/SC（光纤接口）、RS-232（串口，早期串口通信）。2.2数据链路层：“帧”的封装与管理数据链路层的核心是帧的处理与介质访问控制（MAC）：帧结构：以太网帧包含“前导码（同步）、目的MAC、源MAC、类型（上层协议）、数据、CRC（差错校验）”。MAC地址：48位二进制（如`____`），全球唯一，用于局域网内设备识别。介质访问控制：解决“多设备共享传输介质”的冲突问题：CSMA/CD（带冲突检测的载波监听多路访问）：以太网早期（总线型）的机制，设备先监听，无信号则发送，若冲突则退避重发。CSMA/CA（带冲突避免的载波监听多路访问）：无线局域网（WiFi）的机制，发送前先“预约”信道（RTS/CTS帧），避免隐藏终端问题。VLAN（虚拟局域网）：通过交换机将物理局域网划分为多个逻辑子网，隔离广播域，提升安全性与性能。配置时需在交换机端口指定VLANID（如VLAN10、VLAN20）。第三章网络层：“端到端”的路由与寻址3.1IP地址与子网划分IP地址是网络层的逻辑地址，分为IPv4（32位，如`192.168.1.1`）与IPv6（128位，如`2001:db8::1`）。IPv4分类：A类（`1.0.0.0~126.255.255.255`）、B类（`128.0.0.0~191.255.255.255`）、C类（`192.0.0.0~223.255.255.255`），但现代网络多采用无类别域间路由（CIDR），如`192.168.1.0/24`（子网掩码`255.255.255.0`，24位网络位）。子网划分：将大网段拆分为小网段（如`192.168.1.0/24`拆为`192.168.1.0/26`和`192.168.1.64/26`），减少广播域大小，提升网络效率。3.2路由选择与路由协议路由的核心是将数据报从源IP转发到目标IP，分为：静态路由：管理员手动配置路由表（如路由器上`iproute192.168.2.0255.255.255.010.0.0.1`），适合小型网络。动态路由：路由器通过协议自动学习路由，如RIP（距离矢量，基于跳数）、OSPF（链路状态，基于带宽/延迟）、BGP（边界网关协议，因特网骨干网路由）。3.3ARP与ICMP：网络层的“辅助工具”ARP（地址解析协议）：将IP地址转换为MAC地址（如主机要访问`192.168.1.10`，会发送ARP请求：“谁有`192.168.1.10`？请告诉我你的MAC”），缓存表（ARP表）超时后会重新请求。ICMP（因特网控制报文协议）：用于网络诊断，如`ping`（发送ICMP回显请求，测试连通性）、`traceroute`（跟踪路由，显示每一跳的延迟）。第四章传输层：“进程间”的可靠通信4.1TCP与UDP的核心区别传输层的两大协议：TCP（传输控制协议）与UDP（用户数据报协议）：UDP：无连接、不可靠（无确认、无重传）、低延迟，适合实时性要求高的场景（如视频流、游戏、DNS）。4.2TCP的“三次握手”与“四次挥手”三次握手（建立连接）：1.客户端（C）→服务器（S）：SYN（同步序列号）包，请求建立连接。2.S→C：SYN+ACK包，确认客户端的SYN，并发送自己的SYN。3.C→S：ACK包，确认服务器的SYN，连接建立。*（为什么是三次？两次握手可能导致“已失效的连接请求”被服务器错误接收，三次可确保双方都准备好。）*四次挥手（断开连接）：1.C→S：FIN（结束）包，请求断开。2.S→C：ACK包，确认FIN（此时服务器可能还有数据未发送）。3.S→C：FIN包，服务器数据发送完毕，请求断开。4.C→S：ACK包，确认FIN，连接断开。*（为什么是四次？因为TCP是全双工通信，双方都需独立关闭发送端。）*第五章应用层：“用户可见”的网络服务5.1典型应用层协议应用层协议直接为用户提供服务，常见的有：5.2应用层的“会话”与“安全”第六章实践与常见问题分析6.1实验指导：用Wireshark抓包分析TCP连接1.打开Wireshark，选择本地网卡，过滤条件设为`tcp`。3.分析数据包：找到SYN包（Flags为`SYN`）、SYN+ACK包（Flags为`SYN,ACK`）、ACK包（Flags为`ACK`），观察序列号、确认号的变化。6.2常见网络故障排查物理层故障：检查网线是否插好、光纤是否断连（用测线仪或光功率计）、接口灯是否亮。数据链路层故障：查看交换机端口的VLAN配置是否正确（`showvlanbrief`）、MAC地址表是否有异常（`showmacaddress-table`）。网络层故障：用`ipconfig`（Windows）或`ifconfig`（Linux）查看IP地址是否正确，`ping`网关测试连通性，`traceroute`跟踪路由跳数。传输层/应用层故障：检查端口是否被占用（`netstat-ano`）、服务是否正常运行（如Web服务器的Apache/Nginx进程）。总结与复习建议计算机网络的核心是“分层协作”：从物理层的信号传输，到应用层的用户服务，每层都有明确的职责。复习时建议：1.