计算机网络基础知识学习笔记

计算机网络基础知识学习笔记一、计算机网络概述1.1什么是计算机网络计算机网络，顾名思义，是将分布在不同地理位置、具有独立功能的多台计算机系统，通过通信线路和通信设备连接起来，在网络操作系统、网络管理软件及网络通信协议的管理和协调下，实现资源共享和信息传递的系统。它不仅仅是硬件的连接，更是软件和协议共同作用的结果。1.2网络的主要功能与目的构建计算机网络的核心目的在于资源共享与信息交换。具体而言，包括：*硬件资源共享：如共享打印机、存储设备等。*软件资源共享：如共享应用程序、数据文件等。*信息交换：这是网络最基本的功能，电子邮件、即时通讯、文件传输等均为此服务。*分布式处理：将复杂任务分解，由网络中多台计算机协同完成。1.3网络的分类网络的分类方式多样，常见的有：*按覆盖范围：局域网（LAN）、城域网（MAN）、广域网（WAN）。LAN通常局限于较小区域，如办公室、家庭；WAN则覆盖广阔地理范围，如互联网。*按拓扑结构：总线型、星型、环型、树型、网状型等。拓扑结构影响网络的可靠性、成本和管理方式。*按传输介质：有线网络（双绞线、同轴电缆、光纤）和无线网络（无线电波、红外线）。二、网络体系结构：从OSI到TCP/IP2.1协议与分层的重要性网络通信是复杂的，为了降低复杂度，引入了分层思想。每层负责特定功能，并通过协议（即规则的集合）与上下层交互。每一层对上一层提供服务，对下一层屏蔽实现细节。2.2OSI七层参考模型国际标准化组织（ISO）提出的开放系统互连（OSI）参考模型，将网络通信分为七层，从下至上分别是：1.物理层（PhysicalLayer）：在物理介质上传输原始比特流。关注机械特性、电气特性、功能特性和过程特性。如网线、网卡、集线器（Hub）工作在此层。2.数据链路层（DataLinkLayer）：将原始的物理连接转变成可靠的数据链路。负责帧的封装、差错检测与纠正（有限）、流量控制、以及MAC地址寻址。交换机（Switch）主要工作在此层。3.网络层（NetworkLayer）：负责将数据包从源主机通过最佳路径路由到目的主机，实现不同网络之间的互连。核心是IP地址和路由选择。路由器（Router）工作在此层。4.传输层（TransportLayer）：为源主机和目的主机之间提供端到端的可靠数据传输服务。主要协议有TCP（面向连接、可靠）和UDP（无连接、不可靠但高效）。5.会话层（SessionLayer）：负责建立、管理和终止应用程序之间的会话连接。如对话控制、同步等。在TCP/IP模型中，其功能多被整合到应用层或传输层。6.表示层（PresentationLayer）：处理数据的表示形式，确保不同格式的应用程序能相互理解。如数据格式转换、加密解密、压缩解压。2.3TCP/IP四层/五层模型OSI模型过于理想化，实际应用中广泛采用的是TCP/IP协议簇，它通常被描述为四层或五层模型：*四层模型：网络接口层（对应OSI物理+数据链路）、网际层（IP层，对应OSI网络层）、传输层（TCP/UDP，对应OSI传输层）、应用层（对应OSI会话+表示+应用层）。*五层模型：在四层模型的网络接口层中分离出物理层和数据链路层，形成物理层、数据链路层、网络层、传输层、应用层。这种划分更贴近实际教学和理解。核心思想：TCP/IP协议簇的设计注重实用性和简洁性，而非严格的分层隔离。2.4数据封装与解封装过程数据在网络中传输时，从上到下逐层添加头部（有时还有尾部）信息，这个过程称为封装。到达目的地后，再从下到上逐层去除头部信息，提取原始数据，称为解封装。每层的头部包含了该层协议所需的控制信息，如地址、端口、校验和等。这个过程就像寄信，每层都相当于给信件添加不同的信封或标签。三、物理层与数据链路层详解3.1物理层基本概念物理层关注的是电信号、光信号或无线电信号如何在传输介质上传输二进制数据（0和1）。它定义了线缆的类型、接口形状、信号的电压范围、传输速率等。常见的物理层标准如Ethernet的各种双绞线标准（如超五类线）、光纤标准等。3.2数据链路层核心技术*帧（Frame）：数据链路层的基本传输单元，包含帧头（如MAC地址）、数据部分和帧尾（如CRC校验）。*MAC地址：媒体访问控制地址，是网络接口卡（NIC）的硬件地址，全球唯一，用于在局域网内标识设备。通常表示为六个十六进制数，如AA:BB:CC:DD:EE:FF。*媒体访问控制（MAC）协议：如以太网使用的CSMA/CD（带冲突检测的载波监听多路访问），无线局域网使用CSMA/CA（带冲突避免的载波监听多路访问）。*差错控制：通过CRC（循环冗余校验）等机制检测数据传输错误。*流量控制：防止发送方发送数据过快淹没接收方。四、网络层：路由与互联的核心4.1IP协议与IP地址IP协议是网络层的核心协议。IP地址是网络中标识主机的逻辑地址，IPv4地址由32位二进制数组成，通常表示为点分十进制形式（如）。IP协议负责将数据包从源IP地址发送到目的IP地址。*IP地址结构：由网络号和主机号组成，通过子网掩码区分。*子网划分：将一个大的IP网络划分为多个小的子网，提高地址利用率和网络安全性。*IPv6：为解决IPv4地址耗尽问题而推出的新一代IP协议，采用128位地址空间，格式更为复杂，但地址数量极大。4.2路由与路由协议路由是指选择路径将数据包从源网络发送到目的网络的过程。路由器是实现路由功能的核心设备。*路由表：路由器中存储的路径信息表，包含目的网络、下一跳地址、出接口等。*静态路由与动态路由：静态路由由管理员手动配置；动态路由则由路由协议（如RIP、OSPF、BGP）自动学习和更新。动态路由协议通过交换路由信息，构建和维护路由表。4.3ARP协议地址解析协议（ARP）用于将IP地址解析为对应的MAC地址。当主机需要向同一局域网内另一主机发送数据时，它会先查询ARP缓存，如果没有，则发送ARP广播请求，拥有该IP地址的主机会回复其MAC地址。五、传输层：端到端的可靠交付5.1传输层的作用与服务传输层位于网络层之上，为应用程序提供端到端的逻辑通信。它弥补了网络层提供的尽力而为（best-effort）服务的不足，提供了更可靠、更灵活的数据传输服务。主要功能包括端口寻址、分段与重组、连接管理、流量控制、拥塞控制和差错控制。5.2TCP协议详解传输控制协议（TCP）是一种面向连接的、可靠的传输层协议。*面向连接：通信前需要通过“三次握手”建立连接，通信结束后通过“四次挥手”释放连接。*可靠传输：通过序号、确认号、重传机制、校验和等确保数据无差错、不丢失、不重复、按序到达。*流量控制：通过滑动窗口机制，使发送方的发送速率与接收方的接收能力相匹配。*拥塞控制：通过慢开始、拥塞避免、快重传、快恢复等算法，避免网络因过载而拥塞。5.3UDP协议详解用户数据报协议（UDP）是一种无连接的、不可靠的传输层协议。*无连接：通信前不需要建立连接，直接发送数据。*不可靠：不保证数据的可靠交付，没有重传机制，可能丢失、重复或乱序。*高效性：头部开销小（8字节），传输速度快，延迟低。适用于对实时性要求高但能容忍少量丢包的应用，如视频流、音频通话、DNS查询等。5.4端口号的作用六、应用层：网络服务的“窗口”应用层是用户与网络的接口，直接为应用程序提供服务。常见的应用层协议及其功能：*FTP/SFTP：文件传输协议，用于在客户端和服务器之间传输文件。SFTP是SSHFileTransferProtocol的缩写，更为安全。*SMTP/POP3/IMAP：简单邮件传输协议（SMTP）用于发送邮件；邮局协议（POP3）和互联网消息访问协议（IMAP）用于接收邮件。*Telnet/SSH：用于远程登录到其他计算机。Telnet不安全，数据明文传输；SSH则提供加密的安全远程登录。七、网络安全基础与常用排障工具7.1网络安全基本概念网络安全是一个广泛的议题，涉及数据机密性、完整性、可用性等。常见的安全威胁包括病毒、木马、蠕虫、黑客攻击、DDoS攻击、网络钓鱼等。基本的防护措施有防火墙（packetfiltering,statefulinspection）、入侵检测/防御系统（IDS/IPS）、数据加密、访问控制、安全意识教育等。7.2常用网络命令与排障思路掌握一些基本的网络命令有助于日常的网络故障排查：*ping：测试网络连通性，发送ICMP回显请求报文。*tracert(Windows)/traceroute(Linux/macOS)：追踪数据包从源到目的所经过的路由节点。*ipconfig(Windows)/ifconfig(Linux/macOS)/ipaddr：查看和配置本机网络接口信息（IP地址、子网掩码、网关等）。*netstat：查看网络连接状态、端口占用情况等。*nslookup/dig：用于DNS域名解析查询。排障思路通常遵循从物理层到应用层，或从本地到远端的逐步排查方法，定位问题所在。八、总结与展望计算机网络是现代信息社会的基石，理解其基本原理和核心技术对于任何从事IT相关