计算机网络基础知识

计算机网络的定义与组成、分类

网络的发展、常识（⭐⭐⭐⭐）

网络的发展始于20世纪60年代，当时为了应对军事需求，美国国防部高级研究计划局（ARPA）创建了一个分组交换网络，即ARPANET。这是互联网的前身，它允许不同地区的计算机通过电话线连接在一起，共享信息。

在80年代，TCP/IP协议得到广泛应用，成为互联网的基础。1989年，计算机科学家 蒂姆·伯纳斯-李（Tim Berners-Lee）发明了万维网（World Wide Web），它使用HTML和HTTP协议，让用户能够更方便地浏览和分享信息。

1990年代，互联网迅速发展，人们开始广泛使用电子邮件、搜索引擎、即时通讯和在线购物等服务。这一时期也出现了许多著名的互联网公司，如谷歌和亚马逊。

21世纪初，互联网进入移动时代，智能手机和移动设备的普及使得更多人能够随时随地上网。社交媒体、移动应用和云计算等技术也应运而生，改变了人们的生活方式。

第一阶段：1969 年美国国防部建立了世界上第一个ARPANET网络。
第二阶段：三级结构网络阶段，1985 年，美国国家科学基金会 NSF 围绕六个大型的计算机中心建设计算机网络，即国家科学基金网 NSFNET。它是第一个三级网络，分为主干网、地区网和校园网（企业网）。
第三阶段：特点是逐渐形成多层次的 ISP（Internet Service Provider，因特网服务提供商）结构的 Internet。。任何机构或个人可以向 ISP 缴纳费用，从而获取 IP 地址， 获取网络服务。
三网融合：“三网”指的是“电信网络”、“有线电视网络”、“计算机网络”。 三网融合是指电信网、计算机网和有线电视网三大网络通过技术改造，能够提供包括语音、数据、图像等综合多媒体的通信业务。三网融合并不意味着三大网络的物理合一，而主要是指高层业务应用的融合。

互联网的常识包括以下几点：

1. 保护个人隐私：在线时要注意保护个人信息，避免泄露敏感数据，如密码、身份证号和银行账户等。

2. 网络安全：使用防火墙和杀毒软件保护设备，遵循安全的网络习惯，如不点击可疑链接和下载来源不明的文件。

3. 知识产权：尊重他人的著作权和知识产权，不要随意传播盗版内容。

4. 网络素质：保持文明礼貌的在线行为，尊重不同观点，避免网络暴力和人身攻击。

5. 信息筛选：学会辨别网络信息的真实性，不轻信谣言和不实信息，避免传播错误信息。

计算机网络的定义

计算机网络： 是一个将分散的、具有独立功能的计算机系统，通过通信设备与线路连接起来，由软件实现资源共享和信息传递的。

计算机网络是互连（互联互通）、自治（无主从关系）的计算机集合。

计算机网络的功能

一、数据通信（联通性）
二、资源共享（硬件，软件，数据）
三、分布式处理：多台计算机承担同一任务的不同部分
四、提高可靠性（替代机）
五、负载均衡

计算机网络的组成

硬件部分：包括终端设备（如计算机、手机等）、网络设备（如路由器、交换机等）和传输媒介（如光纤、电缆等）
软件：包括网络操作系统、网络协议（如TCP/IP协议）和各种网络应用程序。
协议： 一系列规则和约定的集合

计算机网络的分类

1. 局域网（LAN）：覆盖范围小，一般在一个建筑物或一个校园内。
2. 城域网（MAN）：覆盖一个城市，例如电缆电视网络。
3. 广域网（WAN）：覆盖范围广，可以跨越国家、洲际。

计算机网络的性能指标主要包括（⭐⭐⭐⭐）

1. 速度：也称为带宽，表示网络传输数据的速率，通常以比特每秒（bps）为单位。
2. 延迟：数据从发送到接收之间的时间延迟。
3. 吞吐量：单位时间内通过某个网络（或网络部分）的数据量。
4. 可靠性：包括错误率和稳定性。错误率是数据在传输过程中出错的概率，稳定性是网络在长期运行过程中可靠性的持续性。
5. 安全性：保护网络中数据的安全性，防止数据丢失、篡改或非法访问。

网络体系结构

OSI模型定义

OSI（Open Systems Interconnection）参考模型是一个描述和理解复杂网络系统如何工作的理论框架，它将网络通信过程划分为七个层次，每一层都有特定的职责和任务。

OSI模型七层定义

1. 物理层：它负责在物理媒介（如电缆或无线电波）上发送和接收原始的未加工比特流。这涵盖了电压、线路规格、针脚、缆插头、集线器、中继器、网卡、主机接口等。

2. 数据链路层：它将原始比特流组合成"帧"，每一帧都有一定的格式，并且可以进行错误检测和修正。这一层还负责物理寻址和流量控制。

3. 网络层：负责数据包的发送和接收，包括路由选择和网络互联，处理网络阻塞和排队等问题。

4. 传输层：它负责端到端的数据传输，包括错误检测和修复、数据流量控制等。主要协议有TCP和UDP。

5. 会话层：建立、管理和终止网络会话。一个会话包括了数据传输的开始和结束。

6. 表示层：对数据进行转换、加密和解密、压缩和解压缩等，以确保数据能够在发送和接收计算机之间正确传输。

7. 应用层：这是最靠近用户的一层，提供各种网络应用服务，如HTTP、FTP、SMTP、DNS等。

OSI原理

OSI模型的主要原理是将网络通信的复杂过程划分为不同的层次，每一层只需要关心与其直接相关的问题，不需要了解其他层的具体实现细节。这种分层的设计使得网络协议的开发和修改变得更加灵活和方便。

TCP/IP模型（⭐⭐⭐⭐⭐）

TCP提供一种可靠的、面向连接的数据传输服务。"面向连接"意味着在数据传输开始之前，发送端和接收端需要建立一个连接。"可靠"意味着TCP会保证数据的正确传输，如果发生数据丢失或错误，TCP会进行重传。

然而， 当我们谈论TCP/IP模型的网络层时，我们指的是IP（互联网协议）。IP层提供的是无连接、不可靠的数据报服务。"无连接"意味着数据报可以独立地发送，不需要建立连接。"不可靠"意味着IP层并不保证数据报的正确传输，也不会进行重传。

TCP/IP模型是互联网通信中使用的一个网络模型，它将网络通信过程划分为四个层次，分别为：

1. 网络接口层：这一层与OSI模型中的物理层和数据链路层相对应。它负责将数据帧从一台计算机发送到另一台计算机，处理物理寻址、网络拓扑等问题。常见的协议有Ethernet（以太网）、Wi-Fi等，相关设备有集线器、交换机、网卡等。

2. 网络层：与OSI模型中的网络层相对应，负责数据包的发送和接收，包括路由选择和网络互联。主要协议有 IP（Internet Protocol）、ICMP（Internet Control Message Protocol）、IGMP（Internet Group Management Protocol） 等，相关设备有路由器。

4. 传输层：与OSI模型中的传输层相对应，负责端到端的数据传输和流量控制。主要协议有 TCP（Transmission Control Protocol）和UDP（User Datagram Protocol）。

5. 应用层：这一层与OSI模型中的会话层、表示层和应用层相对应，负责提供各种网络应用服务。主要协议有 HTTP（Hypertext Transfer Protocol）、FTP（File Transfer Protocol）、SMTP（Simple Mail Transfer Protocol）、DNS（Domain Name System） 等。

TCP/IP模型的主要功能是提供一种可靠的、面向连接的数据传输服务，并能够在各种网络环境中实现数据的有效传输。这是通过TCP/IP协议栈实现的，它是一组用于实现网络通信的协议集合。

网络层协议：IP、ICMP、ARP、RARP

IP（Internet Protocol）：IP是网络层的核心协议，负责将数据包从源主机路由到目的主机。IP协议定义了每个主机的唯一IP地址，所有的网络设备都必须支持IP协议。IP协议既可用在局域网中，也可用在广域网中。

ICMP（Internet Control Message Protocol）：ICMP协议主要用于IP网络中的错误报告和诊断。例如，当一个路由器无法将数据包转发到目的地时，它可以发送一个ICMP消息给源主机，通知其数据包未能成功送达。

ARP（Address Resolution Protocol）：ARP协议用于将网络层的IP地址解析为数据链路层的物理地址（如MAC地址）。当主机或路由器需要将数据包发送给目的IP地址，但不知道其对应的MAC地址时，可以使用ARP协议来获取。

RARP（Reverse Address Resolution Protocol）：RARP协议是ARP协议的反向过程，它可以将物理地址（如MAC地址）解析为IP地址。RARP主要用于无盘工作站在启动时获取自己的IP地址。

传输层协议：TCP、UDP，区别

传输层主要负责在网络层的基础上提供端到端的数据传输服务。TCP（Transmission Control Protocol）和UDP（User Datagram Protocol）是两种最常用的传输层协议。它们的区别如下：

连接性：

TCP是一种面向连接的协议，通信双方在数据传输前需要建立连接。数据传输完成后，连接需要被释放。
UDP是一种无连接的协议，通信双方不需要建立连接就可以直接发送数据。

可靠性：

TCP提供可靠的数据传输，通过序列号、确认应答、超时重传、流量控制和拥塞控制等机制，确保数据包正确无误地到达目的地。
UDP不提供可靠性保证，数据包可能会丢失、重复或者乱序到达目的地。

应用层协议：HTTP、HTTPS、FTP、DNS、DHCP、邮件协议等

应用层协议是网络通信中的最高层协议，它们定义了具体的网络应用服务和数据交换格式。以下是一些主要的应用层协议：

HTTP（HyperText Transfer Protocol）：HTTP是用于网页浏览的应用层协议。它定义了客户端和服务器之间请求和响应的格式。

HTTPS（HTTP Secure）：HTTPS是HTTP的安全版，它在HTTP的基础上加入了SSL/TLS协议，以实现数据的加密传输。

FTP（File Transfer Protocol）：FTP协议用于在网络中进行文件传输。FTP协议定义了客户端和服务器之间的文件上传和下载操作。

DNS（Domain Name System）：DNS协议用于将人类可读的域名解析为机器可读的IP地址。

DHCP（Dynamic Host Configuration Protocol）：DHCP协议用于动态地分配IP地址给网络中的设备。

邮件协议：邮件协议包括SMTP（Simple Mail Transfer Protocol）、IMAP（Internet Message Access Protocol）和POP3（Post Office Protocol version 3）。SMTP用于发送邮件，而IMAP和POP3用于接收邮件。IMAP和POP3的主要区别在于，IMAP允许用户在多台设备上同步查看邮件，而POP3则是将邮件下载到本地设备后删除服务器上的邮件。

常见协议默认端口

在计算机网络中，端口是一种抽象的软件结构，用于区分不同的服务或应用。

HTTP（HyperText Transfer Protocol）：默认端口80，用于非加密的网页浏览。

HTTPS（HTTP Secure）：默认端口443，用于加密的网页浏览。

FTP（File Transfer Protocol）：默认端口20和21，用于文件传输。20用于数据传输，21用于命令传输。

DNS（Domain Name System）：默认端口53，用于域名解析。

DHCP（Dynamic Host Configuration Protocol）：默认端口67（用于服务器）和68（用于客户端），用于动态分配IP地址。

SMTP（Simple Mail Transfer Protocol）：默认端口25，用于发送邮件。

POP3（Post Office Protocol version 3）：默认端口110，用于接收邮件。

IMAP（Internet Message Access Protocol）：默认端口143，用于接收邮件，支持多设备同步。

Telnet：默认端口23，用于远程控制。

SSH（Secure Shell）：默认端口22，用于安全的远程控制。

网络设备

网络传输介质与设备

集线器（Hub）：工作在物理层，用于连接多台设备，将进来的信号发送到所有连接的设备。不具备数据包过滤或转发功能。

中继器（Repeater）：工作在物理层，用于放大和再生网络信号，以延长信号的传输距离。

网桥（Bridge）：工作在数据链路层，可以根据MAC地址过滤和转发数据包，通常用于连接相同类型的网络。

交换机（Switch）：工作在数据链路层，具有学习MAC地址并通过它来过滤和转发数据包的功能，通常用于构建局域网。

路由器（Router）：工作在网络层，根据IP地址转发数据包，可以连接不同类型的网络，并能选择最佳路径进行转发。

网关（Gateway）：工作在所有七层，可以实现不同网络环境之间的通信，例如，LAN和WAN之间的通信。

传输介质： 是数据在网络中传输的物理媒介，如双绞线、光纤、无线电波等。

双绞线： 成本低，但传输距离和速度有限。

光纤： 传输距离远，速度快，但成本较高。

无线电波： 无需物理连接，方便移动设备的接入，但受环境影响较大。

网络交换技术

电路交换：在通信开始之前，需要建立一条物理通信路径。这种路径在通信过程中是固定的，直到通信结束才释放。常用于电话通信系统。

报文交换：不需要预先建立通信路径，而是将整个报文作为一个单位进行发送。报文在交换节点中存储后转发，可以实现不同时刻的动态路由选择。

分组交换：与报文交换类似，但将数据划分为小的数据包进行发送。每个数据包可以独立选择路由，更适合于因特网这样的大规模网络。

综合业务数字交换（ISDN）：通过数字技术和分组交换技术，提供语音、数据和视频等多种服务。在一条通信线路上可以同时传输多种类型的数据。

这四种交换技术代表了网络通信技术的发展和进步，从电路交换的固定通信路径，到报文和分组交换的动态路由选择，再到ISDN的多种服务整合，都体现了网络通信技术的灵活性和多样性。

IP地址与域名（⭐⭐⭐⭐⭐）

IP地址：是Internet Protocol（因特网协议）地址的缩写，用于标识网络上的设备。

结构：

IPv4地址由32位二进制数字组成，通常分为4组，每组8位，用点分十进制表示，例如：192.168.1.1。IPv6地址由128位二进制数字组成，分为8组，每组16位，用冒号分隔的十六进制表示，例如：2001:0db8:85a3:0000:0000:8a2e:0370:7334。

分类：

IPv4地址可以分为A、B、C、D和E类。A类用于大型网络，B类用于中型网络，C类用于小型网络，D类用于多播，E类保留用于实验。

D类: 224 - 239 广播地址

E类: 240 - 255 研究地址

私有地址：

是为了解决公网IP地址不足的问题，用于内部局域网。私有地址不会在公网中出现。IPv4私有地址范围如下：

A类：10.0.0.0 - 10.255.255.255

B类：172.16.0.0 - 172.31.255.255

C类：192.168.0.0 - 192.168.255.255

子网划分：子网掩码、子网划分方法

子网划分： 是将一个大的IP网络分割成若干个较小的网络，每个小网络被称为一个子网。

子网掩码： 是用来确定任意一个IP地址的网络部分和主机部分。子网掩码和IP地址一样，由四个字节组成，每一位为0表示对应的IP地址位是主机位，为1则表示网络位。例如，子网掩码255.255.255.0表示前24位是网络位，后8位是主机位。

子网划分方法： 通常通过改变子网掩码的方式来实现。例如，原来的子网掩码是255.255.255.0，如果我们将子网掩码改为255.255.255.128，那么原来的网络就被划分为了两个子网。

子网划分可以更有效地管理IP地址，提高IP地址的利用率，降低网络的广播流量，提高网络的性能和安全性。

网络管理与常用命令（⭐⭐⭐⭐）

网络管理五大功能

1. 故障管理：主要是检测、隔离和修复网络中的故障，保证网络的正常运行。

2. 配置管理：主要是对网络设备的配置进行管理，包括设备的添加、修改、删除等操作，以及对配置信息的备份和恢复。

3. 性能管理：主要是对网络的运行性能进行监控和调整，包括网络的带宽利用率、数据传输速率、网络延时等。

4. 安全管理：主要是保护网络不受非法访问和攻击，包括用户身份验证、权限管理、防火墙设置等。

5. 计费管理：主要是对网络使用者的使用情况进行计费，包括流量计费、时间计费等。

网络管理软件：
是用来实现网络管理功能的软件，例如Cisco的网络管理软件Cisco Prime Infrastructure，微软的网络管理软件System Center Operations Manager等。这些软件可以帮助网络管理员更方便地进行网络管理。

网络管理常用命令

Ping：用来测试网络连接的质量和速度，它通过发送ICMP Echo请求报文，然后等待并接收Echo应答报文来检测网络。

Ipconfig：用于查看和设置Windows系统中网络接口的IP配置信息，包括IP地址、子网掩码、默认网关等。

Arp：用于查看和操作ARP缓存表。ARP是Address Resolution Protocol的缩写，用于将IP地址映射为物理地址。

Route：用于查看和修改路由表。路由表是网络设备中用来决定数据包转发路径的一种表格。

这些命令都是用于网络故障诊断和网络配置的常用工具，对于网络管理员来说非常重要。

命令示范

1. Ping：

ping www.example.com

这个命令将向www.example.com发送ICMP Echo请求报文，然后接收并显示返回的Echo应答报文，以此来检测网络连接的质量和速度。

2. Ipconfig：

ipconfig /all

这个命令将显示Windows系统中所有网络接口的IP配置信息，包括IP地址、子网掩码、默认网关等。

3. Arp：

arp -a

这个命令将显示ARP缓存表中的所有IP地址和对应的物理地址。

4. Route：

route print

这个命令将显示当前系统的路由表，包括目的网络、子网掩码、网关、接口等信息。