计算机网络

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2025-04-09

1. 计算机网络概述

1.1 计算机网络的概述

计算机网络（Computer Network）是一种将地理位置不同的、功能独立的多台计算机及其 peripheral equipment 连接起来的通信系统。它利用通信线路、中继器、集线器、网卡等物理媒介，将多台计算机连接在一起，实现信息交换、资源共享和数据传输。

1.2 计算机网络的功能

数据通信
资源共享
计算资源共享

1.3 计算机网络的分类

根据通信范围的不同，计算机网络可分为以下三种类型：

局域网（LAN）
- 局限在小的地理区域内或单独的建筑物内 , 范围：几十米～几公里
- 传输速度快
- 链接设备：集线器、网桥、交换机等
- 应用：局域网电脑网络、局域网服务器、局域网文件共享、局域网打印机等

城域网 (MAN)
- 规模局限在一个城市的范围内, 范围：几公里～几十公里
- 链接设备：光纤、路由器、交换机等
- 应用：城域网电话网络、互联网、视频流、电子邮件、文件传输、电子商务等

教育城域网

广域网 (WAN)

网络跨越国界、洲界，甚至全球范围
典型代表：Internet
链接设备：海底光缆

子网与公网：

子网：局域网内的网络，通常由路由器进行分割，实现不同网络之间的通信。
公网：互联网，由多个网络互联互通，实现不同地区的计算机之间的通信。

1.4 计算机网络的组成

计算机网络由以下几个主要的组成部分：

节点（Node）：网络中具有一定功能的计算机或设备，如主机、路由器、交换机等。
链路（Link）：连接两个节点的物理线路，如电缆、光纤等。
协议（Protocol）：规定了网络通信的规则、格式、时序、同步、错误处理等。
服务（Service）：网络中提供的各种功能，如文件传输、电子邮件、远程登录等。

1.5 常见的网络设备

计算机网络中常见的设备有：

集线器（Hub）：将多个计算机连接到一根总线上，实现数据通信。

集线器是一种多端口中继器，用于连接多个网络设备。它可以将数据广播到所有连接的设备，但无法过滤数据包，因此所有设备都会接收到所有传输的数据。

路由器（Router）：路由器是网络层的核心设备，负责根据目标地址选择最佳路径，并在不同网络之间转发数据包。它能够连接局域网（LAN）和广域网（WAN），并支持多种网络协议。

交换机（Switch）：交换机是一种多端口网络设备，能够在多个网络之间进行数据转发。它能够根据数据包的目的地址进行转发，并能够过滤不必要的数据包。

网卡（NIC）：网卡是计算机网络中连接计算机的接口，负责数据收发、地址寻址、流量控制、差错控制等。

等...

2. 计算机网络的协议

2.1 什么是通信协议

通信协议是指计算机之间通信的规则、格式、时序、同步、错误处理等。通信协议是网络通信的基础，是网络的基础设施。通信协议是网络的基石，是网络的核心。

通信协议就是计算机之间通过网络实现通信时事先达成的一种“约定”；这种“约定”使那些由不同厂商的设备，不同CPU及不同操作系统组成的计算机之间，只要遵循相同的协议就可以实现通信。

协议可以分很多种，每一种协议都明确界定了它的行为规范：2台计算机之间必须能够支持相同的协议，并且遵循相同的协议进行处理，才能实现相互通信。

2.2 协议的标准化

计算机通信诞生之初，系统化与标准化未收到重视，不同厂商只出产各自的网络来实现通信，这样就造成了对用户使用计算机网络造成了很大障碍，缺乏灵活性和可扩展性。

为解决该问题，国际标准化组织（ISO）在1978年提出了“开放系统互联参考模型”，即著名的OSI/RM模型（Open System Interconnection/Reference Model）。它将计算机网络体系结构的通信协议划分为七层，每一层都有相应的功能，每层之间都有明确的接口规范。

而上依次为：

除了标准的OSI七层模型以外，常见的网络层次划分还有TCP/IP四层协议以及TCP/IP五层协议，它们之间的对应关系如下图所示：

2.3 TCP/IP协议族

TCP/IP协议族是互联网的基础，是Internet协议簇的核心协议。它是一系列网络协议的总称，涵盖了网络层、传输层、应用层。

TCP/IP协议族的主要协议有：

网络层：IP协议，它是TCP/IP协议族的核心协议，用于处理数据包从源到目的地的路径选择。
传输层：TCP协议，它是面向连接的协议，提供可靠的、基于字节流的通信服务。
应用层：HTTP协议、FTP协议、SMTP协议、Telnet协议等。

2.4 什么是应用层协议

应用协议是定义了运行在不同系统上的应用程序进程如何相互传递报文的协议。应用层协议分为三大类：

面向用户的协议：如HTTP协议、FTP协议、SMTP协议等，它们为用户提供各种网络服务，如浏览网页、发送邮件、文件传输等。
面向网络的协议：如TCP协议、UDP协议等，它们为网络提供可靠的、基于字节流的通信服务。
面向特定应用的协议：如DNS协议、DHCP协议等，它们为特定的应用提供网络服务。

2.5 常见的应用层协议

HTTP协议：超文本传输协议，是Web上最常用的协议，它定义了Web浏览器和服务器之间的数据传输格式。
FTP协议：文件传输协议，它是用于在网络上传输文件的一套协议。
SMTP协议：简单邮件传输协议，它是用于发送电子邮件的一套协议。
Telnet协议：远程登录协议，它是用于远程登录到网络设备的协议。
DNS协议：域名系统协议，它是用于域名解析的一套协议。
DHCP协议：动态主机配置协议，它是用于动态分配IP地址的一套协议。

2.6 数据封装和解封过程

数据封装和解封过程是指将数据从源头封装到目的地，以及从目的地解封到源头的过程。

数据封装过程：

数据解封过程：

PDU: 协议数据单元。在计算机网络中，协议数据单元是工作中相同协议层的实体之间交换数据的基本单元。在TCP/IP模型中，物理层的PDU是比特流（bit），数据链路层的PDU是帧（Frame），网络层的PDU是分组（Packet），传输层的PDU是段（Segment）或数据报（Datagram）。

设备与层的对应关系：

3. 网络传输介质

3.1 网络信号及分类

概念：

网络信号是指在通信系统中传输信息的物理量，通常以电磁波、光波或电信号的形式存在。它承载了数据、语音、图像等信息，通过有线或无线介质在发送端和接收端之间传递。

分类：

网络信号可分为以下几类：

3.2 双绞线

双绞线：是平时我们说的网线。由一对相互绝缘的金属导线绞合而成。现今最常用的局域网传输介质。使用RJ-45接头连接网络设备。

总共8根双绞线，两两绞合在一起

常用的有5类、超5类和6类

分类：

屏蔽双绞线（STP）：铜线外包裹一层金属网膜。用于电磁环境非常复杂的工业环境中

非屏蔽双绞线（UTP）：用于电磁干扰相对较弱的环境

3.2.1 双绞线链接规范

T568A:白绿、绿、白橙、蓝、白蓝、橙、白棕、棕
T568B:白橙、橙、白绿、蓝、白蓝、绿、白棕、棕普遍建议采用EIA/TIA 568B标准来制作网线，以保持最佳的兼容性。

3.2.2 工具

压线钳：制作双绞线跳线时使。
步骤：
1. 将双绞线的外皮剥去适当长度
2. 将每条线按照线序调整好
3. 把线头剪齐
4. 将双绞线插入RJ-45接头
5. 用压线钳压紧
检测连通性工具：用于检测网络设备之间的连接是否正常。

3.3 光纤

光纤是利用电磁波在传输线路上的传播特性，将电信号转换成光信号，再通过光信号传输。

特点：
传输带宽高
传输距离远
抗干扰能力强

光脉冲在光纤中的传输是利用了光的全反射原理

分类：

3.4 以太网接口

以太网接口是指连接计算机的网络接口卡，它负责在物理层上进行数据传输。

2. 计算机的数制

计算机数制的核心是使用不同基数的进位规则来表示数值，主要包含二进制、八进制、十进制和十六进制。‌其中，二进制是计算机内部运算的基础，其他数制主要用于简化人机交互或特定场景的数据表示。‌

二进制：二进制是指用0和1表示的数值系统，是最简单的数值系统。它只有两个数字，0和1。
八进制：八进制是以8为基数的计数法，它用0~7表示数字，0~7共8个数字。
十进制：十进制是以10为基数的计数法，它用0~9表示数字，0~9共10个数字。
十六进制：十六进制是以16为基数的计数法，它用0~9和A~F表示数字，0~9共10个数字，A~F共6个数字。

2.1 进制转换

进制转换是指将一种进制的数值转换为另一种进制的数值。常见的进制转换有：

十进制转二进制：

十进制数除以2，余数为0则表示商为0，否则商为1，依次类推，直到商为0，得到的余数就是二进制数。

十进制转八进制：

十进制数除以8，余数为0则表示商为0，否则商为1，依次类推，直到商为0，得到的余数就是八进制数。例如：将十进制数123转换为八进制数：

123 / 8 = 15 (商) 余数为3
15 / 8 = 1(商) 余7

123的八进制数为173

十进制转十六进制：

十进制数除以16，余数为0则表示商为0，否则商为10~15，依次类推，直到商为0，得到的余数就是十六进制数。

对照表：例如：将十进制数123转换为十六进制数：

123 / 16 = 7 (商) 余数为11

123的十六进制数为7B

二进制转十进制

按位加权法,其步骤如下：

从二进制的最低位（右侧）开始，逐位乘以对应的权重（2的幂次），然后将结果相加。
权重从右到左依次为2的0次方到2的n次方，权重的乘积称为权值。

例如：将二进制数1101转换为十进制数：

1   =  1*2的3次方
1   =  1*2的2次方
0   =  0*2的1次方
1   =  1*2的0次方 （2的0次方=1）

结果为：8+4+0+1 = 13

八进制转十进制

按位加权法,其步骤如下：

从二进制的最低位（右侧）开始，逐位乘以对应的权重（8的幂次），然后将结果相加。
权重从右到左依次为8的0次方到8的n次方，权重的乘积称为权值。例如：将八进制数173转换为十进制数：

1   =  1*8的2次方
7   =  7*8的1次方
3   =  3*8的0次方

结果为：64+56+3 = 123

十六进制转十进制

按位加权法,其步骤如下：

从十六进制的最低位（右侧）开始，逐位乘以对应的权重（16的幂次），然后将结果相加。
权重从右到左依次为16的0次方到16的n次方，权重的乘积称为权值。（并且十六进制的数字 A、B、C、D、E、F 分别代表十进制的 10、11、12、13、14、15）

例如：将十六进制数7B转换为十进制数：

7   =  7*16的1次方
B   =  11*16的0次方

结果为：112+11=123

2.2 二进制位运算

与运算：两个二进制位同时为1时，结果为1，否则为0。

   1010
&  1100
--------
   1000

或运算：两个二进制位有一个为1时，结果为1，否则为0。

   1010
|  1100
--------
   1110

非运算：将一个二进制位取反，即0变1，1变0。

   1010
   ----
   0101

异或运算：两个二进制位不同时为1时，结果为1，否则为0。

   1010
^  1100
--------
   0110

2.3 常见的八位二进制数

10000000       128
11000000       192
11100000       224
11110000       240
11111000       248
11111100       252
11111110       254
11111111       255

2.4 练习

将以下十进制数转换为二进制数，八进制数，十六进制数

十进制：156、2608、1043

将以下数制转换成十进制数：

二进制：110010011111、10110101110
八进制：6137、2654
十六进制：3AB、ED5

3. IP地址

3.1 IP地址的概念

IP地址是IP协议提供的一种统一的地址格式，它唯一标识网络中的每一台计算机。(一种网络编码，用来确定网络中一个节点)
IP地址由32位二进制（32bit）组成，通常用点分十进制表示，如192.168.1.1。
IP地址的作用：
- 唯一标识网络中的每一台计算机
- 标识网络中的计算机
- 路由选择
- 数据报传送

3.2 IP地址的组成

IP地址由网络号（Network ID）、主机号（Host ID）两部分组成。

网络号：标识网络的唯一标识符，通常由网络管理员分配。
主机号：标识主机的唯一标识符，通常由主机自身分配。

（如手机号码，前7位相当于网络地址，后4位相当于主机地址。）

网络号：手机号码的前7位，由移动通信运营商分配。
主机号：手机号码的后4位，由运营商自行分配。

3.3 IP地址的分类

IP地址分为A、B、C、D、E五类，每一类有不同的划分规则

特殊的IP地址：

0.0.0.0：表示本机地址，用于本机回送。
255.255.255.255：当前子网，一般用于向当前子网广播信息。
127.0.0.1：表示回环地址，用于本机测试。

4. 子网掩码

4.1 子网掩码的概念

用于获取主机IP地址的网络ID，用于区分主机通信的不同情况，选择不同路径。

A类：255.0.0.0
B类：255.255.0.0
C类：255.255.255.0

计算这些ip段的ip个数 https://ipv4calc.bmcx.com/

4.1 子网掩码的计算方法

原理：
IP 地址：192.168.1.10
子网掩码：255.255.255.0
转换为二进制进行网络地址计算：将 IP 地址与子网掩码进行按位与运算，得到网络地址为：192.168.1.0

192.168.1.10 & 255.255.255.0 = 192.168.1.0

11000000.10101000.00000001.00001010 (IP 地址)
AND
11111111.11111111.11111111.00000000 (子网掩码)
=
11000000.10101000.00000001.00000000 (网络地址)

192.168.1.0/24：表示192.168.1.0这个网段的掩码，掩码后面跟着的数字24表示掩码的长度。

4.2 子网掩码的作用

在 IPv4 地址中，IP 地址由两部分组成：网络地址和主机地址。子网掩码通过“屏蔽”主机部分，保留网络部分，从而确定一个 IP 地址所属的网络。
子网掩码可以将一个大的网络划分为多个小的子网，便于管理和优化 IP 地址资源。

例如，两个人都叫张三，但一个张三是张家村的，另一个张三是张村的，那么如何区分这两个张三分别是属于那个村的呢？得让村长来区分，就可以准确的把各自的张三领回村，那么子网掩码就相当于村长，它就是用来区分ip该ip地址是属于那个网段的。

4.3 小结

判断属于哪类IP地址，并说明网络ID和主机ID

5. DNS域名系统

5.1 DNS的诞生

DNS（Domain Name System）是一套从域名到IP的映射系统。

在网络中要确定一台主机，可以通过IP地址来做到。但是IP地址不方便记忆，于是人们发明了一种叫主机名的东西

最初时候人们把主机名和IP地址的对应关系都写在一个hosts文件里面，然后这个hosts文件由“互联网信息中心（SRI-NIC）”来管理和分发。也就是人们需要定期更新hosts文件。这个文件目前在windows系统的C:\Windwos\System32\drivers\etc\hosts中。

时间长了，这个hosts的机制并不好用，而且更新不及时，主机名多了之后hosts文件太大了，后来就不用这个机制来。

人们后来改用域名解析系统DNS

一个组织的系统管理机构，维护系统内的每个主机的IP和主机名的对应关系如果新计算机接入网络，将这个信息注册到数据库中用户输入域名的时候，会自动查询DNS服务器，由DNS服务器检索数据库，得到对应的IP地址。

5.2 域名结构

#这是一个常见的4层域名结构
xxx.yyy.zzz.com.
 |   |   |   | |——> 根域名（通常不需要输入，计算机默认帮我们输入）
 |	 |   |   |————> 顶级域名（TLD）：`.com`
 |	 |   |————————> 二级域名（Second-Level Domain）：`zzz`(用户可注册购买)
 |   |————————————> 子域名（Subdomain）：`yyy`（用户自行分配）
 |————————————————> 主机名（或子域名）：`xxx`以上内容对么

顶级域名的分类：

国家顶级域名：依据 ISO 3166 标准，例如：cn 代表中国，us 代表美国，uk 代表英国等。
通用顶级域名（Generic Top-Level Domain，gTLD）
- com（公司企业）
- net（网络服务提供商）
- org（非营利组织）
- int（国际组织）
- gov（美国政府部门）
- mil（美国军事部门）
- edu（教育机构）
- gov（政府部门）
- mil（军事部门）

域名服务器分类：

根域名服务器（Root Name Server，RNDS）：最高层次的域名服务器，所有的根域名服务器存储着所有的顶级域名服务器的域名和IP地址。本地域名服务器解析不了的域名就会向其求助
顶级域名服务器（Top-Level Domain Name Server，TLDS）：负责管理在该顶级域名服务器下注册的二级域名
权限域名服务器（Second-Level Domain Name Server，SLDS）：负责一个“区”的域名解析工作
本地域名服务器（Host Name Server，HNDS）：当主机发出DNS查询请求时，这个查询请求首先发给本地域名服务器

5.2 DNS的解析过程

1.浏览器缓存
2.系统缓存，查找hosts文件
3.路由器缓存————以上三步均为DNS客户端的缓存
4.ISP DNS缓存
5.根域名服务器
6.顶级域名服务器
7.主机名服务器
8.保存结果至缓存

DNS查询类型
本地解析：通过以前查询获得的缓存信息就地应答查询
递归查询：DNS服务器代表请求客户机联系其他DNS服务器，以完全解析，返回给客户机
迭代查询：客户机自己不断请求DNS服务来解析名称，典型的DNS服务器之间的交互

6. 常用网络相关DOS命令

ipconfig

显示网络配置信息，包括IP地址、子网掩码、默认网关等。

示例：ipconfig

ping

测试与另一台计算机的连接。

示例：ping google.com

tracert

显示数据包到目标计算机的路由路径。

示例：tracert google.com

netstat

显示网络连接、路由表、接口统计等信息。

示例：netstat -a

nslookup

查询DNS记录。

示例：nslookup google.com

route

显示或修改IP路由表。

示例：route print

7. 网络相关专业词汇

NAT（Network Address Translation，网络地址转换）：一种网络地址转换技术，它将私有地址转换为公有地址，以便在公网上进行通信。
DHCP（Dynamic Host Configuration Protocol，动态主机配置协议）：一种局域网网络协议，它使得用户可以自动获取IP地址、子网掩码、默认网关等网络配置信息。
DNS（Domain Name System，域名系统）：一种分布式数据库，它将域名转换为IP地址。
IP地址（Internet Protocol Address，互联网协议地址）：用于唯一标识网络中的每一台计算机。
端口（Port）：网络通信的端点，它是一个16位的标识符，用于区分不同的服务。
路由器（Router）：网络设备，它负责转发数据包，并根据路由表进行分组。
网卡（Network Interface Card，网络接口卡）：网络设备，它负责收发数据包，并进行地址寻址、差错控制等。
子网（Subnet）：一个网络地址块，它是IP地址划分的最小单位。
网关（Gateway）：网络设备，它是路由器的一种，用于连接两个网络。
路由表（Routing Table）：路由器的一种配置，它记录了网络中各个子网之间的路由信息。
子网掩码（Subnet Mask）：用于标识IP地址的子网部分。

8. 存储量单位

字节（Byte）：二进制计量单位，1B=8bit。
千字节（KB）：1KB=1024B。
兆字节（MB）：1MB=1024KB。
千兆字节（GB）：1GB=1024MB。
吉字节（TB）：1TB=1024GB。
太字节（PB）：1PB=1024TB。
艾字节（EB）：1EB=1024PB。
泽字节（ZB）：1ZB=1024EB。
尧字节（YB）：1YB=1024ZB。