计算机网络学习笔记教程

一、计算机网络基础

1.1 网络的基本概念

• 计算机网络：将地理位置不同、具有独立功能的多台计算机及其外部设备，通过通信线路连接起来，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计算机系统。
• 网络的功能：
  • 资源共享（硬件、软件、数据）
  • 数据通信（信息传递、交换）
  • 分布式处理（协同完成复杂任务）
  • 提高可靠性（故障冗余）
  • 负载均衡（分担任务压力）

1.2 网络分类

• 按覆盖范围：
  • 局域网（LAN）：覆盖范围小（如办公室、校园），速率高，延迟低。
  • 城域网（MAN）：覆盖城市范围，介于LAN和WAN之间。
  • 广域网（WAN）：覆盖大范围（如国家、全球），典型代表是互联网。
• 按拓扑结构：
  • 总线型：所有设备连接到一条主干线上，成本低但故障影响大。
  • 星型：通过中心节点连接，便于管理但中心节点故障会瘫痪网络。
  • 环型：设备首尾相连形成闭环，抗干扰性强但扩展困难。
  • 树型：层次结构，易于扩展但根节点重要性高。
  • 网状：节点间多连接，可靠性高但成本高。

二、OSI七层模型与TCP/IP模型

2.1 OSI七层模型

• 物理层：负责比特流的传输，涉及硬件接口、传输介质等（如网线、光纤）。
• 数据链路层：将比特流封装成帧，进行差错控制和流量控制（如MAC地址、以太网协议）。
• 网络层：实现不同网络间的通信，进行路由选择（如IP地址、路由器）。
• 传输层：提供端到端的可靠或不可靠传输（如TCP、UDP协议）。
• 会话层：建立、管理和终止会话连接（如会话控制）。
• 表示层：处理数据的表示形式，如加密、压缩、格式转换（如JPEG、ASCII编码）。
• 应用层：为用户应用程序提供网络服务（如HTTP、FTP、Email协议）。

2.2 TCP/IP模型（四层/五层）

• 网络接口层（对应OSI物理层和数据链路层）：负责数据在物理网络中的传输。
• 网际层（对应OSI网络层）：核心是IP协议，实现跨网络通信。
• 传输层（对应OSI传输层）：包含TCP和UDP协议。
• 应用层（对应OSI会话层、表示层、应用层）：各种应用协议在此层。

2.3 两种模型对比

OSI七层模型	TCP/IP四层模型	核心功能差异
七层结构，分工细致	四层结构，更简洁实用	OSI是理论模型，TCP/IP是实际应用的工业标准
会话层、表示层独立	归入应用层	简化了协议设计和实现

三、数据传输基础

3.1 数据封装与解封装

• 封装：数据从应用层向下传递时，每层会添加该层的头部信息（有时还有尾部），形成数据包。
  • 应用层：数据（Data）
  • 传输层：数据段（Segment，添加TCP/UDP头部）
  • 网络层：数据包（Packet，添加IP头部）
  • 数据链路层：数据帧（Frame，添加MAC头部和尾部）
  • 物理层：比特流（Bit）
• 解封装：数据从物理层向上传递时，每层会去除对应的头部信息，最终得到原始数据。

3.2 IP地址与子网掩码

• IP地址：用于标识网络中的主机，IPv4地址由32位二进制组成，分为网络位和主机位（如192.168.1.1）。
• 子网掩码：用于区分IP地址的网络位和主机位，与IP地址进行“与”运算可得到网络地址（如255.255.255.0）。
• 子网划分：将一个大网络分成多个小网络，提高IP地址利用率，增强网络安全性。

3.3 MAC地址

• 又称物理地址，固化在网卡中，全球唯一，由48位二进制组成（如00-1A-2B-3C-4D-5E）。
• 数据链路层通过MAC地址在局域网内寻址。

四、核心协议详解

4.1 TCP协议（传输控制协议）

• 特点：面向连接、可靠传输、面向字节流。
• 可靠传输机制：
  • 三次握手：建立连接（客户端发送SYN，服务器回复SYN+ACK，客户端回复ACK）。
  • 四次挥手：断开连接（双方分别发送FIN和ACK）。
  • 确认重传：接收方对收到的数据确认，发送方超时未收到确认则重传。
  • 流量控制：通过滑动窗口机制控制发送速率，避免接收方缓冲区溢出。
  • 拥塞控制：根据网络拥塞情况调整发送速率（慢开始、拥塞避免、快重传、快恢复）。

4.2 UDP协议（用户数据报协议）

• 特点：无连接、不可靠传输、面向数据报，开销小、速度快。
• 适用场景：实时通信（如视频通话、语音聊天）、广播、多播等对实时性要求高而对可靠性要求不高的场景。

4.3 IP协议（网际协议）

• IPv4：32位地址，分为A、B、C、D、E类地址，其中A、B、C类为单播地址，D类为多播地址，E类为保留地址。
• IPv6：128位地址，解决IPv4地址耗尽问题，采用冒分十六进制表示（如2001:0db8:85a3:0000:0000:8a2e:0370:7334）。
• IP路由：路由器根据路由表选择最佳路径转发数据包，路由表可通过静态配置或动态路由协议（如RIP、OSPF）生成。

4.4 应用层协议

• HTTP（超文本传输协议）：用于万维网（WWW）的数据传输，基于TCP，默认端口80（HTTPS默认端口443，加密传输）。
• FTP（文件传输协议）：用于文件的上传和下载，使用TCP的20（数据端口）和21（控制端口）。
• SMTP（简单邮件传输协议）：用于发送邮件，默认端口25。
• POP3（邮局协议版本3）：用于接收邮件，默认端口110。
• DNS（域名系统）：将域名解析为IP地址，默认使用UDP端口53。

五、网络设备

5.1 集线器（Hub）

• 工作在物理层，将收到的信号广播到所有端口，属于共享带宽设备，易产生冲突。

5.2 交换机（Switch）

• 工作在数据链路层，根据MAC地址表转发数据帧，实现端口间的独享带宽，减少冲突。
• 具有学习、转发、过滤、环路避免（如STP协议）等功能。

5.3 路由器（Router）

• 工作在网络层，根据IP地址进行路由选择和数据包转发，实现不同网络之间的通信。
• 具有子网隔离、防火墙、NAT（网络地址转换）等功能。

5.4 网关（Gateway）

• 连接不同类型网络的设备，可工作在OSI模型的高层，实现不同协议之间的转换。

六、网络安全基础

6.1 常见网络攻击

• 病毒：自我复制并破坏计算机系统的程序。
• 木马：伪装成合法程序，窃取用户信息或控制计算机。
• 黑客攻击：如端口扫描、DoS（拒绝服务）攻击、DDoS（分布式拒绝服务）攻击。
• 网络钓鱼：通过伪装合法网站骗取用户信息。

6.2 网络安全措施

• 防火墙：控制进出网络的流量，过滤不安全的连接。
• 加密技术：如SSL/TLS加密（用于HTTPS）、数据加密算法（如AES、RSA）。
• 入侵检测系统（IDS）和入侵防御系统（IPS）：监测和阻止可疑行为。
• 定期更新系统和软件，设置强密码，安装杀毒软件等。

七、网络排查与故障处理

7.1 常用命令

• ping：测试网络连通性（如ping www.baidu.com）。
• ipconfig（Windows）/ ifconfig（Linux）：查看网络配置信息（IP地址、子网掩码、网关等）。
• tracert（Windows）/ traceroute（Linux）：追踪数据包从本地到目标主机的路径。
• netstat：查看网络连接状态、端口占用等信息。
• nslookup：查询域名对应的IP地址。

7.2 故障排查步骤

1. 检查物理连接：网线是否插好、设备是否通电等。
2. 检查网络配置：IP地址、子网掩码、网关是否正确。
3. 测试连通性：使用ping命令测试到网关、DNS服务器、目标主机的连通性。
4. 检查防火墙和安全软件：是否阻止了网络连接。
5. 分析日志：查看设备日志、系统日志寻找故障线索。

以上内容涵盖了计算机网络的核心知识点，从基础概念到协议、设备、安全及故障处理，可作为系统学习计算机网络的入门教程。在学习过程中，结合实际操作（如配置路由器、使用网络命令）能更好地理解和掌握相关知识。