计算机网络¶
概述¶
计算机网络是将地理上分散的、具有独立功能的计算机系统,通过通信设备和线路连接起来,在网络软件支持下实现数据通信和资源共享的系统。
计算机网络定义
计算机网络是计算机技术与通信技术相结合的产物,实现了资源共享和信息传递。
网络的功能¶
计算机网络的主要功能
- 数据通信: 信息传递
- 资源共享: 硬件、软件、数据共享
- 分布式处理: 协同工作
- 提高可靠性: 冗余备份
网络的分类¶
按覆盖范围分类¶
| 类型 | 覆盖范围 | 示例 |
|---|---|---|
| 局域网(LAN) | 几米到几公里 | 办公室、校园 |
| 城域网(MAN) | 几公里到几十公里 | 城市 |
| 广域网(WAN) | 几十公里到几千公里 | 国家、洲际 |
| 互联网(Internet) | 全球范围 | 全球互联 |
按拓扑结构分类¶
网络拓扑结构
网络中节点的连接方式。
1. 星型拓扑¶
星型拓扑
所有节点连接到中心节点。
优点:
- 结构简单
- 易于扩展
- 故障隔离容易
缺点:
- 中心节点负担重
- 中心节点故障影响全网
2. 环型拓扑¶
环型拓扑
节点首尾相连形成环。
优点:
- 结构简单
- 传输延迟确定
缺点:
- 可靠性差
- 扩展困难
3. 总线型拓扑¶
总线型拓扑
所有节点连接到一条总线上。
优点:
- 结构简单
- 成本低
缺点:
- 可靠性差
- 性能受限
网络协议¶
网络协议
网络协议是计算机网络中进行数据交换的规则、标准或约定。
OSI七层模型¶
graph TB
A[应用层<br/>Application] --> B[表示层<br/>Presentation]
B --> C[会话层<br/>Session]
C --> D[传输层<br/>Transport]
D --> E[网络层<br/>Network]
E --> F[数据链路层<br/>Data Link]
F --> G[物理层<br/>Physical]TCP/IP四层模型¶
TCP/IP模型
各层功能:
- 应用层: 提供网络应用服务(HTTP, FTP, SMTP)
- 传输层: 提供端到端通信(TCP, UDP)
- 网际层: 提供路由选择(IP, ICMP)
- 网络接口层: 提供物理传输
网络设备¶
常见网络设备
网络中使用的各种设备。
1. 中继器(Repeater)¶
中继器
物理层设备,放大和转发信号。
2. 集线器(Hub)¶
集线器
物理层设备,多端口中继器。
3. 网桥(Bridge)¶
网桥
数据链路层设备,连接两个网段。
4. 交换机(Switch)¶
交换机
数据链路层设备,多端口网桥。
5. 路由器(Router)¶
路由器
网络层设备,实现路由选择。
网络安全¶
网络安全
保护网络系统免受攻击和威胁。
常见安全威胁¶
- 病毒和恶意软件
- 黑客攻击
- 数据泄露
- 拒绝服务攻击(DoS)
安全措施¶
- 防火墙
- 加密技术
- 认证和授权
- 入侵检测系统
IP地址与子网¶
IP地址
网络中设备的唯一标识符。
IPv4地址¶
IPv4地址
32位地址,通常表示为4个十进制数,如192.168.1.1。
分类:
- A类: 1.0.0.0 ~ 126.255.255.255 (大型网络)
- B类: 128.0.0.0 ~ 191.255.255.255 (中型网络)
- C类: 192.0.0.0 ~ 223.255.255.255 (小型网络)
- D类: 224.0.0.0 ~ 239.255.255.255 (多播地址)
- E类: 240.0.0.0 ~ 255.255.255.255 (保留地址)
特殊地址:
- 0.0.0.0: 本机
- 127.0.0.1: 本地回环地址
- 255.255.255.255: 广播地址
IPv6地址¶
IPv6地址
128位地址,解决IPv4地址枯竭问题。
特点:
- 地址空间巨大(2^128个地址)
- 表示为8组16进制数,如2001:0db8:85a3:0000:0000:8a2e:0370:7334
- 支持自动配置
- 内置安全性
子网掩码¶
子网掩码
用于划分网络地址和主机地址。
作用:
- 确定网络部分和主机部分
- 支持子网划分
- 提高IP地址利用率
CIDR表示法: 192.168.1.0/24
网络协议详解¶
TCP协议¶
TCP(传输控制协议)
面向连接的、可靠的传输层协议。
特点:
- 面向连接: 三次握手建立连接
- 可靠传输: 确认、重传、流量控制
- 有序传输: 数据按序到达
- 全双工通信
三次握手:
sequenceDiagram
participant Client as 客户端
participant Server as 服务器
Client->>Server: SYN=1, seq=x
Server->>Client: SYN=1, ACK=1, seq=y, ack=x+1
Client->>Server: ACK=1, seq=x+1, ack=y+1四次挥手:
sequenceDiagram
participant Client as 客户端
participant Server as 服务器
Client->>Server: FIN=1, seq=u
Server->>Client: ACK=1, seq=v, ack=u+1
Server->>Client: FIN=1, seq=w
Client->>Server: ACK=1, seq=u+1, ack=w+1UDP协议¶
UDP(用户数据报协议)
无连接的、不可靠的传输层协议。
特点:
- 无连接: 不需要建立连接
- 不可靠: 不保证数据到达
- 无序: 数据可能乱序到达
- 高效: 开销小,速度快
应用场景:
- 实时音视频传输
- DNS查询
- 在线游戏
HTTP协议¶
HTTP(超文本传输协议)
应用层协议,用于Web数据传输。
版本:
- HTTP/1.0: 短连接,每次请求建立新连接
- HTTP/1.1: 持久连接,管道化请求
- HTTP/2: 多路复用,头部压缩,服务器推送
- HTTP/3: 基于QUIC协议,使用UDP
请求方法:
- GET: 获取资源
- POST: 提交数据
- PUT: 更新资源
- DELETE: 删除资源
- HEAD: 获取头部信息
状态码:
- 1xx: 信息性状态码
- 2xx: 成功状态码(200 OK)
- 3xx: 重定向状态码(301 永久重定向)
- 4xx: 客户端错误(404 Not Found)
- 5xx: 服务器错误(500 Internal Server Error)
网络编程¶
Socket编程¶
Socket
网络通信的端点,应用程序与网络协议栈的接口。
类型:
- 流式Socket(SOCK_STREAM): TCP
- 数据报Socket(SOCK_DGRAM): UDP
- 原始Socket(SOCK_RAW): 直接访问IP层
编程流程:
graph TB
A[创建Socket] --> B[绑定地址bind]
B --> C[监听listen]
C --> D[接受连接accept]
D --> E[收发数据recv/send]
E --> F[关闭连接close]网络新技术¶
5G网络¶
5G网络
第五代移动通信网络。
特点:
- 高速率: 峰值速率10Gbps
- 低延迟: 端到端延迟1ms
- 大连接: 每平方公里百万级设备
- 高可靠: 99.999%可靠性
应用场景:
- 增强移动宽带(eMBB)
- 海量机器类通信(mMTC)
- 超可靠低延迟通信(uRLLC)
物联网(IoT)¶
物联网
物物相连的互联网,实现万物互联。
架构:
- 感知层: 传感器、RFID
- 网络层: 通信网络
- 应用层: 智能应用
关键技术:
- 传感器技术
- 嵌入式系统
- 无线通信
- 云计算
软件定义网络(SDN)¶
软件定义网络
控制平面与数据平面分离的新型网络架构。
特点:
- 控制集中化
- 网络可编程
- 开放接口