4. 计算机与网络 笔记

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计算机网络概述

定义

  • 计算机网络是将不同地点的具有独立功能的多个计算机系统通过通讯设备和线路连接起来，实现数据通讯和资源共享的系统。

组成部分

  • 硬件资源共享：如计算机、打印机等共享。
  • 软件资源共享：包括程序、数据等共享。

发展历程

  • 远程终端连接阶段
    • 特点：一台主机与多个终端相连，用户通过终端共享主机资源。
    • 终端功能：不具备存储和处理能力，仅通过键盘和显示器交互。
  • 计算机网络阶段
    • 标志：阿帕网的诞生，实现了资源共享目的的计算机网络。
    • 发展：从 1969 年起，阿帕网的主机增加，地理范围扩大。
  • 计算机互联阶段
    • 特点：将各子网络连接形成更大的互联网络，如国际互联网（英特网）。
  • 国家信息基础设施建设阶段
    • 促进因素：美国国家信息基础设施的建设，推动计算机网络进一步发展。
    • 发展：形成了以美国为核心的高速计算机互联网。

功能

数据处理

数据通讯

分类

资源子网

  • 组成：服务器、客户机、通讯协议和软件服务等。
  • 功能：为网络用户提供电子邮件、文件下载等服务。

通讯子网

  • 组成：路由器、交换机、通讯线路等设备。
  • 功能：负责网络数据的传输和转发。

关键技术

  • 通讯协议
    • 作用：规定数据传输的规则，相当于计算机间通信的语言。
  • 应用软件
    • 例子：QQ 等，提供计算机网络的接口。

网络分类

  • 按网络的覆盖范围分类
    • 局域网（LAN）
      • 特点：覆盖范围在 10 公里以内，传输速度快、可靠性高、组件成本低
      • 应用场景：学校、企业、大型建筑物
      • 技术：以太网、无线局域网、WiFi
    • 广域网（WAN）
      • 特点：城市与城市、国家与国家之间连接，覆盖范围广
      • 成本：较高
      • 应用场景：全球范围的连接
    • 城域网（MAN）
      • 位置：介于局域网和广域网之间，通常城市内部
      • 应用场景：政府网等
  • 按网络的工作模式分类
    • 客户机/服务器模式
      • 服务器：提供服务，如网页浏览、数据库管理
      • 客户机：请求并获取服务
      • 特点：服务器负担重，维护成本高
    • 对等网（P2P）
      • 特点：所有节点对等，既可以提供资源也可以获取资源
      • 应用：文件共享（如 BT 下载），速度快、不依赖中心节点
      • 适用范围：适用于节点数不多的小型网络，节点增加时性能下降

数据传输

  • 有线传输介质
    • 双绞线（TP）
      • 特点
        • 使用最广、价格便宜
        • 包含两根铜线，螺旋形排列以减少电磁干扰
      • 类型
        • 无屏蔽双绞线（UTP）
        • 屏蔽双绞线（STP）
    • 同轴电缆
      • 特点
        • 由一根内导体芯片、外加绝缘层和金属屏蔽层组成
        • 有较好的屏蔽性能，适合高效数据传输
    • 光纤
      • 特点
        • 通过光信号传输信息，直径8微米到1微米
        • 具有通讯容量大、抗干扰性好、传输距离远、传输速率高等优点
      • 结构
        • 多层保护结构包覆，称为光纤缓冲层外护套
  • 无线传输介质
    • 主要用于施工困难的场所或成本考虑，如高山、峡谷
    • 使用无线电波等进行自由通讯
  • 带宽概念
    • 定义
      • 通讯信道流量的一种度量，表示给定时间内能传输的通讯量
    • 分类
      • 语音带宽：标准电话使用，低带宽
      • 中带宽：租用线路上实现长距离数据传输
      • 宽带：高容量传输带宽，满足高质量音频和视频通讯需求
    • 单位
      • 比特/秒（bps）：每秒传输的位数
      • 注意区分比特（小写b）和字节（大写B），1字节=8比特
    • 计算
      • 1 兆带宽（1 Mbps）相当于 128 千字节每秒，实际传输速度上限约 112 千字节每秒

网络拓扑结构

  • 计算机网络定义
    • 由多台独立计算机通过通信线路连接而成
  • 通讯录与计算机连接
    • 描述网络中计算通讯记录和网络设备连接方式
  • 网络客户结构
    • 采用图论演变而来
    • 将工作站、服务器等网络元素抽象为点
    • 网络中的电缆、通讯介质（如腾讯、微信）抽象为线
  • 计算机网络的拓扑结构
    • 形成图形结构
    • 包括总线型、星型、树形、环形和网状型
    • 总线型结构
      • 特点：所有节点直接连接到同一传输介质
      • 使用介质：同轴电缆
      • 例子：以太网
      • 缺点：一个节点出错，整个网络崩溃
    • 星型结构
      • 中心节点为集线器（hub）
      • 特点：用户间通讯需通过中心节点
      • 优点：容易更换网络中心节点，高使用率
    • 树形结构
      • 层级有限制，一般最多四层
      • 特点：每个hub与端用户构成数的结构
    • 环形结构
      • 特点：节点连接成闭合环，数据单向传输
      • 例子：硬盘、环保、光纤分布式数据接口
      • 应用：程序网和大型局域网核心结构
    • 网状型结构
      • 特点：所有节点相互连接，高可靠性但成本高
      • 应用：Internet 骨干网

网络体系结构

  • OSI 参考模型
    • 物理层
      • 传输介质：双绞线、同轴电缆、光纤、无线传输
      • 实现比特流的传输
      • 处理硬件连接、传输方式
    • 数据链路层
      • 提供点到点的正确传输
      • 检测和校验物理链路产生的差错
      • 数据分组，每组称为一帧
    • 网络层
      • 负责寻找合适的传输路径
      • 封装分组或数据包
      • 实现主机到主机之间的数据包传送
    • 传输层
      • 提供可靠的进程到进程的消息传送
      • 处理主机上的特定进程之间的数据传递
    • 会话层
      • 建立、管理及终止两个硬件之间的会话
      • 支持进程之间的多会话
    • 表示层
      • 进行数据编码格式的转换
      • 提供数据压缩、解压缩，加密和解密等操作
    • 应用层
      • 提供网络服务的应用程序
      • 文件传送、网络安全、网络管理等
  • 通讯过程概述
    • 数据传输流程
      • 应用层产生的消息逐层增加头部信息
      • 物理层传输比特流至接收方
      • 接收方逐层剥离头部信息，还原数据
    • 网络协议
      • 规范网络沟通的语言
      • 确保信息从一台计算机顺利传输到另一台
  • 重要概念
    • 网络通讯的复杂性
      • 通过层次化实现降低复杂性
    • 网络协议
      • 确定两台计算机如何传递信息
    • 网络模型的开放性
      • 任意两个系统遵循标准就能实现互联
  • 实际应用
    • 电子邮件
      • 应用层设计规则，不关心通信线路类型
    • 文件传输
      • 在不同层次有不同协议和数据单元
    • 加密和压缩
      • 表示层处理，确保数据安全和高效传输

网络互连

  • 局域网设备
    • 中继器
      • 定义: 物理层设备，用于连接相同物理层协议的局域网，最简单局域网互联设备。
      • 功能: 信号再生放大，解决信号衰减问题。
      • 接口: 两个，用于信号输入和输出。
      • 应用: 早期总线型网络，连接同轴电缆。
    • 集线器
      • 定义: 多端口中继器，OSI 模型物理层设备。
      • 功能: 通过多条传输介质连接多台网络设备，构建新型拓扑结构。
      • 连接方式: 一般通过双绞线和网络设备相连。
      • 分发机制: 把一个端口接收的信号分发到所有端口。
    • 网桥
      • 定义: 数据链路层设备，用于分割局域网，根据信号目的地址允许或阻止信号通过。
      • 功能: 减少网络上的用户量，提升局域网性能。
      • 应用: 减少共享信道使用引起的局域网性能下降。
  • 广域网设备
    • 路由器
      • 定义: 网络层设备，实现不同网络间的互联。
      • 功能: 确定数据最佳路径，实现数据存储转发。
      • 应用: 连接企业网络与互联网，转换网络数据。
  • 互联设备层次结构
    • 物理层
      • 设备: 中继器、集线器。
    • 数据链路层
      • 设备: 网桥、交换机。
    • 网络层
      • 设备: 路由器。
  • 企业网络应用实例
    • 内部通讯
      • 结构: 部门主机 -> 交换机 -> 主交换机。
      • 功能: 实现企业内部局域网相互通讯。
    • 互联网连接
      • 设备: 路由器。
      • 功能: 将企业网连接到互联网，实现与外部网络的通讯。
  • 网关
    • 定义: 连接不同类型、使用不同协议网络的设备。
    • 功能: 转换数据包格式，实现不同网络间的信息交流。
    • 应用: 如连接以太网和令牌环网络，实现格式不同的网络信息传递。

Internet基础：TCP╱IP 协议结构

  1. Internet 简介
    • 定义: 国际互联网，基于互联网技术发展而来，目前世界上最大的网络覆盖范围。
    • 组成: 包括局域网在内的各种大小网络。
    • 硬件价值: 互联网的硬件设备对网络覆盖范围具有重要意义。
  2. TCP/IP协议
    • 简介: 互联网中各部分使用的网络传输技术，最初由ARPANET开发。
    • 层次结构: 包括应用层、传输层、网络层和网络接口层四层。
      • 应用层: 对应 OSI 的应用层、表示层、会话层。
      • 传输层: 对应 OSI 的传输层，使用端口地址区分不同服务。
      • 网络层: 对应 OSI 的网络层，使用IP地址标识网络设备。
      • 网络接口层: 对应 OSI 的物理层和数据链路层，使用 MAC 地址标识网络设备。
  3. 地址系统
    • IP地址: 逻辑地址，用于网络层标识网络设备。
    • MAC地址: 物理地址，用于网络接口层标识网络设备。
    • 域名系统: 将域名转换为IP地址，便于用户访问互联网资源。
  4. 传输层协议
    • TCP: 传输控制协议，提供面向连接的服务，确保数据可靠传输。
    • UDP: 用户数据报协议，提供无连接服务，传输速度快但可靠性低。
  5. 应用层协议
    • HTTP: 超文本传输协议，用于网页浏览。
    • FTP: 文件传输协议，用于文件传输。
    • SMTP/POP3/IMAP: 用于电子邮件的发送和接收。
    • DNS: 域名系统协议，用于域名和IP地址之间的转换。
  6. 网络结构与通信
    • 局域网与广域网: 局域网内部主机间通信，广域网实现不同局域网之间的通信。
    • 路由器: 连接不同网络，根据IP地址和路由表转发数据包。
    • 数据包封装与解封装: 数据在不同层次间传输时的封装与解封装过程。

IP地址

  • 作用与结构
    • 用于唯一标识网络中的计算机
    • 一台计算机通常有一个网络接口，路由器有多接口
    • IP地址由网络号和主机号组成，实现数据通信
  • IP地址分类
    • 分为 A、B、C、D、E 五类
      • A 类：大型网络，网络号占一个字节，主机号占三个字节
      • B 类：中型网络，网络号占两个字节，主机号占两个字节
      • C 类：小型网络，网络号占三个字节，主机号占一个字节
      • D 类：多播地址，用于多播传输
      • E 类：保留用于实验和科研
  • 特殊规定
    • A 类地址的第一个字节以 0 开头，B 类以 10 开头，C 类以 110 开头
    • 网络地址不能取 0 或127，主机号不能全为 0 或全为 1
    • A 类网络地址范围 1-126
    • B 类网络地址范围 128-191
    • C 类网络地址范围 192-233
  • IP 地址短缺问题
    • IPv4 地址资源即将耗尽
    • 解决方案：引入 IPv6，地址长度增至 128 位
  • 共存策略
    • IPv6 允许与 IPv4 共存，以平滑过渡至 IPv6

域名系统

  • IP 地址
    • 定义：一个 32 位的二进制数，唯一标识网络中的主机
    • 问题：难以记忆
  • 域名系统 (DNS)
    • 引入目的：解决IP地址记忆难题，实现域名与IP地址的一一对应
    • 域名记忆：比IP地址容易记忆，如“www.cctv.com.cn”
    • 域名解析过程
      • 用户通过域名访问网站
      • 首先进行域名预解析，由域名服务器完成
      • 域名服务器返回对应的IP地址给用户主机
  • 域名结构
    • 组成：主机名、机构名、网络名、顶级域名
    • 示例：www.cctv.com.cn
      • www：主机名
      • cctv：机构名
      • com：商业机构
      • cn：中国
  • IP 地址分配与管理
    • 全球唯一性：由专门的组织控制和分配
    • 分配方法：由上到下的分层设计
    • 顶级域名：按行业或国别划分
  • 域名服务器
    • 分级结构：每个服务器管理一部分域名系统内容
    • 解析过程：从本地域名服务器开始，逐级向上查找直到找到目标主机的IP地址
    • 示例解析流程：NT server访问video server，通过递归查询找到目标IP地址
  • 总结
    • 系统运营结构及域名解析过程
    • 域名系统解决了IP地址记忆难题，实现了用户通过易于记忆的域名访问网站

域名可分为顶级域名（包括通用和国家及地区顶级域名，最高层，用于划分全球命名空间，分别有不同管理机构）、二级域名（在顶级域名下，用户可注册，用于标识主体，管理维护由所有者负责）和三级域名（在二级域名下，用于细分网站内容，由所有者控制）。

Internet的基本服务

  • 常用网络服务
    • 万维网服务
      • 使用超文本标记语言（HTML）编写
      • 包括文字、图像和超链接
    • 软件传输
      • 通过FTP协议实现
      • 支持不同操作系统之间的文件传输
    • 远程登录
      • 使用特定协议
      • 允许通过互联网登录远程计算机
    • 电子邮件服务
      • 采用客户机-服务器模式
      • 可以传送文字、图像、声音、动画等多媒体信息
    • IP电话
      • 包括语音传真、视频传输等
      • 支持计算机与计算机、计算机与电话机、电话机与电话机之间的通话
  • 网络协议与技术
    • FTP 协议
      • 互联网上最广泛的文件传送协议
      • 屏蔽计算机操作系统细节
    • 邮件传送过程
      • 发送邮件服务器和接收邮件服务器
      • 使用POP3或IMAP协议将邮件发送到收件人手机上
    • IP电话网关
      • 连接不同网络
      • 完成不同网络协议的转换
  • 互联网与因特网区别
    • 互联网是全球最大的互联网络
    • 实现通讯和资源共享
    • 万物互联网提供信息检索服务
  • 服务的共同特点
    • 采用客户机-服务器模式
    • 支持多种操作系统
    • 需要用户注册或具备合法用户名和密码

Internet 的接入方式

  • 接入方式
    • 个人用户接入
      • 电话拨号
        • 硬件需求：计算机、电话线、解调器
        • 特点：传输速率低（56Kbps），不能同时打电话
        • 已淘汰
      • ISDN（综合业务数字网）
        • 特点：同时上网和打电话，最高128Kbps
        • 使用较少，费用高
      • ADSL（非对称数字用户线路）
        • 硬件需求：计算机、网卡、电话线、分频器
        • 特点：下载速度快，上传速度慢
        • 最主要的接入方式
    • 公司/学校接入
      • 局域网接入
        • 特点：整个局域网内计算机可上网
        • 通过路由器接入Internet
      • 代理服务器接入
        • 特点：通过代理服务器的IP地址访问Internet
    • 无线接入
      • 无线局域网
        • 特点：覆盖范围有限，适合家庭使用
      • 广域无线接入
        • 特点：可移动接入，依赖移动电话基础设施
        • 不够理想，但技术在进步
  • 服务提供商
    • ISP（Internet服务提供商）
      • 分类：IAP（接入服务提供商）、ICP（内容服务提供商）
      • 主要 ISP：ChinaNet、SERNET、中国科技网等
    • 二级SP：提供增值服务
    • IAP与ICP服务范围的交叉趋势
  • 接入技术细节
    • 调制解调：将数字信号转换为模拟信号，再将模拟信号转换回数字信号
    • 电话网络：完成用户端到 SP 的连接，SP 主干线路采用高带宽数字线路
    • ADSL技术：利用电话线进行高速数字传输，非对称上下行速度
    • 无线技术：通过无线路由器或移动网络基站连接至I nternet