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《计算机网络基础全解析》
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计算机网络的概念
计算机网络是将地理位置不同的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。
从功能角度来看，计算机网络主要有数据通信、资源共享、分布式处理等功能，数据通信是计算机网络最基本的功能，它使得不同计算机之间能够快速准确地传递各种信息，如文件、图像、音频等，资源共享包括硬件资源共享（如打印机、硬盘等）、软件资源共享（如操作系统、应用程序等）和数据资源共享，分布式处理则允许将一个大型任务分解到多个计算机上并行处理，提高处理效率。
计算机网络的发展历程
1、面向终端的计算机网络
- 在20世纪50 - 60年代，计算机昂贵且稀少，为了提高计算机的利用率，出现了一种以单个计算机为中心的远程联机系统，它将地理位置分散的多个终端设备通过通信线路连接到计算机上，终端设备没有独立的数据处理能力，仅仅是输入输出设备，所有的数据处理都由中心计算机完成。
2、计算机 - 计算机网络
- 20世纪60年代末到70年代，随着计算机技术的发展，多个计算机之间开始互联，美国的ARPAnet是这一时期的典型代表，它采用分组交换技术，将数据分成一个个小的分组进行传输，这种方式提高了网络的通信效率和可靠性，各个计算机之间可以互相通信、共享资源，标志着现代计算机网络的诞生。
3、开放式标准化网络
- 20世纪70 - 80年代，计算机网络迅速发展，不同网络体系结构和网络协议并存，为了使不同厂家生产的计算机能够相互通信，国际标准化组织（ISO）提出了开放系统互连参考模型（OSI/RM），定义了网络通信的七层协议，为网络的标准化和互联互通奠定了基础。
4、高速计算机网络
- 20世纪90年代至今，随着信息技术的飞速发展，对计算机网络的带宽、速度等提出了更高的要求，互联网（Internet）迅速普及，出现了高速以太网、光纤分布式数据接口（FDDI）、异步传输模式（ATM）等高速网络技术，5G网络的发展更是推动计算机网络迈向一个新的高速发展阶段。
计算机网络的分类
1、按地理范围分类
局域网（LAN）
- 覆盖范围较小，一般在几十米到几千米范围内，如家庭网络、办公室网络等，局域网具有较高的传输速率，通常采用共享介质或交换式以太网技术，网络拓扑结构常见的有星型、总线型、环型等。
城域网（MAN）
- 覆盖范围介于局域网和广域网之间，通常覆盖一个城市或地区，范围可达几十千米，城域网主要用于连接城市内的企业、学校、政府机构等局域网，提供高速的数据传输服务。
广域网（WAN）
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- 覆盖范围非常广，可以跨越城市、国家甚至全球，广域网通常由多个局域网或城域网通过通信线路连接而成，如互联网就是世界上最大的广域网，广域网的传输速率相对较低，传输延迟较大，通信成本也较高。
2、按网络拓扑结构分类
星型拓扑
- 以中央节点为中心，其他节点都与中央节点相连，中央节点负责数据的转发和控制，这种拓扑结构的优点是易于管理和维护，故障诊断容易，缺点是中央节点一旦出现故障，整个网络将瘫痪。
总线型拓扑
- 所有节点都连接到一条总线上，数据在总线上进行广播式传输，其优点是结构简单、成本低，缺点是总线上任何一点故障都会影响整个网络的正常运行，并且网络性能会随着节点数量的增加而下降。
环型拓扑
- 节点连接成一个闭合的环，数据沿着环单向传输，环型拓扑的优点是传输延迟确定，缺点是可靠性较差，任何一个节点或链路出现故障都会导致整个网络中断。
计算机网络体系结构
1、OSI参考模型
- OSI参考模型将计算机网络分为七层，从下到上分别是物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层和应用层。
- 物理层主要负责在物理介质上传输原始的比特流，定义了接口的机械、电气、功能和规程特性，数据链路层负责将物理层传来的原始比特流组成帧，进行差错检测和纠正，同时实现介质访问控制，网络层负责将分组从源节点传输到目标节点，主要功能包括路由选择、拥塞控制等，传输层为上层提供端到端的可靠或不可靠的传输服务，如TCP协议提供可靠的传输服务，UDP协议提供不可靠的传输服务，会话层负责建立、管理和终止会话，表示层负责数据的格式转换、加密解密、压缩解压缩等操作，应用层为用户提供各种网络应用服务，如HTTP、FTP等。
2、TCP/IP模型
- TCP/IP模型是互联网实际使用的网络模型，它分为四层，即网络接口层、网络层、传输层和应用层，网络接口层对应OSI模型的物理层和数据链路层，负责将IP数据报封装成适合在物理网络上传输的帧，网络层的核心协议是IP协议，负责将分组从源主机发送到目标主机，传输层有TCP和UDP两种主要协议，分别提供可靠和快速的传输服务，应用层包含了众多的网络应用协议，如HTTP、FTP、SMTP等。
计算机网络中的重要设备
1、路由器
- 路由器是连接不同网络的设备，它工作在网络层，路由器根据网络层的IP地址进行路由选择，将数据包从一个网络转发到另一个网络，它具有多个网络接口，可以连接不同类型的网络，如以太网、广域网等，路由器还具备网络地址转换（NAT）功能，可以将内部网络的私有IP地址转换为合法的公网IP地址，实现内部网络与互联网的通信。
2、交换机
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- 交换机工作在数据链路层，主要用于连接局域网中的计算机等设备，交换机通过学习连接设备的MAC地址，建立MAC地址表，实现数据的快速转发，与集线器相比，交换机可以根据MAC地址进行定向转发，提高了网络的传输效率，减少了冲突域。
3、集线器
- 集线器是早期的网络连接设备，工作在物理层，它将多个设备连接在一起，形成一个共享的网络环境，当一个设备发送数据时，集线器会将数据广播到所有连接的设备上，容易产生冲突，导致网络性能下降，现在已经逐渐被交换机所取代。
计算机网络中的协议
1、IP协议
- IP协议（Internet Protocol）是网络层的核心协议，IP协议定义了IP数据报的格式，包括版本号、首部长度、服务类型、总长度、标识符、标志位、片偏移、生存时间、协议、首部校验和、源IP地址和目标IP地址等字段，IP协议提供了无连接、不可靠的数据包传输服务，它通过IP地址来标识网络中的主机，并负责将数据包从源主机发送到目标主机。
2、TCP协议
- TCP协议（Transmission Control Protocol）是传输层的协议，提供可靠的、面向连接的端到端传输服务，TCP协议通过三次握手建立连接，在数据传输过程中进行流量控制和拥塞控制，确保数据的可靠传输，当数据传输完成后，通过四次挥手来释放连接，TCP协议的可靠性是通过序列号、确认号、校验和等机制来实现的。
3、UDP协议
- UDP协议（User Datagram Protocol）也是传输层的协议，与TCP协议不同，UDP提供无连接、不可靠的传输服务，UDP协议的特点是简单、高效，适用于对实时性要求较高但对数据可靠性要求相对较低的应用，如视频流、音频流等的传输。
计算机网络安全
1、网络安全威胁
- 计算机网络面临着多种安全威胁，如黑客攻击、病毒感染、恶意软件、网络钓鱼等，黑客攻击可以通过入侵网络系统获取敏感信息、破坏系统正常运行等，病毒是一种能够自我复制并传播的恶意程序，它可以感染计算机系统中的文件、破坏数据等，恶意软件包括间谍软件、广告软件等，它们会在用户不知情的情况下收集用户信息、弹出广告等，网络钓鱼则是通过伪装成合法的网站或服务，骗取用户的账号、密码等敏感信息。
2、网络安全防护措施
- 为了保障计算机网络安全，需要采取多种防护措施，防火墙是一种常用的网络安全设备，它可以设置在内部网络和外部网络之间，根据预先定义的规则允许或阻止网络流量，入侵检测系统（IDS）和入侵防御系统（IPS）可以监测网络中的入侵行为并采取相应的措施，加密技术可以对数据进行加密，确保数据在传输和存储过程中的安全性，还需要加强用户的安全意识教育，如不随意点击不明链接、定期更新密码等。
计算机网络基础涵盖了从网络的概念、发展历程、分类、体系结构到网络设备、协议以及网络安全等多个方面的内容，这些知识是深入理解和应用计算机网络技术的基石，随着信息技术的不断发展，计算机网络将在更多领域发挥着不可替代的重要作用。
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