《计算机网络原理知识点全解析》
计算机网络是现代信息技术的重要组成部分，它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，以下是计算机网络原理中的一些重要知识点：
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一、网络体系结构
1、OSI参考模型
- OSI参考模型将网络通信分为七层，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，如电缆类型、信号电平、传输速率等。
- 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，常见的协议有以太网协议，在局域网中，数据链路层又分为逻辑链路控制（LLC）子层和媒体访问控制（MAC）子层。
- 网络层主要负责将分组从源端传输到目的端，进行路由选择和拥塞控制，IP协议是网络层最重要的协议，它提供无连接的、不可靠的分组传送服务。
- 传输层提供端到端的可靠或不可靠的通信服务，TCP协议是可靠的传输协议，它通过三次握手建立连接，采用确认、重传等机制保证数据的可靠传输；UDP协议是不可靠的传输协议，它速度快，适用于对实时性要求较高的应用，如视频流传输。
- 会话层负责建立、管理和终止会话，表示层主要处理数据的表示、加密和压缩等操作，应用层为用户提供各种网络应用服务，如HTTP、FTP、SMTP等。
2、TCP/IP体系结构
- TCP/IP体系结构是事实上的网络标准，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的物理层和数据链路层，它负责接收和发送IP数据报。
- TCP/IP的网络层主要是IP协议，此外还有一些辅助协议如ICMP（Internet控制报文协议），用于报告网络中的差错和异常情况；IGMP（Internet组管理协议），用于管理多播组。
- 传输层的TCP和UDP协议与OSI中的功能类似，应用层包含了众多的网络应用协议，如用于网页浏览的HTTP协议、用于文件传输的FTP协议、用于电子邮件传输的SMTP和POP3协议等。
二、网络通信基础
1、数据通信方式
- 按通信方向分，有单工通信（信息只能单向传输，如广播）、半双工通信（信息可以双向传输，但不能同时进行，如对讲机）和全双工通信（信息可以同时双向传输，如电话）。
- 按同步方式分，有异步传输和同步传输，异步传输以字符为单位进行传输，每个字符附加起始位和停止位；同步传输以数据块为单位进行传输，在数据块的开头和结尾附加同步字符或同步比特序列。
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2、传输介质
- 有线传输介质包括双绞线、同轴电缆和光纤，双绞线成本低，常用于局域网；同轴电缆抗干扰能力较强，曾广泛用于有线电视网络和早期的计算机网络；光纤传输速率高、损耗低、抗干扰能力强，是现代网络主干线的主要传输介质。
- 无线传输介质包括无线电波、微波、红外线和激光等，无线电波应用广泛，如Wi - Fi技术使用2.4GHz或5GHz频段的无线电波进行通信；微波通信适用于远距离通信，需要视距传输；红外线和激光通信需要直线传输，常用于短距离、高速率的数据传输。
三、网络设备
1、集线器（Hub）
- 集线器是早期的网络连接设备，它工作在物理层，集线器将多个设备连接在一起，形成一个共享式的网络环境，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端口，容易产生冲突，并且网络带宽被所有设备共享，随着网络规模的扩大，网络性能会显著下降。
2、交换机（Switch）
- 交换机工作在数据链路层，它可以根据MAC地址对数据帧进行转发，交换机通过学习连接设备的MAC地址，建立MAC地址表，能够实现端口到端口的定向数据传输，大大提高了网络的效率，减少了冲突的发生，并且每个端口都可以独享网络带宽。
3、路由器（Router）
- 路由器工作在网络层，它的主要功能是进行路由选择，路由器根据网络层的IP地址信息，确定数据包的转发路径，路由器连接不同的网络，如将局域网连接到广域网，它还可以进行网络地址转换（NAT），实现内部网络地址到外部网络地址的转换，增强网络的安全性。
4、网关（Gateway）
- 网关是一种复杂的网络设备，它可以工作在网络层以上的各层，网关用于连接不同协议的网络，进行协议转换，将一个基于IPX/SPX协议的网络连接到基于TCP/IP协议的网络时，就需要网关进行协议转换操作。
四、网络协议
1、IP协议
- IP协议是网络层的核心协议，目前使用的是IPv4协议，它的地址长度为32位，IP地址分为网络部分和主机部分，可以分为A、B、C、D、E五类地址，A类地址的网络部分占1个字节，适用于大型网络；B类地址网络部分占2个字节，适用于中型网络；C类地址网络部分占3个字节，适用于小型网络，D类地址用于多播，E类地址保留用于实验等特殊用途。
- 随着互联网的发展，IPv4地址资源日益紧张，于是出现了IPv6协议，IPv6的地址长度为128位，地址空间极其庞大，可以满足未来网络发展的需求，IPv6在头部格式、地址表示等方面与IPv4有很大的不同。
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2、TCP协议
- TCP协议通过序列号、确认号、窗口大小等机制来实现可靠的数据传输，序列号用于标识发送的数据字节流中的每个字节的顺序；确认号用于确认已经正确接收的数据字节；窗口大小用于控制发送方的发送速率，防止接收方缓冲区溢出。
- TCP的三次握手过程是：首先客户端向服务器发送一个SYN（同步）包，请求建立连接；服务器收到SYN包后，向客户端发送一个SYN + ACK（同步 + 确认）包，表示同意建立连接并进行确认；客户端收到SYN+ACK包后，再向服务器发送一个ACK包，完成连接的建立，四次挥手过程用于终止连接，首先客户端发送FIN（结束）包，表示要关闭连接；服务器收到FIN包后，发送ACK包进行确认，然后服务器如果还有数据要发送，会继续发送数据，当服务器也准备关闭连接时，发送FIN包；客户端收到FIN包后，发送ACK包完成连接的关闭。
3、UDP协议
- UDP协议是一种简单的传输协议，它没有TCP协议的复杂的连接建立、维护和拆除过程，也没有确认、重传等机制，UDP协议在发送数据时，只需要将数据加上UDP首部，然后通过IP协议发送出去，UDP适用于对实时性要求较高的应用，如在线游戏、视频直播等，因为这些应用可以容忍一定的数据丢失，但对延迟比较敏感。
五、网络安全
1、网络安全威胁
- 网络面临着多种安全威胁，如黑客攻击、病毒和恶意软件、网络钓鱼等，黑客攻击包括端口扫描、入侵系统、窃取数据等行为；病毒和恶意软件可以感染计算机系统，破坏数据、占用系统资源；网络钓鱼则是通过伪装成合法的网站或电子邮件，骗取用户的账号、密码等敏感信息。
2、网络安全技术
- 防火墙技术是一种常用的网络安全技术，它可以设置在网络的边界，根据预先设定的规则，允许或禁止网络流量的通过，防火墙可以分为包过滤防火墙、状态检测防火墙和应用层防火墙等类型。
- 加密技术也是保障网络安全的重要手段，对称加密算法（如DES、AES等）使用相同的密钥进行加密和解密，速度快；非对称加密算法（如RSA等）使用公钥和私钥进行加密和解密，公钥可以公开，私钥需要保密，非对称加密算法主要用于数字签名、密钥交换等场景。
- 入侵检测系统（IDS）和入侵防御系统（IPS）可以检测和防止网络中的入侵行为，IDS主要是检测入侵行为并发出警报，而IPS则可以在检测到入侵行为时直接采取措施阻止入侵。
计算机网络原理涵盖了网络体系结构、通信基础、设备、协议和安全等多方面的知识，这些知识是构建和管理现代计算机网络的基础，随着技术的不断发展，计算机网络也在不断演进，如软件定义网络（SDN）、网络功能虚拟化（NFV）等新兴技术的出现，对网络原理的理解和掌握也将不断深入和拓展。
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