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《深入解析〈计算机网络〉谢希仁版：构建网络知识体系》
在当今数字化时代，计算机网络无处不在，从我们日常使用的互联网到企业内部的局域网，它已经成为现代社会运行的基石，谢希仁版的《计算机网络》是计算机网络领域的经典教材，深入学习这本教材能够帮助我们系统地掌握计算机网络的原理、技术和应用。
计算机网络概述
1、定义与功能
- 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，它的功能丰富多样，最基本的包括资源共享（如硬件资源、软件资源和数据资源）、数据通信（实现计算机之间的数据传输）、分布式处理（将任务分散到多个计算机节点上进行处理）等。
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- 在云计算环境中，众多的服务器通过计算机网络连接在一起，用户可以共享这些服务器的计算资源（CPU、内存等），这体现了资源共享功能；而当用户上传或下载数据时，就涉及到数据通信功能。
2、网络分类
- 按照网络的覆盖范围，可以分为局域网（LAN）、城域网（MAN）和广域网（WAN），局域网通常覆盖范围较小，如一个办公室、一栋建筑物内的网络，它具有较高的数据传输速率和较低的误码率，城域网覆盖城市范围，广域网则可以覆盖国家甚至全球范围，像互联网就是世界上最大的广域网。
- 从网络的拓扑结构来看，有总线型、星型、环型、树型和网状型等拓扑结构，星型拓扑结构以中央节点为中心，其他节点通过单独的链路与中央节点相连，这种结构易于管理和维护，但中央节点一旦出现故障会影响整个网络，而网状型拓扑结构可靠性高，因为每个节点都与多个节点相连，但它的成本也较高，构建和管理相对复杂。
计算机网络体系结构
1、OSI参考模型
- OSI（开放系统互连）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，每一层都有其特定的功能，并且为上一层提供服务，同时依赖下一层的支持。
- 物理层主要负责在物理介质上传输原始的比特流，定义了诸如电缆的接口类型、信号的传输方式等，数据链路层则将物理层传来的比特流组织成帧，进行差错控制和流量控制，像以太网中的MAC子层就属于数据链路层的一部分，网络层负责将数据从源节点传输到目的节点，进行路由选择，IP协议就是网络层的核心协议，传输层提供端到端的可靠或不可靠的传输服务，TCP和UDP是常见的传输层协议，会话层建立、管理和终止会话，例如在远程登录时会话层负责会话的建立和维护，表示层处理数据的表示形式，如加密、解密、压缩、解压缩等，应用层为用户提供各种网络应用服务，如HTTP用于网页浏览，SMTP用于电子邮件发送等。
2、TCP/IP体系结构
- TCP/IP体系结构是实际应用中广泛采用的网络体系结构，它分为四层，即网络接口层、网络层、传输层和应用层，网络接口层相当于OSI模型中的物理层和数据链路层，负责接收和发送IP数据报，网络层的核心是IP协议，它实现了网络间的寻址和路由选择，传输层的TCP提供可靠的面向连接的传输服务，UDP提供不可靠的无连接的传输服务，应用层包含了各种应用协议，如HTTP、FTP、DNS等，与OSI模型相比，TCP/IP体系结构更加简洁实用，并且在互联网的发展过程中不断演进。
物理层
1、通信基础
- 物理层的通信涉及到信号的传输，信号可以分为模拟信号和数字信号，模拟信号是连续变化的信号，如传统的电话线上传输的语音信号；数字信号是离散的信号，计算机内部处理的都是数字信号，在物理层，需要将数字信号转换为适合在物理介质上传输的形式，这就涉及到调制和解调技术，在ADSL（非对称数字用户线路）中，将计算机产生的数字信号通过调制技术转换为适合在电话线上传输的模拟信号，在接收端再通过解调技术还原为数字信号。
- 物理介质也是物理层的重要组成部分，常见的物理介质包括双绞线、同轴电缆、光纤和无线电波等，双绞线价格便宜，广泛应用于局域网中；同轴电缆具有较好的抗干扰能力，曾经用于有线电视网络和早期的计算机网络；光纤传输速率高、衰减小，是现代高速网络的主要传输介质，如在骨干网络中广泛使用；无线电波可以实现无线通信，适用于移动设备之间的通信，如Wi - Fi就是利用无线电波进行数据传输的。
数据链路层
1、链路层功能
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- 数据链路层的主要功能是将物理层传来的原始比特流组织成帧，并进行差错控制和流量控制，帧是数据链路层的基本传输单位，它包含了帧头、数据部分和帧尾，帧头和帧尾包含了一些控制信息，如源地址、目的地址、帧的类型等，差错控制用于检测和纠正传输过程中的错误，常见的差错控制方法有奇偶校验、CRC（循环冗余校验）等，流量控制则是为了防止发送方发送数据的速度过快，超过接收方的处理能力，常用的流量控制方法有停止 - 等待协议和滑动窗口协议。
2、以太网技术
- 以太网是目前应用最广泛的数据链路层技术，它采用了CSMA/CD（载波监听多路访问/冲突检测）协议来解决多个节点共享总线时的冲突问题，在以太网中，每个节点在发送数据之前先监听总线是否空闲，如果空闲则发送数据，如果检测到冲突则停止发送，并随机等待一段时间后重新发送，以太网的帧格式包括目的MAC地址、源MAC地址、类型字段、数据字段和FCS（帧检验序列）字段，随着网络技术的发展，以太网的速度不断提高，从早期的10Mbps以太网发展到现在的10Gbps甚至更高速度的以太网。
网络层
1、网络层功能与IP协议
- 网络层的主要功能是将数据从源主机传输到目的主机，这涉及到网络间的寻址和路由选择，IP协议是网络层的核心协议，它为每个连接到网络上的设备分配一个唯一的IP地址，这个IP地址就像设备在网络中的“身份证”，IP地址分为IPv4和IPv6两种版本，IPv4地址是32位的，由于互联网的迅速发展，IPv4地址面临枯竭的问题，IPv6地址是128位的，能够提供大量的地址空间，以满足未来网络发展的需求。
- 路由选择是网络层的另一个重要功能，路由器是网络层的核心设备，它根据路由表将接收到的IP数据报转发到合适的下一跳，路由表可以通过静态配置或者动态路由协议（如RIP、OSPF等）来生成，动态路由协议能够根据网络的拓扑结构变化自动调整路由表，提高网络的适应性和可靠性。
2、子网划分与网络地址转换（NAT）
- 子网划分是将一个大的网络划分为多个小的子网的技术，通过子网划分，可以提高IP地址的利用率，并且可以根据不同的需求对网络进行管理，子网掩码用于确定IP地址中的网络部分和主机部分，对于一个C类网络192.168.1.0，如果子网掩码为255.255.255.192，则可以将这个网络划分为4个子网。
- 网络地址转换（NAT）是一种将内部网络地址转换为外部网络地址的技术，在企业内部网络中，通常使用私有IP地址，当内部网络中的设备要访问外部网络时，通过NAT设备将私有IP地址转换为合法的公共IP地址，NAT可以节省公共IP地址资源，并且提高内部网络的安全性。
传输层
1、传输层服务与协议
- 传输层为应用层提供端到端的传输服务，它有两种主要的协议：TCP（传输控制协议）和UDP（用户数据报协议），TCP是一种可靠的面向连接的协议，它在传输数据之前先建立连接，然后在连接上进行数据传输，传输过程中进行差错控制、流量控制和拥塞控制，在文件传输时，使用TCP协议可以保证文件的完整传输，UDP是一种不可靠的无连接的协议，它不需要建立连接就可以发送数据，适用于对实时性要求较高而对可靠性要求相对较低的应用，如视频流的传输、在线游戏等。
2、TCP的工作原理
- TCP建立连接采用三次握手的方式，客户端向服务器发送一个SYN（同步）包，表示请求建立连接；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，这样就完成了连接的建立，在数据传输过程中，TCP通过序列号和确认号来保证数据的顺序和完整性，当数据传输完成后，TCP采用四次挥手的方式来关闭连接。
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- TCP的拥塞控制也是其重要的功能之一，拥塞控制的目的是防止网络出现拥塞，保证网络的高效运行，TCP采用了慢启动、拥塞避免、快重传和快恢复等机制来进行拥塞控制，在网络负载较轻时，采用慢启动机制，逐渐增加发送窗口的大小；当网络出现拥塞时，采用拥塞避免、快重传和快恢复等机制来调整发送窗口的大小，减少网络拥塞的影响。
应用层
1、常见应用层协议
- HTTP（超文本传输协议）是用于网页浏览的协议，当用户在浏览器中输入网址时，浏览器通过HTTP协议向服务器请求网页内容，服务器将网页内容以HTML等格式返回给浏览器，FTP（文件传输协议）用于在网络上进行文件的上传和下载，它支持两种模式：主动模式和被动模式，SMTP（简单邮件传输协议）用于电子邮件的发送，而POP3（邮局协议第3版）和IMAP（互联网邮件访问协议）用于电子邮件的接收，DNS（域名系统）则是将域名转换为IP地址的系统，它就像互联网的“电话号码簿”，使用户可以通过域名而不是难以记忆的IP地址来访问网站。
2、应用层的发展趋势
- 随着互联网技术的发展，应用层也在不断创新和发展，随着移动互联网的兴起，出现了许多针对移动设备的应用协议和服务，物联网（IoT）的发展也对应用层提出了新的要求，需要开发出适用于物联网设备之间通信和交互的应用协议，云计算、大数据等技术也促使应用层在数据处理、服务提供等方面不断演进，如开发出更高效的云存储协议、大数据分析接口等。
计算机网络安全
1、网络安全威胁
- 在计算机网络中，存在着多种安全威胁，网络攻击包括黑客攻击、病毒传播、恶意软件入侵等，黑客可能会通过网络漏洞入侵系统，窃取用户的敏感信息，如账号密码、信用卡信息等，病毒可以自我复制并在网络中传播，感染其他计算机，破坏系统文件或窃取数据，恶意软件则可能伪装成合法的软件，一旦安装到计算机上就会执行恶意操作，如弹出广告、监控用户行为等。
- 网络窃听也是一种常见的安全威胁，攻击者可能会在网络上监听数据传输，获取未加密的数据内容，例如在公共Wi - Fi环境下，如果数据没有加密，攻击者就可能获取用户的登录信息等。
2、网络安全防范措施
- 为了应对网络安全威胁，采取了多种防范措施，防火墙是一种常用的网络安全设备，它可以根据预设的规则，阻止非法的网络流量进入内部网络，允许合法的流量通过，加密技术也是保障网络安全的重要手段，通过对数据进行加密，即使数据被窃听，攻击者也无法获取数据的真实内容，在HTTPS（超文本传输安全协议）中，采用了SSL/TLS加密技术，对网页传输的数据进行加密，入侵检测系统（IDS）和入侵防御系统（IPS）可以检测和防范网络中的入侵行为，及时发现并阻止攻击者的入侵。
谢希仁版的《计算机网络》涵盖了计算机网络从物理层到应用层的各个方面，从基础的网络概念到复杂的网络体系结构、协议以及网络安全等内容，通过深入学习这本教材，我们能够构建起完整的计算机网络知识体系，为进一步学习网络工程、网络安全、云计算等相关领域的知识打下坚实的基础，同时也能够更好地理解和应用现代网络技术，适应不断发展的数字化社会的需求，无论是网络技术的初学者还是有一定基础的专业人员，都能从这本教材的学习中受益。
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