软件设计师——计算机网络学习笔记
一、计算机网络
网络基础
1. 计算机网络的分类
2. 网络拓扑结构
总线型(利用率低、干扰大、价格低)
星型(交换机形成的局域网、中央单元负荷大)
环型(流动方向固定、效率低扩充难)
树型(总线型的扩充、分级结构)
分布式(任意节点连接、管理难成本高)
一般来说，办公室局域网是星型拓扑结构，中间节点就是交换机，一旦交换机损坏，整个网络都瘫痪了，这就是星型结构。同理，由路由器连接起来的小型网络也是星型结构。
3. OSI参考模型
| OSI层 | 功能 | 单位 | 设备 |
|---|---|---|---|
| 物理层 | 负责比特流在物理介质上的传输，包括电压、线速、针脚等电气特性。 | 比特（Bit） | 网卡、中继器、集线器 |
| 数据链路层 | 帧传输、错误检测与纠正、MAC寻址 | 帧（Frame） | 交换机、网桥 |
| 网络层 | 负责逻辑寻址和路由选择，实现不同网络间的数据包传输。 | 数据包（Packet） | 路由器、三层交换机 |
| 传输层 | 端到端连接、流量控制、可靠性保障 | 段（Segment，TCP）或数据报 | 网关、防火墙 |
| 会话层 | 建立、管理、终止会话 | 数据（Data） | 不常见（软件实现为主） |
| 表示层 | 数据格式转换、加密/解密、压缩 | 数据（Data） | 软件协议栈 |
| 应用层 | 直接为用户应用提供服务，如文件传输、电子邮件等。 | 数据（Data） | 代理服务器、应用网关 |
由低层到高层分别为：物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层、应用层（速记词：巫术忘传会飙鹰）。
网络设备
1. 网卡（Network Interface Card, NIC）
网卡是计算机与网络之间的硬件接口，负责将数据转换为电信号或光信号进行传输。功能包括物理地址（MAC地址）识别、数据封装与解封装、流量控制等。有线网卡通过RJ-45接口连接网线，无线网卡通过天线接收Wi-Fi信号。
2. 中继器（Repeater）
中继器工作在物理层，用于放大或再生网络信号以延长传输距离。作用仅限于信号增强，不改变数据内容，也无法识别数据包的目标地址。中继器功能单一，无法隔离冲突域或广播域。
3. 集线器（Hub）
集线器是物理层设备，功能类似于多端口中继器。所有连接到集线器的设备共享同一冲突域，数据广播到所有端口，缺乏定向传输能力。因其效率低，现代网络已逐渐被交换机取代。
4. 网桥（Bridge）
网桥工作在数据链路层，用于连接两个MAC层协议相同的网络（局域网）并过滤流量。通过MAC地址表学习目标设备位置，仅转发目标地址在另一端的帧，从而减少不必要的广播流量。
5. 交换机（Switch）
交换机是高性能的网桥升级版，在数据链路层转发数据帧，基于MAC地址进行点对点通信。每个端口独立构成冲突域，支持全双工通信。通过MAC地址表实现点对点数据传输，显著提升网络效率。交换机隔离冲突域，但默认不隔离广播域（除非使用VLAN）
6.路由器（Router）
路由器工作在网络层（OSI第三层），负责在不同网络间转发数据包。功能包括IP地址寻址、路由选择（如OSPF、BGP协议）、NAT（网络地址转换）和防火墙基础防护。路由器处理IP地址，而交换机处理MAC地址。
7.网关（Gateway）
网关是高层协议转换设备，工作于传输层及以上（OSI第四至七层）。用于连接不同协议的网络（如TCP/IP与SNA），或实现应用层协议转换（如邮件网关）。广义上，路由器也可视为一种网关。
8.防火墙（Firewall）
防火墙是网络安全设备，工作层次从网络层到应用层不等。监控进出网络的数据流，基于规则允许或拦截流量。功能包括：
- 包过滤：基于IP、端口等规则阻止非法流量。
- 状态检测：跟踪连接状态以识别异常会话。
- 应用层防护：深度检测HTTP、FTP等协议内容。
- VPN支持：加密远程访问流量。
可分为硬件防火墙（如企业级设备）和软件防火墙（如Windows Defender）。
网络协议
1. TCP/IP协议
2. 常见网络协议端口号及作用
| 端口号 | 协议名称 | 作用 |
|---|---|---|
| 20/21 | FTP | 文件传输协议（20用于数据传输，21用于控制连接） |
| 22 | SSH | 安全外壳协议，用于加密远程登录和管理 |
| 23 | Telnet | 远程登录协议（明文传输，安全性较低） |
| 25 | SMTP | 简单邮件传输协议，用于发送邮件 |
| 53 | DNS | 域名系统协议，用于域名解析 |
| 67/68 | DHCP | 动态主机配置协议（67为服务器端，68为客户端） |
| 80 | HTTP | 超文本传输协议，用于网页浏览 |
| 110 | POP3 | 邮局协议版本3，用于接收邮件 |
| 143 | IMAP | 互联网消息访问协议，用于邮件管理（比POP3更高级） |
| 161 | SNMP | 简单网络管理协议，用于网络设备监控和管理 |
| 443 | HTTPS | 安全的HTTP协议，通过SSL/TLS加密传输数据 |
| 465 | SMTPS | 加密的SMTP协议（基于SSL） |
| 587 | SMTP（提交） | 邮件提交端口（通常与STARTTLS加密配合使用） |
| 993 | IMAPS | 加密的IMAP协议（基于SSL/TLS） |
| 995 | POP3S | 加密的POP3协议（基于SSL/TLS） |
| 3306 | MySQL | MySQL数据库默认端口 |
| 3389 | RDP | 远程桌面协议，用于Windows远程访问 |
| 5432 | PostgreSQL | PostgreSQL数据库默认端口 |
| 5900 | VNC | 虚拟网络计算协议，用于远程桌面控制 |
| 6379 | Redis | Redis数据库默认端口 |
** 网际层协议**
IP 的主要功能包括将上层数据（如TCP、UDP数据）或同层的其他数据（如ICMP数据）封装到IP数据中；将IP数据报送到最终目的地；为据报到达其他网络中的目的地的路径。
地址解析协议ARP的作用是将IP地址转换为物理地址，反地址解析协议RARP的作用是将物理地址转换为IP地址。
Internet 控制信息协议（ICMP）是网际层的另一个比较重要的协议。由于 IP 是一种尽力传送的通信协议，即传送的数据报可能会丢失、重复、延迟或乱序，因此IP需要一种避免差错并在发生差错时报告的机制。ICMP就是一个专门用于发送差错报文的协议。ICMP定义了五种差错报文（源抑制、超时、目的不可达、重定向和要求分段）和四种信息报文（回应请求、回应应答、地址屏蔽码请求和地址屏蔽码应答）。
传输层协议
传输控制协议TCP是TCP/IP 协议族中最重要的协议之一，利用TCP在源主机和目的机之间建立和关闭连接操作时，均需要通过三次握手来确认建立和关闭是否成功，如图10-7所示。
用户数据报协议UDP是一种不可靠、无连接的协议。UDP协议软件的主要作用是将UDP消息展示给应用层，并不负责重新发送丢失或出错的数据消息，不对接收到的无序IP数据报重新排序，不消除重复的IP数据报等。
常用的网络诊断命令
ping： 用于测试与目标主机的连通性和延迟。发送ICMP回显请求包，接收回显应答包。
tracert： 追踪数据包从源到目标的路径，显示经过的每一跳（路由器）及延迟。
nslookup： 查询DNS记录，验证域名解析是否正常。
netstat： 显示网络连接、路由表、接口统计等信息。
ipconfig： 查看或配置网络接口信息（IP地址、子网掩码、网关等）。
IP
1. IP地址
计算机存放的IP地址是 32位的二进制代码，每隔8位插入一个空格，可提高可读性，为了便于理解和设置，一般会采用点分十进制方法来表示:将32位二进制代码每8位二进制转换成一进制，就变成了4个十进制数，而后在每个十进制数间隔中插入.如下所示
Internet中的地址可以分为五类：A类、B类、C类、D类和E类，各类地址分配方案如图。
特殊地址：
169.254 是自动专用IP地址，当DHCP故障时为主机分配的临时IP地址
主机位：全0是本地网络地址，全1是广播地址，其他是主机地址。
2. 子网掩码
子网掩码（Subnet Mask）是一种32位的二进制数字，用于划分IP地址的网络部分和主机部分。它与IP地址结合使用，通过逻辑“与”运算确定网络地址。子网掩码由连续的1和连续的0组成，1表示网络位，0表示主机位。
| IP地址类别 | 默认子网掩码 | IP地址范围 |
|---|---|---|
| A类 | 255.0.0.0 | 1.0.0.1 - 126.255.255.254 |
| B类 | 255.255.0.0 | 128.0.0.1 - 191.255.255.254 |
| C类 | 255.255.255.0 | 192.0.0.1 - 223.255.255.254 |
子网掩码通常有两种表示形式：
- 点分十进制：如255.255.255.0，对应二进制为11111111.11111111.11111111.00000000。
- CIDR斜线表示法：如/24，表示掩码中1的个数为24位。
3. 子网划分
我们一般采用子网划分的方法来划分网络，将主机号拿出几位作为子网号，就可以划分出多个子网，此时IP地址组成为：网络号+子网号+主机号。(本质还是保留了分类编址结构)
网络号和子网号都为1，主机号都为0，这样的地址为子网掩码。
如何判断两个IP地址是否在同一网段？
只需要确定其网络号+子网号是否相同，可以将子网掩码和源IP地址进行与运算，得出网络地址，判断网络地址是否相同即可。网络号不同的主机属于不同的网段，不能直接通信，必须通过网络路由才能互相通信。
要注意的是：子网号可以为全0和全1，主机号不能为全0或全1，因此，在计算时，主机数需要 - 2，而子网数不用。
特殊情况处理
如果子网掩码不同，即使IP地址看起来相似，也可能不在同一网段。例如：
IP地址1：192.168.1.10，子网掩码：255.255.0.0，网络地址：192.168.0.0
IP地址2：192.168.1.20，子网掩码：255.255.255.0，网络地址：192.168.1.0
此时网络地址不同，不在同一网段。