计算机-网络基础
计算机网络基础知识是理解互联网、局域网等通信系统的核心，涵盖网络架构、核心协议、关键设备、地址体系等核心模块。以下从基础概念到核心原理，系统梳理网络知识的核心内容，帮助建立完整的网络认知框架。
一、网络的基本概念：什么是计算机网络？
计算机网络是指将地理上分散的、具有独立功能的计算机或设备（如手机、服务器、打印机），通过通信线路（网线、无线信号）和通信设备（路由器、交换机）连接起来，并借助网络协议（如 TCP/IP）实现数据传输和资源共享的系统。
1. 网络的核心作用
- 资源共享：共享硬件（如打印机、服务器存储）、软件（如办公软件、云应用）、数据（如共享文档、数据库）。
- 数据通信：实现设备间的信息传递（如微信消息、网页加载、视频通话）。
- 分布式处理：将复杂任务拆分到多个计算机上协同完成（如云计算、大数据分析）。
2. 网络的基本组成
- 节点（Node）：网络中的设备，包括 “终端节点”（如手机、电脑）和 “交换节点”（如路由器、交换机）。
- 链路（Link）：连接两个节点的物理或逻辑通道（如网线、Wi-Fi 信号、光纤）。
- 协议（Protocol）：设备间通信的 “规则约定”（如如何打包数据、如何识别目标设备），是网络通信的核心。
二、网络的分类：按覆盖范围划分
最常用的分类方式是按地理覆盖范围，不同类型的网络对应不同的使用场景：
| 网络类型 | 英文缩写 | 覆盖范围 | 典型场景 | 特点 |
|---|---|---|---|---|
| 局域网 | LAN | 小范围（如家庭、公司） | 家里的 Wi-Fi、公司办公网络 | 速度快（100Mbps~10Gbps）、延迟低、成本低 |
| 城域网 | MAN | 城市范围（如某市） | 城市政务网、运营商的城域骨干网 | 覆盖介于 LAN 和 WAN 之间，连接多个 LAN |
| 广域网 | WAN | 大范围（跨城市 / 国家） | 互联网、企业跨省分公司网络 | 依赖运营商线路（如光纤、5G），速度较慢、延迟较高 |
| 互联网（Internet） | - | 全球范围 | 浏览网页、视频通话、在线游戏 | 由无数 LAN/WAN 互联而成，是最大的公共网络 |
三、网络架构：分层模型（OSI 与 TCP/IP）
为了简化网络设计和调试，工程师将网络通信的复杂流程拆分为不同层次，每一层负责特定功能（“分层解耦” 思想）。最经典的是 OSI 七层模型，而实际应用中以 TCP/IP 四层模型为主。
1. OSI 七层模型（理论参考模型）
从下到上分为 7 层，每层通过 “接口” 与上下层交互，通过 “协议” 与对等层通信：
- 物理层：最底层，负责 “物理信号传输”（如网线的电信号、Wi-Fi 的无线信号），定义硬件接口（如 RJ45 网线头、光纤接口）。
- 数据链路层：负责 “相邻设备间的可靠传输”，将物理层的信号封装成 “帧”（数据包的基本单位），并处理冲突（如以太网协议）。
- 网络层：负责 “跨网络的路由”，确定数据从源设备到目标设备的 “路径”，核心是 IP 协议（给设备分配 IP 地址，实现跨网段通信）。
- 传输层：负责 “端到端的可靠通信”，核心是 TCP（可靠、面向连接）和 UDP（不可靠、无连接）协议，确保数据不丢失、不重复。
- 会话层：负责 “建立和管理通信会话”（如建立 TCP 连接、断开连接），较少单独关注（实际被 TCP 层整合）。
- 表示层：负责 “数据格式转换”（如加密 / 解密、压缩 / 解压、编码转换，如 HTTPS 的 SSL 加密）。
- 应用层：最上层，直接面向用户应用（如 HTTP 用于网页、FTP 用于文件传输、DNS 用于域名解析）。
2. TCP/IP 四层模型（实际应用模型）
OSI 模型过于复杂，实际互联网采用 TCP/IP 四层模型，与 OSI 的对应关系如下：
| TCP/IP 四层模型 | 对应 OSI 层次 | 核心功能 | 典型协议 |
|---|---|---|---|
| 应用层 | 应用层 + 表示层 + 会话层 | 提供用户应用接口 | HTTP、HTTPS、DNS、FTP |
| 传输层 | 传输层 | 端到端可靠通信 | TCP、UDP |
| 网络层 | 网络层 | 跨网络路由（IP 地址） | IP（IPv4/IPv6）、ICMP |
| 网络接口层 | 数据链路层 + 物理层 | 物理信号传输 + 相邻设备通信 | 以太网、Wi-Fi |
四、核心网络协议：通信的 “规则”
协议是网络的 “语言”，以下是最基础、最常用的协议：
1. IP 协议（网络层）：给设备 “分配地址”
- 作用：为每个接入网络的设备分配唯一的 “IP 地址”，确保数据能找到目标设备（类似 “家庭住址”）。
- 分类：
- IPv4：32 位地址，格式为 “点分十进制”（如 192.168.1.1），总数量约 43 亿个，已耗尽。
- IPv6：128 位地址，格式为 “冒分十六进制”（如 2001:0db8:85a3:0000:0000:8a2e:0370:7334），数量极多（足够给地球上每粒沙子分配地址），是未来的主流。
- IP 地址的类型：
- 公网 IP：互联网中唯一的地址（如百度服务器的 IP：180.101.49.11），需向运营商申请。
- 私网 IP：局域网内使用的地址（如 192.168.x.x、10.x.x.x），不同局域网可重复，通过 “路由器” 转换为公网 IP 上网（NAT 技术）。
2. TCP 协议（传输层）：“可靠” 的通信
- 特点：面向连接、可靠传输、有序传输（类似 “打电话”，先拨号建立连接，说话有顺序，对方听不清会要求重说）。
- 核心机制：
- 三次握手：建立 TCP 连接（客户端→服务器、服务器→客户端、客户端→服务器），确保双方都能收发数据。
- 四次挥手：断开 TCP 连接，确保数据传输完成后再断开。
- 重传机制：如果数据丢失，接收方会要求发送方重传。
- 适用场景：对可靠性要求高的场景（如浏览网页、下载文件、微信文字消息）。
3. UDP 协议（传输层）：“快速” 的通信
- 特点：无连接、不可靠、无序传输（类似 “发短信”，直接发送，不确认对方是否收到，也不保证顺序）。
- 优势：速度快、开销小（无需建立连接和重传）。
- 适用场景：对实时性要求高、可容忍少量数据丢失的场景（如视频通话、直播、在线游戏）。
4. HTTP/HTTPS 协议（应用层）：网页通信的 “语言”
- HTTP：超文本传输协议，用于浏览器与网页服务器之间传输数据（如加载百度首页），明文传输（数据容易被窃取或篡改），默认端口 80。
- HTTPS：HTTP+SSL/TLS 加密，加密传输（数据被加密，即使被窃取也无法破解），默认端口 443，现在主流网站（如淘宝、微信）都使用 HTTPS。
5. DNS 协议（应用层）：“域名解析”
- 作用：将易记的 “域名”（如www.baidu.com）转换为计算机能识别的 “IP 地址”（如 180.101.49.11），因为用户记不住 IP，但能记住域名。
- 过程：当你输入 “www.baidu.com” 时，浏览器会先向 DNS 服务器请求解析，得到 IP 后再连接服务器加载网页。
五、关键网络设备：连接与转发的 “桥梁”
不同设备负责不同的网络功能，常见设备如下：
-
交换机（Switch）：
- 作用：用于局域网（LAN）内连接多个设备（如电脑、手机、打印机），根据 “MAC 地址”（设备的硬件地址，类似 “身份证号”）转发数据，实现局域网内的通信。
- 特点：只在局域网内工作，不能跨网段（如不能将 192.168.1.x 的设备连接到 192.168.2.x）。
-
路由器（Router）：
- 作用：用于连接不同的网络（如将家庭 LAN 连接到运营商的 WAN），根据 “IP 地址” 路由数据，是实现 “跨网段通信” 和 “接入互联网” 的核心设备。
- 常见场景：家里的无线路由器，既作为交换机（提供 Wi-Fi 连接局域网设备），又作为路由器（将私网 IP 转换为公网 IP，接入互联网）。
-
网关（Gateway）：
- 作用：网络的 “出入口”，是设备访问其他网络的 “必经之路”（如家庭网络的网关通常是路由器的私网 IP：192.168.1.1）。
- 本质：网关是一个 “协议转换设备”，可由路由器兼任。
-
调制解调器（Modem，“猫”）：
- 作用：将运营商的 “模拟信号”（如光纤、网线信号）转换为计算机能识别的 “数字信号”，是接入互联网的 “第一道关卡”（如宽带猫、光猫）。
六、总结：网络通信的基本流程（以浏览网页为例）
以 “你在电脑上打开www.baidu.com” 为例，梳理完整的网络流程，帮助理解上述知识：
- 你输入域名 “www.baidu.com”，浏览器先向DNS 服务器发送解析请求，得到百度服务器的 IP 地址（如 180.101.49.11）。
- 浏览器通过TCP 协议与百度服务器进行 “三次握手”，建立可靠连接。
- 浏览器通过HTTP/HTTPS 协议向百度服务器发送 “获取首页” 的请求数据，数据经过以下分层处理：
- 应用层：封装 HTTPS 请求数据；
- 传输层：封装 TCP 头部（包含端口号）；
- 网络层：封装 IP 头部（包含源 IP：你的电脑私网 IP，目标 IP：百度服务器 IP）；
- 网络接口层：封装以太网帧（包含 MAC 地址），通过网线 / Wi-Fi 发送到路由器。
- 路由器根据目标 IP（百度服务器 IP），将数据转发到运营商的 WAN，再通过互联网路由到百度服务器。
- 百度服务器接收数据，处理后返回 “网页数据”，按相同的分层流程反向传输到你的电脑。
- 浏览器接收数据，解析后显示百度首页，最后通过 “四次挥手” 断开 TCP 连接。
通过以上内容，可掌握网络的 “基本概念→分层架构→核心协议→关键设备→通信流程”，为理解更复杂的网络知识（如子网划分、防火墙、VPN）打下基础。