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计算机网络
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2025-03-10
一、定义与核心组成
计算机网络是通过通信设备和线路将地理位置分散的、具有独立功能的计算机系统连接起来，由软件实现资源共享和信息传递的互联系统。其核心包括三个部分：
- 硬件：主机（端系统）、通信链路（光纤/双绞线）、交换设备（路由器/交换机）和通信处理机（网卡）。
- 软件：网络操作系统、文件传输工具（如FTP）、邮件收发程序等。
- 协议：规范数据传输的规则（如TCP/IP协议族），是网络通信的核心。
二、功能与应用
1. 主要功能
- 数据通信：实现计算机间的信息传输（如文件传输、实时通信）。
- 资源共享：硬件（打印机）、软件（数据库）和数据（文件）的共享。
- 分布式处理：任务分发给多台计算机协同完成（如云计算）。
- 可靠性提升：通过冗余链路和负载均衡保障系统稳定性。
2. 应用场景
- 互联网服务：网页浏览（HTTP）、电子邮件（SMTP）、文件下载（FTP）。
- 企业网络：数据库共享、远程办公（VPN）。
- 物联网：设备互联（智能家居、工业传感器）。
三、分类与拓扑结构
1. 按分布范围分类
- 局域网（LAN）：覆盖范围小（如办公室、家庭），采用高速连接（以太网/Wi-Fi）。
- 广域网（WAN）：跨城市/国家，使用高速链路（如光纤骨干网）。
- 城域网（MAN）：覆盖城市范围，多采用以太网技术。
2. 按拓扑结构分类
- 总线型：单根传输线连接所有节点，成本低但易冲突（如早期以太网）。
- 星型：中央节点（交换机）集中控制，可靠性高（现代局域网主流）。
- 网状型：节点多路径互联，冗余性强（广域网常用）。
四、网络体系结构
1. OSI七层模型
- 物理层：传输比特流（如光纤、双绞线）。
- 数据链路层：帧传输与错误检测（如MAC地址、交换机）。
- 网络层：路由选择与IP寻址（如路由器、IP协议）。
- 传输层：端到端通信（如TCP/UDP协议）。
- 会话层：管理通信会话（如建立/终止连接）。
- 表示层：数据格式转换（如加密/压缩）。
- 应用层：用户服务接口（如HTTP、DNS）。
2. TCP/IP四层模型
- 网络接口层：对应OSI的物理层+数据链路层。
- 网际层：IP协议实现跨网络通信。
- 传输层：与OSI传输层一致。
- 应用层：整合OSI的会话层、表示层和应用层。
五、核心协议与技术
1. 关键协议
- 应用层：HTTP（网页传输）、DNS（域名解析）、SMTP（邮件发送）。
- 传输层：TCP（可靠传输）、UDP（快速传输）。
- 网络层：IP（寻址与路由）、ICMP（错误报告）。
- 数据链路层：ARP（IP转MAC地址）、PPP（点对点协议）。
2. 新兴技术
- SDN（软件定义网络）：分离控制与数据平面，实现灵活配置。
- 5G与边缘计算：低延迟、高带宽支持物联网与实时应用。
六、发展趋势
- 智能化：AI驱动的网络资源优化与故障预测。
- 安全性增强：量子加密、零信任架构应对网络攻击。
- 去中心化：区块链技术重构数据存储与传输模式。
七、经典问题与案例
- TCP三次握手：建立可靠连接的过程（SYN→SYN-ACK→ACK）。
- IP地址分配：IPv4与IPv6的地址结构与NAT技术。
- CDN（内容分发网络）：通过分布式服务器提升内容访问速度。
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