《计算机网络基础》(第一章： 计算机网络概述)

1.1 计算机网络的定义和功能

1. 概念
   • 计算机网络定义：计算机网络是指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。例如，一个公司内部的办公网络，将员工的电脑、打印机、服务器等设备连接起来，方便员工共享文件、打印机等资源，同时也能进行内部通信。
   • 功能概念
     • 数据通信：计算机之间能够互相传输数据，如发送电子邮件、即时通讯消息等。这是计算机网络最基本的功能，通过网络协议将数据从源节点发送到目的节点。
     • 资源共享：包括硬件资源（如打印机、存储设备）、软件资源（如应用程序许可证）和数据资源（如文件、数据库）的共享。例如，在学校的计算机实验室中，所有计算机可以共享一台高性能打印机。
     • 分布式处理：把一个复杂的任务分解为多个子任务，分配到网络中的不同计算机上进行处理，最后将结果汇总。例如，大型的科学计算或数据挖掘项目可以利用分布式处理来提高效率。
     • 提高可靠性：通过网络中的冗余路径和备份设备，当某个节点或链路出现故障时，网络可以自动切换到其他正常的路径或设备，保证系统的正常运行。例如，服务器集群通过备份服务器来提高系统的可靠性。
2. 过程
   • 建立连接阶段：当两台计算机需要通信时，首先要通过网络协议建立连接。比如在使用TCP协议时，发送方会发送一个同步（SYN）数据包，接收方收到后回复一个确认（ACK）和同步（SYN）数据包，发送方再回复一个确认（ACK）数据包，这样就建立了一个TCP连接。
   • 数据传输阶段：以HTTP协议为例，浏览器向Web服务器发送一个HTTP请求，请求获取网页内容。服务器接收到请求后，按照请求的内容查找对应的网页文件，并将文件内容封装成HTTP响应消息，通过网络传输回浏览器。在传输过程中，数据会被分割成一个个数据包，每个数据包都包含源地址、目的地址等信息。
   • 连接释放阶段：通信结束后，需要释放连接。在TCP协议中，双方会通过发送特定的数据包来关闭连接，以释放系统资源。
3. 原理
   • 分层原理：计算机网络采用分层结构，如OSI七层模型（物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层、应用层）和TCP/IP四层模型（网络接口层、网络层、传输层、应用层）。分层的目的是将复杂的网络功能分解为多个相对独立的层次，每个层次负责特定的功能，并且向上一层提供服务，同时利用下一层的服务。例如，在网络层，IP协议负责将数据包从源主机发送到目的主机，而不关心数据包的内容和应用场景；传输层的TCP或UDP协议则根据应用的需求提供可靠的或不可靠的传输服务。
   • 协议原理：协议是计算机网络通信的规则。不同的协议用于实现不同的功能。例如，以太网协议规定了在局域网中数据帧的格式、传输速率、介质访问控制方法等。IP协议规定了如何在互联网中进行寻址和路由选择，通过IP地址来确定数据包的发送路径。协议还规定了数据的封装和解封装过程，数据在发送端从高层到低层逐层封装，在接收端从低层到高层逐层解封装。
   • 路由原理：在网络层，路由设备（如路由器）根据路由表来确定数据包的转发路径。路由表中包含了网络地址和对应的下一跳地址等信息。当路由器收到一个数据包时，它会查看数据包的目的地址，然后在路由表中查找匹配的条目，将数据包转发到下一跳地址。路由算法有多种，如距离矢量算法（如RIP）和链路状态算法（如OSPF），它们通过不同的方式来更新和维护路由表，以适应网络拓扑的变化。
4. 实例
   • 局域网（LAN）：家庭网络是典型的局域网。通过路由器将家中的电脑、手机、智能电视等设备连接起来。这些设备可以共享家庭宽带上网，并且可以互相访问共享的文件。例如，用户可以将电脑上的电影文件共享，然后在智能电视上播放。
   • 广域网（WAN）：互联网服务提供商（ISP）构建的网络就是广域网。企业通过租用ISP的线路将分布在不同地理位置的分支机构连接起来。例如，一家跨国公司通过广域网将位于不同国家的办公室连接起来，实现数据共享和通信，各个办公室的员工可以通过企业内部的网络系统协同工作。
   • 城域网（MAN）：城域网覆盖一个城市范围，如城市的有线电视网络。它可以为城市中的用户提供高速的互联网接入、数字电视等多种服务。例如，城市中的多个小区通过城