计算机网络学习1

一、网络

网络是现代互联网文明的基础，起源于美国（ARPANET）。

网络伴随着计算机技术的发展而不断演进。CPU等大规模集成电路成本降低、性能提升，加上智能手机的普及，使移动互联网在当今时代处于主导地位。

二、物理层

物理层：负责物理连接，使用网线、光纤等介质进行数据传输。

传输数据通过电压（或光信号、电磁波）来实现：高电压表示1，低电压表示0。

传输介质种类包括：

• 铜导线（双绞线、同轴电缆）

• 光纤（光信号传输）

• 电磁波（WiFi无线网络）

• 红外传输（短距离通信）

物理层的本质：定义了一系列协议标准，将物理现象（电压、光信号、电磁波）转换为数字信号（0和1）。

三、数据链路层

数据链路层：MAC地址存在于网卡上，网卡在出厂时就被赋予一个全球唯一的MAC地址。

网络层：IP地址是人类为大规模网络传输而设计的虚拟地址。

特殊IP地址：

• 0.0.0.0：代表所有IP地址（通常用于监听所有网卡）

• 127.0.0.1：本机回环地址，用于本机内部通信

• 局域网IP地址（如 192.168.x.x、10.x.x.x、172.16.x.x）：仅在当前局域网内有效

数据传输过程：数据包中包含源IP、目标IP、源MAC、目标MAC和数据信息。在传输过程中，每一跳（经过一个路由器）都会更换源MAC和目标MAC，但源IP和目标IP保持不变。只要具备源IP和目标IP，借助网络层、数据链路层和物理层的协同工作，就能将数据顺利传输到目标电脑（前提是网络连通）。

每个需要网络通信的程序会被分配一个端口号（在网卡层面区分）。完整的数据包包含：源端口、目标端口、源IP、目标IP、源MAC、目标MAC、数据信息。

四、传输层

传输层：以UDP协议为例。

UDP发送100个数据包时，理想情况是 1,2,3,...,100 按顺序到达。

序号（Sequence Number） 的作用就是解决数据包的顺序问题，让接收方能按正确顺序重组数据。

五、ACK

ACK（Acknowledgment，确认应答）：保证发送方知道接收方已经收到数据。

例如：发送方发第4包，如果一直收不到ACK4，就触发超时重发。

典型的 1请求-1应答 模式：

• 发1 → 收ACK1 → 发2 → 收ACK2 → 发3 → 收ACK3 → ...

一旦发现某个包一直没收到ACK，就重发该包。

六、三握四挥

上述1请求-1应答的模式是简易TCP的雏形，但效率较低。

优化方案：

• 累计应答：分组发送 1,2,3,4,5,6,7，接收方回复 "ACK7"，表示 1~7 全部收到了。这种方式比逐个应答效率高。

• 滑动窗口：控制传输速率，允许发送方在未收到确认的情况下连续发送多个数据包，提高吞吐量。

• TCP慢启动机制：发送速率从1开始，呈指数增长：1 → 2 → 4 → 8 → 16 → 32。

• 拥塞避免：达到阈值后进入线性增长（如16 → 17 → 18 → 19），一旦发生丢包则回滚，降低速率重新试探。

• CRC纠错码：用于检测数据传输过程中是否出现错误。

TCP是面向连接的可靠传输协议，通过三次握手建立连接，四次挥手断开连接。

三次握手（建立连接）：

1. A → B：发送 SYN（请求建立连接）

2. B 收到后知道 A 能发。B → A：回复 SYN+ACK

3. A 收到后知道：自己能发、B能发、自己能收、B能收。A → B：发送 ACK

此时B也确认了所有通信能力，连接建立成功。

四次挥手（断开连接）：

1. A → B：发送 FIN，表示 A 的数据已经发送完毕

2. B → A：回复 ACK，表示知道 A 发完了

3. B → A：发送 FIN，表示 B 的数据也发送完毕（等待一段时间后发出）

4. A → B：回复 ACK，B 收到后确认断开成功