《计算机网络基础》课件

计算机网络基础欢迎学习《计算机网络基础》课程！本课程适用于21世纪本科基础课程体系，全面介绍计算机网络的核心概念、架构和协议我们的教学内容参考了谢希仁、Tanenbaum等著名学者的经典教材，结合当前网络技术的最新发展，为您提供系统而深入的网络知识学习体验通过本课程，您将掌握从物理层到应用层的网络工作原理，建立完整的计算机网络知识体系，为未来深入学习网络技术和从事相关工作奠定坚实基础课程介绍网络定义现实意义产业发展深入理解计算机网络的基探索网络技术如何深刻改了解网络产业的规模和增本概念、架构和工作原变现代社会，支撑各行各长趋势，认识网络技术在理，掌握网络通信的核心业的数字化转型和信息交数字经济中的关键地位知识流计算机网络已经渗透到我们生活和工作的各个领域，从日常的社交媒体到企业的核心业务系统，从智能家居到城市管理，网络技术无处不在根据最新统计，中国互联网用户已超过10亿，全球数据流量每年以40%的速度增长，网络产业已成为数字经济的基础设施课程目标解决实际问题能够分析和解决网络中的实际问题掌握典型协议熟悉各层协议的工作原理与应用理解网络结构掌握网络体系架构与分层模型本课程旨在帮助学生建立系统的网络知识体系，从最基础的物理连接到复杂的应用层协议，全面掌握计算机网络的核心概念和技术原理我们注重理论与实践相结合，通过丰富的案例和实验，培养学生解决网络实际问题的能力课程完成后，你将能够理解网络通信的底层机制，分析各种网络协议的工作流程，并具备基本的网络规划、配置和故障排除能力，为将来从事网络相关工作或进一步学习高级网络技术奠定坚实基础计算机网络的发展年1969ARPANET建立，连接四个节点，成为互联网的雏形年1990万维网WWW诞生，互联网开始向公众普及年2007智能手机革命，移动互联网快速发展年20205G商用部署，物联网规模化应用计算机网络从最初的ARPANET发展至今，已有超过50年的历程如今，全球互联网用户已超过54亿（截至2024年数据），占全球人口的近三分之二互联网不再仅仅是信息交流的平台，而已成为社会基础设施5G技术的广泛应用正在重塑网络格局，其高速率、低延迟特性为物联网、智能制造等新兴领域提供强大支持与此同时，星链等卫星互联网计划也在推进，旨在为全球偏远地区提供网络覆盖，进一步扩展网络的边界计算机网络定义互联互通通信协议通过通信设备和传输介质将分散的、定义网络中数据交换的规则和格式，独立的计算机系统互相连接起来，实确保不同厂商、不同系统的设备能够现资源共享和信息交换相互理解和协作硬软结合网络既包含物理设备（如路由器、交换机、网卡等），也包含软件系统（如操作系统、协议栈等）计算机网络是将地理位置不同的多台计算机及其附属设备，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系统现代计算机网络已经远远超出了最初的概念范畴，发展成为一个复杂的、多层次的技术体系，它不仅连接计算机，还连接着各种智能设备、传感器以及数据中心，形成了覆盖全球的信息基础设施网络的功能与作用计算机网络的核心功能是实现资源共享，包括硬件资源（如打印机、存储设备）、软件资源（如应用程序）和数据资源（如数据库）的共享，大大提高了资源利用率，降低了成本同时，网络还提供了便捷的信息交流渠道，从电子邮件到即时通讯，从社交媒体到视频会议，极大地促进了人与人之间的沟通效率在企业环境中，网络支持远程协作处理，使得分布在不同地点的团队能够共同完成复杂任务此外，通过分布式计算和云计算技术，网络还能够整合多台计算机的处理能力，形成强大的计算集群，解决单机无法处理的复杂问题，如气象预报、基因序列分析等大规模科学计算计算机网络的分类局域网（）LAN城域网（）MAN覆盖范围小，速度快，通常在同一建筑物或校覆盖一个城市范围，连接多个局域网园内互联网（）广域网（）INTERNET WAN全球性网络，连接世界各地的网络覆盖范围大，跨越城市甚至国家根据覆盖范围和规模，计算机网络可分为局域网、城域网、广域网和互联网局域网通常采用以太网技术，具有高速率、低成本的特点；城域网连接同一城市中的多个局域网，提供区域性服务；广域网则跨越更大的地理区域，常依赖于电信运营商提供的线路国际互联网（INTERNET）是最大规模的计算机网络，它通过TCP/IP协议将全球数以亿计的设备连接起来，形成了一个开放、自由的信息空间互联网的蓬勃发展极大地改变了人类社会的信息传播和交流方式局域网LAN以太网结构高速连接企业应用现代局域网主要采用星型拓扑结构，通过交换现代局域网速率从1Gbps到100Gbps不等，在企业环境中，LAN支持文件共享、打印服机连接各终端设备，实现高效数据传输满足高带宽应用需求务和业务应用系统的高效运行局域网（Local AreaNetwork,LAN）是覆盖范围较小的计算机网络，通常限于一栋建筑物或一个校园内它的主要特点是传输速率高、误码率低、延迟小，适合于局部范围内的密集数据交换以太网是当今最流行的局域网技术，遵循IEEE

802.3标准，采用CSMA/CD（载波侦听多路访问/冲突检测）机制解决数据碰撞问题现代局域网中，交换式以太网已经取代了早期的总线型结构，显著提高了网络效率和安全性广域网WAN广阔覆盖运营商提供跨越城市、国家甚至大洲，连接地理通常由电信运营商提供线路和服务，位置分散的网络广域网的最大特点企业用户租用这些服务来建立自己的是覆盖范围大，能够将世界各地的网广域网运营商拥有骨干网络基础设络连接起来，形成统一的通信平台施，提供MPLS、SDH等多种连接方式互联网骨干互联网的核心部分就是由多个相互连接的广域网组成，这些广域网构成了互联网的骨干，负责全球范围内的数据传输与局域网相比，广域网的传输速率相对较低，但覆盖范围更广，可以跨越地理障碍连接分散的局域网广域网技术包括PPP、Frame Relay、ATM、MPLS等，这些技术各有特点，适用于不同的应用场景现代企业广域网常采用SD-WAN（软件定义广域网）技术，通过软件控制和优化，提高广域网的灵活性和可管理性，同时降低运营成本云计算的普及也使得越来越多的企业选择通过互联网和VPN技术构建自己的广域网络互联网INTERNET全球性网络连接世界各地的网络系统协议族TCP/IP统一的通信规则保障互通丰富的服务支持各类应用和信息交换互联网（INTERNET）是全球最大的计算机网络系统，它通过一套共同的通信协议（TCP/IP协议族）将遍布全球的计算机网络连接起来，形成一个巨大的网络之网互联网的开放性和互操作性使其成为信息时代的标志性技术在互联网上，用户可以访问种类繁多的服务，包括万维网（WWW）、电子邮件（Email）、文件传输（FTP）、即时通讯、网络游戏等这些服务极大地丰富了人们的生活和工作方式，也催生了众多新兴产业和商业模式当前，互联网正向万物互联的方向发展，各种智能设备通过互联网相连接，产生和交换海量数据，推动着智能家居、智慧城市、工业互联网等新兴领域的快速发展网络体系结构概述分层思想主要模型网络体系结构采用分层设计思想，将复杂的网络通信问题分解为若干个相对独立的层次，每一层完成特定的功能，并通过标准接口与相邻层交互这种分层方法降低了系统设计的复杂度，提高了模块化程度，使得各层可以独立发展和替换，而不影响整体结构OSI七层模型是一个理论参考模型，而TCP/IP四层模型则是互联网实际应用的标准虽然层次划分不同，但基本功能和设计理念是一致的七层模型OSI应用层为应用程序提供网络服务表示层数据格式转换、加密解密会话层建立、管理和终止会话传输层端到端的可靠数据传输网络层路由选择和分组转发数据链路层帧的封装、传输和差错控制物理层比特流的传输OSI（开放系统互连）七层模型是国际标准化组织（ISO）制定的一个网络通信参考框架，它自底向上分为物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层和应用层每一层都有明确定义的功能和接口，为不同系统间的通信提供了统一标准虽然实际网络应用中很少完全按照OSI模型实现，但它提供了一个重要的理论框架，帮助人们理解网络通信的基本原理OSI模型的分层思想对网络技术的发展产生了深远影响，至今仍是网络教育和研究的重要参考协议模型TCP/IPTCP/IP层功能描述典型协议应用层提供具体应用服务HTTP、FTP、SMTP、DNS传输层端到端通信控制TCP、UDP网际层路由与寻址IP、ICMP、ARP网络接口层物理传输和帧封装以太网、Wi-Fi、PPPTCP/IP协议模型是互联网实际采用的标准架构，它包含四个层次网络接口层、网际层、传输层和应用层与OSI模型相比，TCP/IP模型更加简洁和实用，它将OSI的下两层合并为网络接口层，将上三层合并为应用层TCP/IP模型的核心是网际层的IP协议，它提供了一种无连接的、尽力而为的数据报服务，负责在互联网上路由和传送数据包传输层的TCP协议则在IP之上提供了可靠的、面向连接的数据传输服务，满足了大多数应用的需求由于TCP/IP协议族的开放性和可扩展性，它已经成为互联网的事实标准，支撑着全球范围内的网络通信和信息交换即使在新兴的物联网、5G等领域，TCP/IP仍然是核心协议栈网络协议基础语法定义数据格式、编码规则语义规定控制信息和响应动作同步协调事件顺序和速度匹配网络协议是计算机网络中进行数据交换而建立的规则、标准或约定它规定了通信实体之间所交换的消息格式、内容、意义，以及消息发送和接收的时序关系协议是网络通信的语言，只有遵循相同协议，网络中的设备才能相互理解并协同工作从技术角度看，协议包含三个要素语法、语义和同步语法定义了数据的结构和格式；语义规定了需要发出何种控制信息、完成何种动作以及做出何种响应；同步则涉及速度匹配和事件排序，确保数据交换的正确顺序和时机典型的网络协议有很多，如HTTP（超文本传输协议）、IP（互联网协议）、TCP（传输控制协议）等，每种协议都有其特定的功能和应用场景协议的标准化对于实现不同厂商设备之间的互操作性至关重要物理层介绍双绞线最常用的局域网传输介质，分为屏蔽和非屏蔽双绞线，常见类别有Cat5e、Cat

6、Cat6a等光纤利用光信号传输数据，具有传输距离远、带宽高、抗干扰能力强的特点，广泛用于骨干网络无线传输使用电磁波在空间传播信号，摆脱了物理连接的限制，但受环境影响较大物理层是OSI和TCP/IP模型中的最底层，负责在物理介质上传输原始的比特流它主要关注的是机械、电气、功能和过程特性，用于建立、维护和拆除物理链路连接物理层将数字比特转换为电信号、光信号或电磁波，使其能够在传输介质上传播常用的物理层标准包括IEEE

802.3（以太网）、IEEE

802.11（无线局域网）等以太网物理层规范了网络接口卡、传输介质和网络设备之间的信号传输特性，为上层协议提供了稳定的传输环境随着技术发展，物理层的传输速率已从最初的几Mbps提升到现在的数百Gbps物理层关键参数米100Gbps100最高带宽铜缆距离现代以太网标准支持的最大传输速率典型Cat6a双绞线的最大传输距离公里10单模光纤单模光纤无中继传输的典型距离在物理层，带宽和速率是最重要的性能指标带宽表示信道的最大数据传输能力，单位通常为比特每秒（bps）；速率则是实际数据传输速度现代网络中，从千兆以太网（1Gbps）到万兆以太网（10Gbps）已经普及，数据中心甚至采用40Gbps或100Gbps的高速连接传输距离与损耗是选择传输介质的重要考量因素铜缆成本低但距离有限，通常不超过100米；光纤传输距离可达数十公里，但成本较高物理层还涉及多种编码方式，如曼彻斯特编码、不归零编码（NRZ）、4B/5B编码等，这些编码方案影响着信号的传输效率和可靠性此外，物理层还需考虑抗干扰性、连接器类型、网络拓扑等因素，这些都直接影响着网络的物理布线和硬件选择随着物联网的发展，低功耗广域网（LPWAN）等新型物理层技术也正在兴起数据链路层功能帧封装与定界将网络层传来的数据包封装成帧，加入起始符和结束符，使接收方能够识别一个完整的帧这是数据传输的基本单位差错检测与纠正通过校验和、循环冗余校验（CRC）等方法检测传输中出现的错误，有些协议还能进行有限的错误纠正流量控制调节发送方的发送速率，避免因接收方处理能力有限而导致的数据丢失常用的方法有滑动窗口机制介质访问控制在共享介质网络中，协调多个站点对传输媒体的访问，避免冲突如CSMA/CD、令牌传递等机制数据链路层是OSI模型中的第二层，位于物理层之上，网络层之下它负责将物理层传输的比特流组织成数据帧，并在通信的两个相邻结点间提供可靠的数据传输数据链路层的协议包括PPP（点对点协议）、HDLC（高级数据链路控制）等在局域网中，数据链路层通常分为LLC（逻辑链路控制）和MAC（介质访问控制）两个子层LLC提供了统一的接口给网络层，而MAC则处理不同物理介质的特性和访问方法以太网和Wi-Fi都有各自的MAC协议，用于协调多个设备对共享媒体的访问以太网基础交换与冲突（集线器）（交换机）Hub Switch工作在物理层的设备，简单地将接收到的信号广播到所有端口，所有连接的设备共享带宽，存在严重的工作在数据链路层的设备，能根据MAC地址表智能转发数据帧，每个端口拥有独立带宽，大大减少了冲突问题在现代网络中已很少使用冲突现代局域网的核心设备在早期的共享介质以太网中，CSMA/CD（载波侦听多路访问/冲突检测）是解决介质访问冲突的关键机制当设备要发送数据时，首先侦听信道是否空闲；如果空闲则发送数据，同时继续监听可能发生的冲突；如果检测到冲突，则立即停止发送，等待随机时间后重试无线局域网标准频段最大速率特点

802.11b

2.4GHz11Mbps覆盖范围大

802.11g

2.4GHz54Mbps向下兼容

802.11b

802.11n

2.4/5GHz600Mbps MIMO技术

802.11ac5GHz

6.9Gbps多用户MIMO

802.11ax

2.4/5/6GHz

9.6Gbps高效率WLAN无线局域网（WLAN）是一种利用电磁波在空间传播信号，不需要有线连接的局域网技术IEEE

802.11系列标准定义了无线局域网的物理层和MAC层规范，俗称Wi-Fi无线局域网具有安装便捷、移动灵活的优势，已经成为家庭、办公、公共场所网络接入的主要方式每个无线网络都有一个服务集标识符（SSID），即我们常说的Wi-Fi名称无线设备通过识别SSID并进行身份验证和关联过程，接入无线网络为保障安全，无线网络通常采用WPA

2、WPA3等加密技术，防止未授权访问和数据窃听随着物联网和移动互联网的发展，无线局域网技术不断创新，如

802.11ax（Wi-Fi6）引入了更高效的频谱使用方式、目标唤醒时间等特性，以适应高密度设备接入环境，提供更稳定、更快速的无线连接体验网络层核心网络寻址为网络中的设备分配唯一地址（如IP地址），用于识别和定位设备路由选择确定数据从源主机到目的主机的最佳路径分组转发根据路由表将数据包从输入端口转发到适当的输出端口分片与重组处理大于链路MTU的数据包，进行分片并在目的地重组网络层是OSI模型的第三层，也是TCP/IP模型的核心层（网际层）它负责在广域网中实现主机到主机的通信，处理跨越多个网络的数据路由问题网络层对上层提供简单的、无连接的数据报服务，屏蔽了底层网络的差异和复杂性在互联网中，网络层最重要的协议是IP（互联网协议），它提供了全球统一的寻址方式和数据包格式，使得数据能够在不同子网之间传递除了IP协议外，网络层还包括ICMP（互联网控制消息协议）、ARP（地址解析协议）等，共同构成了互联网的基础架构地址体系IP地址子网划分IPv432位二进制数，通常表示为四个十进制数（0-利用子网掩码将IP地址分为网络号和主机号两部255），用点分隔，如

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0.1分分为A、B、C、D、E五类，其中A、B、C类用CIDR技术（无类域间路由）实现更灵活的地址于实际网络寻址分配，如

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0.0/24全球可用IPv4地址已基本分配完毕，通过NAT子网划分提高了地址利用率和网络管理效率技术缓解地址短缺问题地址IPv6128位地址空间，表示为8组16位十六进制数，用冒号分隔提供近乎无限的地址资源，解决IPv4地址枯竭问题支持自动配置、更好的QoS、内置安全机制等特性IP地址是网络层的核心概念，它为互联网上的每台设备提供了一个唯一的标识符IPv4地址面临枯竭的问题，而IPv6作为下一代互联网协议，提供了更大的地址空间和更多的功能改进，但目前全球IPv6的部署和普及仍在进行中在实际网络中，IP地址的分配和管理由互联网名称与数字地址分配机构（ICANN）和各区域互联网注册管理机构（RIR）负责企业内部网络则通常使用私有IP地址（如

10.

0.

0.0/

8、

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16.

0.0/

12、

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0.0/16），通过NAT技术连接到公共互联网路由与转发原理静态路由动态路由路由表由网络管理员手动配置的固定路由，适用于规模小、通过路由协议自动学习和更新路由信息，能够适应网路由器维护的数据结构，包含目的网络、下一跳地拓扑稳定的网络静态路由配置简单，不产生额外流络拓扑变化动态路由协议按使用范围分为内部网关址、接口、度量值等信息路由器根据路由表决定如量，但缺乏灵活性，无法自动适应网络变化协议（如RIP、OSPF）和外部网关协议（如何转发数据包，选择最优路径BGP）路由是网络层的核心功能，它决定了数据包从源到目的地的传输路径在互联网这样的大型网络中，路由决策通常基于最短路径算法，如Dijkstra算法（OSPF使用）或Bellman-Ford算法（RIP使用）路由协议根据其工作范围和算法可分为多种类型RIP（路由信息协议）使用跳数作为度量值，最大支持15跳，适用于小型网络；OSPF（开放最短路径优先）基于链路状态算法，考虑带宽因素，适用于中大型网络；BGP（边界网关协议）是互联网主干网使用的协议，考虑路由策略和AS（自治系统）间关系与ARP RARP响应ARP请求ARP目标主机单播回复我是

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1.5，MAC地址是发送方广播ARP请求谁拥有IP地址

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1.5？00:1A:2B:3C:4D:5E帧发送缓存更新发送方使用获得的MAC地址封装数据链路帧并发送发送方记录IP-MAC映射关系到ARP缓存表地址解析协议（ARP）是网络层和数据链路层之间的桥梁，用于将IP地址映射到MAC地址当一台主机需要发送数据到同一网段的另一台主机时，它必须知道对方的MAC地址才能正确封装数据链路层帧ARP通过广播请求和单播响应的方式获取这一信息为提高效率，主机会维护一个ARP缓存表，存储最近使用过的IP-MAC映射关系，避免频繁发送ARP请求逆向地址解析协议（RARP）则提供相反的功能，允许主机根据自己的MAC地址获取IP地址，主要用于无盘工作站的启动过程随着DHCP的普及，RARP已较少使用ARP协议存在一些安全隐患，如ARP欺骗攻击可能导致流量劫持或中间人攻击为增强安全性，现代网络中通常采用静态ARP绑定、ARP检测等机制来防范这类攻击协议ICMP工具工具差错报告Ping Traceroute使用ICMP回显请求和回显应答消通过发送TTL递增的数据包，探测当路由器无法正常转发IP数据包息，测试目标主机的可达性和往返从源到目的地的完整路径帮助定时，发送ICMP差错消息通知源主时间ping是网络故障排查的基位网络瓶颈或故障点机，包括目的不可达、超时等本工具重定向功能路由器通过ICMP重定向消息告知主机更优的路由路径，帮助优化网络传输效率互联网控制消息协议（ICMP）是IP协议的重要辅助协议，用于在IP网络中传递控制消息和错误信息ICMP消息封装在IP数据包中传输，但在协议层次上，ICMP与IP平级，都属于网络层协议ICMP消息分为两大类差错报告消息和查询消息差错报告消息包括目的不可达、超时、参数问题、源抑制等；查询消息包括回显请求/应答、时间戳请求/应答等这些消息对网络的正常运行和问题诊断至关重要基于ICMP协议，开发了许多实用的网络诊断工具，如ping、traceroute（Windows中为tracert）等这些工具帮助网络管理员监控网络状态、排查连接问题、分析网络性能，成为网络维护不可或缺的工具与网络互联NAT私有地址内部网络使用非全球唯一的IP地址地址转换NAT设备修改数据包的源/目的地址连接跟踪维护映射表记录会话状态网络地址转换（NAT）技术允许多台内部主机共享一个或几个公网IP地址访问互联网，有效缓解了IPv4地址短缺的问题NAT设备（通常是路由器）位于私有网络和公共网络之间，负责转换数据包中的IP地址和端口信息NAT有多种类型，包括基本NAT（仅转换IP地址）、网络地址端口转换（NAPT，同时转换IP地址和端口）、静态NAT（一对一映射）和动态NAT（从地址池中动态分配）其中NAPT（也称为PAT，端口地址转换）是最常用的形式，允许多台内网主机共享一个公网IP虽然NAT解决了地址短缺问题，但也带来了一些挑战，如对端到端通信的影响、某些协议（如FTP、VoIP）的兼容性问题等为解决这些问题，开发了NAT穿透技术，如STUN、TURN、ICE等此外，NAT也具有一定的安全性，作为简单的防火墙，阻挡了一些外部攻击传输层概述端到端通信端口机制传输层是第一个真正提供进程间通信的层次，它建立了应用程序之间的逻辑连接，而不仅仅是主机之间的连接传输层引入了端口的概念，端口是16位整数（0-65535），用于标识主机上的特定应用程序或服务传输层将上层应用数据分段并传递给网络层，同时负责在接收端重组这些数据，确保完整性和顺序通过IP地址和端口号的组合（socket），可以唯一标识网络中的一个应用进程，实现精确的数据交付传输层是OSI模型和TCP/IP模型中连接网络层和应用层的关键层次，它屏蔽了下层网络的细节，为应用程序提供了透明的数据传输服务在互联网的TCP/IP协议族中，传输层的主要协议包括TCP（传输控制协议）和UDP（用户数据报协议）TCP提供面向连接、可靠的字节流服务，适合要求数据完整性的应用；UDP提供无连接、尽力而为的数据报服务，适合实时性要求高的应用应用程序可以根据自身需求选择适当的传输协议，这种灵活性是互联网成功的关键因素之一协议UDP无连接服务简单高效UDP不建立连接，直接发送数据，减少UDP首部仅8字节，包含源端口、目的端了握手延迟，适合对实时性要求高的应口、长度和校验和字段，开销极小协议用发送方只管发送，不关心数据是否到实现简单，处理速度快达广泛应用适用于实时音视频传输、在线游戏、DNS查询等场景这些应用可以容忍一定的数据丢失，但对延迟非常敏感用户数据报协议（UDP）是一种简单的传输层协议，提供不可靠、无连接的数据传输服务与TCP不同，UDP不保证数据的可靠交付，也不提供流量控制、拥塞控制等机制，但正是这种轻量级特性使它在某些场景下表现出色UDP数据报包含一个简短的首部（仅8字节）和数据部分首部包含源端口号、目的端口号、长度和校验和四个字段校验和字段用于检测数据在传输过程中是否损坏，但UDP不会重传损坏的数据，而是简单地丢弃，由上层应用决定如何处理由于UDP的简单性，开发者在使用UDP时通常需要在应用层实现自己的可靠性机制，如确认、重传、序列号等例如，QUIC协议在UDP之上实现了可靠传输，同时保留了UDP的低延迟特性，被Google用于改进HTTP性能协议TCP连接管理详解TCP三次握手•客户端发送SYN（SEQ=x）到服务器•服务器回复SYN-ACK（SEQ=y,ACK=x+1）数据传输•客户端发送ACK（ACK=y+1）确认连接•建立连接后进行双向数据传输•使用序列号跟踪字节流四次挥手3•通过确认和重传保证可靠性•客户端发送FIN（主动关闭方）•服务器回复ACK确认收到4状态超时•服务器发送FIN（完成数据发送）•客户端回复ACK，连接关闭•TIME_WAIT状态持续2MSL时间•确保最后的ACK能到达对方•防止旧连接的数据包影响新连接TCP连接状态转换图描述了连接从建立到关闭的完整生命周期主要状态包括CLOSED（关闭）、LISTEN（监听）、SYN_SENT（发送SYN）、SYN_RECEIVED（收到SYN）、ESTABLISHED（已建立）、FIN_WAIT_1/2（等待FIN）、CLOSE_WAIT（等待关闭）、LAST_ACK（最后确认）、TIME_WAIT（时间等待）等TCP使用超时重传机制处理数据包丢失问题当发送方发送数据后，启动重传计时器；如果在超时间隔内未收到确认，则认为数据包可能丢失，进行重传TCP采用指数退避策略调整重传间隔，避免网络拥塞时频繁重传加剧问题各种TCP标志（SYN、ACK、FIN、RST等）在连接管理中扮演着重要角色，控制着连接的状态转换端口管理TCP/UDP端口类别端口范围用途分配方式熟知端口0-1023标准服务IANA指定注册端口1024-49151厂商应用注册使用动态端口49152-65535临时连接自动分配在TCP/IP网络中，端口是传输层的重要概念，用于标识主机上运行的应用程序或服务端口号是16位整数，范围为0-65535，由互联网号码分配局（IANA）管理常见的标准端口包括HTTP

（80）、HTTPS

（443）、FTP

（21）、SSH

（22）、SMTP

（25）、DNS

（53）等端口分为三类熟知端口（0-1023）用于标准服务，通常需要管理员权限才能使用；注册端口（1024-49151）由IANA登记分配给特定应用；动态端口（49152-65535）用于临时连接，由操作系统动态分配服务器通常在固定端口监听连接请求，而客户端使用动态端口发起连接在网络安全领域，端口扫描是常见的安全评估技术，用于发现目标主机上开放的服务同时，基于端口的访问控制也是防火墙的基本功能，通过限制特定端口的访问，可以有效控制网络流量和提高安全性应用层介绍应用层是OSI模型和TCP/IP模型的最高层，直接与用户交互，提供各种网络服务和应用程序接口应用层协议定义了应用程序之间交换数据的规则和格式，使不同厂商、不同系统的软件能够互相通信和协作常见的应用层协议包括HTTP/HTTPS（网页浏览）、FTP（文件传输）、SMTP/POP3/IMAP（电子邮件）、DNS（域名解析）、DHCP（动态主机配置）等这些协议各有特点，针对不同的应用场景提供专门的服务例如，HTTP采用请求-响应模式，支持超文本传输；SMTP使用推模式传送邮件；DNS则提供域名到IP地址的映射服务随着互联网的发展，应用层协议也在不断创新和演进HTTP已经发展到HTTP/3版本，引入了QUIC协议提高性能；WebSocket实现了全双工通信，适用于实时web应用；RESTfulAPI成为分布式系统常用的接口风格应用层的多样性和灵活性，为互联网的丰富应用提供了坚实基础协议基础HTTP请求方法状态码分类•GET获取资源•1xx信息性状态码•POST提交数据•2xx成功（如200OK）•PUT更新资源•3xx重定向•DELETE删除资源•4xx客户端错误（如404Not Found）•HEAD、OPTIONS等其他方法•5xx服务器错误（如500Internal ServerError）常见头部•Content-Type指定媒体类型•User-Agent客户端信息•Cookie/Set-Cookie状态管理•Authorization身份验证•Cache-Control缓存控制超文本传输协议（HTTP）是万维网的基础协议，采用客户端-服务器模式，通过请求和响应的交换完成通信HTTP是一个无状态协议，即服务器不会保存客户端的任何信息，每次请求都是独立的为了实现会话管理，通常使用Cookie、Session或Token机制HTTP请求由请求行、请求头和请求体组成；响应则包含状态行、响应头和响应体HTTP/

1.1引入了持久连接、管道化请求、分块传输等特性，提高了性能；HTTP/2进一步引入了多路复用、头部压缩等机制；HTTP/3则基于QUIC协议，使用UDP而非TCP，减少了连接建立的延迟HTTPS（HTTP Secure）是HTTP的安全版本，通过SSL/TLS协议提供加密和认证功能，保护数据传输的安全性和完整性随着隐私保护意识的增强，越来越多的网站采用HTTPS协议，成为Web安全的重要基石、协议FTP SMTP协议协议FTP SMTP文件传输协议（FTP）是互联网最早的协议之一，专门用于在网络上进行文件传输FTP简单邮件传输协议（SMTP）用于发送电子邮件，它定义了邮件传输代理（MTA）之间传采用客户端-服务器模式，使用单独的控制连接和数据连接送邮件的规则SMTP是一个推协议，负责将邮件从发件人的邮件服务器推送到收件人的邮件服务器FTP有两种工作模式主动模式和被动模式在主动模式下，服务器主动连接客户端的数据端口；在被动模式下，客户端连接服务器指定的数据端口，这种模式更适合防火墙环完整的邮件系统还包括POP3或IMAP协议，用于客户端从服务器获取邮件SMTP会话境包括建立连接、发送命令和数据、关闭连接等步骤现代SMTP通常使用STARTTLS或SMTPS提供加密保护FTP和SMTP都是互联网早期设计的协议，尽管有一些安全和效率问题，但因其简单性和广泛支持，至今仍被广泛使用随着安全需求的增加，这些协议也不断演进，增加了加密和认证功能，如FTPS、SFTP和SMTPS等安全版本，更好地保护用户数据和网络安全域名系统DNS递归查询客户端请求本地DNS服务器解析域名根域名服务器提供顶级域名服务器信息顶级域名服务器提供权威域名服务器信息权威域名服务器提供最终域名解析结果返回解析结果本地DNS服务器将结果返回客户端域名系统（DNS）是互联网的分布式命名系统，将人类易记的域名（如www.example.com）转换为机器可识别的IP地址（如

192.

0.

2.1）DNS采用层次化的命名结构，从根域开始，依次是顶级域（.com,.net等）、二级域（example.com）、子域（www.example.com）等DNS解析过程通常包括递归查询和迭代查询递归查询由本地DNS服务器完成，它负责与其他DNS服务器交互，直到获得最终结果；迭代查询则是DNS服务器之间的查询方式，每个服务器返回它所知道的最接近答案的信息为提高效率，DNS广泛使用缓存机制，将查询结果存储一段时间（由TTL值决定）全球共有13组根域名服务器（标记为A到M），通过任播技术在全球多个位置部署，提高可用性和性能ICANN负责管理根域名系统，确保全球DNS的稳定运行DNS安全扩展（DNSSEC）通过数字签名技术增强了DNS的安全性，防止缓存污染和欺骗攻击服务案例Web数据流图典型Web服务的数据流包括客户端发起HTTP请求，服务器接收并处理请求，可能查询数据库或调用其他服务，最后返回响应给客户端日志分析服务器日志记录访问时间、客户端IP、请求URL、状态码等信息，通过分析这些日志，可以了解用户行为、发现异常访问、优化网站性能多层架构现代Web应用通常采用多层架构，包括表示层（浏览器）、应用层（Web服务器）、数据层（数据库），实现关注点分离，提高可维护性和可扩展性Web服务是互联网最常见的应用之一，典型的Web服务包括网站、API接口、在线应用等从技术架构看，Web服务通常采用前后端分离设计，前端负责用户界面和交互，后端提供数据处理和业务逻辑HTTP/HTTPS是Web服务的基础协议，而HTML、CSS、JavaScript则是构建Web前端的三大技术在性能优化方面，Web服务常采用缓存技术（如浏览器缓存、CDN、服务器缓存）减少访问延迟；负载均衡技术（如DNS轮询、硬件负载均衡器、软件代理）分散请求压力；数据库优化（如索引、分区、读写分离）提高数据访问效率通过这些技术，现代Web服务能够支持数百万用户的并发访问现代网络新技术移动通信5G第五代移动通信技术具有高速率（理论峰值20Gbps）、低延迟（1毫秒级）、大连接（每平方公里支持100万设备）等特点，为物联网、自动驾驶、虚拟现实等应用提供强大支持5G采用新型网络架构，包括网络切片、边缘计算、毫米波技术等创新物联网（）IoT物联网将各种设备连接到互联网，通过传感器收集数据，并通过网络传输数据进行分析处理IoT技术广泛应用于智能家居、工业自动化、智慧城市等领域物联网通信协议包括MQTT、CoAP、LoRaWAN等，针对低功耗、低带宽场景优化云计算网络云计算基础设施需要高性能、高可靠的网络支持，数据中心网络通常采用Spine-Leaf架构、SDN技术、虚拟网络等先进方案云服务提供商构建全球骨干网，通过边缘节点加速内容分发，提供低延迟的用户体验多云连接、混合云网络成为企业IT战略的重要部分这些新兴网络技术正在改变数据传输、处理和存储的方式，推动数字经济的快速发展5G、物联网和云计算相互融合，形成了新的技术生态系统，催生了诸多创新应用和服务模式随着技术不断成熟，我们将看到更多基于这些技术的突破性解决方案出现软件定义网络SDN应用层网络应用和服务1控制层集中式网络控制器基础设施层数据平面转发设备软件定义网络（SDN）是一种网络架构范式，将网络控制与数据转发功能分离，实现网络可编程性在传统网络中，控制平面和数据平面紧密耦合，每个设备既负责路由决策，也负责数据转发；而在SDN中，控制平面集中到控制器，数据平面由简单的转发设备组成，通过标准接口（如OpenFlow）相互通信SDN的核心优势包括集中管理提高了网络可视性和可控性；编程接口使网络可以根据应用需求动态配置；软件控制简化了新功能的部署，促进了网络创新；标准化接口减少了对专有设备的依赖，降低了成本OpenFlow是最流行的SDN南向接口协议，它定义了控制器与交换机之间的通信方式，允许控制器直接访问和操作网络设备的转发表SDN已在数据中心网络、运营商网络等领域得到应用在数据中心，SDN支持虚拟网络的快速配置和迁移，提高了资源利用率和服务敏捷性；在运营商网络，SDN实现了业务编排和网络切片，适应5G时代多样化的业务需求虽然SDN概念已经发展多年，但其生态系统仍在不断完善，新的应用场景也在持续拓展网络安全基础恶意软件病毒、蠕虫、特洛伊木马、勒索软件等恶意程序通过网络传播，对系统和数据造成威胁这些威胁通常通过邮件附件、恶意网站、软件漏洞等途径进行传播钓鱼攻击通过伪装成可信实体（如银行、政府机构）诱导用户提供敏感信息或安装恶意软件钓鱼攻击常利用社会工程学技术，针对人的心理弱点而非技术漏洞攻击DDoS分布式拒绝服务攻击通过大量僵尸网络向目标发送海量请求，耗尽服务器资源，导致正常服务无法访问DDoS攻击规模不断扩大，防御难度较高加密与认证通过密码学技术保护数据机密性和完整性，确认通信双方身份常见技术包括对称加密、非对称加密、数字签名、PKI体系等网络安全涉及保护网络系统、设备和数据免受未授权访问、滥用、修改或破坏的措施和技术随着数字化转型的深入，网络安全已成为组织和个人面临的重要挑战安全防护通常采用纵深防御策略，部署多层安全措施，包括防火墙、入侵检测系统、防病毒软件、内容过滤等SSL/TLS协议是互联网安全的基石，为HTTP、SMTP等应用层协议提供加密保护TLS通过握手过程建立安全连接，包括协商加密算法、交换密钥、验证身份等步骤现代网络通常采用TLS

1.2或TLS

1.3，废弃了早期不安全的SSL和TLS

1.0/

1.1版本网络安全是一个持续的过程，需要定期评估风险、更新防护措施、培训用户，才能有效应对不断演变的安全威胁防火墙与访问控制包过滤防火墙状态检测防火墙基于IP地址、端口和协议类型过滤数据包跟踪连接状态，根据会话上下文做出决策下一代防火墙代理防火墙4集成IPS、应用控制、URL过滤等多种功能3作为中间人代理所有通信，提供深度检查防火墙是网络安全的第一道防线，通过控制进出网络的流量，阻止未授权访问和恶意攻击根据工作原理和功能，防火墙可分为包过滤防火墙、状态检测防火墙、代理防火墙和下一代防火墙等类型，每种类型各有优缺点，适用于不同的安全需求防火墙策略配置是一项复杂的工作，需要平衡安全性和可用性常见的策略包括默认拒绝所有连接，只允许特定的必要服务；限制特定IP地址或网段的访问权限；根据时间段控制访问；记录和审计所有连接尝试等配置不当的防火墙策略可能导致安全漏洞或阻断正常业务DMZ（隔离区）是一种网络设计方案，位于内部网络和外部网络之间，用于放置需要对外提供服务的服务器（如Web服务器、邮件服务器）DMZ通过两层防火墙实现安全隔离外部防火墙控制互联网对DMZ的访问，内部防火墙控制DMZ对内网的访问，即使DMZ中的服务器被攻破，也不会直接威胁到内网安全网络管理与监控协议流量分析工具SNMP简单网络管理协议（SNMP）是互联网标准协议，用于收集和组织网络设备信息，实现网络监控和管Wireshark是最流行的网络协议分析器，能够捕获网络数据包并以可读形式显示，支持数百种协议的理SNMP基于管理信息库（MIB）和代理-管理器模型，通过GET、SET等操作实现对网络设备的查深度检测，是网络故障排查的必备工具询和配置其他常用工具包括Nagios（监控系统状态）、Zabbix（综合监控平台）、Grafana（数据可视SNMPv3引入了认证和加密功能，解决了早期版本的安全问题，成为当前推荐使用的版本化）、ELK Stack（日志分析）等，这些工具共同构成了现代网络监控体系有效的网络管理和监控对于维护网络正常运行至关重要网络管理通常包括配置管理、性能管理、故障管理、安全管理和计费管理五个方面现代网络管理系统通常集成了自动化功能，如配置自动部署、异常自动检测、问题自动修复等，大大提高了管理效率和网络可靠性典型的网络监控系统会收集各种指标，如带宽利用率、错误率、延迟、CPU/内存使用率等，并设置阈值触发报警日志分析则能够帮助发现异常模式和潜在问题随着网络规模和复杂度的增加，基于机器学习的智能监控和预测性维护技术正在兴起，有望进一步提升网络运维水平网络故障与诊断诊断工具主要功能常见用途ping发送ICMP回显请求测试连通性和延迟traceroute显示数据包经过的路径定位网络瓶颈nslookup/dig DNS查询工具排查域名解析问题netstat显示网络连接状态检查端口和连接ipconfig/ifconfig显示网络接口配置查看IP、掩码等信息网络故障诊断是网络管理的重要组成部分，通过系统性的方法定位和解决网络问题常见的网络故障包括连接中断、性能下降、数据包丢失、延迟过高等诊断过程通常采用分层方法，从物理层到应用层逐步排查，或采用二分法缩小问题范围ping工具是最基础的连通性测试工具，通过发送ICMP回显请求测试目标主机是否可达traceroute（Windows中为tracert）则通过发送TTL逐渐递增的数据包，显示从源到目的地的完整路径，帮助定位网络瓶颈或故障点此外，nslookup用于排查DNS问题，netstat查看网络连接状态，ipconfig/ifconfig检查网络接口配置在排查网络问题时，应遵循一定的方法论首先确认问题症状和范围（是特定用户还是全部用户受影响）；其次检查基础连接（物理连接、IP配置）；然后测试端到端连通性；之后分析网络性能；最后检查应用层问题记录故障现象和解决方案也很重要，有助于建立知识库，加速未来类似问题的解决网络性能指标Mbps吞吐量单位时间内成功传输的数据量ms时延数据从源到目的地所需的时间%丢包率传输过程中丢失的数据包百分比ms抖动数据包到达时间间隔的变化网络性能指标是评估网络质量的重要参数吞吐量反映了网络传输数据的能力，通常以比特每秒（bps）或其倍数（Kbps、Mbps、Gbps）表示；时延（延迟）衡量数据传输的速度，包括传播延迟、传输延迟、处理延迟和排队延迟；丢包率表示传输过程中丢失的数据包比例，高丢包率会导致重传增加，性能下降；抖动则描述了延迟的变化程度，对实时应用如VoIP和视频会议影响较大服务质量（QoS）机制用于保障关键业务的网络性能QoS技术包括流量分类（基于端口、协议、DSCP等）、流量标记（设置优先级标志）、流量整形（限制发送速率）、队列管理（优先级队列、加权公平队列等）和拥塞避免（RED、WRED等算法）通过这些技术，网络可以为不同类型的流量提供差异化服务，确保关键业务在网络资源受限时仍能正常运行未来网络发展趋势驱动网络边缘计算AI人工智能和机器学习技术正在深度融入网络随着IoT设备的增加，数据处理正从中心化领域，实现智能运维、自动优化和预测性分云计算向分布式边缘计算转移边缘计算将析AIOps（AI forIT Operations）通计算资源部署在靠近数据源的位置，减少延过分析海量运维数据，自动发现异常模式，迟，降低带宽消耗，提高实时性，适合自动预测潜在问题，提高网络可靠性和效率驾驶、工业控制等场景空间互联网卫星宽带网络（如星链Starlink）通过部署大量低轨道卫星，构建覆盖全球的高速互联网这种技术可以为偏远地区提供宽带接入，弥补地面网络覆盖的不足，也为海洋、航空等领域提供连接服务网络技术正在经历深刻变革，新兴技术不断涌现网络智能化是重要趋势，通过引入AI和自动化技术，网络正向自驱动、自优化、自修复方向发展IBN（意图驱动网络）允许管理员以业务需求为中心配置网络，系统自动将意图转化为网络配置和策略，简化了网络管理量子网络是另一个前沿领域，利用量子纠缠特性实现安全通信量子密钥分发（QKD）可以检测任何窃听尝试，为数据传输提供理论上无法破解的加密保护虽然量子网络还处于实验阶段，但已展现出巨大潜力此外，新一代网络协议如QUIC、HTTP/3等正在重塑互联网基础协议栈，提高性能和安全性未来网络将更加智能、安全、高效，为数字经济提供更坚实的基础设施支持工业与政企网络典型案例电网调度网络电力调度网络是确保电力系统安全稳定运行的神经中枢，通常采用多层冗余设计，确保

99.999%以上的可用性这类网络强调实时性和可靠性，通常采用专用网络设备和协议，如IEC61850银行核心系统银行核心业务系统采用双活架构，两个数据中心同时提供服务，实现灾备和负载均衡通过高速专线连接，保证数据实时同步，任一中心故障时，业务可无缝切换，确保金融服务持续性智慧交通智慧交通系统整合了大量传感器、摄像头和控制设备，通过专用网络将数据实时传输到交通管理中心，支持交通流量分析、信号灯优化控制、事故快速响应等功能，提高道路通行效率工业和政企网络与普通商业网络相比，有着更高的可靠性、安全性和实时性要求这类网络通常采用分层设计，核心层提供高速交换和路由，汇聚层连接不同区域，接入层连接终端设备为确保业务连续性，通常会部署冗余链路和设备，实现自动故障切换在安全方面，工业和政企网络通常采用深度防御策略，包括物理隔离、防火墙、入侵检测、行为审计等多层防护措施对于工业控制系统（ICS）和关键基础设施，还会参考IEC62443等标准建立专门的安全防护体系这些网络案例展示了如何将网络技术应用于特定行业场景，为组织的核心业务提供可靠支撑案例分析校园网设计网络基础实验举例构建局域网实验使用交换机和路由器搭建基本的局域网环境，配置IP地址、子网掩码、默认网关等参数，实现主机间通信进阶内容包括VLAN配置、生成树协议、链路聚合等，理解数据链路层和网络层的工作原理路由与交换设置学习路由器的基本配置，包括接口设置、路由协议（RIP、OSPF等）、访问控制列表等通过构建多个网络并实现互通，理解路由选择和数据转发过程，掌握网络互联的基本技能错误检测实验使用Wireshark等工具捕获和分析网络数据包，观察各种协议的报文格式和交互过程通过人为引入错误（如修改MAC地址、断开连接等），观察网络的响应机制，提高网络故障排查能力网络实验是理论学习的重要补充，帮助学生将抽象概念转化为实际操作经验基础实验通常从简单的网络连接和配置开始，如使用交叉线连接两台计算机，或配置小型局域网的IP地址；中级实验涉及交换机和路由器配置，如VLAN划分、静态路由设置等；高级实验则包括动态路由协议、NAT配置、VPN建立等复杂内容现代网络教学通常结合物理设备和虚拟环境GNS

3、Cisco PacketTracer等网络模拟软件允许学生在虚拟环境中构建复杂网络，而不受物理设备限制这些工具提供了可视化界面，使学生能够直观地理解网络拓扑和数据流向，是网络教学的有力辅助手段学习资源推荐《计算机网络》（谢希仁著）是中国高校最广泛使用的网络教材之一，系统介绍了计算机网络的基本概念、体系结构和主要协议，特别适合初学者国际上，Tanenbaum的《计算机网络》和KuroseRoss的《计算机网络自顶向下方法》也是极具影响力的教材，提供了不同视角的网络知识体系除了传统教材，各大MOOC平台也提供了丰富的网络课程资源中国大学MOOC、学堂在线等平台有多所知名高校开设的计算机网络课程；Coursera、edX等国际平台则提供了斯坦福、MIT等名校的网络课程这些在线课程通常包括视频讲解、实验指导和在线测评，是自学的好选择对于希望获得专业认证的学习者，思科CCNA/CCNP、华为HCIA/HCIP等认证材料提供了实用的网络知识和操作技能此外，各大网络论坛如CSDN、知乎专栏、Stack Overflow等也是寻求帮助和分享经验的好平台部分高校和机构还提供FTP下载站点，包含电子书籍、实验软件等资源复习总结分层原理掌握OSI七层和TCP/IP四层模型协议机制理解关键协议的工作原理和应用实践能力通过案例和实验培养解决问题的技能本课程通过对计算机网络基础知识的系统学习，建立了从物理层到应用层的完整认知框架分层原理是理解网络的关键，每一层都有明确的功能定位和接口规范，共同构成了完整的网络通信体系TCP/IP协议族作为互联网的基础，其核心协议如IP、TCP、HTTP等的工作机制是重点掌握内容在复习过程中，建议采用知识图谱的方式，将各层次的协议、设备和技术关联起来，形成系统性理解例如，理解数据从应用程序到物理传输的完整封装过程，或者追踪一个Web请求从浏览器到服务器的全过程此外，通过实际案例和网络问题分析，可以将抽象理论与具体实践相结合，加深对网络工作原理的理解最后，网络技术发展迅速，学习不应局限于课本知识，而应关注行业动态和新兴技术，保持知识更新通过持续学习和实践，才能在快速变化的网络领域保持竞争力问题与讨论互动讨论考点解析前沿展望课堂讨论是加深理解和拓展思维的有效方式通过小组掌握分层原理、协议机制、地址计算等重点考察内容，了解量子网络、AI网络、6G等前沿研究方向，拓展视讨论网络安全、新兴技术等热点问题，培养分析能力和通过典型例题和历年真题练习，提高解题能力和应试技野，为进一步学习和研究做好准备团队协作精神巧在课程即将结束之际，我们鼓励同学们提出学习过程中遇到的疑问，共同讨论解决常见的问题包括TCP和UDP如何选择？NAT环境下如何实现P2P通信？HTTPS的加密过程是怎样的？通过互动交流，不仅能解决具体问题，还能启发新的思考针对考试，重点掌握网络层次结构、IP地址计算、子网划分、路由原理、TCP连接管理等核心内容理解各层协议的关系和功能，能够分析简单的网络通信流程和故障现象记忆细节不如理解原理，建议通过画图、归纳等方式构建知识体系展望未来，网络技术将继续朝着高速、智能、安全、泛在的方向发展6G、量子通信、空间互联网等新兴技术正在孕育新的网络形态鼓励对网络技术有浓厚兴趣的同学继续深入学习，参与相关科研项目，或者在特定领域如网络安全、物联网等方向进行专业发展。