系统分析师-计算机网络与分布式系统-计算机网络基础&网络体系结构与协议&网络地址&局域网和广域网

本文系统介绍了计算机网络的基础知识，包括网络体系结构、数据通信原理、网络协议和地址管理等核心内容。主要涵盖：1. 网络分层结构（OSI和TCP/IP模型）及通信原理；2. 数据编码与传输技术（调制方式、差错控制等）；3. 网络协议（IP、TCP/UDP等）及其应用；4. IP地址分类、子网划分及IPv6特性；5. 局域网和广域网技术（以太网、无线网络等）。文章详细解析了计算机网络的关键技术原理，为

帅次.

810人浏览 · 2025-07-25 10:00:00

帅次. · 2025-07-25 10:00:00 发布

一、计算机网络基础

计算机网络按照数据通信和数据处理的功能可分为两层：内层通信子网和外层资源子网。通信子网的结点计算机和高速通信线路组成独立的数据系统，承担全网的数据传输、交换、加工和变换等通信处理工作。资源子网包括计算机、终端、通信子网接口设备、外部设备(如打印机、磁带机和绘图机等)及各种软件资源等，它负责全网的数据处理和向网络用户提供网络资源及网络服务。

1. 数据通信基础

数据通信模型：信源、信宿、信道、编码、解码、干扰(噪声)。

1.1 信道带宽和奈奎斯特定理

模拟信道的带宽W=f2-f1其中，f1是信道能通过的最低频率，f2是信道能通过的最高频率，两者都是由信道的物理特性决定的。

数字信道是一种离散信道，它只能传送取离散值的数字信号。一个数字脉冲称为一个码元，用码元速率表示单位时间内信号波形的变换次数，即单位时间内通过信道传输的码元个数。若信号码元宽度为T秒，则码元速率B=1/T。码元速率的单位为波特(Baud),因此码元速率也叫波特率。

奈奎斯特定理(极限速率)：若信道带宽为W,则奈奎斯特定理指出最大码元速率为B=2W(Baud)。

一个码元携带的信息量n（位）与码元的种类数N有如下关系： $n = \log_2 N$ （ $N=2^{n}$ ）

这里：

n 表示每个码元携带的信息量，单位为位(bit)
N 表示码元的种类数

下面的公式中，R表示数据速率，单位是位每秒（b/s）： $R = B \log_2 N = 2W \log_2 N$

注意：数据速率和波特率是不同的概念，仅当码元取两个离散值时，两者的数值才相等。

香农定理（信道容量极限）： $C = W \log_2 \left( 1 + \frac{S}{N} \right)$

其中，W为信道带宽，S为信号的平均功率，N为噪声平均功率，S/N叫作信噪比。由于在实际使用中S与N的比值太大，故常取其分贝数(dB)。分贝与信噪比的关系为： $dB = 10\log_{10} \left( \frac{S}{N} \right)$

1.2 误码率

用误码率来表示传输二进制位时出现差错的概率，具体用下式表示：

误码率一般要求低于 $10^{-6}$ ，即平均每传送1Mb才允许错1b。

2. 数据编码

在计算机中，数据是以离散的二进制比特流方式表示的，称为数字数据。在网络中传输时，通信
信道有模拟信道和数字信道两种类型。

1. 模拟数据编码

数字信号转换为模拟信号，需要进行调制。最基本的调制方法有调幅、调频和调相3种。

（1）调幅(AM) 即载波的振幅随着基带数字信号而变化。又称为幅移键控(ASK)，其特点是信号容易实现，技术简单，但抗干扰能力差。

（2）调频(FM) 即载波的频率随着基带数字信号而变化。又叫频移键控(FSK)，其特点是信号容易实现技术简单，抗干扰能力较强。

（3）调相(PM) 即载波的初始相位随着基带数字信号而变化。又叫相移键控(PSK)，其特点是抗干扰能力较强，但信号实现的技术比较复杂。

2. 数字数据编码

在数字信道中传输时，要对计算机中的数字信号重新编码后进行基带传输。在基带传输中，数字信号的编码方式主要有以下几种。

（1）不归零编码(NRZ)用低电平表示二进制0，用高电平表示二进制1。

（2）曼彻斯特编码(ME)每一个比特的中间均有一个跳变，这个跳变既作为时钟信号，又作为数据信号。电平从高到低的跳变表示二进制1，从低到高的跳变表示二进制0。

（3）差分曼彻斯特编码(DME)是对曼彻斯特编码的改进，每比特中间的跳变仅做同步之用，每比特的值根据其开始边界是否发生跳变来决定。每比特的开始无跳变表示二进制1,有跳变表示二进制0。

（4）多电平编码。这种编码的码元可取多个电平之一，每个码元可代表几个二进制位。

（5）4B/5B 编码。在曼彻斯特编码和差分曼彻斯特编码中，每位中间都有一次电平跳变，因此波特率是数据速率的两倍。为了提高编码的效率，降低电路成本，可以采用4B/5B编码，即用5bit的二进制码来代表4bit的二进制码。

3. 差错控制

系统分析师-计算机系统-计算机系统概述&存储系统-CSDN博客：1.4. 校验码

二、网络体系结构与协议

计算机网络是计算机技术与通信技术相结合的产物，它实现了远程通信、远程信息处理和资源共享。
计算机网络的功能：数据通信、资源共享、负载均衡、高可靠性。

1. OSI 体系结构

2. TCP/IP 协议簇

网络协议三要素：语法、语义、时序。其中：

语法部分规定传输数据的格式；
语义部分规定所要完成的功能；
时序部分规定执行各种操作的条件、顺序关系等。

2.1 IP协议

在 TCP/IP 的标准中，各种数据格式常以 32位(即4字节)为单位来描述。一个IP 数据报由首部和数据两部分组成。首部由固定 20个字节的基本首部和0~ 40 字节可变长度的任选项组成，如图 4-6 所示。

版本号：协议的版本号，IPv4或IPv6。
IHL：IP头长度，以32位字（4B）计数，最小为5,即20字节。
服务类型：用于区分不同的可靠性、优先级、延迟和吞吐率的参数。
段总长度：包含IP头在内的数据单元的总长度(字节数)。
标识符：唯一标识数据报的标识符。
标志：包括3个标志，M标志用于分段和重装配；另一个是禁止分段标志；第3个标志当前没有启用。
段偏置值：指明该段处于原来数据报中的位置。
生存期：用经过的路由器个数表示。
协议：上层协议(TCP或UDP)。
头校检和：对IP头的校验序列。
任选数据：可变长，包含发送者想要发送的任何数据。
补丁：补齐32位的边界。
用户数据：以字节为单位的用户数据，和IP头加在一起的长度不超过65535字节。

2.2 TCP协议

传输控制协议(Transmission Control Protocol，TCP)是面向连接的协议。TCP 只有一种类型的传输层协议数据单元(ProtocolData Unit，PDU)，叫作 TCP 段，段头(也叫 TCP 头或传输头)的格式如图 4-8 所示。

其中的字段说明如下:

源端口(16位)：说明源服务访问点。
目标端口(16位)：表示目标服务访问点。
发送顺序号(32位)：本段中第一个数据字节的顺序号。
接收顺序号(32位)：捎带接收的顺序号，指明接收方期望接收的下一个数据字节的顺序号。
偏置值(4位)：传输头中32位字的个数。因为传输头有任选部分，长度不固定，所以需要偏置值。
保留字段(6位)：未用，所有实现必须把这个字段置全0。
标志字段(6位):表示各种控制信息。其中，URG表示紧急指针有效;ACK表示接收顺序号有效;PSH表示推进功能有效;RST表示连接复位为初始状态，通常用于连接故障后的恢复;SYN表示对顺序号同步，用于连接的建立;FIN表示数据发送完，连接可以释放。
窗口(16位)：为流控分配的信息量。
校验和(16位)：段中所有16位字按模2"-1相加的和，然后取1的补码。
紧急指针(16位)：从发送顺序号开始的偏置值，指向字节流中的一个位置，此位置之前的数据是紧急数据。
任选项(长度可变)：目前只有一个任选项，即建立连接时指定的最大段长。
补丁：补齐32位字边界。

2.3 应用层协议

文件传输协议（File Transport Protocol，FTP）：建立在 TC 之上，可靠的文件传输协议，用于因特网上的控制文件的双向传输。FTP 在客户机和服务器之间需建立两条 TCP 连接，
- 一条用于传送控制信息（使用 21 号端口）;
- 一条用于传送文件内容（使用 20 号端口）。
简单文件传输协议（Trivial File Transfer Protocol，TFTP）：TFTP 建立在 UDP 之上，不可靠的、开销不大的小文件传输协议。使用 69号端口。
超文本传输协议（Hypertext Transfer Protocol，HTTP）：是用于从 WWW 服务器传输超文本到本地浏览器的传送协议。HTTP 建立在 TCP 之上，使用 80 号端口。
安全超文本传输协议（Hypertext Transfer Protocol Secure，HTTPS）：是以安全为目标的HTTP 通道，在 HTTP 的基础上通过传输加密和身份认证保证了传输过程的安全性。HTTPS = HTTP+ 安全套接层（Secure Socket Layer，SSL）或 TLS，HTTPS 使用的 443 号端口。
动态主机配置协议（Dynamic Host Configuration Protocol，DHCP）：通常被应用在大型的局域网络环境中，主要作用是集中地管理、分配 IP 地址。在网络范围内可能存在多个 DHCP服务器，各自负责不同的网段，也可能由同一个 DHCP 服务器，负责多个不同网段的地址分配。如果网络中有多个 DHCP 服务器发送 OFFER 报文，客户端只根据第一个收到的 OFFER 报文，返回 REQUEST 报文。DHCP服务端使用 67 号端口号，DHCP客户端使用 68 号端口号。
域名系统（Domain Name System，DNS）：DNS 把主机域名解析为 IP 地址的系统，而 PTR（Pointer Record）负责将 IP 地址映射到域名的解析。DNS 使用 53 端口号。DNS 查询过程有两种方法：
- 迭代查询：查询得到的是其他服务器的引用，本地服务器就要访问被引用的服务器，做进一步的查询。
- 递归查询：查询方式要求服务器彻底地进行名字解析，并返回最后的结果。
简单邮件传输协议（SMTP）：是一组用于由源地址到目的地址传送邮件的规则，邮件报文采用ASCI1格式表示。使用 25 端口号。
邮件接收服务器（POP3）：使用 110 端口号。
远程连接协议（Telnet）：是因特网远程登录服务的标准协议和主要方式。使用 23 端口号。
简单网络管理协议（SNMP）：由一组网络管理的标准协议，包含一个应用层协议、数据库模型和一组资源对象。轮询 使用 161 端口号，陷阱 使用 162 端口号。

2.4 传输层协议

传输控制协议（Transmission Control Protocol，TCP）：是可靠的、面向连接的网络协议。具有差错校验和重传、流量控制、拥塞控制等功能。适用于数据量比较少，且对可靠性要求高的场合。
用户数据报协议（User Datagram Protocol，UDP）：是不可靠的、无连接的网络协议。UDP 适合数据量大，对可靠性要求不是很高，但要求速度快的场合。

2.5 网络层协议

IP：网络层最重要的核心协议，在源地址和目的地址之间传送数据报，无连接、不可靠。
ICMP：因特网控制报文协议，用于在IP主机、路由器之间传递控制消息。控制消息是指网络通不通、主机是否可达、路由是否可用等网络本身的消息。
ARP和RARP：地址解析协议，ARP是将IP地址转换为物理地址，RARP是将物理地址转换为IP地址。
IGMP：网络组管理协议，允许因特网中的计算机参加多播，是计算机用做向相邻多目路由器报告多目组成员的协议，支持组播。

2.6 协议端口号对照表

端口	服务	端口	服务
20	文件传输协议(数据)	80	超文本传输协议(HTTP)
21	文件传输协议(控制)	110	POP3 服务器(邮箱接收服务器)
23	Telnet 终端仿真协议	69	简单文件传输协议(TFTP)
67	DHCP(服务端)	68	DHCP(客户端)
25	SMTP简单邮件发送协议	161	SNMP(轮询)
53	域名服务器(DNS)	162	SNMP(陷阱)

三、网络地址

1. IP地址表示

机器中存放的IP地址是32位的二进制代码，每隔8位插入一个空格，可提高可读性，为了便于理解和设置，一般会采用点分十进制方法来表示->将32位二进制代码每8位二进制转换成十进制，就变成了4个十进制数，而后在每个十进制数间隔中插入 “:” 如180.171.139.110:

因为每个十进制数都是由8个二进制数转换而来，因此每个十进制数的取值范围为0-255(掌握二进制转十进制的快速计算方法，牢记2的幂指数值，实现快速转换)。

180.171.139.110 转 2 进制(除2取余法)：

180/2 = 90  余  0
90/2 = 45   余  0
45/2 = 22   余  1
22/2 = 11   余  0
11/2 = 5    余  1
5/2 = 2     余  1
2/2 = 1     余  0
1/2 = 0     余  1

从下往上加，得到结果：【10110100】

180 = 10110100
171 = 10101011
139 = 10001011
110 = 01101110

二进制转十进制：

1.从二进制数的右边第一位起，从右往左，先用二进制位置上的数乘以2的相应位数的幂。

2.然后把每一位的乘积相加即可得到二进制数对应的十进制数。

10110100 = 2^7 + 2^5 + 2^4 + 2^2 = 180；
10101011 = 2^7 + 2^5 + 2^3 + 2^1 + 2^0 = 171
10001011 = 2^7 + 2^3 + 2^1 + 2^0 = 139
01101110 = 2^6 + 2^5 + 2^3 + 2^2 + 2^1 = 110

2. IP地址分类

按照规则编址

IP地址分四段，每段八位，共32位二进制数组成在逻辑上，这32位IP地址分为网络号和主机号，依据网络号位数的不同，可以将IP地址分为以下几类:

无分类编址：即不按照A、B、C类规则，自动规定网络号，无分类编址格式为:IP地址/网络号。示例：128.168.0.11/20表示的IP地址为128.168.0.11，其网络号占20位，因此主机号占32-20=12位，也可以划分子网。
特殊IP地址
- 公有地址：通过它直接访问因特网，是全网唯一的IP地址。
- 私有地址：属于非注册地址，专门为组织机构内部使用，不能直接访问因特网，下表所示为私有地址范围：

其他特殊地址

3. 子网划分

一般公司在申请网络时，会直接获得一个范围很大的网络，如-个B类地址，因为主机数之间相差的太大了，不利于分配，我们一般采用子网划分的方法来划分网络，即自定义网络号位数，就能自定义主机号位数，就能根据主机个数来划分出最适合的方案，不会造成资源的浪费。

因此就有子网的概念，一般的IP地址按标准划分为A、B、C类后，可以进行再-步的划分，将主机号拿出几位作为子网号，就可以划分出多个子网，此时IP地址组成为：网络号+子网号+主机号。

网络号和子网号都为1，主机号都为0，这样的地址为子网掩码

要注意的是:子网号可以为全0和全1，主机号不能为全0或全1，因此，主机数需要-2，而子网数不用。

还可以聚合网络为超网，就是划分子网的逆过程，将网络号取出几位作为主机号，此时，这个网络内的主机数量就变多了，成为一个更大的网络。

4. IPv6

主要是为了解决IPv4地址数不够用的情况而提出的设计方案，IPv6具有以下特性:

IPv6地址长度为128位，地址空间增大了2~96倍;
灵活的IP报文头部格式，使用一系列固定格式的扩展头部取代了IPv4中可变长度的选项字段。IPv6中选项部分的出现方式也有所变化，使路由器可以简单撸过选项而不做任何处理，加快了报文处理速度;
IPv6简化了报文头部格式，加快报文转发，提高了吞吐量;
提高安全性，身份认证和隐私权是IPv6的关键特性，
支持更多的服务类型;
允许协议继续演变，增加新的功能，使之适应未来技术的发展

IPv4和IPv6的过渡期间，主要采用三种基本技术:

双协议栈：主机同时运行IPv4和IPv6两套协议栈，同时支持两套协议，一般来说IPv4和IPv6地址之间存在某种转换关系，如IPv6的低32位可以直接转换为IPv4地址，实现互相通信。
隧道技术：这种机制用来在IPv4网络之上建立一条能够传输IPv6数据报的隧道，例如可以将IPv6数据报当做IPv4数据报的数据部分加以封装，只需要加一个IPv4的首部，就能在IPv4网络中传输IPv6报文。
翻译技术：利用一台专门的翻译设备(如转换网关)，在纯IPv4和纯IPv6网络之间转换IP报头的地址，同时根据协议不同对分组做相应的语义翻译，从而使纯IPv4和纯IPv6站点之间能够透明通信。

四、局域网和广域网

1. 局域网

网络通常按照网络的覆盖区域和通信介质等特征来分类，可分为局域网 (LAN)、无线局域网(WLAN)、城域网(MAN)、广域网(WAN)和移动通信网等。

局域网拓扑结构

局域网有总线型、星型、树型、环型、网状(分布式)五种拓扑结构：

总线型(利用率低、干扰大、价格低)
星型(交换机形成的局域网、中央单元负荷大)
环型(流动方向固定、效率低扩充难)
树型(总线型的扩充、分级结构)
网状(分布式)(任意节点连接管理难成本高)

局域网协议

以太网规范IEEE 802.3是重要的局域网协议，包括:

协议	以太网	速率	传输介质
IEEE 802.3	标准以太网	10Mb/s	细同轴电缆
IEEE 802.3u	快速以太网	100Mb/s	双绞线
IEEE 802.3z	千兆以太网	1000Mb/s	光纤/双绞线
IEEE 802.3ae	万兆以太网	10Gb/s	光纤

2. 以太网

以太网采用带冲突检测的载波监听多路访问（CSMA/CD）技术。

（1）载波监听。载波监听通过精心设计的监听算法来缓解冲突，主要分为三种类型：

监听算法	信道空闲时	信道忙时	特点
非坚持型监听算法	立即发送	等待随机时间N后监听	减少冲突，但信道利用率降低
1-坚持型监听算法	立即发送	持续监听	提高信道利用率，但增大了冲突概率
P-坚持型监听算法	以概率P发送	持续监听	有效平衡性能，但实现较复杂

（2）冲突检测。载波监听只能减少冲突的概率，而无法完全避免冲突。为了高效地实现冲突检测，在CSMA/CD中采用“边发边听”的冲突检测方法，即由发送者一边发送数据，一边自己接收回来如果发现结果不同，马上停止发送，并发出冲突信号，这时，所有的节点都会收到阻塞信息，并都随机等待一段时间之后再重新监听。

3. 无线局域网

WLAN标准：IEEE 802.11

IEEE 802.11b标准的速率可达11Mb/s，IEEE 802.11a标准的传输速率可达到54Mb/s。同时现了IEEE 802.11g标准，该标准具有与IEEE 802.11a标准一样的接入速率。之后出现了IEEE802.11n新标准，其传输速率可达200Mb/s以上。

WLAN拓扑结构

（1）点对点：通过单频或扩频微波电台、红外发光二极管、红外激光等方法，连接两个固定的有线LAN网段，实际上是作为一种网络互连方案。无线链路与有线LAN是通过桥路器或中继器完成连接的。
（2）HUB型：由一个中心节点(HUB)和若干外围节点组成，外围节点既可以是独立的节点，也可与多个用户相连。任何两个外围节点间的数据通信都须经过HUB,是典型的集中控制式通信。

（3）完全分布型：目前还无具体应用，仅处于理论探讨阶段，它要求相关节点在数据传输过程中发挥作用，类似于分组无线网的概念。对每一个节点而言，一般只有网络的部分拓扑信息，但它可与邻近节点以某种方式分享各自的拓扑结构信息，基于此完成一种分布路由算法，使得传输路径上的每一个节点都要协助源节点数据传送至目的节点。