网络理论入门

这是《网络实用技术》一课的笔记和总结

计算机网络概述

计算机网络的发展

• 第一阶段：60年代，雏形，分布的计算机系统
• 第二阶段：70年代，计算机互连网络，尚未形成统一标准
• 第三阶段：70年代中期，形成计算机网络体系结构和标准化网络
• 第四阶段：90年代，以Internet为核心的高速计算机网络

计算机网络的逻辑结构与拓扑结构

• 逻辑结构：通信子网与资源子网
• 拓扑结构：一个网络的通信链路和结点的图形
  • 总线型结构：所有结点接到一条总线上
  • 环型结构：所有节点连接为一个闭合的环
  • 星型结构：有一个中心节点，其余节点与之相连
  • 树型结构：一个根节点向下延伸形成
  • 网状结构：各节点连成不规则形状，每个节点至少与其它两个节点相连

计算机网络体系结构与协议

• 基本概念
  • 协议：控制数据交换规则的集合
  • 分层：每一层功能独立，协议按此被分为层间协议
  • 网络体系结构：计算机网络各层和层间协议的集合
• 各年代参考模型：
  • 70年代：各自设计，没有规范
  • 80年代：OSI标准：物理连接就可以通信
  • 90年代：TCP/IP模型
• OSI模型简介
  • 各计算机有相同的层次结构，各层次分工不同
  • 共有7层：应用层，表示层，会话层，传输层，网络层，数据链路层，物理层
  • 对等层协议之间交换的信息单元统称为协议数据单元（PDU）
  • 数据封装：帧头-网络头-段头-数据-帧尾
• TCP/IP模型简介
  • 分为：应用层，传输层，Internet层，网络接口层
  • 网络接口层：只指出通信主机必须采用某种协议连接到网络上，并能传输网络数据分组。
  • 网际层：
    • IP（Internet Protocol）明确源端和目的端
    • ICMP：提供控制和传递信息的功能
    • ARP：解析IP为MAC地址
    • RARP：解析MAC地址为IP地址
  • 传输层：
    • 面向连接的：TCP：可靠的传输协议
    • 无连接的：UDP：不可靠（不会确认发送的内容）的传输协议
  • 应用层：各种协议（文件，邮件，www等）
  • OSI与TCP/IP参考体系对应：传输层相对，网络层与网际层相对

计算机网络分类

• 按地理位置分类
  • 体域网，个体网，局域网，城域网，广域网
• 按网络拓扑类型分类
• 按网络协议分类
  • 以太网，令牌环网等
• 按网络操作系统分类
• 按传输介质分类
  • 双绞线，光纤，同轴电缆，无线，卫星数据通信网等
• 按传播技术分类
  • 广播式，点到点式网络
• 按网络配置分类

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网络通信基础

数据通信模型

• 基本模型：信源 - 变换器 - 信道（有噪声） - 反变换器 - 信宿
• 模拟与数字通信系统
  • 数字优点：抗干扰，易加密
  • 数字缺点：难实现，对线路要求高
  • 数模转换有误差
  • 数模转换方法：调制（频率），PCM脉冲调制（采样，量化，编码：将幅度作为二进制表示）
• 通信信道
  • 物理信道：物理上相连的
  • 逻辑信道：两个节点间的通信链路
  • 带宽：
    • 信道传输能力的度量
    • 模拟信号带宽：用能传输的频率极值表示
    • 数字信号带宽：每秒能传输的最大比特数
  • 传输速率：每秒传递的二进制比特位数，其最大值与带宽成正比

数据传输方式

• 数据传输方向
  • 单工（收音机）/半双工（对讲机）/全双工（电话）
• 数据传输方式
  • 并行/串行/串并行转换
• 数据传输同步方式
  • 同步：调整时间基准
  • 同步传输：发送端和接收端时钟一致
  • 异步传输：一个字符代码本身的开始结束标记带有时间基准，效率较低

多路复用技术

• 定义：一条物理信道承载多条通信信道
• 实质：将多路信号编码在一起

数据交换技术

• 数据交换技术分类
  • 线路交换
    • 线路建立 - 数据传输 - 数据释放
    • 可靠，但对信道资源有浪费，没有信息存储功能和容错率（电话）
  • 报文交换
    • 规定源地址等信息，一次性发送一个数据块
    • 中间节点会进行校验，需要排队，延时波动大，出错后全部重发（电报）
  • 分组交换
    • 长度等标准确定的报文交换
    • 分组号 - 源地址 - 目的地址 - 数据 - 校验
    • 出错后不必全部重发，可能乱序，重复与丢失

传输介质

• 有线传输介质：金属，光纤
  • 双绞线：适用于局域网，屏蔽双绞线有一层厚壳
  • 同轴电缆：用于节目传输，长途电话，局域网
    • 基带同轴电缆用于数字传输，宽带同轴电缆用于模拟传输
  • 光纤：用于长距离高速率传输
• 无线传输介质：无线电，电磁波，卫星
  • 无线电：传输距离，抗干扰差，价格低，易窃听
  • 红外线：方向性强，受光环境影响
  • 微波：速率低，不可绕射，受大气影响大
  • 卫星：延时长，费用高，距离长

通信网简介

• 已有的公共通信设施
  • 公共电话：光纤到户
  • 移动电话：4G，5G
  • 有限电视网络
  • 卫星

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局域网

局域网概述

• 定义
  • 狭义局域网：一个广播体系下的网络
  • 广义局域网：一个网络所有者的网络
• 特点：地理近，延时低，传输速率高，出错率低，多种传输介质
  • 以树型拓扑结构居多
• 组成：路由器 - 网络交换机 - PC
• 常用设备：
  • 网线：双绞线按标准不同具有线序，按标准线序，信号串扰小
    • 直通线：两头标准相同
    • 交叉线：两头标准不同
    • 现在基本都可以自动识别标准，用直连线
• 局域网参考模型：IEEE802模型
  • 高层和网络层（NOS实现） - 数据链路层（LLC和MAC） - 物理层
• 局域网特性主要技术：传输介质，拓扑结构，介质访问控制方法
• 局域网类型
  • 共享介质局域网的介质访问控制方法
    • 随机访问控制（以太网核心技术）
    • 轮流访问控制（令牌传递）

以太网

• 以太网标准
  • 传统以太网
  • 快速以太网
  • 千兆以太网
• 共享介质以太网核心技术（CSMA）：载波侦听多路访问
  • 发前监听，空闲时发送，遇到冲突回避
• 令牌环网
  • 介质访问控制方法：令牌传递
• 交换式以太网
  • 以网络交换机为主干，不需要共享介质，星型拓扑

虚拟局域网（VLAN）

• 定义：逻辑上的广播域，需要借助路由器
• 特点：便于管理，更加安全，抑制数据泛滥，与物理位置无关

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网络互联

计算机网络互联概述

• 定义：将各种网络和设备连接在一起，并用用网络连接设备协调网络差异。
• 网络互联基本原理：
  • 层次：网络层（路由器），数据链路层（网桥，交换机）
• 网络互联类型
  • LAN - LAN：本地互联
    • 范围有限，层次为物理层和数据链路层
  • WAN - X：远程互联
    • 范围大，层次为网络或更高层

网络连接设备

• 网卡
  • 网卡地址：MAC地址
  • 每台计算机至少有一块网卡
  • 用于数据解码访问收发等
• 中继器
  • 物理层
  • 用于连接网段，放大物理信号
  • 分为：以太网中继器，令牌环网中继器
• 集线器
  • 物理层
  • 多端口的中继器，不能分离冲突部分
• 网桥
  • 数据链路层
  • 用于构建LAN - LAN间的逻辑网络
• 交换机
  • 数据链路层
  • 和网桥功能类似，但不可以分离广播域
  • 比网桥端口多，延迟小，速率高，功能强大
  • 交换机工作原理：维护一个MAC地址表以建立端口间连接
• 路由器
  • 网络层
  • 连接不同逻辑网络为一个子网
  • 可以分隔广播域和不同网络的连接
  • 路由器比交换机层次高，用IP地址，控制更强，但速度较慢，下接子网
  • 每个连接在路由器的网络都会给路由器分配一个IP地址
• 三层交换机
  • 相当于路由器，速度更快，成本更低
  • 但只能局域网中子网间的连接
• 网关
  • 连接不同体系的计算机网络和协议转换
  • 位于传输层，应用层

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Internet基础

Internet基本概念

• 定义：在TCP/IP基础上建立的国际互联网
• 组成：局域网/服务器，传输系统，TCP/IP协议
• 工作模式：
  • C/S模式：应用程序分别运行在客户机和服务器
  • B/S模式：运行浏览器（http），在浏览器上获取服务
  • P2P模式：计算机间直接交换信息，与C/S模式差别主要在应用层

编址机制

• 域名（人使用） - （DNS） - IP v4地址（广域网使用） - （ARP） - MAC地址（局域网使用）
• 4大重要参数：IP地址，子网掩码，默认网关，DNS服务器地址
  • IP地址：在全网范围唯一，一个主机至少一台
    • IPv4：32位二进制数合为4个十进制数表示，分为网络号和主机号
    • ABC类地址：网络号占位分别为7，14，21位（前1，2，3段）
    • 主机号全为0用于标识网络本身，全为1将进行广播
  • 子网掩码
    • 将一个大网络划分为几个子网
    • 网络部分用1表示，主机号用0表示
    • 不划分子网时用默认子网掩码
    • IP与子网掩码相与，可得网络地址
  • 无类别域间路由选择CIDR
    • 路由聚合（构成超网）：将小前缀合并为一个大前缀
    • 记法：{<网络前缀>,<主机号>} 或 IP地址/网络前缀比特位数
    • 一般网络前缀有13-27位
    • 路由优先匹配前缀长的条目
  • 域名系统DNS
    • 域名：IP地址的字符表示
    • DNS组成：域名空间（一棵树），DNS服务器，解析程序
    • 统一资源定位器URL：<协议>://<主机[端口号]><路径> <文件名><查询串>

Internet的接入

• 常用接入：电话网，电视网，光纤，无线，局域网接入

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Internet应用

WWW——万维网

• 定义：不是传统网络，而是在超文本上形成的信息网
• 有关概念：
  • Web页面：由HTML等语言编写的文档
  • 浏览器程序：通过http协议解析HTML给用户
• 架设网站服务器的实现方法：IIS架设，Apache架设
• Web通信：请求DNS - HTTP生成报文 - TCP分段 - IP传送 - TCP重组 - HTTP处理 - 服务器响应

电子邮件概述

• 工作原理
  • 流程：发送端 - （SMTP） - 发送方服务器 - （SMTP） - 接收方服务器 - （SMTP） - 接收端
  • 像是在Internet上实现了传统邮局的功能
• SMTP协议：传输协议，负责传输邮件
• POP3协议：邮件储存和访问协议，从邮件服务器接收协议到本地并删除远端邮件副本
• IMAP协议：和POP3功能类似，但复杂得多，可以实现客户端和服务器的同步修改。

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网络安全与维护

网络安全

• 网络不安全因素：网络本身开放性，协议漏洞，软件漏洞，物理安全…
• 主机安全：操作系统，病毒防范，防火墙
• 网络安全：
  • 加密技术，数字签名和数字证书，安全协议
  • 防火墙：不实时，速度与功能成反比
  • IDS（入侵检测技术）：检测违反安全策略的行为，在防火墙后面
• 系统漏洞：软硬件，协议等存在的错误或缺陷
  • 常见漏洞及防范：
    • 缺省安装：打补丁，关掉不必要的端口和服务
    • 口令和账号：避免弱口令
    • 权限设置错误：正确授权
    • 防火墙过滤出现问题：建立过滤规则
    • 备份，日志文件不健全
    • 缓冲区溢出
    • 容易被攻击的CGI（网关接口）程序
• 计算机网络通信威胁：
  • 被动攻击：截获（数据加密技术）
  • 主动攻击：中断，篡改，伪造（数据加密+鉴别技术）
• 加密技术
  • 对称密码体制：加密和解密密匙是相同的密码体制
  • 非对称密码体制：公钥公开，私钥保密，用户不必交换密钥，安全性高但速度慢
    • 常用于加密小数据（如对称密匙）
• 数字签名与数字认证
  • 数字签名
    • 需要保证能够核实，不可抵赖和伪造
    • 一般采用公开密匙算法
  • 数字认证
    • 相当于身份证，会被公开
    • 接收方通过验证数字证书确认发送方身份
• 安全协议与VPN
  • 安全协议：采用的密码技术的具体协议
    • 应用层：SSH，PGP
  • VPN：利用安全协议在公网上传递私有信息的逻辑网络
    • https：请求连接（得到公钥） - 用公钥加密密钥 - 发送（通过密钥通信）
• 防火墙
  • 在多个网络间实现访问控制的组件集合
  • 局限：不能防范内部攻击和新的网络问题
  • 体系结构：
    • 筛选路由器：包过滤路由器，可由主机或专门的路由器实现
    • 双穴堡垒主机系统：用一台双网卡的堡垒主机在物理和逻辑上将两个网络断开
    • 筛选主机系统：前两者之和
    • 筛选子网系统（DMZ）：在内网和外网之间建立一个隔离的子网，与其分别隔开

网络故障诊断

• 步骤：确认权限 - 重现故障 - 检查网络物理连接 - 检查网络软件连接 - 检查最近的网络变更
• 常用指令：ping/ipconfig/netstat/arp/tracert/route/nslookup

网络维护

• 硬件备份技术
  • 路由器：HSRP，VRRP协议
  • 服务器：集群
• 软件备份技术
  • 备份类型
    • 完全备份（所有数据备份）
    • 增量备份（只备份变化过的数据）
    • 差异备份（只备份上次完全备份后变化的数据）
  • 磁盘阵列（RAID）：把多个独立硬盘组合成一个硬盘组的技术
    • 分类：软阵列（在操作系统之上），硬阵列（在操作系统之下，优于软阵列）
    • 级别：0到7，除0外有冗余功能，RAID（1到5）允许坏1块盘，RAID 6允许坏两块，RAID 0速度最快