自学-408-《计算机网络》（总结速览）

第一章 计算机网络概述

1. 计算机网络的定义

• 计算机网络是指将不同地点的计算机通过通信介质连接起来，实现信息交换、资源共享、远程控制、服务访问等目的的系统。网络中的计算机通过遵循相应的通信协议，能够相互传递数据。

2. 计算机网络的基本功能

计算机网络具备以下几项基本功能：

• 通信功能：计算机网络的核心功能是实现数据传输，用户可以通过计算机发送和接收信息。
• 资源共享功能：计算机网络使得计算机能够共享资源，如打印机、文件、应用程序、数据库等。用户可以在不同的计算机上访问共享的资源。
• 分布式处理：通过计算机网络，可以将任务分配到多个计算机上，进行并行处理，增加计算效率。例如，分布式计算使得不同地点的计算机共同协作解决某一复杂问题。

3. 计算机网络的分类

计算机网络根据不同的标准可以进行不同的分类：

• 按网络规模分类：

  • 局域网（LAN，Local Area Network）：通常覆盖范围较小，局限于一个建筑、办公室、学校或者家庭，传输速率较高，延迟低。常见的局域网使用以太网或Wi-Fi技术。
  • 广域网（WAN，Wide Area Network）：跨越较大的地理范围，连接不同城市甚至国家。典型的广域网是互联网，它使用公共或私有的通信设施连接不同地点的计算机。
  • 城域网（MAN，Metropolitan Area Network）：介于局域网和广域网之间，通常覆盖一个城市或较大的地理区域。城域网常用于连接大规模的企业或政府网络。

• 按拓扑结构分类：

  • 总线拓扑：所有计算机通过一根主干线连接，数据在总线上双向传输。由于数据通过共享媒介传输，易受到碰撞影响。
  • 星型拓扑：所有计算机通过一个中心设备（如交换机或集线器）连接，数据从中心设备传输到各个终端设备。由于中心设备故障会导致网络不可用，但它的管理和扩展较为简单。
  • 环形拓扑：计算机通过点对点的连接形成一个闭环，数据以单方向或双方向传输。每个节点直接连接到其前后节点，形成闭环结构。
  • 树型拓扑：树形拓扑是星型拓扑和总线拓扑的结合，中心设备为根节点，其他节点分布在各层级上，类似树的分支。

4. 计算机网络的层次结构

计算机网络的设计通常采用分层结构，每一层负责不同的任务：

• 应用层：用户直接使用的网络服务，如HTTP（网页浏览）、FTP（文件传输）、SMTP（电子邮件）等。应用层处理与具体应用相关的任务。
• 传输层：负责端到端的数据传输，确保数据从发送端传输到接收端。常见协议有TCP（面向连接）和UDP（无连接）。
• 网络层：主要任务是将数据包从源主机传输到目标主机。网络层提供路由功能，通过IP协议来实现地址寻址和数据包转发。
• 数据链路层：负责在局部网络内传输数据帧，确保数据能够在物理媒介上可靠传输。包括MAC地址、帧校验等功能。
• 物理层：最底层，负责将数据转换成物理信号并通过通信介质传输。物理层关注信号的电气特性、数据速率等问题。

5. 计算机网络的协议

协议是网络通信中的规则或约定，决定了网络中不同设备间的通信方式。每个层次都有自己的协议来实现层间通信。

• TCP/IP协议：这是互联网中最广泛使用的协议，包含了多个协议层，如IP协议（网络层），TCP协议（传输层）等。通过这些协议，计算机能够在网络中顺利进行数据传输。
• HTTP协议：用于万维网（WWW）的通信，客户端与服务器通过HTTP协议交换网页数据。
• FTP协议：用于文件传输，允许用户上传和下载文件。
• SMTP协议：用于电子邮件的发送。

6. 计算机网络的组成部分

计算机网络通常包括以下组成部分：

• 主机（Host）：连接到网络的计算机或其他设备，可以是服务器、个人电脑、手机等。
• 网络设备：帮助连接不同设备的硬件设施，如交换机、路由器、集线器、网卡等。路由器负责不同网络之间的数据转发，而交换机负责局域网内设备的数据交换。
• 通信介质：传输数据的物理介质，可以是光纤、电缆、无线电波等。

7. 计算机网络的应用

计算机网络在现代社会中有着广泛的应用，常见的应用包括：

• 信息共享：如文件共享、打印机共享、数据库访问等。
• 远程访问：如VPN、远程桌面，用户可以远程访问公司或家庭网络资源。
• 在线娱乐：包括视频流媒体、网络游戏、社交网络等。
• 电子商务：通过网络进行商品交易、支付、购物等。

8. 互联网的概念

• 互联网是全球最大的计算机网络，它通过TCP/IP协议连接世界各地的计算机，使全球范围内的信息交换成为可能。互联网的发展促进了全球化信息时代的到来。

《王道计算机网络》第二章通常会介绍 数据链路层和局域网 的相关内容，涉及网络数据的传输方式、局域网的结构、技术和协议等。以下是第二章的详细内容概览：
物理层是计算机网络中的第一层，位于OSI模型（开放系统互联模型）的最底层。它负责数据在物理媒介上的传输，涉及到信号的生成、传输和接收等内容。物理层与计算机网络中的硬件设备直接相关，主要关注如何通过物理介质传输比特流。

物理层的主要功能

1. 比特传输：
   物理层的最基本任务是传输比特流，即将数字信号转化为电信号或光信号，通过物理介质（如电缆、光纤、无线信号等）传输数据。比特流在物理层的传输过程中不考虑数据的语法和语义，只关心如何正确无误地传送比特。

2. 数据编码与解码：
   物理层负责将数据以适合物理介质传输的格式进行编码。例如，在电缆上传输数据时，数据可以被编码为电压变化或光信号。在接收端，物理层再将这些信号解码成比特流。

3. 信号的调制与解调：
   在某些情况下，物理层需要对信号进行调制，以便通过传输介质（如无线信道）有效传送。这涉及到对模拟信号的调制（例如，将数字信号转换为模拟信号进行无线传播）。在接收端，物理层负责解调信号，将其恢复为原始的数据比特流。

4. 传输媒介：
   物理层与传输媒介紧密相关，常见的物理传输媒介包括：

   • 电缆介质：如双绞线（Twisted Pair）、同轴电缆（Coaxial Cable）等。
   • 光纤介质：如光纤（Fiber Optic），用于长距离、高速传输。
   • 无线介质：如无线电波（Wi-Fi、蓝牙、LTE等），用于无线路由和通信。

5. 比特同步与时钟恢复：
   物理层需要确保发送端和接收端之间的时钟同步，保证比特流的正确传输。由于传输过程中可能会出现噪声或延迟，物理层需要负责时钟恢复，以便准确解码比特流。

6. 传输速率：
   物理层还定义了数据传输的速率（即比特率）。比特率的大小决定了网络的传输能力。在现代通信中，通常采用高比特率来提高数据传输效率。

** 物理层的协议和标准**
物理层涉及到不同的标准和协议，用于定义信号的电气特性、接口、传输介质等。常见的物理层标准和协议包括：

• Ethernet（以太网）：最广泛使用的局域网技术，定义了如何通过双绞线、同轴电缆等介质传输数据。

  • 例如，10BASE-T、100BASE-TX和1000BASE-T等不同速率的以太网标准。

• IEEE 802.11：无线局域网（Wi-Fi）的标准，定义了无线信号的传输方式和频段。

  • 包括不同的Wi-Fi协议，如 802.11a/b/g/n/ac 等。

• 光纤通信：用于高带宽长距离传输，采用不同的光纤标准，如 Fiber Channel、SONET、Gigabit Ethernet over Fiber 等。

• Bluetooth（蓝牙）：一种短距离无线通信标准，适用于移动设备之间的连接。

物理层设备
物理层涉及到的设备通常是硬件设备，主要包括：

• 网卡（Network Interface Card, NIC）：计算机中用于连接网络的硬件设备，它通过物理层的协议与网络进行物理连接。
• 集线器（Hub）：一种用于局域网的设备，将多个计算机连接到同一个网络中，工作在物理层。集线器的作用是将数据从一个端口转发到所有其他端口，但没有智能化的过滤功能。
• 交换机（Switch）：尽管交换机通常工作在数据链路层，但它在物理层也涉及到信号传输的部分。交换机用于通过物理连接将数据从一个设备转发到另一个设备。
• 调制解调器（Modem）：用于将数字信号转换为模拟信号，或者将模拟信号转换为

第二章 数据链路层和局域网

1. 数据链路层的功能

数据链路层是计算机网络中的第二层，它主要负责以下几个功能：

• 数据帧的封装与解封装：

  • 数据链路层将来自网络层的数据包封装成数据帧，传输过程中附加了头部和尾部信息（如目标地址、错误检测等）。
  • 当数据帧到达目的地时，数据链路层将其解封装，并将数据传递给上层协议（网络层）。

• 物理地址的寻址：

  • 数据链路层使用 MAC地址（物理地址）进行设备间的直接通信。每个网络设备都有一个唯一的MAC地址，数据链路层通过MAC地址来确定数据的发送和接收方。

• 错误检测与纠正：

  • 数据链路层负责检测数据在传输过程中可能出现的错误。常见的错误检测方法是通过 循环冗余校验（CRC），即计算数据帧的校验值，接收方对比校验值以判断是否有错误。

• 流量控制：

  • 数据链路层可通过流量控制机制，调节发送和接收的速度，以避免数据丢失和网络拥塞。

• 访问控制：

  • 数据链路层确保多个设备共享同一通信介质时，能有效地进行冲突避免或调度。这通常通过 CSMA/CD（载波侦听多路访问/冲突检测）协议来实现。

2. 局域网（LAN）的基本概念

局域网（LAN）是覆盖范围较小的网络，一般局限于一个建筑、办公室、学校或者家庭。局域网的特点包括：

• 高速传输：局域网通常使用高速通信媒介（如以太网、Wi-Fi），传输速率较高，延迟较低。
• 设备连接：局域网中的设备通过网络接口卡（NIC）和交换机、路由器等网络设备连接。局域网设备之间可以共享资源，如打印机、硬盘、计算机等。
• 组网方式：局域网的组网方式多种多样，包括星型、总线型、环型等。

3. 以太网（Ethernet）

以太网是最常见的局域网技术，它使用载波侦听多路访问/冲突检测（CSMA/CD）协议来控制设备间的通信。以太网的特点包括：

• 传输介质：以太网常见的传输介质有双绞线、光纤和无线介质。
• 帧结构：以太网的数据单位是 帧，每帧包含目的MAC地址、源MAC地址、数据和校验序列等信息。
• 传输速率：以太网的传输速率从最初的10 Mbps发展到现在的100 Gbps。

以太网采用 共享介质，多个设备通过相同的媒介进行通信。因此，在数据传输时，可能会发生设备之间的冲突，需要采用CSMA/CD协议来避免冲突或在冲突发生时重新传输。

4. 局域网交换机

• 交换机（Switch）是局域网中常用的设备，用于连接局域网内的设备并实现数据交换。交换机可以通过 MAC地址表 路由数据帧，将数据从源设备直接转发到目的设备，避免了传统集线器（Hub）的冲突问题。

• 工作原理：

  • 交换机工作在数据链路层，接收到数据帧后，通过学习源MAC地址，并建立一个MAC地址表。接着，交换机会根据表中的信息，将数据帧转发给目的设备。
  • 交换机能提供全双工通信（同时收发数据），相比集线器提高了网络效率。

5. 网络接口卡（NIC）

• 网络接口卡（NIC，Network Interface Card）是计算机和网络连接的硬件设备，允许计算机通过物理连接方式与局域网或其他网络进行通信。

• NIC的作用：

  • 负责数据帧的发送和接收。
  • 将数据链路层的帧转换成适合物理层传输的信号（如电信号或光信号）。
  • 含有唯一的MAC地址，确保设备能在网络中进行唯一标识。

6. VLAN（虚拟局域网）

• 虚拟局域网（VLAN，Virtual LAN）是通过配置网络设备（如交换机）来实现的逻辑上的局域网划分。VLAN可以根据不同的需求将一个物理局域网划分成多个虚拟网络，提高网络管理的灵活性和安全性。
• VLAN的优势包括：
  • 隔离广播域：通过将设备分配到不同的VLAN中，可以有效地隔离广播风暴，减轻网络负载。
  • 提高安全性：通过将敏感设备放入不同的VLAN中，增加了网络的安全性。
  • 简化管理：可以根据业务需要灵活地划分和调整VLAN。

7. 局域网中的其他技术

除了以太网和交换机，局域网中还涉及到以下技术：

• 无线局域网（WLAN）：使用Wi-Fi技术连接设备，适合在无线环境下使用。WLAN通常使用 IEEE 802.11 标准，具有较高的移动性。
• Powerline网络：通过电力线传输网络数据，适用于家中没有布线的环境。
• 光纤到桌面（FTTD）：在一些高端企业环境中，使用光纤作为局域网的传输介质，提供更高的带宽和更远的传输距离。

第三章 网络层

1. 网络层的功能

网络层位于数据链路层和传输层之间，主要负责以下几项功能：

• 路由功能：网络层的核心任务是根据目标IP地址将数据包从源主机传输到目标主机。路由器在这一层发挥重要作用，决定数据包的最佳路径。
• 分段与重组：如果数据包的大小超过了链路层的最大传输单元（MTU），网络层将对数据包进行分段。目标设备收到数据包后，网络层会对分段进行重组。
• 地址映射：网络层使用 IP地址 进行寻址。每个设备在网络中都有唯一的IP地址，网络层根据这些地址将数据包从源主机传输到目标主机。

2. IP协议

• IP协议（Internet Protocol）是网络层最重要的协议，它定义了数据包的结构和传输方式。IP协议负责将数据包从源主机传输到目标主机，不关心数据包的内容。

• IPv4地址：

  • IPv4使用32位地址，通常表示为四个十进制数，每个数范围是0-255（例如：192.168.1.1）。
  • 子网掩码：用于区分IP地址的网络部分和主机部分。子网掩码与IP地址按位“与”运算得到网络地址。

• IPv6地址：

  • IPv6是为了应对IPv4地址耗尽问题而提出的。IPv6地址使用128位地址，表示为8组16进制数，每组由4个数字组成（例如：2001:0db8:85a3:0000:0000:8a2e:0370:7334）。
  • IPv6还提供了更多的安全性和路由优化特性。

3. IP地址分类

IP地址根据不同的用途被分为不同的类别：

• A类地址：第一个字节范围为1-127，用于大型网络。网络部分占1个字节，主机部分占3个字节。
• B类地址：第一个字节范围为128-191，用于中型网络。网络部分占2个字节，主机部分占2个字节。
• C类地址：第一个字节范围为192-223，用于小型网络。网络部分占3个字节，主机部分占1个字节。
• D类地址：第一个字节范围为224-239，用于组播地址。
• E类地址：第一个字节范围为240-255，用于保留地址，不用于普通网络通信。

4. 子网划分

子网划分是网络层中的一个重要操作，用于将一个大的网络划分为多个小的子网。子网划分有助于提高网络的效率、减少广播域的范围，并提高网络的管理性。

• 子网掩码：子网掩码是与IP地址一起使用的，它帮助设备确定网络部分和主机部分的划分。通过设置合适的子网掩码，网络管理员可以将一个网络分为多个小子网。

• CIDR（无类域间路由）：CIDR是一种新的IP地址表示方法，它使用斜杠后面跟数字的方式表示子网掩码（如192.168.1.0/24）。CIDR可以有效地提高IP地址的使用效率。

5. 路由与路由表

• 路由是指数据包在网络中的传输路径选择。路由的任务是根据目标IP地址选择最佳路径，将数据包从源主机传输到目标主机。

• 路由器是网络层的关键设备，它通过路由表来决定数据包的转发路径。路由表存储了到达不同网络的路径信息，每当路由器收到数据包时，它会查找路由表，确定数据包的下一跳。

• 静态路由与动态路由：

  • 静态路由：由网络管理员手动配置，适用于网络拓扑结构稳定、变化较少的情况。
  • 动态路由：由路由协议自动配置和更新，适用于网络拓扑经常变化的情况。常见的动态路由协议有 RIP、OSPF 和 BGP 等。

6. 路由协议

• RIP（路由信息协议）：一种基于距离向量的路由协议，使用跳数来表示路径的优先级，最大跳数为15跳。

• OSPF（开放最短路径优先协议）：一种基于链路状态的路由协议，它通过交换链路状态信息来计算最短路径。OSPF适用于大型网络。

• BGP（边界网关协议）：用于自治系统之间的路由协议，BGP主要用于互联网中不同自治系统之间的路由选择。

7. NAT（网络地址转换）

NAT（Network Address Translation）是一种技术，用于解决IPv4地址资源的紧张问题。NAT可以将一个公网IP地址映射到多个私有IP地址，从而实现多个设备共享一个公网IP地址上网。常见的NAT类型包括：

• 静态NAT：将一个固定的公网IP地址映射到一个固定的私有IP地址。
• 动态NAT：将私有IP地址池中的IP地址动态映射到公网IP地址池中的某个地址。
• 端口地址转换（PAT）：通过不同的端口号将多个私有IP地址映射到一个公网IP地址上，实现端口级别的地址转换。

8. ICMP协议

ICMP（Internet Control Message Protocol）是一个辅助协议，主要用于传递控制信息和错误报告。常见的ICMP消息包括：

• Echo请求和响应（Ping）：用于测试目标主机是否可达。
• 目标不可达：用于告知发送方目的地不可达的错误信息。

第四章 传输层

1. 传输层的功能

传输层位于网络层和应用层之间，主要负责提供端到端的通信服务。其核心功能包括：

• 数据传输的可靠性：确保数据能够可靠地从源端传输到目标端，处理数据的丢失、重复和错误。
• 端到端的连接管理：传输层负责建立、维持和终止端到端的通信连接。
• 数据的顺序控制：保证数据按照正确的顺序到达接收端，避免数据错乱。
• 流量控制：防止发送方数据过快，导致接收方无法及时处理。
• 拥塞控制：防止网络拥塞，确保网络的高效传输。

2. 传输层的协议

传输层的两个主要协议是 TCP 和 UDP。

• TCP（传输控制协议）：

  • 连接导向协议：TCP协议是面向连接的，在数据传输之前，发送方和接收方需要先建立一个连接，数据传输结束后再断开连接。

  • 可靠性保证：TCP通过序列号、确认应答、重传机制、流量控制和拥塞控制等手段，确保数据能够可靠地传输。即使在网络出现丢包或错误的情况下，TCP也会重新传输丢失的数据。

  • 三次握手与四次挥手：

    • 三次握手：建立连接时，客户端和服务器通过三次消息交换来确认双方的通信能力和状态。
    • 四次挥手：断开连接时，双方需要交换四次消息以保证连接的彻底断开。

    三次握手过程：

    1. 客户端发送SYN请求，表明请求建立连接。
    2. 服务器回应SYN-ACK，表示同意建立连接并且准备接收数据。
    3. 客户端回应ACK，确认连接建立。

    四次挥手过程：

    1. 客户端发送FIN，表示客户端已经没有数据要发送。
    2. 服务器回应ACK，确认客户端的关闭请求。
    3. 服务器发送FIN，表示服务器也没有数据要发送。
    4. 客户端回应ACK，确认服务器关闭请求。

  • 流量控制：通过 滑动窗口协议 控制数据流量，避免发送方过快地发送数据，导致接收方无法处理。

  • 拥塞控制：通过 慢启动、拥塞避免、快速重传和快速恢复 等机制，控制网络中的数据流量，防止网络出现拥塞。

• UDP（用户数据报协议）：

  • 无连接协议：UDP是面向无连接的协议，数据发送前不需要建立连接，也没有可靠性保证。
  • 数据报传输：UDP直接将数据打包成数据报传输，发送方无需等待接收方的确认，因此传输速度较快。
  • 不可靠性：由于没有确认机制和重传机制，UDP不能确保数据到达目标，可能会丢包、重复或者错序。适用于要求实时性较强、容忍丢包的应用场景，如视频流、语音通信等。
  • 应用场景：由于其低延迟和简单的协议，UDP常用于实时性要求高但能容忍少量丢包的应用，如实时视频会议、在线游戏等。

3. TCP与UDP的对比

特性	TCP	UDP
连接性	面向连接	无连接
可靠性	提供可靠传输，重传机制	不保证可靠传输，可能丢包
数据顺序	确保数据按顺序到达	不保证数据顺序
流量控制	提供流量控制	无流量控制
拥塞控制	提供拥塞控制	无拥塞控制
开销	较高，建立连接、维护连接等	较低，没有连接建立和管理的开销
典型应用	文件传输（FTP）、网页浏览（HTTP）	实时通信（VoIP）、视频流、DNS

4. 端口号

• 端口号是传输层协议中的关键概念，标识了主机上不同应用程序的通信通道。每个应用程序都有一个唯一的端口号，用来区分不同的服务。
• 端口范围：
  • 知名端口（0~1023）：通常由系统或管理员保留，用于常见的网络服务，如HTTP（80端口）、FTP（21端口）等。
  • 注册端口（1024~49151）：可以由应用程序进行注册，适用于一些中间级的服务。
  • 动态端口（49152~65535）：由操作系统动态分配给客户端的端口，用于临时连接。

5. 滑动窗口协议

• 滑动窗口协议是TCP实现流量控制的一种方式，窗口表示允许发送的最大数据量。接收方通过告知发送方“可用窗口”的大小来控制发送方发送数据的速率。
• 窗口大小：发送方和接收方会动态调整窗口大小，以确保网络的高效传输，避免拥塞或丢包。

6. 拥塞控制

TCP通过 拥塞控制 来避免网络出现过度负荷，常见的拥塞控制算法包括：

• 慢启动：开始时使用较小的窗口，随着网络的空闲增加，逐步增大窗口，增加数据发送速率。
• 拥塞避免：当检测到拥塞时，逐步减小窗口大小，降低发送速率。
• 快速重传：当数据包丢失时，接收方会迅速发送重复的ACK，告知发送方进行重传。
• 快速恢复：当检测到拥塞时，立即减少窗口大小，然后通过快速重传恢复传输。

7. TCP的流量控制与拥塞控制

• 流量控制：流量控制是为了防止接收方因处理不及时而导致数据丢失。TCP使用 滑动窗口协议 来控制数据传输的速度，确保发送方不会超出接收方的处理能力。
• 拥塞控制：拥塞控制是为了防止发送方发送过多数据，导致网络设备（如路由器、交换机）超负荷运行，出现丢包和延迟。TCP通过 慢启动、拥塞避免、快速重传和快速恢复 等机制实现拥塞控制。

第五章 应用层

1. 应用层的功能

应用层是计算机网络中最接近用户的层，负责提供各种网络应用服务。它直接与用户的需求和操作交互，处理具体的应用协议、数据格式和用户输入输出。

应用层的主要功能包括：

• 应用协议的实现：定义了网络应用的规则和格式，如HTTP、FTP、DNS等。
• 数据传输的控制与管理：通过传输层提供的服务，管理数据的传输。
• 会话管理：处理网络中不同应用之间的通信会话，包括连接的建立、管理和关闭。
• 提供用户界面：例如，Web浏览器、电子邮件客户端等应用程序的界面交互。

2. 应用层协议

应用层协议是应用程序间通信的规则和约定，定义了通信的结构、语法和语义。常见的应用层协议包括：

• HTTP（超文本传输协议）：

  • HTTP 是Web浏览器与Web服务器之间进行通信的基础协议，采用请求/响应模型。
  • 无状态协议：每个请求都是独立的，服务器不会保存客户端的状态信息。
  • HTTP方法：常见的方法有 GET（获取资源）、POST（提交数据）、PUT（更新数据）、DELETE（删除数据）等。
  • HTTP/1.0与HTTP/1.1：HTTP/1.1引入了持久连接（Keep-Alive）和管道化（Pipelining）等技术，显著提高了传输效率。

• FTP（文件传输协议）：

  • FTP 是用于在网络上进行文件传输的协议，支持从客户端向服务器上传和从服务器向客户端下载文件。
  • 控制连接与数据连接：FTP使用两个连接，一个用于发送控制信息（如命令和响应），另一个用于传输文件数据。
  • 被动模式与主动模式：在主动模式下，客户端在特定端口上等待服务器的连接；而在被动模式下，服务器在特定端口上等待客户端的连接。

• DNS（域名系统）：

  • DNS 是互联网中用于将域名转换为IP地址的系统，允许用户通过易于记忆的域名（如www.example.com）访问网站。
  • 域名解析过程：客户端向本地DNS服务器发送查询请求，DNS服务器逐级查询直到找到目标IP地址。
  • DNS的层次结构：DNS采用树形结构，分为根域、顶级域、二级域等。

• SMTP（简单邮件传输协议）：

  • SMTP 是电子邮件的传输协议，负责将邮件从发送方的邮件服务器传输到接收方的邮件服务器。
  • 客户端与服务器通信：邮件客户端使用SMTP协议将邮件发送到邮件服务器，邮件服务器之间通过SMTP协议进行邮件转发。
  • 邮件的路由：邮件会经过多个SMTP服务器进行转发，直到到达目标邮件服务器。

3. Web浏览器与Web服务器

• Web浏览器（如Chrome、Firefox、Safari）通过HTTP协议与Web服务器通信，浏览器发送请求并接收响应，展示页面内容。
• Web服务器（如Apache、Nginx）处理来自浏览器的请求，返回HTML页面、图像或其他资源。

4. URL（统一资源定位符）

• URL 是Web资源的地址，它包括协议（如HTTP或HTTPS）、域名、路径和可选的查询字符串。
• 例如，https://www.example.com/index.html?search=network，其中：
  • https 是协议，
  • www.example.com 是域名，
  • /index.html 是资源路径，
  • ?search=network 是查询字符串。

5. POP3与IMAP

• POP3（邮局协议第3版）：POP3允许邮件客户端从邮件服务器下载邮件。下载后，邮件会从服务器删除（除非手动配置保留副本）。
• IMAP（互联网邮件访问协议）：IMAP允许邮件客户端和服务器保持同步。邮件客户端可以在服务器上查看和管理邮件，邮件不会从服务器删除，适用于多个设备访问同一邮箱。

6. HTTP请求与响应报文

• HTTP请求报文：由请求行、请求头、空行和请求体组成。

  • 请求行：包括请求方法（如GET、POST）、请求目标（如路径）和HTTP版本（如HTTP/1.1）。
  • 请求头：包括用户代理、接受类型、内容类型等。
  • 请求体：可选，包含发送到服务器的数据（如表单数据）。

• HTTP响应报文：由响应行、响应头、空行和响应体组成。

  • 响应行：包括HTTP版本、状态码（如200、404）和状态信息（如OK、Not Found）。
  • 响应头：包括内容类型、内容长度、缓存控制等。
  • 响应体：可选，包含返回给客户端的实际数据（如HTML文件、图像等）。

7. Web缓存

• 缓存是Web浏览器和Web服务器用来存储已请求资源的机制。通过缓存，浏览器可以减少对服务器的请求，提升访问速度。
• 缓存控制：通过HTTP头部中的 Cache-Control 和 Expires 字段，控制资源的缓存策略。

8. SSL/TLS

• SSL（安全套接层）和TLS（传输层安全性）是用于加密HTTP通信的协议，通常称为HTTPS。
• SSL/TLS提供了数据加密、数据完整性和身份验证的功能，保护用户与Web服务器之间的通信不被窃取或篡改。

9. 网络应用的安全性

• 网络应用面临各种安全威胁，包括 中间人攻击、拒绝服务攻击、SQL注入、跨站脚本攻击（XSS）等。
• 网络应用开发者需要采取措施，如使用HTTPS加密、验证用户输入、防火墙、防病毒等手段，确保应用的安全性。

第六章 网络安全

1. 网络安全概述

网络安全是指保护计算机网络中的数据、硬件和软件免受未经授权的访问、攻击、损坏或篡改的过程。网络安全的目标是确保数据的机密性、完整性、可用性和身份验证。

网络安全的基本概念包括：

• 机密性（Confidentiality）：确保信息不被未经授权的人员访问。
• 完整性（Integrity）：确保数据在传输或存储过程中不被篡改。
• 可用性（Availability）：确保授权用户在需要时能够访问和使用数据。
• 身份认证（Authentication）：确保通信双方的身份得到验证。
• 不可否认性（Non-repudiation）：确保发送方无法否认已发送的消息。

2. 常见的网络攻击

网络攻击是指恶意行为者利用网络漏洞、攻击技术或社会工程学手段，试图破坏或窃取数据。常见的网络攻击类型包括：

• 拒绝服务攻击（DoS）：

  • DoS攻击通过向目标服务器发送大量的请求，消耗其资源，导致服务器无法正常响应合法请求。
  • 分布式拒绝服务攻击（DDoS）：攻击者使用大量的受感染计算机（如僵尸网络）同时向目标发起攻击，增加了攻击的难度和危害。

• 中间人攻击（Man-in-the-Middle, MITM）：

  • 在MITM攻击中，攻击者通过截取、修改通信双方的数据，冒充其中一方进行通信。
  • 这种攻击可以窃取敏感信息，如密码、信用卡信息等。

• 钓鱼攻击（Phishing）：

  • 攻击者伪装成合法机构（如银行、社交媒体等），诱骗用户提供个人敏感信息。
  • 常见的钓鱼手段包括伪造的电子邮件和虚假的网站。

• SQL注入（SQL Injection）：

  • 攻击者通过将恶意SQL代码插入到输入字段中，利用漏洞访问数据库、窃取或修改数据。

• 跨站脚本攻击（XSS）：

  • 攻击者将恶意脚本插入到网页中，当用户浏览网页时，脚本执行并窃取用户信息或进行其他恶意操作。

• 恶意软件（Malware）：

  • 病毒、蠕虫、特洛伊木马等恶意程序会感染计算机，窃取数据、破坏文件或使计算机变得不可用。

3. 网络安全防护技术

为了保护网络免受攻击，需要采取一系列的安全防护技术，常见的技术包括：

• 防火墙（Firewall）：

  • 防火墙是一种安全设备，能够监控和控制进出网络的流量，基于预设的安全规则对流量进行过滤。
  • 防火墙可以是硬件设备，也可以是软件程序。
  • 防火墙的工作原理包括 包过滤、代理服务和 状态检测等。

• 入侵检测与防御系统（IDS/IPS）：

  • IDS（入侵检测系统）用于检测网络中是否存在非法或恶意行为。
  • IPS（入侵防御系统）除了检测外，还能够对攻击行为进行实时防御。
  • IDS/IPS系统通过监控网络流量、分析数据包的内容、识别攻击模式来检测和防御网络攻击。

• 虚拟专用网络（VPN）：

  • VPN通过在公共网络（如互联网）上建立一个加密的隧道，保护数据的安全性。
  • VPN允许用户通过不安全的网络连接到公司的内网，确保数据在传输过程中的机密性。

• 数据加密：

  • 加密是将数据转化为不可读的格式，只有具有密钥的合法用户才能解密并恢复数据。
  • 常见的加密算法有 对称加密（如AES）、非对称加密（如RSA）和 哈希加密（如MD5、SHA）。

• 数字签名与公钥基础设施（PKI）：

  • 数字签名：通过使用公钥加密技术，确保消息的完整性和发送者的身份。
  • PKI：公钥基础设施是一种管理公钥和数字证书的体系结构，用于实现安全的电子通信和认证。

4. 安全协议

在计算机网络中，安全协议用于确保数据的机密性、完整性、身份验证和不可否认性。常见的安全协议包括：

• SSL/TLS：

  • SSL（安全套接层）和 TLS（传输层安全性）协议用于加密Web通信，确保HTTP数据传输的安全，通常用于 HTTPS。
  • SSL/TLS协议提供了加密、身份验证和数据完整性保护，防止中间人攻击和数据窃听。

• IPSec：

  • IPSec（互联网协议安全性）是用于加密和认证IP通信的协议套件，广泛应用于VPN技术中。
  • IPSec提供端到端加密，保护数据的机密性和完整性，防止恶意修改和篡改。

• SSH：

  • SSH（安全外壳协议）用于通过加密的通道远程访问计算机，替代了不安全的Telnet协议。
  • SSH提供了强大的身份验证机制和加密技术，确保远程通信的安全性。

• S/MIME：

  • S/MIME（安全多用途互联网邮件扩展）用于电子邮件的加密和签名，确保邮件的机密性和完整性。

• Kerberos：

  • Kerberos 是一种网络身份认证协议，采用对称加密技术来验证用户身份。它常用于客户端和服务器之间的认证过程，避免了密码传输过程中的泄漏风险。

5. 安全策略与管理

网络安全不仅仅是技术问题，还包括管理和策略方面的内容。良好的安全策略可以帮助组织减少网络安全漏洞，并提高防护能力。

• 访问控制：通过用户认证和权限管理，确保只有授权用户能够访问网络资源。
• 安全审计与监控：定期检查和监控网络系统，发现并修补潜在的安全漏洞。
• 灾备与恢复：制定灾难恢复计划和数据备份策略，确保在遭遇攻击或故障时能够迅速恢复服务。

6. 常见的网络安全攻击案例

学习网络安全的同时，了解一些经典的攻击案例也非常重要。以下是一些著名的网络安全事件：

• MyDoom蠕虫：2004年爆发的蠕虫病毒，通过电子邮件传播，感染了大量计算机，并发起了全球性的拒绝服务攻击。
• Heartbleed漏洞：2014年爆出的OpenSSL漏洞，使得使用该库的Web服务器泄露了加密通信中的敏感数据。
• WannaCry勒索病毒：2017年爆发的勒索病毒，利用Windows系统的漏洞传播，造成全球范围内的大规模感染和数据加密。