计算机网络导读
本文记录计算机网络 1 2 的学习笔记。实验平台为学院自建服务 3，读者可前往头歌 4 复现实验。
如果有基本的计算机基础知识，那么结合下图可以初步理解计算机网络的工作方式：
笔者本科上的计算机网络课程是以五层模型展开的，该模型是国际标准化组织 (International Organization for Standardization, ISO) 提出的一个开放系统互联 (Open System Interconnection Model, OSI) 标准模型。一图胜千言 5：
从上图可以看出，为了让主机之间进行通信，计算机网络需要做很多事情，可以类比函数式编程的思想快速理解计算机网络的通信过程。其中的协议就类似于函数的定义，其中的接口就类似于函数的声明，不同层次之间进行数据交互时要按照接口（函数声明）定义的输入输出格式进行，同一个层次中进行工作时要按照指定的协议（函数定义）工作。
让 AI 给我们一个关于计算机网络的感性认知
Prompt：
假设现在有两台主机进行网络通信，请依据“物理层、数据链路层、网络层、传输层、应用层”五层模型，软硬件结合式地讲讲数据的流动路径。
GPT-4o：
我们以下面这个经典例子为出发点说明整个数据流动路径：A 主机使用浏览器访问 B 主机上的网站（例如 http://b.com/index.html）
一、应用层（Application Layer）【软件】
-
A 主机的浏览器（HTTP 客户端）向 B 主机的 Web 服务器发出请求：
-
这段 纯文本 HTTP 数据 将交由下层处理。
二、传输层（Transport Layer）【软件】
- 浏览器将 HTTP 数据打包进 TCP 段（segment）中：
- 加入源端口（如 49152）、目标端口（如 80）
- 设置序列号、校验和等字段
- 传输层负责 端到端可靠传输（如重传、乱序重排等）
三、网络层（Network Layer）【软硬件结合】
- 操作系统查找目标 IP（
b.com→ 解析为 IP 地址） - 封装成 IP 包（packet）：
- 包括源 IP（如 192.168.1.2）、目标 IP（如 203.0.113.5）
- 指定协议号（TCP/UDP）
四、数据链路层（Data Link Layer）【硬件主导，软件参与】
- IP 包交给 网卡驱动，准备以 帧（frame） 发送：
- 加上源 MAC 地址（A 主机网卡）、目标 MAC 地址（如默认网关）
- 封装成 Ethernet 帧
- 查找 ARP 缓存 或通过 ARP 协议查询目的 MAC（若跨子网则目标是网关）
五、物理层（Physical Layer）【纯硬件】
- 帧通过网卡发出，转为 电信号/光信号，经由网线、光纤或无线媒介传输
中间设备处理：
- 交换机（工作在数据链路层）：根据 MAC 地址将帧转发到正确端口；
- 路由器（工作在网络层）：读取 IP 包头，决定下一跳；重新封装帧，即修改数据链路层的 MAC 地址。
到达 B 主机后的逆过程：
一、物理层
- 接收信号，网卡还原成比特流
二、数据链路层
- 识别帧，校验无误后提取 IP 包
三、网络层
- 检查目标 IP 是否为自己，若是则继续向上传递
四、传输层
- 根据端口号（如 80）交给 Web 服务进程
- 重排 TCP 段、校验是否完整
五、应用层
- Web 服务读取 HTTP 请求，生成响应，返回给 A 主机
- 整个过程对称地走一遍五层模型
考试说明
成绩组成：作业 10%，期中 20%，实验（平台、报告、考试）30%，期末 40%。
计算、简答、应用、综合，每道大题五小题。注意还会考实验中的一部分通用命令。
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谢希仁. 计算机网络 (第8版). 北京: 电子工业出版社, 2020. ↩