大学计算机基础系列：网络通信与因特网服务

在信息社会中，计算机网络已经成为与人类生活息息相关的重要基础设施。从最初的科研网络到今天的全球互联网，网络的发展极大地推动了信息交流和社会进步。

一、网络通信的演进

计算机网络的发展大致经历了四个阶段。

1、终端—计算机阶段（1960s 前期）

以单台计算机为中心，经通信线路连接若干终端进行远程信息处理。

典型应用：美国航空订票系统 SABRE。

2、计算机 — 计算机阶段（1960s ~ 1970s）

多台主机通过接口报文处理机（IMP）和通信线路互联，形成通信子网+资源子网。

典型代表：ARPANET，公认的计算机网络起点。

3、网络互联阶段（1970s 末 ~ 1990s）

出现统一的体系结构与标准化协议（如 ISO OSI/RM 七层模型），Internet 在 ARPANET 基础上逐步形成。

4、高速与智能化阶段（1990s 至今）

光纤、移动与卫星通信发展，速率从 Mbps→Gbps→Tbps，支撑多媒体、电子商务、云计算与物联网。

说明：网络传输速率以bps（bits per second，位/秒） 衡量。

1 Kbps = 1000 bps  = 10³ bps
1 Mbps = 1000 Kbps = 10⁶ bps
1 Gbps = 1000 Mbps = 10⁹ bps
1 Tbps = 1000 Gbps = 10¹² bps

二、计算机网络的定义及分类

计算机网络定义：利用通信设备和传输介质，将分布在不同地域的计算机相连，在协议控制下进行信息交换，实现资源共享和相互通信。

1、计算机网络硬件

（1）终端与服务器

终端：PC、智能手机、平板、IoT 物联网设备。

服务器：提供计算/存储/服务能力（如 Web、数据库、应用、对象存储等）。

（2）传输介质

有线介质：双绞线、同轴电缆、光纤。

无线介质：Wi-Fi/蜂窝（4G/5G）、微波、卫星、红外/可见光通信等。

（3）网络设备

网卡（NIC, Network Interface Card）：负责在主机和传输介质之间进行数据收发。

交换机（Switch）：二层转发（MAC），构建局域网。

路由器（Router）：三层转发（IP），跨网互联。

防火墙（Firewall）：用于访问控制和安全防护。

其它：接入点（AP）、负载均衡器、入侵检测/防御系统（IDS/IPS）。

2、计算机网络软件

计算机网络软件负责管理和控制网络运行，并提供多种服务支持。

操作系统网络功能：TCP/IP 协议栈、套接字 API。

网络管理/安全：监控、日志、入侵检测、审计。

应用软件：浏览器、邮件客户端、IM、协作与会议。

4、计算机网络的分类

（1）按覆盖范围

局域网（Local Area Network，LAN）：覆盖范围约几公里左右。

城域网（Metropolitan Area Network，MAN）：覆盖范围一般在 10 km ~ 60 km。

广域网（Wide Area Network，WAN）：一般超过 100 km。Internet 就是全球最大的广域网。

（2）按拓扑结构

总线型、星型、环型、网状、树型。

（3）现代高速网络

光纤通信、5G、卫星互联网（星链）。

三、网络体系结构

要让计算机之间顺利通信，仅有硬件和线路还不够，还需要一套统一的规则和分层框架来约束和指导数据的传输方式。这就是网络体系结构，它是理解网络运行机制的关键。

1、协议

人类交流依靠自然语言和约定俗成的规则，计算机网络通信则依靠严格的“协议”来保证。

协议（protocol）指的是规定数据格式、握手流程、时序与差错处理的一整套规则。通常包含三个要素：语义（Semantics）、语法（Syntax）和时序（Timing sequence）。

2、OSI 七层参考模型

与传统的邮政系统一样，网络通信采用了层次化的体系结构。

国际标准化组织（ISO） 提出了 OSI （开放系统互连，Open Systems Interconnection）七层参考模型。

ISO OSI/RM 是理解网络通信的标准框架。

3、TCP/IP 协议簇

TCP/IP 协议簇由 IETF（因特网工程任务组）制定，简化为 4/5 层，是事实上的工业标准。

在 TCP/IP 协议簇的各种协议中，传输控制协议（TCP）和网际协议（IP）最为著名且重要。

四、网络地址

设备接入网络后，必须有“身份标识”才能被准确找到。网络地址就是这种标识，它不仅决定了设备的位置，还决定了数据包的传输路径。常见的有物理地址、IP 地址和域名等。

1、物理地址（MAC）

网卡的 EUI-48（48 位）标识。常写成 00-1A-2B-3C-4D-5E 或 00:1A:2B:3C:4D:5E。

前 24 位为厂商 OUI 标识，后 24 位为设备编号。

2、IP 地址与子网掩码

（1）IPv4

32 位二进制，常用“点分十进制”表示。比如：

202.197.120.2

（2）IPv6

128 位二进制，常用“冒号分隔的八组十六进制数”形式。比如：

2001:0db8:85a3:0000:0000:8a2e:0370:7334

（3）子网掩码

子网掩码用于区分 IP 地址中的网络号部分和主机号部分。比如：

192.168.1.10 / 255.255.255.0

表示前 24 位为网络号。

详细的 IPv4 分类、CIDR 与同网判断，请参阅配套文章：

3、域名

域名系统（DNS，Domain Name System）是将易记的域名和 IP 地址相互映射的分布式层次系统，能够使人更方便地访问互联网。

例如：

www.hunnu.edu.cn

.cn 是顶级域名，通常表示国家或地区。

.edu 为二级域名，通常表示组织或机构。

.hunnu 为三级域名，通常表示企业或单位，www 则是该域下提供 Web 服务的主机名。

五、互联网应用服务

有了硬件、协议和地址，还需要丰富的服务来满足人类的沟通与协作需求。互联网应用服务正是用户感知网络价值的直接体现，从网页浏览到即时通信，它们构成了现代网络生活的核心。

绝大多数互联网应用服务采用客户端/服务器（C/S，Client/Server）模式，客户端发起请求，服务器应答。

1、网页浏览（WWW）

WWW（World Wide Web）简称为 Web，中文标准名称为“万维网”。

核心协议：

HTTP：HyperText Transfer Protocol，超文本传输协议。

HTTPS：在 HTTP 之上加入 TLS/SSL 加密与身份认证。

网页组成：

HTML（结构）、CSS（样式）、JavaScript（前端交互）。

后端常见脚本/语言：PHP、Python、Node.js、Java、Go 等。

网页访问：

用户通过 URL（Uniform Resource Locator，统一资源定位符） 访问网页资源。

URL 格式：

协议://主机/路径?查询#片段

例如：

https://www.example.com/index.html

2、电子邮件（Email）

电子邮件服务具有快速、经济、简便、不要求通信双方都在线以及支持群发和多媒体等优点。

核心协议：

SMTP：Simple Mail Transfer Protocol，简单邮件传输协议。用于发送邮件。

POP3：Post Office Protocol 3，邮局协议第 3 版，用于接收邮件。

IMAP：Internet Message Access Protocol，互联网消息访问协议，用于接收邮件，可多端同步。

邮件组成：

发件人、收件人、主题、正文、附件。

邮箱格式：

用户名@域名

例如：

xfzang@hotmail.com

3、文件传输

文件传输是网络的重要功能，早期常用 FTP（File Transfer Protocol），但因明文传输安全性不足，如今已逐渐被更现代的方式取代。

当前主流的文件传输主要依赖 HTTPS 下载和云存储服务（如百度网盘、Google Drive、OneDrive 等），在企业和科研中也常使用 SFTP 或对象存储服务，既保证安全又方便管理。

4、即时通信（IM）

IM（Instant Messaging）基于 TCP/UDP 协议，实现低延迟的消息传输，支持文字、语音、视频。

早期代表有 ICQ、MSN，如今有微信、QQ、Slack、Teams 、Discord 等。

5、其他服务

除上述常见服务外，互联网还提供许多基础功能，例如远程登录（Telnet 已过时，现多用加密的 SSH）、时间同步（NTP 确保设备时钟一致）、动态地址分配（DHCP 自动为主机分配 IP 等参数）、文件共享与存储（如 SMB、NFS、云盘），以及流媒体、视频会议和云计算服务等，这些都已成为现代网络应用不可或缺的组成部分。

小结

计算机网络是现代社会的“信息高速公路”。它通过通信设备和协议将分布在不同地域的计算机连接起来，实现信息传输与资源共享。在这一体系中，硬件提供基础，协议规范通信，地址保证定位，应用服务则满足人类多样化的需求。网络不仅确保数据能够顺畅传递，更推动了信息获取、交流协作与社会进步。

“点赞有美意，赞赏是鼓励”