网络技术与网络编程模块

网络技术与网络编程是计算机科学中至关重要的领域，涵盖从底层协议到高层应用开发的广泛内容。以下是关键点与扩展知识：

1. 网络分层模型

- OSI七层模型：物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层、应用层。每层职责明确，例如网络层负责路由（如IP协议），传输层保证可靠性（如TCP）。

- TCP/IP四层模型：更实际的分层，包括网络接口层、网际层（IP）、传输层（TCP/UDP）、应用层（HTTP/FTP）。现代互联网主要基于此模型。

2. 核心协议与技术

- IP协议：无连接协议，负责寻址和路由。IPv6解决地址耗尽问题，支持128位地址。

- TCP与UDP：

- TCP：面向连接，通过三次握手建立连接，提供流量控制和拥塞控制（如滑动窗口、慢启动）。

- UDP：无连接，低延迟，适用于实时应用（视频会议、DNS查询）。

- HTTP/HTTPS：HTTP/2引入多路复用，HTTPS通过TLS加密（如ECDHE密钥交换）。

3. 网络编程基础

- Socket编程：

- 流式Socket（TCP）：`socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0)`，需调用`listen()`和`accept()`。

- 数据报Socket（UDP）：`socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0)`，直接通过`sendto()`/`recvfrom()`通信。

- I/O模型：

- 阻塞I/O：线程等待数据到达，易引发性能瓶颈。

- 非阻塞I/O与多路复用：`select`/`poll`/`epoll`（Linux）或`kqueue`（BSD）实现高并发。

- 异步I/O：如Windows的IOCP，通过回调机制通知完成事件。

4. 网络安全与优化

- TLS/SSL：RSA或ECC证书验证，支持前向保密（PFS）。

- 防火墙与NAT：防火墙通过ACL规则过滤流量，NAT实现私有IP与公网IP转换。

- CDN与负载均衡：DNS轮询、L4（IP层）或L7（应用层，如Nginx）负载均衡，提升可用性。

5. 现代网络技术趋势

- QUIC协议：基于UDP的传输协议，解决TCP队头阻塞，HTTP/3的底层支持。

- 5G与边缘计算：低延迟网络推动物联网（IoT）和实时AI推理。

- SDN与NFV：软件定义网络（OpenFlow）和网络功能虚拟化（VNF）提升灵活性。

6. 开发工具与框架

- Wireshark：抓包分析TCP重传、DNS查询等。

- Scapy：Python库，灵活构造网络数据包。

- ZeroMQ/Netty：高性能异步网络库，支持Pub-Sub模式（ZeroMQ）或事件驱动（Netty）。

7. 调试与性能优化

- 延迟分析：使用`ping`（ICMP）、`traceroute`检测路径延迟，`tcpdump`抓取异常包。

- 拥塞控制算法：BBR（Google）替代传统Cubic，适应高丢包环境。

网络技术的深度与广度要求开发者不仅掌握编程接口，还需理解协议栈原理、硬件交互及安全机制。随着云原生和边缘计算的普及，分布式网络编程（如gRPC、WebSocket）将成为关键技能。