計算機網(wǎng)絡(luò)是現(xiàn)代信息社會的基石，它將分散在不同地理位置的計算機系統(tǒng)通過通信設(shè)備和線路連接起來，實現(xiàn)資源共享和信息交換。本筆記旨在對計算機網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行一個宏觀的總覽，為后續(xù)深入學(xué)習(xí)奠定基礎(chǔ)。
一、計算機網(wǎng)絡(luò)的定義與功能
計算機網(wǎng)絡(luò)是指將多臺具有獨立功能的計算機及其外部設(shè)備，通過通信線路和通信設(shè)備連接起來，在網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)管理軟件及網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議的管理和協(xié)調(diào)下，實現(xiàn)資源共享和信息傳遞的計算機系統(tǒng)。其主要功能包括：
- 數(shù)據(jù)通信：這是計算機網(wǎng)絡(luò)最基本的功能，實現(xiàn)計算機之間快速、可靠的信息傳輸。
- 資源共享：包括硬件資源（如打印機、大容量存儲設(shè)備）、軟件資源和數(shù)據(jù)資源的共享，避免了重復(fù)投資，提高了資源利用率。
- 分布式處理與負(fù)載均衡：將大型任務(wù)分解，交由網(wǎng)絡(luò)中的多臺計算機并行處理，提高系統(tǒng)的處理能力和可靠性。
- 提高系統(tǒng)可靠性與可用性：網(wǎng)絡(luò)中一臺計算機的故障通常不會導(dǎo)致整個系統(tǒng)癱瘓，重要的資源可以通過網(wǎng)絡(luò)在其他設(shè)備上獲得備份。
二、計算機網(wǎng)絡(luò)的分類
計算機網(wǎng)絡(luò)的分類方式多樣，常見的分類標(biāo)準(zhǔn)包括：
- 按覆蓋范圍（地理范圍）劃分：
- 個人區(qū)域網(wǎng) (PAN)：范圍最小，如藍(lán)牙連接。
- 局域網(wǎng) (LAN)：覆蓋范圍有限，如一個辦公室、一棟樓或一個園區(qū)。特點是傳輸速率高、誤碼率低、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)規(guī)整。
- 城域網(wǎng) (MAN)：覆蓋一個城市。
- 廣域網(wǎng) (WAN)：覆蓋范圍廣闊，如一個國家或全球。互聯(lián)網(wǎng)是最大的廣域網(wǎng)。
- 按傳輸技術(shù)劃分：
- 廣播式網(wǎng)絡(luò)：所有聯(lián)網(wǎng)計算機共享一個公共通信信道，一臺計算機發(fā)送信息，網(wǎng)絡(luò)中的所有計算機都能接收到。
- 點對點網(wǎng)絡(luò)：使用一對一的連接，數(shù)據(jù)從源節(jié)點經(jīng)過一系列中間節(jié)點的存儲轉(zhuǎn)發(fā)，最終到達(dá)目的節(jié)點。
- 按拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)劃分：描述網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點（計算機、交換機、路由器等）和鏈路（連接線路）的幾何排列形式。常見的有總線型、星型、環(huán)型、樹型和網(wǎng)狀型。
- 按使用者劃分：
- 公用網(wǎng)：面向公眾提供服務(wù)的網(wǎng)絡(luò)，如電信運營商的網(wǎng)絡(luò)。
- 專用網(wǎng)：某個部門或組織為自身業(yè)務(wù)需要而建造的網(wǎng)絡(luò)，如政府、軍隊、銀行的內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)。
三、計算機網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)：分層的藝術(shù)
為了降低網(wǎng)絡(luò)設(shè)計的復(fù)雜性，計算機網(wǎng)絡(luò)普遍采用分層結(jié)構(gòu)。每一層都建立在下一層之上，并為上一層提供服務(wù)，同時屏蔽實現(xiàn)細(xì)節(jié)。這種思想的核心是“協(xié)議”和“服務(wù)”。
- 協(xié)議：為進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)交換而建立的規(guī)則、標(biāo)準(zhǔn)或約定。它規(guī)定了通信實體之間所交換消息的格式、意義、順序以及針對收到信息或發(fā)生事件所采取的動作。協(xié)議的三要素是：語法（數(shù)據(jù)格式）、語義（控制信息含義）和時序（事件順序）。
- 服務(wù)：下層為緊鄰的上層提供的功能調(diào)用。服務(wù)通過“服務(wù)訪問點”提供。
國際上廣泛接受的標(biāo)準(zhǔn)化模型是 OSI（開放系統(tǒng)互連）參考模型（七層模型）和 TCP/IP參考模型（四層模型）。實際應(yīng)用中，常采用一種折中的 五層體系結(jié)構(gòu)，自下而上依次為：
- 物理層：傳輸原始比特流，定義機械、電氣、功能和規(guī)程特性。
- 數(shù)據(jù)鏈路層：在相鄰節(jié)點間提供可靠的數(shù)據(jù)幀傳輸，處理差錯控制、流量控制等問題。
- 網(wǎng)絡(luò)層：負(fù)責(zé)為分組交換網(wǎng)上的不同主機提供通信服務(wù)，實現(xiàn)路由選擇、擁塞控制和網(wǎng)際互聯(lián)。核心協(xié)議是IP。
- 運輸層：為兩臺主機中進(jìn)程之間的通信提供通用的數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)，主要協(xié)議有TCP（可靠的、面向連接的）和UDP（不可靠的、無連接的）。
- 應(yīng)用層：為用戶的應(yīng)用進(jìn)程提供網(wǎng)絡(luò)服務(wù)接口，包含大量協(xié)議，如HTTP、FTP、SMTP、DNS等。
四、關(guān)鍵性能指標(biāo)
- 速率 (比特率)：單位時間內(nèi)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量，基本單位是比特/秒(bps)。常說的帶寬在數(shù)值上通常指最高速率。
- 時延：數(shù)據(jù)從網(wǎng)絡(luò)的一端傳送到另一端所需的時間。總時延 = 發(fā)送時延 + 傳播時延 + 處理時延 + 排隊時延。
- 吞吐量：單位時間內(nèi)通過某個網(wǎng)絡(luò)的實際數(shù)據(jù)量。
- 往返時間RTT：從發(fā)送方發(fā)送數(shù)據(jù)開始，到發(fā)送方收到來自接收方的確認(rèn)所經(jīng)歷的時間。
- 利用率：包括信道利用率和網(wǎng)絡(luò)利用率。根據(jù)排隊論，網(wǎng)絡(luò)利用率并非越高越好，高利用率會導(dǎo)致時延急劇增加。
計算機網(wǎng)絡(luò)是一個復(fù)雜而精妙的系統(tǒng)。理解其總覽性的定義、功能、分類、體系結(jié)構(gòu)和性能指標(biāo)，是后續(xù)深入學(xué)習(xí)各層協(xié)議細(xì)節(jié)、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備原理以及互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的必備前提。在接下來的筆記中，我們將逐層剖析這個迷人的世界。
