计算机网络概述

现代通信基础

现代通信基础设施体系可以划分为三大基础网络形态

• 电信网络：语音通信为核心，电话、电报及传真等实时通信服务--->电路交换技术
• 有线电视网络：单向广播式音视频内容分发--->同轴电缆/光纤传输
• 计算机网络：端到端的数据文件传输--->分组交换技术

融合发展：传统网络边界已发生实质性突破

网络

网络(Network)的物理构成：由若干节点(Node)和链接这些节点的链路(Link)组成

• Node：计算机（笔记本，服务器等）、网络互联设备（集线器，路由器等）、具有网络功能的设备（联网摄像头，打印机等等）
• Link：有线/无线

互联网

互联网(internet)的物理构成：网络和网络之间通过路由器互连，形成的更大网络
网络就是把计算机连在一起，互联网就是把网络通过路由器连在一起

因特网

因特网(Internet)的物理构成：当今世界上最大的互联网，也是普通的计算机用户每天接触最多的网络。采用TCP/IP协议族作为通信规则。具有三重特性：

• 全球最大的分布式系统
• 协议栈最完整的参考实现
• 持续严谨的技术生态

分布式系统：由多个独立计算机节点通过网络互联组成的软件系统。这些计算机通过消息传递协同工作，以实现共同的计算目标或提供统一服务。这些节点协同工作，对外表现为一个统一的整体，用户无需感知底层节点的分布性

ps:实际上我们平时并没有严格区分互联网和因特网。平时所说的互联网其实就是指的因特网

计算机网络的标准定义

物理构成角度

物理构成视角：Internet（互联网）的硬件与软件架构体系
互联网作为覆盖全球的互联网络系统，其本质是数十亿异构计算设备、是基于标准化协议（TCP/IP）构建的全球性互联网络系统，这一体系的技术特征与终端构成还在不断发展

终端设备的代际演进：

• 1990年代：桌面PC、UNIX工作站、专用Web服务器
• 2000年代：无线路由器、企业级防火墙
• 2010年代：智能手机（iPhone）、平板电脑（iPad）
• 2020年代：物联网设备（IoT）、边缘计算节点

非传统终端设备：
1.家庭物联网设备：智能家电、安防系统、可穿戴设备
2.工业物联网应用：智能制造、智慧城市
3.车联网发展：消费级、商用级

从"计算机"到"端系统"：由于时代的发展，计算机网络已经无法再准确描述当下的互联网环境，所以我们进行了一系列术语上的规范和更新

功能服务角度

功能服务抽象视角：Internet（互联网）作为分布式应用的基础设施
当前Internet（互联网）的应用范围早已远超其设计初期所设想的几种简单功能（如文件传输、远程登录），各种意想不到的新应用（如共享出行、在线教育、远程医疗、短视频社交）正持续涌现

互联网之所以能够向用户提供如此丰富的服务，根本原因在于它具备两个核心特性：连通性与共享性

• 连通性指的是无论地理位置如何，用户之间都可以通过网络建立连接，实现信息的实时交互。
• 共享性则意味着信息资源可以在全球范围内被多个用户访问与使用，从而实现知识、数据和服务的最大化

有关计算机网络的一个较好的定义

计算机网络主要是由一些通用的、可编程的硬件互连而成的，而这些硬件并非专门用来实现某一特定目的(例如，传送数据或视频信号)。这些可编程的硬件能够用来传送多种不同类型的数据，并能支持广泛的和日益增长的应用

两个含义：

• 计算机网络所连接的硬件，并不限于一般的计算机，还包括智能手机、具有网络功能的传感器以及智能家电等智能硬件。定义中的“可编程的硬件”表明这种硬件一定包含有中央处理单元CPU。
• 计算机网络并非只用来传送数据，而是能够基于数据传送进而实现各种各样的应用，包括今后可能出现的各种应用。

计算机网路的组成

组成部分

硬件，软件，协议三部分组成
硬件：包括主机(端系统)，通信链路，交换设备(路由器等)，通信处理机(网卡等)等。
软件：实现资源共享的软件和方便用户使用的各种工具软件(聊天程序，E-mail程序等)。
协议：计算机网络的核心，规定了网络传输数据时所遵循的规范。

工作方式

核心部分和边缘部分。
边缘部分：所有连接到互联网上供用户直接使用的主机组成。用来进行通信和资源共享。
核心部分：由大量网络和连接这些网络的路由器组成。为边缘部分提供连通性和交换服务。

主机

端系统(主机)是指任何连接到因特网的设备。由于它们位于网络的“边缘”，因此也被称为边缘设备。
端系统是网络通信的发起方或接收方，负责生成、处理并最终消费网络数据。端系统构成了因特网的“起点”和“终点”，是用户直接与网络交互的窗口。
常见的端系统：桌面服务设备，服务器，移动设备，非传统设备等。

端系统

端系统也叫主机（host），因为它们是运行应用程序的设备
根据网络中的角色分工不同，主机分为两类：

• 客户端：通常是普通用户的设备，如个人电脑、手机等。它们发起请求，获取服务或资源
• 服务器：通常是高性能的计算机，专门用于存储和提供资源

客户和服务器的角色是动态的。同一台设备可能在不同场景下扮演不同角色

端系统的连接

端系统是通过通信链路和分组交换机相互连接，形成完整的数据传输网络。

• 通信链路是数据传输的物理或逻辑通道
• 分组交换机则负责将数据按需转发至目标节点

通信链路

通信链路是数据传输的物理或逻辑通道。其传输性能由所采用的物理媒介决定
常见的物理媒介包括：同轴电缆，铜线（双绞线），光纤，无线电频谱等
不同的链路具有不同的数据传输能力。
衡量链路传输能力的核心指标是传输速率，其单位为比特每秒（bits per second, bps 或 bit/s）
Kbps（千比特每秒，如低速物联网设备）、Mbps（兆比特每秒，如家庭宽带、Wi-Fi）、到Gbps（吉比特每秒，如高速光纤、数据中心网络）甚至Tbps（太比特每秒，如骨干网）

分组交换

当源端系统需要向目的端系统发送数据时，它不会一次性发送整个数据块，而是分割成的较小的数据块(称为数据段)来发送

为了确保这些数据段能在网络中正确传输并被目的端系统识别和重组，发送端系统为每个数据段添加包含控制信息（如源地址、目的地址、序列号、错误检测码等）的首部

这些分组被注入网络。网络中的分组交换机（如路由器（Router）和链路层交换机（Switch））根据分组首部中的目的地址信息，通过存储-转发机制，沿着最佳路径将分组逐跳（Hop-by-Hop）传输。

分组最终到达目的端系统。目的端系统依据分组首部中的信息（特别是序列号）将所有属于同一原始数据的分组重新按正确顺序组装起来，恢复成初始数据。

分组交换机是数据传输的核心设备。其基本功能是从通信链路接收分组，并根据目标地址选择一条出通信链路将分组转发至下一跳节点。这一过程实现了数据在复杂网络中的动态路由，是互联网高效运作的基础。

当前主流的分组交换机包含路由器与链路层交换机两大类，二者在功能定位与网络层级上存在显著差异

协议

为了在网络中有条不紊地交换数据，就必须遵循一些事先约定好的规则。这些规则称为网络协议。
网络协议：一套标准化的规则集合，规定了通信实体（如计算机、服务器、路由器）之间如何交换数据

协议的核心价值在于消除歧义并实现协同工作。若通信双方遵循不同的规则，即使技术手段再先进，也无法完成有效交互。协议的统一性是网络通信的基础

协议由三部分组成：

• 语法：定义通信双方所交换信息的格式。
• 语义：定义通信双方所要完成的操作。即需要发出何种控制信息，完成何种动作，做出何种应答。
• 同步：定义通信双方的时序关系，即顺序。
  例如主机访问web服务器：