【计算机网络】ep0计算机网络概述本系列旨在对计算机网络的知识进行一个详细的梳理。文章力求在教材严谨性与技术博客可读性之间取得平衡适合计算机相关专业学生、程序员以及希望系统理解网络原理的读者阅读。本章节的内容是对计算机网络的基本概念、发展脉络与核心思想进行系统性梳理。1.1 计算机网络在信息时代中的作用如果说工业时代的核心是能源那么信息时代的核心毫无疑问是信息的获取、传输与处理。计算机网络正是支撑这一切的基础设施。从本质上看计算机网络解决的是三个问题信息共享突破单机计算的孤立状态资源共享硬件、软件与数据的复用协同工作跨地域、跨系统的实时协作在没有网络之前计算机的价值更多体现在“计算能力”而在网络出现之后计算机的价值被放大为“节点能力”。一台计算机不再重要重要的是它连接到了谁以及如何连接。在现实世界中计算机网络已经深度嵌入社会运行的各个层面经济活动电子商务、在线支付、数字金融社会治理政务网络、公共安全系统科学研究分布式计算、大规模数据共享个人生活即时通信、流媒体、云服务可以说没有计算机网络就不存在今天意义上的“信息社会”。1.2 互联网概述互联网Internet并不是某一个具体的网络而是由无数个网络互连而成的网络之网络。从技术角度看互联网具有两个最核心的特征采用统一的协议族TCP/IP采用分组交换技术进行数据传输这两点决定了互联网的开放性、扩展性和生命力。分组交换的革命意义传统的电路交换如电话网络强调“先建立连接再通信”而互联网采用的分组交换则完全不同数据被拆分为一个个分组每个分组可以独立选择传输路径网络不需要为通信双方预留专用通道这种设计极大提高了网络资源的利用率也使互联网具备了抗毁性与弹性——即使部分节点或链路失效通信仍可能继续完成。互联网不是“一个中心”需要特别强调的是互联网没有一个全局控制中心。它是一个高度分布式、自组织的系统这也是为什么互联网能够在全球范围内持续扩张却依然保持稳定运行。1.3 互联网的组成从组成角度看互联网可以抽象为以下三大部分1. 边缘部分Edge这是用户真正“接触”互联网的地方包括个人电脑、手机服务器物联网终端边缘部分的主要功能是运行网络应用Web、邮件、视频等产生和消费数据2. 核心部分Core互联网的核心由大量高速路由器和通信链路组成其任务非常单一却极其关键高速、可靠地转发分组核心网络并不关心数据“是什么”只关心“往哪儿送、怎么送得更快”。3. 接入网Access Network接入网负责将边缘设备接入互联网核心常见形式包括以太网Wi-Fi光纤接入FTTH移动通信网络4G/5G不同接入方式在带宽、时延、稳定性和成本上各不相同。1.4 计算机网络在我国的发展我国计算机网络的发展具有鲜明的时代特征。起步阶段20世纪80年代末至90年代初以科研和高校网络为主代表性网络包括 CSTNET、CERNet快速发展阶段1994年我国正式接入国际互联网商业互联网迅速发展电信运营商主导基础设施建设普及与深化阶段进入21世纪后我国网络建设呈现出三个显著特点用户规模巨大全球最大的互联网用户群体基础设施完善光纤、移动网络覆盖广泛应用创新活跃移动支付、短视频、云计算当前我国在 5G、数据中心、工业互联网等领域已处于国际前列。1.5 计算机网络的类别按照不同标准计算机网络可以进行多维度分类。按覆盖范围分类PAN个人区域网蓝牙、可穿戴设备LAN局域网家庭、校园、企业内部MAN城域网城市级网络WAN广域网跨省、跨国网络互联网本身属于 WAN 的典型代表。按使用者分类公用网由运营商提供向公众开放专用网为特定组织服务如政务网、军网按交换方式分类电路交换网络报文交换网络分组交换网络主流1.6 计算机网络的性能指标网络性能是衡量网络“好不好用”的关键指标。1. 速率与带宽速率单位时间内传输的比特数bps指的是数据的传送速率。带宽网络中某通道传送数据的能力。注意带宽在信号学与计算机网络中的含义并不一样记住不要搞混。带宽并不等于实际速率它只是上限。2. 时延时延由四部分组成发送时延主机或路由器发送数据帧所需要的时间即发送出去需要的时间传播时延电磁波在信道中传播一定的距离需要花费的时间即发送过程中需要的时间处理时延排队时延在实时应用语音、视频中时延往往比带宽更重要。3. 吞吐量吞吐量反映的是端到端的实际传输能力它受到网络中最薄弱环节的限制。4. 丢包率丢包通常由网络拥塞引起是网络质量恶化的重要信号。1.7 计算机网络的体系结构为了降低网络系统的复杂性人们采用分层思想来设计网络。分层的核心思想每一层只关注自己的功能对上提供服务对下使用服务层与层之间接口清晰OSI 七层模型从下到上依次为物理层数据链路层网络层运输层会话层表示层应用层OSI 模型更偏向理论教学。TCP/IP 四层模型实际互联网采用的是 TCP/IP 体系网络接口层网际层IP运输层TCP/UDP应用层它以工程实践为导向是现实网络的真正基础。学术模型我们在学习计算机网络时使用的模型是如下的五层模型物理层数据链路层网络层运输层应用层1.8 重温为什么要学习计算机网络在很多初学者眼中计算机网络“抽象、枯燥、难以调试”。但一旦真正理解其设计哲学就会发现它极具美感。计算机网络教会我们的不仅是协议细节更是一种系统性思维如何在不可靠的环境中构建可靠系统如何在规模不断扩张时保持稳定如何用简单规则支撑复杂世界在云计算、分布式系统、微服务盛行的今天不懂网络本质上是在黑箱中编程。重温计算机网络是每一位技术人员走向成熟的必经之路。