1.1_2 計算機網絡的組成和功能

在這個視頻中，我們會探討計算機網絡的組成和功能。我們會從三個視角去探討計算機網絡由哪些部分組成，其次，我們會簡單的了解計算機網絡的功能。

首先我們可以把計算機網絡看作是由硬件、軟件和協議共同組成的一個龐大復雜的系統。首先在硬件上主要由主機、通信設備和通信鏈路來組成。

比如這是一個計算機網絡，其中包含了很多小的計算機網絡，而這些小的計算機網絡之間由路由器把它們連接起來，左邊這朵云表示家庭網絡，家庭網絡當中可能會連接電腦、手機、電視這些設備，這些設備都屬于主機的范疇。另外在一個公司網絡當中可能會有更多樣的主機連接這個網絡比如一個監控攝像頭、一臺個人電腦以及一臺服務器，這些都屬于主機的范疇。在移動網絡當中，有可能會有手機、智能汽車以及智能機器人等等各類的主機連入這個網絡。這些東西也都屬于主機的范疇，所有的這些主機都屬于硬件，這些主機又稱為端系統，英文叫end system，end指的是結尾、結束的意思，就是說這些東西是連接在網絡的末端，所以主機又可以稱為端系統，這些端系統接入計算機網絡之后，需要通過通信設備以及通信鏈路才可以進行數據的傳輸，典型的通信設備就是路由器，另外，連接網絡的線路，我們把它稱為通信鏈路，主機、通信設備和通信鏈路都屬于硬件的范疇。所以，所謂的硬件，其實就是我們在這個網絡系統當中我們看得見，摸得著的那些東西，除了圖中這些硬件之外，還有可能會有集線器、交換機、調制解調器等等各種各樣的別的硬件，這地方就不再贅述。
這是硬件的部分，在有的硬件之上，我們會安裝一些軟件。比如說電腦、手機上面就會安裝各種各樣的很常使用的網絡軟件。另外像路由器這種設備，它也屬于一臺微型計算機，所以路由器也是可以安裝軟件的，只不過路由器里邊安裝的軟件通常是為了實現網絡通信，相比之下，電腦、手機里邊安裝的軟件就會更豐富一些，比如像聊天軟件，視頻播放器等等，這是軟件的部分。最后，計算機網絡當中的這些節點要實現互聯互通、互相通信，必須規定一些通信協議，并且在這個網絡當中的這些節點需要實現通信協議。這種通信規則、通信協議通常是由軟件和硬件共同實現的，為了讓大家感受的更具體一點，這兒舉一個例子，我們的手機、電腦以及各種各樣的聯網設備，內部其實都會安裝一個小的芯片叫做網絡適配器，民間通常把網絡適配器稱為網卡，這塊芯片的作用就是把主機上面的數據發到網絡上或者接收來自網絡上的數據。

比如，這是一個有線網絡適配器的長相，可以看到這邊是插網線的網口，這個網絡適配器可以接收從網線發來的數據也可以把數據發送到網線上。所以手機、電腦想要上網，離不開網絡適配器這塊芯片，如果大家使用的是Windows電腦，你可以去控制面板，網絡和共享中心的地方，點進去看一下，有個選項叫更改適配器設置。進入這個選項，你就可以看到你電腦上安裝的網絡適配器的信息，比如說這是我電腦上的無線網絡適配器，單擊右鍵選屬性就可以看到網絡適配器的型號，以及它支持哪些協議，我的電腦上安裝的是英特爾的AX201這個型號的網絡適配器，這個網絡適配器可以支持TCP/IP協議的第四個版本。在網絡適配器出廠的時候，廠家通常會在這個適配器里邊安裝一些固件，所謂的固件就是一種特殊的軟件，可以理解為廠家把這個軟件安裝在了這個網絡適配器的一個ROM芯片里邊。這個軟件結合上網絡適配器這個硬件的功能，就可以去實現某一類的網絡協議，比如說TCP/IP協議。所以剛才我們說網絡協議是由硬件和軟件共同實現的，結合網絡適配器以及這個適配器安裝的固件，就可以理解這句話的意思。這是計算機網絡的三個組成部分，分別是硬件、軟件和協議。

接下來換一個角度來探討計算機網絡的組成，從工作方式上看，計算機網絡由邊緣部分和核心部分兩部分組成。還是以剛才的圖為例。

紅色圈是核心部分，綠色圈是邊緣部分，邊緣部分主要由這些主機以及安裝在主機上的軟件組成，邊緣部分直接為用戶，也就是直接為人服務，而核心部分的服務對象是邊緣部分的這些主機設備。
網絡的核心部分為邊緣部分的這些主機提供了聯通性和交換服務。連通性很好理解，顧名思義就是說邊緣部分的這些主機，它們之間是相互連通的，A可以給B發送數據，這是連通性。交換服務是什么意思呢？所謂的交換服務就是說當一個數據包想要從網絡中的A點傳送到B點的時候，計算機網絡的核心部分會為這個數據包自動的選擇一條合適的路徑進行傳送。舉個例子：要從A這臺電腦到B這臺手機發送一個數據包，這個數據包會先通過家庭網絡發送到就近的一個路由器上，接下來可以讓這個數據包通過下面這條路徑傳送給B這個手機，當然也可以從上面這條路徑，逐層傳送給 B這臺手機，那么到底要選擇哪條路徑？具體得看整個網絡的負載，如果下面這臺路由器的負載很高，那么這個數據包就有可能從上面這條路線發送給B這臺手機。所以，所謂的交換服務，就是動態的去選擇數據在網絡當中傳送的路徑，以保證網絡當中的各條線路都不會負載太重。所以交換服務本質上是對網絡內部資源的一個動態配置、動態調整。實現交換服務的核心設備就是路由器，關于交換服務的細節，我們之后還會用一個視頻來進一步探討。這是從計算機網絡的工作方式上看，它由邊緣和核心兩個部分組成。

最后一種分類方式，從邏輯功能上看，計算機網絡由資源子網和通信子網這兩個部分組成。其實這種分類方式和上一種分類方式非常類似。上一種分類方式當中提到的網絡核心部分，它就是屬于通信子網的范疇。通信子網是計算機網絡當中負責計算機之間信息傳輸的部分。所有的通信設備和通信介質都屬于通信子網的范疇，值得一提的是，在主機的內部，網絡適配器這種硬件，以及一些底層的網絡協議，它們的存在也是為了實現計算機之間的這種信息傳輸。

所以主機內部實現網絡通信的這些底層硬件和底層軟件，也屬于通信子網的范疇。除此之外，在主機的內部，還有其他的硬件和軟件，和實現網絡通信無關的那些硬件和軟件就屬于資源子網的范疇，所以資源子網主要就是由連接到互聯網上的這些主機組成，只不過在這些主機的內部底層的一些硬件和一些底層的軟件是專門用于實現信息傳輸的，這些底層硬件和軟件，我們應該把它看作是通信子網的部分，資源子網這個部分向用戶提供了硬件軟件和信息資源的共享，這是計算機網絡的組成，我們從三個維度分別進行了討論。

接下來，我們要了解計算機網絡的功能，分別是數據通信、資源共享、分布式處理、提高可靠性、負載均衡和其他功能。

首先來看數據通信，這是計算機網絡最基本，最重要的功能。如果計算機網絡不支持數據通信，那么后面的任何一種功能都無法實現，所以數據通信是最基本，最重要的。除了數據通信之外，計算機網絡還有資源共享的功能。

我們可以通過計算機網絡去共享硬件資源、軟件資源以及數據資源。分別舉個例子，硬件資源的共享大家可以思考智能音箱，很多同學使用過智能音箱，我們可以用語音去控制智能音箱。這個智能音響在接收到你的語音之后，它并不是在本地進行處理，而是會把你的這個發送的指令傳送給云端的服務器，云端的服務器擁有很強的算力，經過云端服務器的處理得到結果之后，再給智能音響返回結果，全國各地有很多人都在使用智能音響，所有的這些智能音響在接收到自己主人發來的語音指令之后，都是會把這個語音指令傳送給云端的服務器，所以這種超強算力的云端服務器，它就是一種硬件資源。通過計算機網絡的連接，我們實現了所有的這些智能音響終端對于服務器的硬件資源共享。

再來看軟件資源共享，大家體會就更深刻了，我們現在所有的手機都有應用商店，我們可以在里邊下載軟件，這就是軟件資源通過計算機網絡實現了共享。

最后數據資源的共享，這個我們也很熟悉。比如說我拍了一個視頻，視頻是一種數據，我拍的視頻就可以通過計算機網絡和大家共享。

這是計算機網絡的第二個功能資源共享，第三個功能分布式處理。跨考的同學可能不太了解分布式處理，我們來舉個例子。

這是網絡當中的四臺計算機，我們可以把一個復雜的任務通過計算機網絡分派給四臺計算機，讓它們分別處理任務的一部分。舉個例子，我們在大學期間學過線性代數，線性代數當中的矩陣乘法就可以被拆分成多個子任務。比如說有A、B兩個矩陣，分別都是n行、 n列，A、B兩個矩陣相乘得到矩陣C，C矩陣也是 n 行 n 列。那么，要得到C矩陣的第i行第j列這個元素的值，我們需要做的就是把A矩陣的第i行和B矩陣的第j列，每個元素都相乘相加，相乘相加之后就可以得到i行j列元素的值。基于這個特性，我們是不是就可以把一個矩陣的乘法進行拆分？比如說把A這個矩陣的第一行到第五行和B這個矩陣進行相乘的處理。那么這個部分的運算是不是就可以得到C這個矩陣的第一行到第五行所有元素的值？這就是把一個大的任務拆分成了一個小任務，我們可以把這個小任務分派給其中的一臺計算機，也就是說A這臺計算機，它完成了C這個矩陣的第一行到第五行元素的計算，同樣的道理，B這臺計算機我們可以讓它完成C矩陣的第六行到第十行元素的計算，以此類推。總之，一個復雜的任務，如果它的計算量特別大，我們可以利用計算機網絡把這個任務拆分成多個子任務，把這些子任務分派給網絡當中的多臺計算機，這樣的話，我們就可以減少這個復雜任務的處理時間，這就是所謂的分布式處理。這是計算機網絡的第三個功能。

第四個功能提高可靠性。我們可以讓網絡當中的各臺計算機互為替代機，從而提高可靠性。

比如某一個網盤軟件的服務器，它可能是一堆服務器構建的一個網絡，這個網絡是怎么去提高可靠性的呢？我們用戶會把自己的文件上傳到網盤的服務器上。為了提高存儲的可靠性，服務器A可能會向服務器B備份一份這個文件。也就是說，文件會存儲兩份，這樣的好處就是如果服務器A哪一天損壞了，還可以從服務器B這兒給下載回來，所以我們的文件存儲在網盤上，可靠性其實要比存儲在我們自己的電腦上要更高，我們自己的電腦如果硬盤壞了，可能這個文件就真的丟失了。但如果你存儲在網盤上，那么通常你的這個文件數據還會有冗余的備份。這是網絡的第四個功能，可以提高可靠性。

第五個功能負載均衡，我們可以讓網絡當中的多臺計算機共同分擔繁重的任務。

舉個負載均衡的例子，比如說某一個網絡游戲，它有幾百萬的玩家，如果所有的玩家都連在同一臺服務器上，那么這臺服務器的負載就會特別高，光用一臺服務器無法去響應、無法去處理這么多玩家發來的請求。在這種情況下，我們可以多開幾臺游戲服務器，A這臺服務器專門負責玩家的對戰匹配，比如說大家打王者榮耀或者打斗地主的時候，是不是都會有一個玩家匹配的環節？A這臺服務器只負責玩家匹配這樣一個簡單的工作，比如說斗地主這個游戲，有三個玩家完成了這種對戰匹配，那么此時如果服務器C比較空閑，它的負載不高的話，我們可以讓這三個玩家去連接服務器 C，這樣我們就通過計算機網絡實現了這些服務器的負載均衡。這是計算機網絡的第五個功能。最后，計算機網絡還會有其他的一些功能，可以滿足社會需求和生活需求。比如說遠程辦公、遠程教育以及一些娛樂活動，這些例子大家都很熟悉，我們就不用再展開。