簡單來說計算機網絡學習的是數據如何通過網絡正確、可靠地從 A 傳送到 B

一、計算機網絡的概念

什么是計算機網絡？計算機網絡（Computer networking）是一個將眾多 分散的、自治的 計算機系統，通過 通信設備與線路 連接起來，由功能完善的 軟件 實現 資源共享 和 信息傳遞 的系統。下圖中的手機、電腦都是分散的，自治的意思是其中一個設備壞了，但是不會影響其他的設備正常運行，通信設備如下圖所示的路由器、5G 基站等，連接的方式很多，可能是通過 WIFI、5G 這種無線的線路進行連接，也可能通過網線這種有線的線路連接，軟件就是百度網盤、微信。

計算機網絡（computer networking）： 計算機網絡（簡稱網絡）：由若干 結點（node） 和連接這些結點的 鏈路（link） 組成。結點可以是計算機、集線器、交換機、路由器等，鏈路可以是有線鏈路、無線鏈路。

每臺電腦只有一個網線插口，如果多臺電腦要聯機怎么辦？集線器(Hub)： 可以把多個結點連接起來，組成一個計算機網絡，普通民用領域已很少用集線器，集線器工作在物理層，將在后續進行深入學習。----集線器可能會卡，數據沖突

交換機(Switch)： 可以把多個結點連接起來，組成一個計算機網絡，家庭、公司、學校通常用交換機組建內部網絡，"交換機" 工作在數據鏈路層，也是在后續詳細進行學習。

計算機網絡通常使用云朵表示，路由器(router)： 可以把兩個或多個計算機網絡互相連接起來，形成規模更大的計算機網絡，也可稱為 "互連網"，路由器工作在網絡層。

例子：某銀行的內部網絡（互連網）

計算機網絡課程中的 "路由器" 和 "家用路由器" 有一些區別，家用路由器=路由器+交換機+其他功能

互聯網（或因特網，Internet）：

如何理解 TCP/IP協議，類似于秦始皇統一六國后：車同軌，書同文（大秦文字）----- 通信協議，統一度量衡：

知識點小結：

二、計算機網絡的組成和功能

2.1 計算機網絡的組成

① 從組成部分看 分為三個部分：硬件、軟件、協議。硬件：

1. 主機，即端系統(end system) ----- 如：電腦、手機、物聯網設備
2. 通信設備 ----- 如：集線器、交換機、路由器
3. 通信鏈路 ----- 如：網線、光纖、同軸電纜

軟件： 方便用戶使用，實現資源共享。如：Email 客戶端、聊天軟件、網盤軟件。協議： 規定計算機網絡中的通信規則，由硬件、軟件共同實現，如：網絡適配器+軟件(固件----特殊的軟件----廠家安裝在了網絡適配器 ROM 芯片上的東東) 實現網絡通信協議。主機內部安裝 網絡適配器（網卡） 和協議結合將主機數據發到網絡上或者接收來自網絡的數據。

網絡適配器拓展：

② 從工作方式看 分為兩個部分邊緣部分與核心部分，邊緣部分工作方式，直接為用戶服務（通信、資源共享），主要由連接到互聯網上的主機及其軟件組成。核心部分工作方式為邊緣部分提供服務（連通性、交換服務），由大量網絡和連接這些網絡的路由器組成。

③ 從邏輯功能看 分為兩類，資源子網與通信子網。資源子網為計算機網絡中運行應用程序，向用戶提供可共享的硬件、軟件和信息資源的部分，主要由連接到互聯網上的主機組成。通信子網為計算機網絡中負責計算機間信息傳輸的部分，即把計算機和其他用戶裝置互連在一起的所有通信設備和介質的總稱，主要由 通信鏈路+通信設備+協議 構成，ps：主機內部實現信息傳輸的網絡適配器、底層協議屬于通信子網的范疇。

2.2 計算機網絡的功能

計算機網絡的功能主要是分為以下幾種：

1. 數據通信： 實現計算機之間數據傳輸。是最基本、最重要的功能。沒有這個功能后面的都無法實現
2. 資源共享： 硬件資源共享，如：智能音箱 請求服務器處理等，軟件資源共享，如：應用商店等，數據資源共享，如：分享視頻等
   
3. 分布式處理： 將某個復雜任務分配給網絡中多臺計算機處理-----如：大矩陣運算、MapReduce
   
4. 提高可靠性： 網絡中各臺計算機互為替代機 ---- 如：某網盤服務器集群網絡，數據冗余備份
   
5. 負載均衡： 網絡中各臺計算機共同分擔繁重工作 ----- 如：某游戲用多臺服務器均衡處理玩家請求
   
6. 其他： 滿足社會需求、生活需求 ----- 如：遠程辦公、遠程教育、娛樂等

三、電路交換、報文交換、分組交換

人類歷史上的通信網絡：

計算機網絡發展初期面臨的問題：

接下來詳細講解計算機網絡中的三種交換方式：電路交換（Circuit Switching）、報文交換（Message Switching）、分組交換（Packet Switching），它們是實現網絡通信的三種基本方式，各有優缺點，下面是逐一對比講解。

3.1 電路交換（Circuit Switching）

電路交換（Circuit Switching）：通過物理線路的連接，動態地分配傳輸線路資源。代表系統：電話系統（傳統固定電話）


早期的電話交換機：

工作方式： ① 建立連接： 通信前先建立一條端到端的物理路徑。② 傳輸數據： 建立完成后，整條路徑被獨占，數據按順序傳輸。③ 釋放連接： 通信結束后，釋放整條路徑資源。看個圖示：

如果計算機網絡采用 "電路交換" 技術？

"電路交換" 的優缺點：

1. 電路交換的優點：通信前從主叫端到被叫端建立一條專用的物理通路，在通信的全部時間內，兩個用戶始終占用端到端的線路資源。數據直送，傳輸速率高（電路交換更適用于：低頻次、大量地傳輸數據）
2. 電路交換的缺點：
   • 建立/釋放連接，需要額外的時間開銷（計算機之間數據往往是 "突發式" 傳輸，即往往會高頻次、少量地傳輸數據）
   • 線路被通信雙方獨占，利用率低
   • 線路分配的靈活性差
   • 交換節點不支持 "差錯控制"（無法發現傳輸過程中的發生的數據錯誤）

想一想：打電話，等電話2分鐘，講話5秒(體驗差)。打電話，等電話2分鐘，講話1小時(體驗好)。

3.2 報文交換（Message Switching）

工作方式： 整個報文（消息）作為一個整體傳送。中間節點 "存儲轉發"： 整個報文先完整接收，然后再轉發到下一個節點。沒有固定路徑，可以動態選擇路由。代表系統：早期的電報網絡

如果計算機網絡采用 "報文交換" 技術？

報文交換的優點：

1. 通信前無需建立連接
2. 數據以 "報文" 為單位被交換節點間 "存儲轉發"，通信線路可以靈活分配
3. 在通信時間內，兩個用戶無需獨占一整條物理線路。相比于電路交換，線路利用率高
4. 交換節點支持 "差錯控制"（通過校驗技術）

報文交換的缺點：

1. 報文不定長，不方便存儲轉發管理
2. 長報文的存儲轉發時間開銷大、緩存開銷大
3. 長報文容易出錯，重傳代價高

3.3 分組交換（Packet Switching）

工作方式： 報文被分割成多個小包（稱為分組或數據包），每個分組獨立發送，可以走不同路徑，接收端再按序組裝還原原始報文。代表系統：互聯網（Internet）

現代計算機網絡采用 "分組交換" 技術：

分組交換的優點：

1. 通信前無需建立連接
2. 數據以 "報文" 為單位被交換節點間 "存儲轉發"，通信線路可以靈活分配
3. 在通信時間內，兩個用戶無需獨占一整條物理線路。相比于電路交換，線路利用率高
4. 交換節點支持 "差錯控制"（通過校驗技術）

相比于報文交換，分組交換改進了如下問題：

1. 分組定長，方便存儲轉發管理
2. 分組的存儲轉發時間開銷小、緩存開銷小
3. 分組不易出錯，重傳代價低

分組交換的缺點：

1. 相比于報文交換，控制信息占比增加
2. 相比于電路交換，依然存在存儲轉發時延
3. 報文被拆分為多個分組，傳輸過程中可能出現失序、丟失等問題，增加處理的復雜度

3.4 虛電路交換（Virtual Circuit Switching）

"虛電路交換" 技術（基于分組交換）：虛電路交換（Virtual Circuit Switching）是一種分組交換方式，在通信前會先 "建立一條邏輯上的路徑"，然后所有的分組按這個路徑依次傳輸。特點：

1. 每個分組都走同一路由
2. 需要建立連接（虛電路）
3. 分組按序送達，中間節點維護 "狀態表"，常用于 ATM（異步傳輸模式）、X.25、幀中繼等網絡技術。
   

從多個角度對比，來看現代網絡為什么選了數據報分組交換（也就是現在的 IP 網絡）：

對比維度	虛電路交換	數據報分組交換（IP）	說明
連接建立	需要	不需要	節省連接時間
路由靈活性	固定路徑	可動態變化	數據報適應性更強，適合大型互聯網
中間設備	需維護連接狀態	無連接狀態	簡化路由器設計，增強可擴展性
故障恢復	不靈活	靈活	某一鏈路故障時，數據報可自動繞過
網絡拓展性	差	強	數據報結構更適合全球范圍發展
協議復雜度	高	相對簡單	簡潔的 IP 層設計符合“盡力而為”理念

思想層面的原因（互聯網設計哲學）："The network should be dumb, and the endpoints should be smart." 這是互聯網架構的一個核心思想：網絡層做得越 "傻"，擴展性和魯棒性越好。虛電路：中間設備需 "維護狀態"，網絡復雜；數據報：中間設備 "無狀態"，轉發簡單，端到端可靠性交給 TCP；正因為如此，IP 協議選擇了 "無連接、不可靠" 的數據報服務，而不是復雜的虛電路機制。總結一句話： 虛電路交換雖然能提供有序、穩定的傳輸，但代價是中間節點必須維護連接狀態，擴展性差、靈活性低，不適合全球范圍、海量終端接入的互聯網環境；相反，數據報分組交換結構簡單、靈活、易于故障恢復，是構建現代互聯網的最優選擇。

3.4 性能分析

電路交換性能分析：

報文交換性能分析：

分組交換性能分析：

三種交換方式的性能對比（自己去加一下秒）：

三種主要交換方式小結：

四、計算機網絡的分類

按分布范圍分類：

網絡類型	英文縮寫	覆蓋范圍	舉例
個人區域網	PAN（Personal Area Network）	幾十米以內，家庭/個人使用，通常是通過無線技術將個人設備連接起來的網絡，因此也常稱為無線個域網（WPAN）	藍牙耳機連接手機
局域網	LAN（Local Area Network）	幾十米~幾千米，一棟樓或一個房間，通信技術：以太網技術	學校/企業/工作單位/家庭/公司內部網絡
城域網	MAN（Metropolitan Area Network）	幾千米~幾十千米，一個或幾個相鄰城市，通信技術：常采用 "以太網技術"，因此常并入局域網范疇探討	城市寬帶、城域骨干網
廣域網	WAN（Wide Area Network）	幾十~幾千公里，跨省/跨國/跨洲即國家或全球范圍	互聯網、電信運營商骨干網

ps： 如今的局域網幾乎都是采用 "以太網技術" 實現，因此 "以太網" 幾乎成了 "局域網" 的代名詞。舉例：廣域網（WAN）、局域網（LAN）：

例子：個域網（PAN）

按傳輸技術分類：

分類方式	類型	說明	示例
按傳輸方式	廣播式網絡（Broadcast Network）	所有主機共享同一條通信信道，數據廣播發送，每個主機都能接收到，目的主機通過地址識別自己。可以理解為@某人的群消息，在群里的大家都能看到，但是只有被@的那個人才能接收到消息	傳統以太網、Wi-Fi（所有無線網絡都是廣播式）
	點對點網絡（Point-to-Point Network）	網絡中各設備之間 通過專用連接通信，數據只發給目標主機。一對一私信	ATM、幀中繼、互聯網

按拓撲結構分類（網絡中設備的連接方式）：

拓撲結構	圖示概念	優缺點
總線型	所有節點連接在一根主干線上，數據 "廣播式" 傳輸；存在 "總線爭用" 問題，典型代表：集線器連接的設備(物理上:星型，邏輯上: 總線型)	構造簡單，但容易沖突
星型	所有節點連接到中心節點（如交換機），由中央設備實現數據的 "點對點" 傳輸；不存在 "總線爭用" 問題，典型代表：以太網交換機連接的設備	常用于局域網，可靠性高
環型	節點首尾相連形成一個環，數據 "廣播式" 傳輸；通過 "令牌" 解決總線爭用問題，令牌順環形依次傳遞，拿到令牌者可使用總線，典型代表：令牌環網（流行于2000年以前的局域網技術）	故障一個點會影響整體
網狀型	每個節點可連接多個節點，數據通過各中間節點逐一存儲轉發；屬于 "點對點" 傳輸，典型代表：由眾多路由器構建的廣域網	冗余高、穩定性強，但成本高

總線型結構圖示：

星型結構圖示：

環型結構圖示：

網狀型結構圖示：

小故事：局域網技術的發展

按使用者分類：

類別	特點
公用網(公共網絡)	給錢就行------向公眾開放的網絡。如：辦寬帶、交手機話費即可使用的互聯網
專用網(私有網絡)	給錢也不行------僅供某個組織內部使用的網絡。如：政府、軍隊、電力、銀行的內部網絡

按傳輸介質分類：

類別	特點	舉例
有線網絡	傳輸穩定、帶寬大、干擾小	網線（以太網）、光纖
無線網絡	靈活、移動性強	Wi-Fi、藍牙、4G/5G、衛星通信

這玩意，只能說：

小結：

本文為個人學習記錄與復習整理之用，旨在幫助自己系統鞏固計算機網絡相關知識，同時也希望能為正在學習該領域的同學提供一些參考與幫助。部分內容參考了公開課資料、他人學習筆記或網絡公開資源，其中部分圖片或示意圖來自網絡，僅用于非商業性質的學習交流。如有侵權或不當引用之處，敬請聯系我刪除或更正。

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