[計算機網絡]一．計算機網絡概論第一部分

作者申明：作者所有文章借助了各個渠道的圖片視頻以及資料，在此致謝。作者所有文章不用于盈利，只是用于個人學習。

1.0推薦動畫

【網絡】半小時看懂<計算機網絡>_嗶哩嗶哩_bilibili

1.1計算機網絡在信息時代的作用

在當今信息時代，計算機網絡已經成為社會、經濟、科技和文化發展的重要基石。計算機網絡不僅改變了人們的生活方式和溝通方式，還在各行各業中發揮著至關重要的作用。以下是計算機網絡在信息時代的主要作用：

1.?信息獲取與共享

互聯網信息獲取:
- 計算機網絡，尤其是互聯網，使得人們可以隨時隨地獲取全球范圍內的信息。通過搜索引擎、門戶網站和在線數據庫，人們可以輕松訪問各種信息資源，包括新聞、學術文獻、天氣預報、股票行情等。
信息共享與協作:
- 計算機網絡促進了信息共享和協作。通過電子郵件、即時通訊工具（如微信、Slack）、文件共享平臺（如Google?Drive、Dropbox）等，人們可以方便地共享信息和文件，進行遠程協作。
開放教育資源:
- 在線教育平臺（如Coursera、edX、網易公開課）提供了豐富的開放教育資源，使得人們可以免費或低成本地獲取優質的教育資源，提升個人技能和知識水平。

2.?通信與社交

即時通信:
- 計算機網絡使得即時通信成為可能。通過電子郵件、即時通訊工具（如微信、QQ、WhatsApp）、視頻會議工具（如Zoom、Microsoft?Teams）等，人們可以隨時隨地進行實時溝通和交流。
社交網絡:
- 社交網絡平臺（如Facebook、Twitter、微博、微信）改變了人們的社交方式，使得人們可以方便地與朋友、家人和同事保持聯系，分享生活點滴，參與社交活動。
遠程工作與學習:
- 計算機網絡支持遠程工作和學習，使得人們可以在家中或任何有網絡連接的地方進行工作和學習。特別是在疫情期間，遠程工作和學習成為常態，計算機網絡發揮了重要作用。

3.?電子商務與經濟活動

電子商務:
- 計算機網絡促進了電子商務的發展，使得人們可以在線購物、支付和交易。通過電子商務平臺（如淘寶、京東、Amazon），人們可以方便地購買各種商品和服務。
在線支付與金融服務:
- 計算機網絡支持在線支付和金融服務，使得人們可以在線進行銀行轉賬、支付賬單、投資理財等操作。通過在線支付平臺（如PayPal、支付寶、微信支付），人們可以方便地進行跨境支付和交易。
數字經濟:
- 計算機網絡推動了數字經濟的發展，催生了數字貨幣（如比特幣、以太坊）、區塊鏈技術、共享經濟（如Uber、Airbnb）等新興經濟模式。

4.?技術創新與科學研究

云計算:
- 計算機網絡支持云計算技術的發展，使得企業和個人可以按需獲取計算資源（如計算能力、存儲空間、軟件服務等）。云計算降低了IT成本，提高了資源利用率，促進了技術創新。
大數據與人工智能:
- 計算機網絡促進了數據共享和傳輸，使得大數據技術得以發展。通過對海量數據的分析和挖掘，企業可以獲得有價值的信息和?insights，從而進行精準營銷、風險控制、產品優化等。
科學研究:
- 計算機網絡支持全球范圍內的科學研究合作，使得科學家可以共享數據、工具和資源，進行跨學科、跨地域的合作研究。例如，天文學、生物學、物理學等領域的研究都依賴于大規模的數據傳輸和處理。

5.?文化與娛樂

數字媒體:
- 計算機網絡促進了數字媒體的發展，使得人們可以在線觀看電影、電視劇、綜藝節目、直播等。通過流媒體平臺（如Netflix、YouTube、騰訊視頻），人們可以方便地獲取各種數字媒體內容。
在線游戲:
- 計算機網絡支持在線游戲的發展，使得人們可以在線進行多人游戲、競技游戲、社交游戲等。通過游戲平臺（如Steam、騰訊游戲），人們可以方便地與全球玩家互動和競技。
虛擬現實與增強現實:
- 計算機網絡支持虛擬現實（VR）和增強現實（AR）技術的發展，使得人們可以體驗沉浸式的虛擬環境和增強現實體驗。例如，VR游戲、VR教育、AR導航等應用都依賴于計算機網絡的支持。

6.?社會與公共服務

電子政務:
- 計算機網絡支持電子政務的發展，使得政府可以在線提供各種公共服務（如辦理證件、繳納稅費、申請補貼等）。電子政務提高了政府服務效率，方便了市民辦事。
智慧城市:
- 計算機網絡是智慧城市建設的基礎，支持智能交通、智能安防、智能醫療、智能環保等應用。例如，智能交通系統可以通過計算機網絡實時監控和管理交通流量，提高交通效率和安全性。
醫療健康:
- 計算機網絡支持遠程醫療和健康監測，使得人們可以在線進行醫療咨詢、預約掛號、遠程診斷等。通過醫療健康平臺（如平安好醫生、春雨醫生），人們可以方便地獲取醫療服務。

7.?安全與隱私保護

網絡安全:
- 計算機網絡支持網絡安全技術的發展，使得企業和個人可以保護自己的網絡系統和數據安全。例如，防火墻、入侵檢測系統（IDS）、加密技術等都是計算機網絡的重要組成部分。
隱私保護:
- 計算機網絡支持隱私保護技術的發展，使得人們可以更好地保護自己的個人信息和隱私。例如，匿名化技術、數據脫敏技術、隱私保護協議等都是計算機網絡的重要應用。

總結

計算機網絡在信息時代的作用是全方位的，涵蓋了信息獲取與共享、通信與社交、電子商務與經濟活動、技術創新與科學研究、文化與娛樂、社會與公共服務以及安全與隱私保護等多個方面。計算機網絡不僅改變了人們的生活方式和工作方式，還在推動社會進步和經濟發展中發揮著至關重要的作用。

隨著技術的不斷發展，計算機網絡的作用將會更加重要，未來我們將看到更多創新的應用和更廣泛的影響。希望這個總結能夠幫助您更好地理解計算機網絡在信息時代的作用。

1.2互聯網發展的三個階段

1）第一階段：從單個網絡的ARPANET向互聯網發展的過程

所有的鏈接在ARPANET上的主機都直接與就近的節點交換機相連。

2）第二階段：三級結構的互聯網

是一個三級計算機網絡：主干網，地區網，校園網（企業網）。

3）第三階段：全球范圍的多層次的ISP結構的互聯網

在互聯網發展的第三階段，全球互聯網架構逐漸演變為一個多層次、多樣化的ISP（互聯網服務提供商）結構。這種結構不僅連接了全球范圍內的用戶和設備，還通過不同層次的ISP實現了網絡的高效管理和擴展。這一階段的互聯網架構旨在滿足全球用戶日益增長的帶寬需求、提供更可靠的服務，并支持復雜的網絡應用。

ISP(Internet Service Provider)

提供互聯網服務的人或公司或部門（eg:中國移動，中國電信，中國聯通）

三層ISP結構的互聯網的概念示意圖

你上傳的圖片展示了一個具有三層ISP結構的互聯網示意圖，描述了不同網絡節點之間的連接關系。以下是對圖片內容的簡明介紹：

1.?網絡層級結構

內容提供者:
- 例如：Google、Netflix、Facebook等大型互聯網公司。
- 連接:?直接連接到主干ISP，通過主干ISP將內容分發給全球用戶。
主干ISP（Tier 1 ISP）:
- 全球互聯網的核心骨干網絡，擁有跨洲際的海底光纜和光纖網絡。
- 連接:?連接多個地區ISP，并通過IXP（互聯網交換點）與不同網絡進行數據交換。
地區ISP（Tier 2 ISP）:
- 覆蓋一個國家或地區，提供區域性的網絡連接。
- 連接:
  - 上層連接到主干ISP。
  - 下層連接到本地ISP。
本地ISP（Tier 3 ISP）:
- 提供“最后一公里”接入服務，覆蓋城市或特定區域。
- 連接:
  - 上層連接到地區ISP。
  - 下層直接連接到用戶，包括大公司、校園網、公司A、主機B等。

2.?數據流動路徑

圖片中提供了一個具體的數據傳輸路徑示例：
- 主機A?->?本地ISP?->?地區ISP?->?主干ISP?->?地區ISP?->?本地ISP?->?主機B
- 這意味著數據從主機A出發，經過本地ISP、地區ISP、主干ISP，再反向經過地區ISP和本地ISP，最終到達主機B。

3.?關鍵節點解釋（node include IXP , University , company and so on.）

IXP（互聯網交換點）:
- 不同網絡之間進行數據交換的物理位置。
- 在圖片中，IXP連接了地區ISP，促進了不同網絡之間的數據交換。
大公司、校園網、公司A、主機B:
- 這些都是本地ISP的直接用戶或網絡節點。
- 校園網和公司網絡通過本地ISP接入互聯網。

4.?總結與作用

多層次結構:?圖片展示了互聯網的多層次ISP結構，從內容提供者到主干ISP，再到地區ISP和本地ISP，最終連接到用戶。
數據流動:?數據通過不同層級的ISP進行傳輸，最終到達目標用戶。
網絡互聯:?IXP作為不同網絡之間的連接點，促進了數據的高效交換。

5.?引導問題（如果你想進一步探討）

你對這種三層ISP結構的優缺點有什么看法？
你認為這種結構在面對全球互聯網流量增長時會有哪些挑戰？
你對IXP的作用和重要性有什么了解？

以Bilibili為例講解三層ISP結構的互聯網

以Bilibili為例講解三層ISP結構的互聯網

我們可以更具體地以Bilibili為例，來理解三層ISP結構的互聯網是如何運作的。Bilibili作為一個大型視頻分享平臺，其內容分發和數據傳輸過程很好地展示了互聯網的多層次ISP結構。

1. Bilibili的角色

內容提供者（Content Provider）:
- Bilibili是一個視頻分享平臺，擁有大量用戶上傳的視頻內容和自制的原創內容。
- Bilibili需要將這些視頻內容分發給全球用戶，尤其是中國用戶。

2. 數據流動路徑

當一個用戶（例如，一個使用中國電信寬帶的用戶）想要觀看Bilibili的視頻時，數據流動路徑如下：

Bilibili的數據中心:

- Bilibili將視頻內容存儲在位于主干ISP網絡中的數據中心。
- 為了提高視頻加載速度和用戶體驗，Bilibili通常會使用CDN（內容分發網絡）技術，將內容緩存到靠近用戶的網絡節點。

主干ISP（Tier 1 ISP）:

- Bilibili的數據中心連接到中國電信的主干網絡。
- 中國電信作為主干ISP，擁有覆蓋全國的光纖網絡，并與全球其他主干ISP互聯互通。

地區ISP（Tier 2 ISP）:

- 數據從中國電信的主干網絡流向用戶所在地區的地區ISP（例如，上海市的中國電信地區網絡）。
- 地區ISP負責將數據從主干網絡傳輸到本地網絡。

本地ISP（Tier 3 ISP）:

- 數據從地區ISP流向用戶所在城市的本地ISP（例如，用戶所在小區的寬帶接入點）。
- 本地ISP直接連接到用戶設備。

用戶設備:

- 最終，數據通過本地ISP到達用戶的設備，用戶可以觀看Bilibili的視頻。

3. 具體案例分析

3.1 Bilibili的內容分發

CDN技術:
- Bilibili使用CDN技術，將視頻內容緩存到靠近用戶的網絡節點（例如，地區ISP的服務器）。
- 例如，當用戶在上海觀看Bilibili的視頻時，視頻內容可能已經緩存在上海地區的CDN節點上，用戶可以直接從本地獲取數據，減少數據傳輸延遲。
主干ISP連接:
- Bilibili需要與主干ISP（如中國電信、中國聯通）建立高速連接，以確保視頻內容能夠快速、穩定地分發到全國用戶。
- Bilibili的數據中心通過主干ISP的網絡，將內容傳輸到各個地區的CDN節點。

3.2 中國電信的網絡架構

主干網絡:
- 中國電信的主干網絡連接了全國各省、市，并通過海底光纜與全球其他主干ISP互聯互通。
- Bilibili的數據中心通過中國電信的主干網絡，將視頻內容傳輸到全國各地。
地區網絡:
- 在各省，中國電信設有地區網絡，負責將數據從主干網絡傳輸到本地網絡。
- 例如，上海市的中國電信地區網絡會將Bilibili的視頻內容傳輸到上海市的各個本地ISP。
本地接入:
- 中國電信在各個城市和地區提供寬帶接入服務，用戶通過本地ISP連接到中國電信的地區網絡，最終連接到主干網絡。
- 例如，用戶所在小區的寬帶接入點連接到上海市的中國電信地區網絡。

4. IXP的作用

**互聯網交換點（IXP）**是不同網絡之間進行數據交換的物理位置。
在中國，Bilibili和中國電信可以通過IXP進行數據交換。
例如，Bilibili的數據中心可以通過IXP與中國聯通、中國移動等不同ISP進行數據交換，實現跨網絡的數據傳輸。

5. 案例總結

Bilibili作為內容提供者，通過主干ISP（如中國電信）將視頻內容分發給全國用戶。
中國電信作為主干ISP和地區ISP，提供了從主干網絡到本地網絡的完整網絡架構，確保用戶能夠快速、穩定地訪問Bilibili的內容。
CDN技術和IXP作為關鍵的技術和設施，進一步優化了數據分發和傳輸效率。

6. 實際應用中的挑戰

帶寬需求:?隨著Bilibili用戶數量的增加和視頻質量的提升，對帶寬的需求越來越高。中國電信需要不斷擴展和維護其網絡基礎設施，以滿足不斷增長的帶寬需求。
網絡擁堵:?在高峰時段，用戶訪問量激增，可能會導致網絡擁堵。中國電信需要通過流量工程和負載均衡技術，優化網絡性能，確保用戶能夠獲得流暢的觀看體驗。
網絡安全:?Bilibili和中國電信都需要加強網絡安全防護，防止DDoS攻擊、數據泄露等安全事件。

1.3互聯網的組成

1）邊緣部分

由所有鏈接在互聯網上的主機組成，這部分是用戶直接使用的，用來進行通信（傳送數據，音頻或視頻）和資源共享。（包括個人電腦、智能手機、平板電腦、物聯網設備（如智能家居設備））

主要功能

用戶直接使用:?邊緣部分的設備是用戶直接操作和使用的終端設備，用戶通過這些設備訪問互聯網。
通信:?用戶可以通過邊緣設備進行各種通信活動，例如：
- 發送和接收電子郵件
- 進行視頻通話（如通過Zoom、Skype）
- 觀看在線視頻（如通過Bilibili、YouTube）
- 社交媒體互動（如通過微信、微博）
資源共享:?邊緣設備可以訪問和共享互聯網上的各種資源，例如：
- 瀏覽網頁
- 下載文件
- 訪問云存儲服務（如Google?Drive、Dropbox）
- 使用在線應用程序（如Google?Docs、Office?365）

2）核心部分

由大量的網絡和連接這些網絡的路由器組成。這部分是為邊緣部分提供服務的。（提供連通性和交換）

?主要功能

提供連通性:?核心部分的核心功能是將不同的網絡連接起來，確保數據能夠在全球范圍內的網絡中傳輸。
數據交換:?核心部分通過路由器和其他網絡設備進行數據包的轉發和交換。
- 當你訪問一個網站或使用一個在線服務時，數據包會從你的設備（邊緣部分）發送到核心部分，再通過核心部分傳輸到目標服務器（可能是另一個邊緣設備）。
路由選擇:?核心部分使用路由協議（如BGP，邊界網關協議）來決定數據包的傳輸路徑。路由器會根據網絡拓撲結構和路由表選擇最優的路徑來傳輸數據。

1.4CS模式（用戶-服務器模式）

1. 基本概念

客戶（Client）:
- 客戶是服務請求方，它主動向服務器發起請求。
- 客戶程序運行在用戶的設備上，比如你的手機、電腦等。
- 客戶程序需要知道服務器的地址才能發起請求。
服務器（Server）:
- 服務器是服務提供方，它被動地等待客戶請求并提供服務。
- 服務器程序通常運行在強大的硬件設備上，并使用高級操作系統。
- 服務器不需要知道客戶的地址，因為它只負責響應請求。

2. 工作流程

1.客戶發起請求:

- 客戶程序運行后，主動向服務器發起服務請求。例如，你打開瀏覽器訪問Bilibili網站，你的瀏覽器（客戶程序）會向Bilibili的服務器發送請求。

2.服務器響應請求:

- 服務器接收到請求后，進行處理并返回結果。例如，Bilibili的服務器接收到你的請求后，會返回視頻數據給你的瀏覽器。

3.數據傳輸:

- 客戶和服務器之間的數據傳輸需要通過網絡核心部分提供的服務，比如路由器、交換機等網絡設備。

3. 主要特點

客戶程序的特點：

主動發起通信:?客戶程序主動向服務器請求服務。
輕量級:?客戶程序不需要復雜的硬件或操作系統，通常運行在用戶設備上。
需要知道服務器地址:?客戶程序必須知道服務器的地址才能發起請求。

服務器程序的特點：

被動等待請求:?服務器程序一直運行，等待來自客戶的請求。
處理多個請求:?服務器可以同時處理多個客戶的請求。
需要強大硬件支持:?服務器程序通常運行在強大的硬件設備上，并使用高級操作系統。
不需要知道客戶地址:?服務器只負責響應請求，不需要知道客戶的地址。

4. 應用場景

Web服務:?瀏覽器（客戶）向Web服務器請求網頁，服務器返回網頁數據。
文件下載/上傳:?客戶程序向文件服務器請求下載或上傳文件。
郵件服務:?郵件客戶端（客戶）向郵件服務器發送或接收郵件。
數據庫訪問:?應用程序（客戶）向數據庫服務器請求數據。

5. 總結

客戶-服務器模式是互聯網中一種常見的通信模式，客戶主動請求服務，服務器被動響應請求。
客戶和服務器通過網絡核心部分提供的服務進行通信。
這種模式廣泛應用于Web服務、文件傳輸、郵件服務、數據庫訪問等場景。

1.5對等連接

如果C 向D請求服務的時候，C是客戶，D是服務器。它們之間是對等的。D向C請求的時候，D是客戶，C是服務器。

1. 基本概念

對等連接（P2P）:
- P2P是一種分布式網絡架構，每個節點（計算機）在網絡中都是平等的。
- 每個節點既可以作為客戶端（請求服務），也可以作為服務器（提供服務）。
- 節點之間可以直接通信，不需要依賴中央服務器。

2. 工作方式

節點平等:
- 在P2P網絡中，每個節點都運行相同的軟件，既可以請求資源，也可以提供資源。
- 例如，在文件共享網絡中，每個用戶既是下載者（客戶端），也是上傳者（服務器）。
直接通信:
- 節點之間可以直接建立連接，進行數據傳輸，不需要通過中央服務器中轉。
- 例如，計算機E可以直接與計算機F通信，計算機C可以直接與計算機D通信。
去中心化:
- P2P網絡是去中心化的，沒有單一的中央服務器控制整個網絡。
- 網絡的可靠性和穩定性由所有節點共同維護。

3. 主要特點

資源利用率高:
- 每個節點都可以貢獻自己的資源（如帶寬、存儲空間），提高了整體網絡的資源利用率。
高彈性:
- P2P網絡具有很高的彈性，單個節點的故障不會影響整個網絡的運行。
- 節點可以隨時加入或離開網絡，網絡會自動調整。
可擴展性強:
- P2P網絡可以很容易地擴展，隨著更多節點的加入，網絡容量和性能都會提高。

4. 應用場景

文件共享:
- 早期的P2P應用主要用于文件共享，如BitTorrent、eMule等，用戶可以互相下載和上傳文件。
分布式計算:
- P2P網絡可以用于分布式計算，將計算任務分配給網絡中的多個節點共同完成。
即時通訊:
- 一些即時通訊軟件（如Skype）也使用P2P技術來提高通信效率和可靠性。
區塊鏈:
- 區塊鏈技術本質上也是一種P2P網絡，所有節點共同維護一個分布式賬本。

5. P2P網絡的優勢

去中心化:?沒有單點故障，網絡更穩定可靠。
高資源利用率:?每個節點都可以貢獻資源，提高了整體效率。
可擴展性強:?節點可以隨時加入或離開，網絡可以動態調整。
成本低:?不需要昂貴的中央服務器，降低了運營成本。

6. 總結

對等連接（P2P）是一種分布式網絡架構，每個節點既是客戶端也是服務器，節點之間可以直接通信。
P2P網絡具有去中心化、高資源利用率、高彈性和可擴展性強等特點。
P2P技術廣泛應用于文件共享、分布式計算、即時通訊和區塊鏈等領域。

1.6互聯網的核心部分（路由器）

互聯網的核心部分起到特殊作用是路由器（router），它是一種專用的計算機（但是不是主機）。路由器是實現分組交換（packet switching）的關鍵構建。

1）網段

路由器的每個端口指定的區域叫做網段。

1.7電路交換

1）步驟

建立連接->通話->釋放連接

2）交換（switching）

交換就是按照某種方式動態地分配傳輸路線的資源。在使用電路交換之前，必須先撥號請求建立聯系。

3）以打電話為舉例

在使用電路交換打電話的之前，必須先撥號請求建立連接。當被叫用戶聽到交換機送來的振鈴聲并摘機后，從主機端到被叫端之間就建立了一條連接，也就是一條專用的物理通路。這條連接就保證了雙方的通話時需要的通信資源，而這些資源在雙方通信時不會被其他用戶占用。此后雙方才可以進行通話。在通話的時間內，通話的兩個用戶始終占用端到端的通信資源。