計算機網(wǎng)絡(luò)是現(xiàn)代信息社會的基石,它將分散在不同地理位置的計算機系統(tǒng)通過通信設(shè)備和線路連接起來,實現(xiàn)資源共享和信息交換。本筆記旨在對計算機網(wǎng)絡(luò)進行一個宏觀的總覽,為后續(xù)深入學(xué)習(xí)奠定基礎(chǔ)。
一、計算機網(wǎng)絡(luò)的定義與功能
計算機網(wǎng)絡(luò)是指將多臺具有獨立功能的計算機及其外部設(shè)備,通過通信線路和通信設(shè)備連接起來,在網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)管理軟件及網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議的管理和協(xié)調(diào)下,實現(xiàn)資源共享和信息傳遞的計算機系統(tǒng)。其主要功能包括:
- 數(shù)據(jù)通信:這是計算機網(wǎng)絡(luò)最基本的功能,實現(xiàn)計算機之間快速、可靠的信息傳輸。
- 資源共享:包括硬件資源(如打印機、大容量存儲設(shè)備)、軟件資源和數(shù)據(jù)資源的共享,避免了重復(fù)投資,提高了資源利用率。
- 分布式處理與負載均衡:將大型任務(wù)分解,交由網(wǎng)絡(luò)中的多臺計算機并行處理,提高系統(tǒng)的處理能力和可靠性。
- 提高系統(tǒng)可靠性與可用性:網(wǎng)絡(luò)中一臺計算機的故障通常不會導(dǎo)致整個系統(tǒng)癱瘓,重要的資源可以通過網(wǎng)絡(luò)在其他設(shè)備上獲得備份。
二、計算機網(wǎng)絡(luò)的分類
計算機網(wǎng)絡(luò)的分類方式多樣,常見的分類標準包括:
- 按覆蓋范圍(地理范圍)劃分:
- 個人區(qū)域網(wǎng) (PAN):范圍最小,如藍牙連接。
- 局域網(wǎng) (LAN):覆蓋范圍有限,如一個辦公室、一棟樓或一個園區(qū)。特點是傳輸速率高、誤碼率低、拓撲結(jié)構(gòu)規(guī)整。
- 城域網(wǎng) (MAN):覆蓋一個城市。
- 廣域網(wǎng) (WAN):覆蓋范圍廣闊,如一個國家或全球。互聯(lián)網(wǎng)是最大的廣域網(wǎng)。
- 按傳輸技術(shù)劃分:
- 廣播式網(wǎng)絡(luò):所有聯(lián)網(wǎng)計算機共享一個公共通信信道,一臺計算機發(fā)送信息,網(wǎng)絡(luò)中的所有計算機都能接收到。
- 點對點網(wǎng)絡(luò):使用一對一的連接,數(shù)據(jù)從源節(jié)點經(jīng)過一系列中間節(jié)點的存儲轉(zhuǎn)發(fā),最終到達目的節(jié)點。
- 按拓撲結(jié)構(gòu)劃分:描述網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(計算機、交換機、路由器等)和鏈路(連接線路)的幾何排列形式。常見的有總線型、星型、環(huán)型、樹型和網(wǎng)狀型。
- 按使用者劃分:
- 公用網(wǎng):面向公眾提供服務(wù)的網(wǎng)絡(luò),如電信運營商的網(wǎng)絡(luò)。
- 專用網(wǎng):某個部門或組織為自身業(yè)務(wù)需要而建造的網(wǎng)絡(luò),如政府、軍隊、銀行的內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)。
三、計算機網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu):分層的藝術(shù)
為了降低網(wǎng)絡(luò)設(shè)計的復(fù)雜性,計算機網(wǎng)絡(luò)普遍采用分層結(jié)構(gòu)。每一層都建立在下一層之上,并為上一層提供服務(wù),同時屏蔽實現(xiàn)細節(jié)。這種思想的核心是“協(xié)議”和“服務(wù)”。
- 協(xié)議:為進行網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)交換而建立的規(guī)則、標準或約定。它規(guī)定了通信實體之間所交換消息的格式、意義、順序以及針對收到信息或發(fā)生事件所采取的動作。協(xié)議的三要素是:語法(數(shù)據(jù)格式)、語義(控制信息含義)和時序(事件順序)。
- 服務(wù):下層為緊鄰的上層提供的功能調(diào)用。服務(wù)通過“服務(wù)訪問點”提供。
國際上廣泛接受的標準化模型是 OSI(開放系統(tǒng)互連)參考模型(七層模型)和 TCP/IP參考模型(四層模型)。實際應(yīng)用中,常采用一種折中的 五層體系結(jié)構(gòu),自下而上依次為:
- 物理層:傳輸原始比特流,定義機械、電氣、功能和規(guī)程特性。
- 數(shù)據(jù)鏈路層:在相鄰節(jié)點間提供可靠的數(shù)據(jù)幀傳輸,處理差錯控制、流量控制等問題。
- 網(wǎng)絡(luò)層:負責(zé)為分組交換網(wǎng)上的不同主機提供通信服務(wù),實現(xiàn)路由選擇、擁塞控制和網(wǎng)際互聯(lián)。核心協(xié)議是IP。
- 運輸層:為兩臺主機中進程之間的通信提供通用的數(shù)據(jù)傳輸服務(wù),主要協(xié)議有TCP(可靠的、面向連接的)和UDP(不可靠的、無連接的)。
- 應(yīng)用層:為用戶的應(yīng)用進程提供網(wǎng)絡(luò)服務(wù)接口,包含大量協(xié)議,如HTTP、FTP、SMTP、DNS等。
四、關(guān)鍵性能指標
- 速率 (比特率):單位時間內(nèi)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量,基本單位是比特/秒(bps)。常說的帶寬在數(shù)值上通常指最高速率。
- 時延:數(shù)據(jù)從網(wǎng)絡(luò)的一端傳送到另一端所需的時間。總時延 = 發(fā)送時延 + 傳播時延 + 處理時延 + 排隊時延。
- 吞吐量:單位時間內(nèi)通過某個網(wǎng)絡(luò)的實際數(shù)據(jù)量。
- 往返時間RTT:從發(fā)送方發(fā)送數(shù)據(jù)開始,到發(fā)送方收到來自接收方的確認所經(jīng)歷的時間。
- 利用率:包括信道利用率和網(wǎng)絡(luò)利用率。根據(jù)排隊論,網(wǎng)絡(luò)利用率并非越高越好,高利用率會導(dǎo)致時延急劇增加。
計算機網(wǎng)絡(luò)是一個復(fù)雜而精妙的系統(tǒng)。理解其總覽性的定義、功能、分類、體系結(jié)構(gòu)和性能指標,是后續(xù)深入學(xué)習(xí)各層協(xié)議細節(jié)、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備原理以及互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的必備前提。在接下來的筆記中,我們將逐層剖析這個迷人的世界。