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