计算机网络笔记--Part1 - 雨中的博客

这系列记录翀翀🤠学习计算机网络时的核心笔记以及自己的思考,作为408组成学科之一,一定要认真学习。赠一言与君共勉:一个人的一生总会遇到这样的时刻,一个人的战争。在这种时候,你的心被颠倒了,但在别人眼里,你只是比平时安静一点,没有人会觉得奇怪。这种战争注定是单枪匹马的。

计算机网络基本概念

一般的,我们认为计算机网络是一个将分散的、具有独立功能的计算机系统,通过通信设备与线路连接起来,由功能完善的软件实现资源共享和信息传递的系统。总结来说,计算机网络就是一些互联的、自治的计算机系统的集合。一定要注意计算机网络是一种系统的集合,所以其根本是系统的集合。

思考:什么是互联,自治?

互联就是互联互通,通信链路,自治就是无主从关系,比如macO,Windows等电脑系统设备以及IOS和Android等手机系统设备都会通过许多协议和计算机网络服务设备连接,但是其自身和服务区无主从关系,一个设备是可以自己做到独立工作的。

在计算机网络的发展阶段,人们对计算机网络给出了不同的定义,这些定义反映了当时网络技术发展的水平,具体定义可以分为三类:

广义观点

广义观点认为,只要是能够实现远程信息处理的系统或进一步达到资源共享的系统,都是计算机网络。广义的观点定义了一个计算机通信网络,他在物理结构上具有计算网络的雏形,但是资源贡献能力弱,是计算机网络的低级阶段。

资源共享观点

这种观点认为,计算机网络是“以能够相互共享资源的方式互联起来的自治计算机系统的集合”。这个定义包含着三层含义:①目的:资源共享②组成单元:分布在不同地理位置的多台独立的“自治计算机”③网络中的计算机必须遵循的统一规则—网络协议。这个定义符合目前计算机网络的基本特征。

用户透明观点

这种观点认为,存在一个能为用户自动管理资源的网络操作系统,它能够调用用户所需要的资源,而整个网络就像一个大的计算机系统一样对用户是透明的,用户使用网络就像使用一台单一的超级计算机,无需了解网络的存在、资源的位置信息。用户透明性观点的定义描述了一个分布式系统,他是网络未来发展的追求的目标

思考:三个观点的变化?

在广义观点中,只是认为计算机网络是一个能够处理互联远程信息的系统,但是仅仅由一个系统来处理,共享性弱。所以提出来了计算机网络是所有能够相互共享资源的自治计算机系统的集合,此时每一个自治计算机系统皆是计算机网络组成的一部分,共享性更强了,但由于每一个计算机只是计算机网络的一部分,所以单独拿出来不是一个计算机网络系统。所以提出了分布式的概念,实际上分布式概念可以参考github,我们本地计算机同时都可以视为是一个计算机网络用户,我们的计算机可以接受互联共享服务使用计算机网络操作系统,同时也可以看成是一个完整的计算机网络系统,是一个提供互联服务的计算机操作系统。

计算机网络的组成

角度一:组成部分

从组成部分分析,我们可以将计算机网络分成硬件、软件、协议三大部分,并且三者缺一不可。

硬件主要由主机(也称端系统)、通信链路(如双绞线,光纤)、交换设备(如路由器、交换机)和通信处理机(如网卡)等组成。

软件主要包括各种实现资源共享的软件和方便用户使用的各种工具软件(如网络操作系统、邮件收发程序、FTP程序、聊天程序等)。软件部分多属于应用层。

协议是计算机网络的核心,如同交通规则制约汽车驾驶一样,协议规定了网络传输数据时所要遵循的规范。

角度二:工作方式

计算机网络(主要指Internet)可以分为边缘部分和核心部分。边缘部分由所有连接到因特网上,供用户直接使用的主机组成,用来进行通信(如传输数据音频或视频)和资源共享。核心部分由大量的网络和连接这些网络的路由器组成,它为边缘部分提供连通性和交换服务。如下图所示:

网络的一个结构如下图:

这里的比特流可以看成是不同协议的互联传送信息的数据信号,网络里面确实是许许多多多主机系统的集合。

角度三:功能组成

计算机网络由通信子网和资源子网组成,通信子网由各种传输介质、通信设备和相应的网络协议组成,他使网络具有数据传输、交换、控制和存储的能力,实现联网计算机之间的数据通信。资源子网是实现资源共享功能的设备及其软件的集合,向网络用户提供共享其他计算机上的硬件资源、软件资源和数据资源的服务。

计算机网络的功能

计算机网络的功能有许多,现今的很多应用都与网络有关。主要由以下五大功能

数据通信

他是计算机网络最基本和重要的功能,用来实现联网计算机之间的各种信息的传输,并将分散在不同地理位置的计算机联系起来,进行统一的调配、控制和管理。比如,文件传输、电子邮件等应用,离开了计算机网络都是无法实现的,所以数据通信是计算机网络连通性的体现。

资源共享

资源共享可以是软件共享,数据共享甚至是硬件共享。使计算机网络中的资源互通有无分工协作,从而极大的提高了硬件资源、软件资源和数据资源的利用率。最直观莫过于有道翻译、在线画思维导图等应用实现了资源共享。

分布式管理

当计算机网络中某个计算机系统负荷过载时,可以将其处理的某个复杂任务分配给网络中的其他计算机系统,从而利用空闲计算机资源以提高整个系统的利用率。因此多台计算机各自承担同一工作任务的不同部分,比如Hadoop平台

提高可靠性

计算机网络中的各台计算机可以通过网络互为替代机

负载均衡

将工作任务均衡的分给计算机网络中的各台计算机(很像操作系统)

计算机网络的分类

角度一:按照分布范围分类

广域网(WAN)

广域网的任务是提供长距离通信,运送主机所发送的数据,其覆盖范围通常为几十千米到几千千米的区域,因而也称为远程网。广域网是因特网的核心部分、链接广域网的各节点交换机的链路一般是告诉链路,具有较大的通信容量。所以WAN一般使用交换技术。

城域网(MAN)

城域网的覆盖范围可以跨越几个截取甚至整个城市,覆盖范围约为5~50km。城域网大多采用以太网技术,因此有时也常并入局域网的范围进行讨论。

局域网(LAN)

局域网一般用微机或工作站通过高速线路连接,覆盖范围小,通常为几十米到几十千米的区域。局域网在计算机配置的数量上没有太多的限制,少的可以只有两台(最经典的就是两人通过局域网联机MC),多的可以有几百台(大型图书馆热点局域网)。在传统上,局域网使用广播技术。

个人区域网(PAN)

个人区域网在个人工作地方将消费电子设备(平板电脑,智能手机等)用无线技术链接起来的网络,也常称为无限个人区域网(WPAN),其覆盖范围的区域直径约为10m。

注意:若中央处理器之间的距离非常近(如1m的数量级或者更小),则一般就称之为多处理系统,而不称为计算机网络

角度二:按传输技术分类

广播式网络

所有联网计算机都共享一个公共通信信道。当一台计算机利用共享通信信道发送报文分组时,所有其他的计算机都会“收听”到这个分组。接收到改分组的计算机将通过检查目的地址来决定是否接收该分组。

局域网基本上都采用广播式通信技术,广域网中的无线、卫星通信网路也采用广播式通信技术。

点对点网络

每条物理线路连接一对计算机。如果通信的两台主机之间没有直接连接的线路,那么它们之间的分组传输就要通过中间节点的接收、存储和转发,直至目的节点。

是否采用分组存储转发与路由选择机制是点对点式网络与广播式网络的重要区别,广域网基本都属于点对点网络。

角度三:按拓扑结构分类

网络拓扑结构是指由网中节点(路由器、主机等)与通信线路(网线)之间的几何关系(如总线形,环形)表示的网状结构,主要指通信子网的拓扑结构。

按网络的拓扑结构,主要分为总线形,星形,环形和网状形网络等,如下图:

星形和环形网络多用于局域网都是广播式结构,网状网多用于广域网都是点对点式结构。

  • 总线形网络:用单根传输线把计算机连接起来。总线形网络的优点是建网容易、增减节点方便、节省线路。缺点是重负载时通信效率不高、总线任意一处对故障敏感(可以理解为串联)。
  • 星形网络:每个终端或计算机都以单独的线路与中央设备相连,中央设备早期是计算机,现在一般是交换机或路由器。星形网络便于集中控制与管理,因为端用户之间的通信必须经过中央设备。缺点是成本高、中心节点对故障敏感。
  • 环形网络:所有计算机接口连成一个环状,环形网络最典型的例子是令牌环局域网。环可以是单环,也可以是双环,但是环中信号是单向传输的。
  • 网状形网络:一般情况下,每个节点至少有两条路径与其他节点相连,多用于广域网中,有规则和非规则两种。优点是可靠性高,缺点是控制复杂,线路成本高。

当然上面这四种网络可以再相互连接组合,称为更加复杂的网络。

角度四:按使用者分类

  • 公用网(Public Network):顾名思义就是电信公司斥资建造的大型网络,“公用”的意思是指所有愿意按电信公司的规定缴纳费用的人都可以使用这种网络,因此称为公众网。一般我们使用的WIFI都是公用局域网
  • 专用网(Private Network):一般是某个部门为满足单位特殊业务的需要而建造的网络,这种网络不向本单位以外的任何人提供服务。例如铁路,电力,军队等部门使用的专用内网。

角度五:按交换技术分类

交换技术是指各台主机之间、各通信设备之间或主机与通信设备之间为交换信息所采用的数据格式和交换装置的方式。按交换技术可将网络分为以下几种:

  • 电路交换技术:在源节点与目的节点之间建立一条专用的通道用于传送数据,包括建立链接、传输数据和断开连接三个阶段。最典型的电路交换网是传统电话网络。这种网络的主要特点是整个报文的比特流连续地从源节点直达终点,好像是在一条管道中传送。优点是数据直接传送,时延小。缺点是线路利用率低、不能充分利用线路容量、不便于进行差错控制。
  • 报文交换网络:用户数据加上源地址、目的地址和校验码等辅助信息,然后封装成报文。整个报文文件传送到相邻节点,全部存储后,再转发给下一个节点,重复这一过程直到到达目的节点。每个报文可以单独选择到达目的节点的路径。报文交换网络也称为存储-转发网络,主要特点是整个报文先传送到相邻节点,全部存储后查找转发表,转发到下一个节点。优点是可以充分地利用线路容量,可以实现不同链路之间的不同数据率的转换,可以实现格式转换,可以实现一对多,多对一的访问,可以实现差错控制。缺点是增大了资源开销(如辅助信息导致处理时间和存储资源的开销),增加了缓冲时延,需要额外的控制机制来保证多个报文的顺序不乱,缓冲区也难以管理(因为报文的大小不确定,接收方在接收到报文之前不能预知报文的大小)。
  • 分组交换网络:也称为包交换网络。原理是将数据分成较短的固定长度的数据块,在每个数据块上加上目的地址,源地址等辅助信息组成分组(包),以存储-转发方式传输。其主要特点是单个分组(他只是整个报文的一部分)传送到相邻接点,存储后查找转发表,转发到下一个节点。除具备报文交换网络的优点外,分组交换网络还具有自身的优点:缓冲易于管理,包的平均时延更小,网络占用的平均缓冲区更小,更易于标准化,更适用于应用。现在的主流网络基本上都使用分组交换网络。实际上分组交换网络相较报文交换网络,就是解决了他的缺点,将大小不确定的报文切割成多个固定大小的包来传输。

角度六:按传输介质分类

传输介质分为有线和无线两大类,因此网络可以分为有线网络和无线网络。有线网络有分为双绞线网络、同轴电缆网络等。无线网络可分为蓝牙、微波、无线电等类型。

总结




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