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计算机网络体系结构（一）

news 来源：原创 2025/6/9 11:28:07

1.计算机网络概述

1.1计算机网络的概念

计算机网络是由相互连接的计算机及其周边设备构成的系统，这些计算机和设备通过各种通信介质实现数据和资源的共享。计算机网络的主要目的是为了增强信息传递的效率、便利性和可靠性。以下是一些计算机网络的关键概念：计算机网络是多个计算机系统及其设备之间，通过通信链路（如电缆、光纤、射频等）进行数据交换与资源共享的集合体。

1.2计算机网络的组成

计算机网络的组成部分可以从多个层面进行分析，主要包括硬件、软件、协议和网络服务等。以下是这些组成部分的详细说明：

1.2.1. 网络硬件

网络硬件是指所有用于连接和支持计算机网络运行的物理设备，主要包括：

计算机和终端设备：包括台式机、笔记本电脑、智能手机、平板电脑等，用于发送和接收数据。
网络设备：
- 路由器：连接多个网络，转发数据包，帮助不同网络之间的通信。
- 交换机：在同一网络内管理和转发数据，连接多台设备，提高数据传输效率。
- 集线器：与交换机类似，但功能更简单，广播数据到所有连接设备。
- 调制解调器：将数字信号转换为模拟信号，或反之，从而使计算机可以通过电话线或其他介质访问互联网。
- 访问点：提供无线连接，使设备可以通过Wi-Fi接入网络。
传输介质：
- 有线介质：如双绞线、同轴电缆和光纤等，用于高效地传输数据。
- 无线介质：如射频、红外线和卫星信号，通过无线方式传输数据。

1.2.2. 网络软件

网络软件提供了支持网络功能和管理的操作程序，包括：

操作系统：如Windows、Linux等，支持网络连接与数据传输。
网络管理软件：用于监控和管理网络性能与安全，确保网络运行正常。
防火墙和安全软件：保护网络不受未授权访问和攻击，增强安全性。

1.2.3. 网络协议

网络协议是一系列规则和标准，规定了设备之间如何进行数据交换。常见的网络协议包括：

TCP/IP（传输控制协议/互联网协议）：互联网的基础协议，负责数据分段与传输。
UDP（用户数据报协议）：用于需要快速传输而不需要确认的数据传输。
HTTP/HTTPS（超文本传输协议/安全版）：用于网页数据的传输，HTTPS提供加密功能。
FTP（文件传输协议）：用于在网络上进行文件的上传和下载。
SMTP/POP3/IMAP：用于电子邮件的发送和接收。

1.2.4. 网络服务

网络服务是通过网络提供的各种功能，包括：

文件共享：允许用户在网络上共享文件和数据。
打印服务：通过网络连接共享打印机，方便多台设备使用。
邮件服务：提供电子邮件的发送和接收。
互联网服务：如网页浏览、在线游戏、云计算等。

1.2.5. 网络架构

网络架构定义了网络的整体设计，包括：

客户端-服务器模型：网络中的客户端请求服务，服务器提供所请求的服务。
对等网络（P2P）：网络中的每个设备都可以同时充当客户端和服务器，互相分享资源。

1.2.6. 安全组件

网络安全是确保信息和数据安全的重要组成部分，包括：

身份验证机制：确保访问网络的用户是经过授权的。
加密技术：保护数据在传输过程中的安全性，防止被截获。
入侵检测和防御系统：监测并阻止对网络的攻击和威胁。

1.3计算机网络的功能

计算机网络的功能多样且广泛，它们实现了信息传输、资源共享、通信等多种目的。以下是计算机网络主要功能的详细说明：

1.3.1. 数据传输

计算机网络的核心功能是支持数据的传输。用户可以在网络上发送和接收文本、图像、音频和视频等各种类型的数据。数据传输的快速性和可靠性是网络的重要特征。

1.3.2. 资源共享

计算机网络允许多台计算机和设备共享资源，包括：

文件共享：用户可以在网络上共享文件，方便数据的存取与管理。
打印共享：通过网络共享打印机，多个设备可以共同使用同一台打印机，提高资源利用率。
应用程序共享：网络允许用户共同访问和使用安装在服务器上的应用程序。

1.3.3. 通信

网络提供了多种通信方式，确保用户之间的交流顺畅：

电子邮件：允许用户相互发送和接收电子邮件，这是最常用的网络通信方式之一。
即时消息：实时通讯软件（如Slack、WhatsApp等）使用户能够即时交流。
视频会议：通过网络进行视频通话，方便远程会议和在线学习。

1.3.4. 远程访问

计算机网络支持远程访问功能，用户可以从任何地点访问网络资源：

虚拟专用网络（VPN）：加密的网络连接，允许用户安全地访问公司或家庭网络。
远程桌面：用户可以远程控制另一台计算机，实现远程办公或技术支持。

1.3.5. 网络安全

网络提供了多种机制以保护数据和资源安全：

数据加密：通过加密技术，保护传输中的数据不被窃取。
防火墙：监控和控制进出网络的流量，防止未授权访问。
入侵检测系统：监测网络流量，识别潜在的安全威胁并及时响应。

1.3.6. 负载均衡

在大型网络环境中，负载均衡技术确保网络资源合理分配，避免任何一台服务器或网络设备的过载，提升整体性能和可用性。

1.3.7. 网络管理

计算机网络具备网络管理功能，帮助管理员监控网络性能、故障排除和优化资源：

网络监控工具：用于观察网络的健康状态，识别流量瓶颈和故障点。
配置管理：确保网络设备配置的正确性和一致性，提高管理效率。

1.3.8. 服务提供

计算机网络还提供多种在线服务：

云计算：支持数据存储、处理和应用托管，用户可以按需使用计算资源。
网络存储：提供在线存储服务，使用户能够在云端存储和访问数据。

1.3.9. 协议支持

计算机网络实现了各类协议的支持，如TCP/IP、HTTP、FTP等，负责不同类型的数据传输和应用服务，为网络的运行提供规则和标准。

1.3.10. 协作工作

网络为团队合作提供了平台：

共享日历和任务管理工具：促进团队成员之间的协作和沟通。
版本控制系统：允许多位开发者共同维护和更新代码，支持软件开发项目的协作。

1.4电路交换，报文交换与分组交换

电路交换、报文交换和分组交换是计算机网络中实现数据传输的三种主要交换方式。每种方式都有其特定的工作原理和适用场景。以下是对这三种交换方式的详细介绍：

1.4.1. 电路交换

电路交换是一种传统的通信方式，最典型的应用是在电话网络中。其基本工作过程如下：

建立连接：在通信开始之前，双方需要首先建立一条专用的电路连接。这条连接会占用网络中的资源，直到通信结束。
数据传输：在建立连接后，数据以连续流的形式在建立的电路中传输。因为在整个通信过程中，所有的数据都传输在这条电路上，所以延迟较小、质量较高。
释放连接：一旦通信结束，电路将被释放，网络资源可供其他使用。

优缺点

优点：
- 低延迟：由于在通信过程中使用的是固定路径，数据传输延迟较低。
- 可靠性高：电路一旦建立，传输过程几乎不受影响。
缺点：
- 资源浪费：即使在通信过程中没有数据传输，电路仍然占用网络资源。
- 可扩展性差：在高需求情况下，建立多个连接可能会耗尽可用资源。

1.4.2. 报文交换

报文交换是另一种用于数据传输的方式，主要用于数据量较大的应用场景，如电子邮件和文件传输。其工作过程如下：

数据分段：发送方将数据分成一条条的完整报文，每条报文包含目标地址等信息。
存储转发：在路由器或交换机中，每个报文会被存储，并在接收设备准备好接收后才转发。每个网络节点在接收到报文后，都会读取目标地址并决定下一跳。
传输过程：报文可能通过不同的路径到达目标地，传输顺序也可能不同。

优缺点

优点：
- 灵活性高：使用不同路径进行传输，提高了网络资源的利用率。
- 不需建立专用连接：每个报文独立转发，适合不定长的数据传输。
缺点：
- 延迟较大：由于每个报文在节点处需要存储和转发，可能会产生较大的延迟。
- 需要更多的控制信息：每个报文都包含目的地址信息，增加了开销。

1.4.3. 分组交换

分组交换是现代计算机网络（特别是互联网）的基础，通常被认为是对报文交换的改进。其工作过程如下：

分组封装：发送的数据被分成更小的单元，称为分组，每个分组附加首部（Header）信息，包括目的地址。
存储转发：与报文交换相似，分组在经过每个路由器时，会被存储并根据首部信息进行转发。
并行传输：不同的分组可以通过不同的路径同时传输，分组可能会按到达顺序排列。

优缺点

优点：
- 效率高：分组较小，允许更灵活的路由选择，适应网络流量波动。
- 故障容错：由于分组可以选择路径传输，如某一路径故障，系统可以选择备份路径发送分组。
缺点：
- 可能发生分组丢失和重排序：由于使用不同路径，分组在到达目的地时顺序可能会发生变化。
- 额外的开销：分组头部信息需要占用带宽。

1.4.4总结

电路交换：适用于要求低延迟和高可靠性的实时通信，如电话通话，但资源浪费。
报文交换：适用于较大数据量的传输，灵活性高，但延迟可能较大。
分组交换：适用于现代网络结构，能够高效利用网络资源和提供容错能力，是互联网数据传输的主要方式。

1.5计算机网络的分类

计算机网络可以根据不同的标准进行分类，包括覆盖范围、结构类型、传输方式以及网络用途等。以下是对计算机网络分类的详细说明：

1.5.1. 根据覆盖范围分类

局域网（LAN，Local Area Network）：
- 概念：局域网是在相对较小的地理区域内连接多台计算机和设备的网络，例如家庭、办公室或校园。
- 特点：通常速度较快，延迟较低，网络范围有限（通常在几百米到几公里内）。
- 应用：文件共享、打印共享、企业内部网络等。
广域网（WAN，Wide Area Network）：
- 概念：广域网覆盖较大的地理区域，如城市、国家或全球，连接多个局域网。
- 特点：速度相对较慢，延迟较高，通常使用公共通信线路（例如互联网）或专用线路。
- 应用：互联网、跨国公司的网络连接等。
城域网（MAN，Metropolitan Area Network）：
- 概念：城域网介于局域网和广域网之间，通常覆盖一个城市或大城市区域。
- 特点：通常具有高速光纤连接，良好的数据传输能力。
- 应用：城市网络服务提供商、大学校园网络等。

1.5.2. 根据网络结构分类

星型网络（Star Network）：
- 概念：在星型网络中，所有设备都通过一个中心节点（如交换机或集线器）相连接。
- 优点：易于扩展和管理，如果一个设备故障不会影响整个网络。
- 缺点：中心节点的故障会导致整个网络瘫痪。
环形网络（Ring Network）：
- 概念：设备按照环状连接，数据在环中按单向或双向传输。
- 优点：每个设备都有均等的接入机会，延迟较小。
- 缺点：某个设备故障会影响整个网络的通信。
总线网络（Bus Network）：
- 概念：所有设备共享一条主干通信线路，数据通过这条线进行传输。
- 优点：成本低，布线简单。
- 缺点：节点数量过多或总线故障会影响整个网络的运行。
网状网络（Mesh Network）：
- 概念：每个设备可以直接与其他设备相连，形成网状拓扑。
- 优点：高可靠性，故障容忍能力强，任何路径的中断都不会影响网络的整体连接。
- 缺点：布线复杂，成本高。

1.5.3. 根据传输方式分类

电路交换网络：
- 概念：在通信开始时建立固定的专用连接，传输数据过程中该连接保持占用状态。
- 应用：传统电话网络。
报文交换网络：
- 概念：数据作为完整报文进行存储和转发，每个报文独立处理。
- 应用：电子邮件、早期的网络服务。
分组交换网络：
- 概念：数据被分为小分组进行传输，分组中包含目标地址，通过多个路径进行传输。
- 应用：现代互联网。

1.5.4. 根据网络用途分类

公用网络：
- 概念：供公众使用的网络，通常由服务提供商维护。
- 应用：互联网、公共Wi-Fi热点。
私有网络：
- 概念：由特定组织或个人拥有和维护的网络，仅供特定用户使用。
- 应用：企业内部网络、家庭网络。
虚拟专用网络（VPN）：
- 概念：通过公用网络建立的安全连接，允许远程用户安全访问私有网络。
- 应用：远程办公、跨国公司员工的安全访问。

1.5.5. 根据接入方式分类

有线网络：
- 概念：使用物理媒介（如光纤、电缆）进行连接的网络。
- 应用：大多数家庭和企业的局域网。
无线网络：
- 概念：利用无线信号进行连接，不需要物理媒介。
- 应用：Wi-Fi网络、移动网络（如4G、5G）。

1.6计算机网络的性能指标

计算机网络的性能指标是用来评估和衡量网络在不同条件下的性能和效果的标准。这些指标能够帮助网络管理员和用户理解网络的效率、可靠性及使用体验。以下是一些主要的计算机网络性能指标的详细说明：

1.6.1. 带宽 (Bandwidth)

定义：带宽是指网络中可以传输的数据量，通常以比特每秒（bps）表示，例如Kbps（千比特每秒）、Mbps（兆比特每秒）和Gbps（千兆比特每秒）。
影响：带宽越大，网络同时传输的数据量越多，用户体验通常也越好。

1.6.2. 吞吐量 (Throughput)

定义：吞吐量是指在一定时间内实际成功传输的数据量。吞吐量通常以比特每秒（bps）表示。
影响：吞吐量受多个因素影响，如网络带宽、网络延迟、数据包丢失率等。虽然理论带宽可能很高，但实际吞吐量可能会低于带宽。

1.6.3. 延迟 (Latency)

定义：延迟是数据从源节点到达目的节点所需的时间，通常以毫秒（ms）为单位来衡量。
影响：高延迟会导致数据传输的效率下降，特别是在需要实时响应的应用中（如在线游戏、视频会议等）。延迟可以进一步分为：
- 传播延迟：数据包在物理介质上传输所需的时间。
- 传输延迟：数据在网络节点中的排队和处理时间。
- 处理延迟：网络设备处理并转发数据包所需的时间。