第一章 计算机网络概述
1. 计算机网络的核心概念
1.1 定义
将 地理分散 的、具有 独立处理能力 的计算机系统（主机/Host），通过 传输介质 与 网络设备 互连，在 网络协议 和 软件 支持下实现 资源共享 与 数据通信 的系统。
关键术语解析：
- 主机（Host） ：具有独立计算能力的设备（PC、服务器、移动终端）。
- 终端（Terminal） ：无独立处理能力的设备（传统ATM机、哑终端），智能手机属于智能终端（有CPU）。
- 网络协议：通信规则集（如TCP/IP），确保异构设备互通。
1.2 核心功能
| 功能 | 说明 | 典型场景 | |
|---|---|---|---|
| 资源共享 | 硬件（打印机）、软件（SaaS）、数据（云存储） | 云盘、远程打印 | |
| 数据通信 | 节点间数据传输（即时通信、文件传输） | 微信消息即时传输 | |
| 分布式处理 | 任务拆分至多节点并行处理，实现 负载均衡 | 动画电影的渲染、暴力破解 | |
| 高可靠性 | 冗余节点避免单点故障 | 服务器集群、异地容灾 |
2. 计算机网络的演进
模拟通信网络
烽火台------>飞鸽传书------>信使、驿站（现代通信机制）------>邮政网络
发展历程
- 单主机系统（1950s）：中央主机 + 终端（终端无处理能力）。
- 多机互联（1960s）：主机间直接通信（如SAGE防空系统）。
- 标准化网络（1969-）：ARPANET → TCP/IP协议 → 现代Internet。
关键里程碑：
- ARPANET：首个分组交换网，Internet雏形。
- TCP/IP协议簇（1983）：奠定Internet通信基础。
3. 计算机网络的组成
3.1 硬件系统
| 组件 | 功能说明 | 典型设备 |
|---|---|---|
| 端设备 | 数据生成/消费端 | PC、手机、服务器 |
| 传输介质 | 数据传输通道 | 双绞线、光纤、无线电波 |
| 互联设备 | 数据转发与路径选择 | 交换机（L2） 、路由器（L3） |
注：集线器（Hub）因广播式通信已被交换机淘汰。
3.2 软件系统
- 网络操作系统：管理硬件与协议（Windows Server、Linux）。
- 网络协议：通信规则（TCP/IP、HTTP、DNS）。
- 应用软件：实现具体服务（Chrome、微信）。
4. 计算机网络的分类
4.1 按覆盖范围
| 类型 | 缩写 | 范围 | 典型应用 | |
|---|---|---|---|---|
| 局域网 | LAN | ＜1km | 企业网、家庭网络 | |
| 城域网 | MAN | 1~100km | 城市政务网、校园网 | |
| 广域网 | WAN | ＞100km | Internet、跨国企业专网 |
4.2 按拓扑结构
总线型 冲突域大/淘汰 星型-主流 易扩展/易维护 环形-工业场景 PROFINET工业以太网
| 类型 | 特点 | 优劣分析 |
|---|---|---|
| 星型 | 中心节点（交换机）连接所有设备 | 易维护、单点故障影响中心 |
| 总线型 | 所有设备共享单条传输线（同轴电缆） | 淘汰（冲突率高、扩展性差） |
| 环型 | 节点成环，数据沿固定方向传输（令牌环网） | 低效（时延累积）、难扩展 |
| 网状 | 设备间多路径连接（核心网） | 高可靠性、成本高 |
4.3 按工作模式
| 模式 | 特点 | 适用场景 | |
|---|---|---|---|
| C/S | 客户端请求服务，服务器响应（严格权限控制） | Web服务、在线游戏 | |
| P2P | 节点平等，直接共享资源（无中心服务器） | BT下载、区块链网络 |
4.5 按传输技术
| 模式 | 特点 |
|---|---|
| 广播式网络 | 单播方式：核心式广播式网络，封装协议，没有安全可言 |
| 组播式网络 | |
| 点到点网络 |
5. 核心网络概念
5.1 互连 vs 互联
网线/光纤 TCP/IP 物理互连 设备连通 协议互联 应用互通
| 概念 | 层次 | 实现方式 | 目标 |
|---|---|---|---|
| 互连 | 物理层 | 线缆/设备连接 | 建立物理通路 |
| 互联 | 逻辑层 | 协议/软件支持 | 实现数据互通 |
关系：互连是基础，互联是目的（例：网线连接电脑是互连，TCP/IP协议实现互联）。
5.2 性能指标
| 指标 | 定义 | 单位 | 关键说明 | |
|---|---|---|---|---|
| 带宽 | 单位时间传输数据量 | bps bit/s | 1Gbps = 10³Mbps 1Mbps = 10³Kbps | |
| 时延 | 数据端到端传输总时间 | ms | = 发送时延 + 传播时延 + 处理时延 | |
| 吞吐量 | 单位时间通过网络的实际数据量 | bps | 受带宽和网络拥塞影响 |
- 宽带与窄带传播速率 一样，每秒传播的比特数不一样
- 通信线路商通常是串行传输
时延计算示例：
总时延 = 数据大小/带宽 + 距离/传播速度 + 路由处理时间
（如：100MB文件经1Gbps链路传输 ≈ 0.8s + 光缆传播时延）6. 校园网拓扑实例分析
关键设计：
- 分层结构：核心层（高速转发）→ 汇聚层（策略控制）→ 接入层（终端连接）。
- 安全隔离：防火墙分割内外网，服务器区独立部署。
本章重点总结
- 网络本质：资源互通的软硬件系统（协议为核心）。
- 拓扑演进 ：总线/环型 → 星型（现代主流）。
- 性能核心：带宽（理论速率）、时延（用户体验）、吞吐量（实际效率）。
- 设计思想：分层架构（校园网）、协议标准化（TCP/IP）。
学习建议：结合Wireshark抓包分析协议交互，深化对"互联"的理解。