第一章 01计算机网络的概念&三种交换方式（王道）

• 基础层：计算机组成原理（硬件）、操作系统、数据结构（软件）
• 连接层：计算机网络实现设备互联

一、计算机网络的概念

考察选择题和简单计算题

1.1 什么是计算机网络?

关键特征：
分散性：设备地理位置分散
自治性：各设备独立运行，一台故障不影响其他设备
连接方式：包括有线（网线）和无线（WiFi、5G）链路

1.2 计算机网络、互连网、互联网的区别

计算机网络(computer networking)

互连网（internet）

互联网=因特网（Internet）

• 计算机网络：所有网络的 “学名”，啥样的网络都算；
• 局域网：“小圈子” 网络，只在局部区域内生效；
• 互连网：“网络的网络”，重点是 “多个网络怎么连起来”；
• 互联网：“全球最大的那个互连网”，基于 TCP/IP，人人都能上的公共网络。

1.3 一个最简单的计算机网络

云朵表示

1）计算机与计算机之间组成的计算机网络

• 基本组成：
  • 节点：计算机等终端设备
  • 链路：连接节点的通信线路（有线/无线）
• 实例：
  • 两台电脑通过网线直连（如联机玩《帝国时代》）
  • 四台电脑通过集线器连接（早期宿舍联机游戏）

2）通过集线器将多个结点连接组成的计算机网络

• 集线器特点：
  • 存在数据冲突问题
  • 民用领域已很少使用
  • 工作在物理层（第二章将详细学习）

3）交换机把多个结点连接起来组成的计算网络

• 功能：
  • 连接同一网络内的不同节点
  • 避免数据冲突（优于集线器）
  • 工作在数据链路层（第三章将详细学习）
• 应用场景：
  • 家庭、公司、学校组建内部网络
  • 可级联多个交换机构建大型网络（如校园网）

1.4 互连网（internet）

• 定义：通过路由器连接多个计算机网络形成的更大规模网络
• 路由器功能：
  • 连接不同网络
  • 工作在网络层（第四章将详细学习）

示例1：银行的内部网络

• 网络结构：
  • 总行数据中心与各分行网络通过路由器互联
  • 形成银行专用互连网（内网）
• 特点：
  • 数据安全性高
  • 外部无法访问
  • 可使用自定义通信协议

示例2：家庭内部网络

家用路由器本质：

• 交换机+路由器+其他功能的集合体

内部连接：

• 设备通过有线（网线）或无线（WiFi）连接交换机部分

• 形成家庭内部网络

外部连接：

• 路由器部分连接ISP网络

• 实现上网功能

投屏功能条件：设备必须连接同一交换机（即同一内部网络）

1.5 互联网（Internet）

• 互联网（Internet）：
  • 由ISP（如中国电信/移动/联通）和国际机构组建
  • 覆盖全球的最大规模互连网
  • 必须使用TCP/IP协议通信（确保全网各节点统一规则：车同轨，书同文，统一度量衡）
• 接入方式：
  • 通过ISP提供的宽带服务接入
  • 实际连接路径比图示更复杂

1.6 计算机网络概念知识回顾

二、计算机网络的组成

2.1 计算机网络的组成和功能思维导图

2.2 计算机网络的组成：从组成部分看

硬件、软件、协议

• 硬件
  • 主机/端系统：包括电脑、手机、物联网设备等终端设备，英文称为end system，位于网络末端
  • 通信设备：路由器、交换机、集线器、调制解调器等连接设备
  • 通信链路：网线、光纤、同轴电缆等物理传输介质
  • 网络适配器：又称网卡，负责主机与网络间的数据收发，是硬件与协议实现的桥梁

• 软件
  • 终端软件：安装在主机上的应用软件，如Email客户端、聊天软件、网盘软件等
  • 网络设备软件：路由器等设备内置的专用通信软件
  • 固件：预装在网络适配器等硬件中的特殊软件，如TCP/IP协议栈实现

• 协议
  • 定义：规定计算机网络通信规则的规范集合
  • 实现方式：通过硬件和软件协同实现，如网卡硬件+固件实现TCP/IP协议
  • 示例：网络适配器中的固件支持IPv4/IPv6协议，Windows系统可通过”网络和共享中心”查看协议配置

拓展网络适配器：该适配器支持TCP/IP v4 协议

物理形态：有线适配器具有RJ45网口，无线适配器通常集成在主板上

功能原理：实现数据收发转换，如将主机数据转换为网络信号

查看方法：Windows系统中通过”控制面板→网络和共享中心→更改适配器设置”查看

协议支持：如Intel AX201无线适配器支持TCP/IPv4、TCP/IPv6等协议

2.3 计算机网络的组成：从工作方式

• 边缘部分：
  • 组成：所有联网主机及其软件
  • 功能：直接为用户提供通信和资源共享服务
  • 示例：家庭网络中的电脑、手机、智能电视等终端设备
• 核心部分：
  • 组成：大量互联的网络和路由器
  • 功能：为边缘部分提供连通性和交换服务
  • 连通性
  • 交换服务：动态选择数据传输路径（如根据网络负载选择上行或下行路由）

2.3 计算机网络的组成：从逻辑功能看

• 资源子网：
  • 组成：主机中与网络通信无关的硬件和软件
  • 功能：向用户提供可共享的硬件、软件和信息资源
  • 示例：网盘服务器上的存储资源、应用商店的软件资源
• 通信子网：
  • 组成：通信设备、通信链路、协议及主机中的网络适配器和底层协议
  • 功能：负责计算机间的信息传输
  • 特殊包含：主机内部实现网络通信的硬件和软件也属于通信子网

三、计算机网络的功能

3.1 数据通信

• 核心地位：最基本、最重要的功能，是其他所有功能的基础

3.2 资源共享

• 硬件共享：如智能音箱共享云端服务器的计算资源
• 软件共享：如手机应用商店下载安装各类软件
• 数据共享：如视频分享、网盘文件共享等

3.3 分布式处理

• 核心思想：将复杂任务分解为子任务分配给多台计算机并行处理
• 典型应用：矩阵乘法运算（如将n×n矩阵分块计算）、MapReduce框架
• 优势：显著缩短大规模计算任务的处理时间

3.4 提高可靠性

3.5 负载均衡

• 实现原理：动态分配工作任务给多台服务器
• 典型场景：网络游戏服务器架构（如对战匹配服务器与游戏逻辑服务器分离）
• 效益：避免单点过载，提高整体服务质量

3.6 知识回顾

四、电路交换、报文交换、分组交换

4.1 计算机网络发展初期面临的问题

• 发展脉络：从公元前5世纪邮政网络开始，先后经历了电报网络、电话网络，最终发展到计算机网络。
• 邮政网络：通过邮递员和信件完成节点间数据交换，是最原始的通信方式。
• 电报网络：采用报文交换技术实现节点间通信。
• 电话网络：使用电路交换技术完成通信，为计算机网络提供了技术参考。

4.2 电话网络（采用“电路交换”技术）

1）早期的电话交换机：电路交换（Circuit Switching）：通过物理线路的连接，动态地分配传输线路资源

• 连接方式：电话交换机可连接多部电话或其他交换机，通过物理插线孔实现连接。
• 工作原理：将两部电话对应的插线孔用线连接即可建立通信。
• 发展历程：从人工接线发展到电气化、自动化，大幅提升了交换效率。

2）电路交换过程

• 建立连接：主叫方拨号后，交换机分配专用物理线路（如小帅拨打小丑电话）。
• 通信阶段：双方独占线路资源进行通信（如通话过程）。
• 释放连接：挂断电话后归还线路资源。
• 资源占用：通信距离越远，占用的线路资源越多（如长途电话比本地电话贵的原因）。

3）”电路交换“的优缺点

• 优点：
  • 传输效率：数据直送，传输速率高。
  • 适用场景：适合低频次、大量数据传输（如长时间通话）。
• 缺点：
  • 时间开销：建立/释放连接需要额外时间，短时通信体验差（如等2分钟通话5秒）。
  • 资源利用：线路被独占，利用率低。
  • 灵活性：线路分配不灵活，故障时需重建连接。
  • 差错控制：交换节点不支持差错控制，长距离传输易出错。
  • 适用性：不适合计算机网络的突发式传输（高频次、少量数据传输，如微信聊天）。

4.3 电报网络（采用“报文交换”技术）

1）什么是报文?

2）报文交换的工作原理

采用”存储转发“机制，报文由控制信息和用户数据组成，控制信息包含源地址和目的地址

存储转发思想：把传送的数据单元先存储进中间节点，再根据目的地址转发至下一节点。

3）报文交换的优点、缺点

4.4 ”分组交换“技术

1) 分组交换的概念

• 技术本质：将长报文数据切分为定长的若干部分，每个部分称为分组(Packet)
• 分组构成：
  • 首部(Header)：包含源地址、目的地址、分组号等控制信息(不定长)
  • 数据部分：实际传输的定长数据块
• 传输特点：
  • 每个分组独立传输，可走不同路径
  • 接收端通过分组号重新排序组装
  • 典型应用：现代计算机网络中的路由器就是分组交换机

1.2） 分组交换的优缺点

1.3）虚拟电路交换技术

4.5 知识回顾

五、电路交换、报文交换、分组交换的性能对比

5.1 电路交换性能分析

5.2 报文交换性能分析

5.3 分组交换性能分析

5.4 三种交换方式的性能对比