计算机网络基础

本教程将介绍计算机网络的定义、类型、计算机网络的工作原理、网络概念、常用术语、网络与互联网、工作原理以及网络拓扑。

什么是计算机网络？

"计算机网络定义为一组两个或多个计算机，它们通过有线电缆或无线网络（例如 Wi-Fi）连接在一起，目的是进行通信、交换、共享或分发数据、文件和资源。"

计算机网络由硬件（如**路由器、交换机、集线器等**）和网络软件（如**操作系统、防火墙或企业应用程序**）组成。

虽然也可以根据地理位置定义计算机网络，但**LAN（局域网）**连接在特定物理范围内（如**家庭或办公室**）的计算机。

相比之下，**MAN（城域网）**连接城市内多个建筑物之间的计算机。

**互联网**是**WAN（广域网）**最显著的例子，它连接着全球数十亿台网络设备。

还可以通过通信协议、网络元素的物理布局、网络流量管理方式以及网络功能来描述计算机网络的概念。

计算机网络被企业、娱乐行业、教育研究领域广泛用于通信和从源节点到目标节点传输数据。

所有其他技术，包括**互联网、谷歌搜索、即时通讯应用程序、在线视频流、社交媒体、电子邮件、云厨房、云数据存储**等，都因计算机网络而存在。

计算机网络类型

以下是当今最常用的计算机网络类型：

• LAN [局域网}
• WLAN [无线局域网]
• CAN [校园网]
• MAN [城域网]
• PAN [个人区域网]
• SAN [存储区域网]
• VPN [虚拟专用网]
• WAN [广域网]

1. LAN

**LAN 或局域网**是一组设备，在短距离（如办公室、家庭）内通过**交换机、服务器、打印机**等连接计算机和其他设备。常用的 LAN 是**以太网 LAN**。此网络用于允许用户传输或共享数据、文件和资源。

2. WLAN

**WLAN 或无线局域网**与 LAN 类似，不同之处在于它使用无线通信在设备之间而不是有线连接。WLAN 通常涉及**Wi-Fi 路由器或无线接入点，用于连接智能手机、笔记本电脑、台式机**等设备。

3. CAN

**CAN 或校园网**是封闭的企业通信网络。CAN 是一个移动网络，可能包含私有或公共部分。CAN 广泛用于**学院、大学和企业场所**。

4. MAN

**MAN 或城域网**通常比 LAN 更大，但比 WAN 小。此网络连接同一城市内的多个建筑物。MAN 网络通过光纤电缆（通常是高速连接）连接。城市和政府机构通常管理 MAN。

5. PAN

**PAN 或个人区域网**是一种供个人使用的网络，通常为一个人服务。此网络通常连接您的智能手机、笔记本电脑或台式机等设备，以同步内容并共享小文件，如歌曲、照片、视频、日历等。这些设备通过**Wi-Fi、蓝牙、红外线等无线网络**连接。

6. SAN

**SAN 或存储区域网**是一种专门的高速网络，用于存储和提供对块级存储的访问。它是一个专用的共享网络，用于云数据存储，其外观和功能类似于存储驱动器。

SAN 由各种**交换机、服务器和磁盘阵列**组成。SAN 的优点之一是它具有容错能力，这意味着如果任何交换机或服务器发生故障，数据仍然可以访问。

7. VPN

**VPN 或虚拟专用网**是一种安全的工具，可加密点对点互联网连接并隐藏用户的 IP 地址和虚拟位置。它创建一个加密网络，以提高用户的在线隐私，从而使黑客无法访问他们的身份和数据。

8. WAN

**WAN 或广域网**是连接广阔地理区域（如国家、大陆）上计算机的最重要的网络类型。WAN 包括**多个 LAN、MAN 和 CAN**。WAN 的一个例子是**互联网**，它连接着全球数十亿台计算机。

网络术语和概念

日常网络生活中最常用的术语如下：

1. IP 地址

IP 地址或**互联网协议**是**表示您在互联网上地址的唯一数字**。连接到网络的每个设备都有一个数字字符串或 IP 地址，类似于家庭地址。

您不会在网络上找到两个具有相同 IP 地址的设备。当您的计算机向另一台计算机发送数据时，发送的数据包含一个“头部”，其中包含设备的 IP 地址，即源计算机和目标设备。

2. 节点

节点是指网络中的**连接点，在网络内发生连接，进一步帮助接收、传输、创建或存储文件或数据**。

可以通过有线或无线节点将多个设备连接到互联网或网络。要形成网络连接，需要两个或多个节点，每个节点都有自己的唯一标识以获得访问权限，例如 IP **地址**。节点的一些例子是**计算机、打印机、调制解调器、交换机等**。

3. 路由器

路由器是**物理网络设备，它在网络之间转发数据包**。路由器执行数据分析，在网络上执行流量定向功能，并定义数据包到达其目标节点的最佳路由。数据包在到达目标之前可能需要经过网络中的多个路由器。

4. 交换机

在计算机网络中，交换机是一种**连接其他设备并帮助节点之间通信的设备，通过决定在网络内传输数据的最佳方式（通常在更广泛的网络中有多个路由时）**。

虽然路由器也传输信息，但它只在网络之间转发信息，而交换机在单个网络中的节点之间转发数据。

交换进一步分为三种类型，如下所示：

• 电路交换
• 分组交换
• 报文交换

• **电路交换：**在此类交换中，在网络中的节点（或发送方和接收方）之间建立安全的通信路径。它在传输数据之前建立专用的连接路径，该路径保证了良好的传输带宽，并防止任何其他流量在該路径上传输。例如，**电话网络**。
• **分组交换：**使用此技术，消息被分解为称为数据包的独立组件。由于其体积小，每个数据包都会单独发送。通过网络传输的数据包将具有源 IP 地址和目标 IP 地址。
• **报文交换：**此交换技术使用存储转发机制。它将消息的完整单元从源节点发送，经过多个交换机，直到到达中间节点。它不适用于实时应用程序。

5. 端口

端口**通过识别网络设备之间的连接，允许用户访问多个应用程序**。每个端口都被分配了一组字符串编号。如果您将 IP 地址比作酒店地址，那么端口就可以比作酒店房间号。网络设备使用端口号来决定使用哪个应用程序、服务或方法来转发详细信息或数据。

6. 网络电缆类型

网络电缆用作**不同计算机和其他网络设备之间的连接介质**。网络电缆类型的典型示例是**以太网电缆、同轴电缆和光纤电缆**。虽然电缆类型的选择通常取决于网络的规模、网络组件的组织以及网络设备之间的距离。

计算机网络与互联网

互联网是 WAN 的主要示例，它连接着全球数十亿台计算机。互联网遵循标准协议，以促进这些网络设备之间的通信。这些协议包括：

1. HTTP (超文本传输协议)
2. IP (互联网协议或 IP 地址)
3. TCP (传输控制协议)
4. UDP (用户数据报协议)
5. FTP (文件传输协议)

**ISP（互联网服务提供商）NSP（网络服务提供商）**有效地支持互联网基础设施。基础设施允许通过互联网将数据包传输到接收设备。

互联网是一个巨大的信息库，但这些信息不会发送给连接到互联网的每台计算机。协议和基础设施负责管理共享用户请求的精确信息。

它们如何工作？

1. **计算机网络是由连接多台节点（如计算机、台式机、路由器、集线器和交换机）组成的，这些节点通过有线电缆（以太网、数据线、光纤）或无线网络（蓝牙、Wi-Fi）连接。**这种网络连接使节点能够通过网络进行通信和交换数据。
2. 网络**遵循通信协议来发送、接收、创建或转发数据。**连接到网络的每个节点都被分配了一个唯一的 IP（互联网协议），IP 地址用于标识设备并使其他设备能够识别它。
3. **路由器和交换机是支持和管理网络之间通信的虚拟或物理媒介。**路由器会检查数据包以确定最佳路由，然后数据包可以轻松到达目标节点。相比之下，交换机在更广泛的网络中有多个路由时连接设备，并促进节点之间的通信，确保跨网络传输的数据包能够到达其目标节点。

网络拓扑

"网络拓扑定义为计算机网络中计算机或节点的排列方式，以建立它们之间的通信。"

节点是指能够传输、接收、创建或存储信息的设备。节点通过网络链接连接，该链接可以是物理的（电缆、以太网）或无线的（蓝牙、Wi-Fi）。

为了帮助在不同情况下构建成功的网络，拓扑结构进一步分为几种类型。
虽然存在几种拓扑结构，但在本教程中，我们将讨论最常用的几种：

1. 总线拓扑

• **总线网络拓扑**支持一个通用的传输介质，其中每个节点直接连接到主网络电缆。
• 数据通过主网络电缆传输，并同时被所有节点接收。
• 信号由源计算机生成，其中包含接收计算机的地址。信号向总线网络连接的所有节点双向传播，直到到达目标节点。
• 总线拓扑的容错性较差，并且电缆长度有限。

2. 环形拓扑

• **环形拓扑**是总线拓扑的修改版本，其中每个节点连接成一个闭环，形成点对点 LAN 拓扑。
• 环形拓扑中的每个节点都有两个连接。相邻的节点对直接连接，而非相邻的节点通过各种节点间接连接。
• 环形拓扑支持单向通信模式，其中数据的发送和接收通过**令牌 (TOKEN)** 进行。

3. 星型拓扑

• 在**星型网络拓扑**中，每个节点都通过一个中央集线器或交换机连接。
• 集线器或交换机执行整个集中管理。每个节点将其数据发送到集线器，然后集线器将接收到的信息共享给目标设备。
• 可以通过中继器将两个或多个星型拓扑连接在一起。

4. 网状拓扑

• 在**网状拓扑**中，网络连接中的每个节点都直接连接到另一个节点，形成节点之间的重叠连接。
• 这种拓扑提供了更好的容错性，因为如果任何网络设备发生故障，都不会影响网络，因为其他设备可以传输信息。
• 网状网络会自动配置和组织，找到传输数据的最快、最安全的方法。
• 可以通过将每个节点连接到网络中的另一个节点来形成全网状拓扑。**全网状**成本昂贵，仅用于需要高数据冗余的网络。
• 另一种网状拓扑类型是**部分网状拓扑**，其中只有少数设备连接，而少数设备连接到它们共享最多信息的设备。这种网状类型适用于需要较低冗余或易于实现的经济高效网络拓扑的网络。