[计算机网络]一．计算机网络概论第一部分

作者申明：作者所有文章借助了各个渠道的图片视频以及资料，在此致谢。作者所有文章不用于盈利，只是用于个人学习。

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【网络】半小时看懂<计算机网络>_哔哩哔哩_bilibili

1.1计算机网络在信息时代的作用

在当今信息时代，计算机网络已经成为社会、经济、科技和文化发展的重要基石。计算机网络不仅改变了人们的生活方式和沟通方式，还在各行各业中发挥着至关重要的作用。以下是计算机网络在信息时代的主要作用：

1. 信息获取与共享

互联网信息获取:
- 计算机网络，尤其是互联网，使得人们可以随时随地获取全球范围内的信息。通过搜索引擎、门户网站和在线数据库，人们可以轻松访问各种信息资源，包括新闻、学术文献、天气预报、股票行情等。
信息共享与协作:
- 计算机网络促进了信息共享和协作。通过电子邮件、即时通讯工具（如微信、Slack）、文件共享平台（如Google Drive、Dropbox）等，人们可以方便地共享信息和文件，进行远程协作。
开放教育资源:
- 在线教育平台（如Coursera、edX、网易公开课）提供了丰富的开放教育资源，使得人们可以免费或低成本地获取优质的教育资源，提升个人技能和知识水平。

2. 通信与社交

即时通信:
- 计算机网络使得即时通信成为可能。通过电子邮件、即时通讯工具（如微信、QQ、WhatsApp）、视频会议工具（如Zoom、Microsoft Teams）等，人们可以随时随地进行实时沟通和交流。
社交网络:
- 社交网络平台（如Facebook、Twitter、微博、微信）改变了人们的社交方式，使得人们可以方便地与朋友、家人和同事保持联系，分享生活点滴，参与社交活动。
远程工作与学习:
- 计算机网络支持远程工作和学习，使得人们可以在家中或任何有网络连接的地方进行工作和学习。特别是在疫情期间，远程工作和学习成为常态，计算机网络发挥了重要作用。

3. 电子商务与经济活动

电子商务:
- 计算机网络促进了电子商务的发展，使得人们可以在线购物、支付和交易。通过电子商务平台（如淘宝、京东、Amazon），人们可以方便地购买各种商品和服务。
在线支付与金融服务:
- 计算机网络支持在线支付和金融服务，使得人们可以在线进行银行转账、支付账单、投资理财等操作。通过在线支付平台（如PayPal、支付宝、微信支付），人们可以方便地进行跨境支付和交易。
数字经济:
- 计算机网络推动了数字经济的发展，催生了数字货币（如比特币、以太坊）、区块链技术、共享经济（如Uber、Airbnb）等新兴经济模式。

4. 技术创新与科学研究

云计算:
- 计算机网络支持云计算技术的发展，使得企业和个人可以按需获取计算资源（如计算能力、存储空间、软件服务等）。云计算降低了IT成本，提高了资源利用率，促进了技术创新。
大数据与人工智能:
- 计算机网络促进了数据共享和传输，使得大数据技术得以发展。通过对海量数据的分析和挖掘，企业可以获得有价值的信息和 insights，从而进行精准营销、风险控制、产品优化等。
科学研究:
- 计算机网络支持全球范围内的科学研究合作，使得科学家可以共享数据、工具和资源，进行跨学科、跨地域的合作研究。例如，天文学、生物学、物理学等领域的研究都依赖于大规模的数据传输和处理。

5. 文化与娱乐

数字媒体:
- 计算机网络促进了数字媒体的发展，使得人们可以在线观看电影、电视剧、综艺节目、直播等。通过流媒体平台（如Netflix、YouTube、腾讯视频），人们可以方便地获取各种数字媒体内容。
在线游戏:
- 计算机网络支持在线游戏的发展，使得人们可以在线进行多人游戏、竞技游戏、社交游戏等。通过游戏平台（如Steam、腾讯游戏），人们可以方便地与全球玩家互动和竞技。
虚拟现实与增强现实:
- 计算机网络支持虚拟现实（VR）和增强现实（AR）技术的发展，使得人们可以体验沉浸式的虚拟环境和增强现实体验。例如，VR游戏、VR教育、AR导航等应用都依赖于计算机网络的支持。

6. 社会与公共服务

电子政务:
- 计算机网络支持电子政务的发展，使得政府可以在线提供各种公共服务（如办理证件、缴纳税费、申请补贴等）。电子政务提高了政府服务效率，方便了市民办事。
智慧城市:
- 计算机网络是智慧城市建设的基础，支持智能交通、智能安防、智能医疗、智能环保等应用。例如，智能交通系统可以通过计算机网络实时监控和管理交通流量，提高交通效率和安全性。
医疗健康:
- 计算机网络支持远程医疗和健康监测，使得人们可以在线进行医疗咨询、预约挂号、远程诊断等。通过医疗健康平台（如平安好医生、春雨医生），人们可以方便地获取医疗服务。

7. 安全与隐私保护

网络安全:
- 计算机网络支持网络安全技术的发展，使得企业和个人可以保护自己的网络系统和数据安全。例如，防火墙、入侵检测系统（IDS）、加密技术等都是计算机网络的重要组成部分。
隐私保护:
- 计算机网络支持隐私保护技术的发展，使得人们可以更好地保护自己的个人信息和隐私。例如，匿名化技术、数据脱敏技术、隐私保护协议等都是计算机网络的重要应用。

总结

计算机网络在信息时代的作用是全方位的，涵盖了信息获取与共享、通信与社交、电子商务与经济活动、技术创新与科学研究、文化与娱乐、社会与公共服务以及安全与隐私保护等多个方面。计算机网络不仅改变了人们的生活方式和工作方式，还在推动社会进步和经济发展中发挥着至关重要的作用。

随着技术的不断发展，计算机网络的作用将会更加重要，未来我们将看到更多创新的应用和更广泛的影响。希望这个总结能够帮助您更好地理解计算机网络在信息时代的作用。

1.2互联网发展的三个阶段

1）第一阶段：从单个网络的ARPANET向互联网发展的过程

所有的链接在ARPANET上的主机都直接与就近的节点交换机相连。

2）第二阶段：三级结构的互联网

是一个三级计算机网络：主干网，地区网，校园网（企业网）。

3）第三阶段：全球范围的多层次的ISP结构的互联网

在互联网发展的第三阶段，全球互联网架构逐渐演变为一个多层次、多样化的ISP（互联网服务提供商）结构。这种结构不仅连接了全球范围内的用户和设备，还通过不同层次的ISP实现了网络的高效管理和扩展。这一阶段的互联网架构旨在满足全球用户日益增长的带宽需求、提供更可靠的服务，并支持复杂的网络应用。

ISP(Internet Service Provider)

提供互联网服务的人或公司或部门（eg:中国移动，中国电信，中国联通）

三层ISP结构的互联网的概念示意图

你上传的图片展示了一个具有三层ISP结构的互联网示意图，描述了不同网络节点之间的连接关系。以下是对图片内容的简明介绍：

1. 网络层级结构

内容提供者:
- 例如：Google、Netflix、Facebook等大型互联网公司。
- 连接: 直接连接到主干ISP，通过主干ISP将内容分发给全球用户。
主干ISP（Tier 1 ISP）:
- 全球互联网的核心骨干网络，拥有跨洲际的海底光缆和光纤网络。
- 连接: 连接多个地区ISP，并通过IXP（互联网交换点）与不同网络进行数据交换。
地区ISP（Tier 2 ISP）:
- 覆盖一个国家或地区，提供区域性的网络连接。
- 连接:
  - 上层连接到主干ISP。
  - 下层连接到本地ISP。
本地ISP（Tier 3 ISP）:
- 提供“最后一公里”接入服务，覆盖城市或特定区域。
- 连接:
  - 上层连接到地区ISP。
  - 下层直接连接到用户，包括大公司、校园网、公司A、主机B等。

2. 数据流动路径

图片中提供了一个具体的数据传输路径示例：
- 主机A -> 本地ISP -> 地区ISP -> 主干ISP -> 地区ISP -> 本地ISP -> 主机B
- 这意味着数据从主机A出发，经过本地ISP、地区ISP、主干ISP，再反向经过地区ISP和本地ISP，最终到达主机B。

3. 关键节点解释（node include IXP , University , company and so on.）

IXP（互联网交换点）:
- 不同网络之间进行数据交换的物理位置。
- 在图片中，IXP连接了地区ISP，促进了不同网络之间的数据交换。
大公司、校园网、公司A、主机B:
- 这些都是本地ISP的直接用户或网络节点。
- 校园网和公司网络通过本地ISP接入互联网。

4. 总结与作用

多层次结构: 图片展示了互联网的多层次ISP结构，从内容提供者到主干ISP，再到地区ISP和本地ISP，最终连接到用户。
数据流动: 数据通过不同层级的ISP进行传输，最终到达目标用户。
网络互联: IXP作为不同网络之间的连接点，促进了数据的高效交换。

5. 引导问题（如果你想进一步探讨）

你对这种三层ISP结构的优缺点有什么看法？
你认为这种结构在面对全球互联网流量增长时会有哪些挑战？
你对IXP的作用和重要性有什么了解？

以Bilibili为例讲解三层ISP结构的互联网

以Bilibili为例讲解三层ISP结构的互联网

我们可以更具体地以Bilibili为例，来理解三层ISP结构的互联网是如何运作的。Bilibili作为一个大型视频分享平台，其内容分发和数据传输过程很好地展示了互联网的多层次ISP结构。

1. Bilibili的角色

内容提供者（Content Provider）:
- Bilibili是一个视频分享平台，拥有大量用户上传的视频内容和自制的原创内容。
- Bilibili需要将这些视频内容分发给全球用户，尤其是中国用户。

2. 数据流动路径

当一个用户（例如，一个使用中国电信宽带的用户）想要观看Bilibili的视频时，数据流动路径如下：

Bilibili的数据中心:

- Bilibili将视频内容存储在位于主干ISP网络中的数据中心。
- 为了提高视频加载速度和用户体验，Bilibili通常会使用CDN（内容分发网络）技术，将内容缓存到靠近用户的网络节点。

主干ISP（Tier 1 ISP）:

- Bilibili的数据中心连接到中国电信的主干网络。
- 中国电信作为主干ISP，拥有覆盖全国的光纤网络，并与全球其他主干ISP互联互通。

地区ISP（Tier 2 ISP）:

- 数据从中国电信的主干网络流向用户所在地区的地区ISP（例如，上海市的中国电信地区网络）。
- 地区ISP负责将数据从主干网络传输到本地网络。

本地ISP（Tier 3 ISP）:

- 数据从地区ISP流向用户所在城市的本地ISP（例如，用户所在小区的宽带接入点）。
- 本地ISP直接连接到用户设备。

用户设备:

- 最终，数据通过本地ISP到达用户的设备，用户可以观看Bilibili的视频。

3. 具体案例分析

3.1 Bilibili的内容分发

CDN技术:
- Bilibili使用CDN技术，将视频内容缓存到靠近用户的网络节点（例如，地区ISP的服务器）。
- 例如，当用户在上海观看Bilibili的视频时，视频内容可能已经缓存在上海地区的CDN节点上，用户可以直接从本地获取数据，减少数据传输延迟。
主干ISP连接:
- Bilibili需要与主干ISP（如中国电信、中国联通）建立高速连接，以确保视频内容能够快速、稳定地分发到全国用户。
- Bilibili的数据中心通过主干ISP的网络，将内容传输到各个地区的CDN节点。

3.2 中国电信的网络架构

主干网络:
- 中国电信的主干网络连接了全国各省、市，并通过海底光缆与全球其他主干ISP互联互通。
- Bilibili的数据中心通过中国电信的主干网络，将视频内容传输到全国各地。
地区网络:
- 在各省，中国电信设有地区网络，负责将数据从主干网络传输到本地网络。
- 例如，上海市的中国电信地区网络会将Bilibili的视频内容传输到上海市的各个本地ISP。
本地接入:
- 中国电信在各个城市和地区提供宽带接入服务，用户通过本地ISP连接到中国电信的地区网络，最终连接到主干网络。
- 例如，用户所在小区的宽带接入点连接到上海市的中国电信地区网络。

4. IXP的作用

**互联网交换点（IXP）**是不同网络之间进行数据交换的物理位置。
在中国，Bilibili和中国电信可以通过IXP进行数据交换。
例如，Bilibili的数据中心可以通过IXP与中国联通、中国移动等不同ISP进行数据交换，实现跨网络的数据传输。

5. 案例总结

Bilibili作为内容提供者，通过主干ISP（如中国电信）将视频内容分发给全国用户。
中国电信作为主干ISP和地区ISP，提供了从主干网络到本地网络的完整网络架构，确保用户能够快速、稳定地访问Bilibili的内容。
CDN技术和IXP作为关键的技术和设施，进一步优化了数据分发和传输效率。

6. 实际应用中的挑战

带宽需求: 随着Bilibili用户数量的增加和视频质量的提升，对带宽的需求越来越高。中国电信需要不断扩展和维护其网络基础设施，以满足不断增长的带宽需求。
网络拥堵: 在高峰时段，用户访问量激增，可能会导致网络拥堵。中国电信需要通过流量工程和负载均衡技术，优化网络性能，确保用户能够获得流畅的观看体验。
网络安全: Bilibili和中国电信都需要加强网络安全防护，防止DDoS攻击、数据泄露等安全事件。

1.3互联网的组成

1）边缘部分

由所有链接在互联网上的主机组成，这部分是用户直接使用的，用来进行通信（传送数据，音频或视频）和资源共享。（包括个人电脑、智能手机、平板电脑、物联网设备（如智能家居设备））

主要功能

用户直接使用: 边缘部分的设备是用户直接操作和使用的终端设备，用户通过这些设备访问互联网。
通信: 用户可以通过边缘设备进行各种通信活动，例如：
- 发送和接收电子邮件
- 进行视频通话（如通过Zoom、Skype）
- 观看在线视频（如通过Bilibili、YouTube）
- 社交媒体互动（如通过微信、微博）
资源共享: 边缘设备可以访问和共享互联网上的各种资源，例如：
- 浏览网页
- 下载文件
- 访问云存储服务（如Google Drive、Dropbox）
- 使用在线应用程序（如Google Docs、Office 365）

2）核心部分

由大量的网络和连接这些网络的路由器组成。这部分是为边缘部分提供服务的。（提供连通性和交换）

主要功能

提供连通性: 核心部分的核心功能是将不同的网络连接起来，确保数据能够在全球范围内的网络中传输。
数据交换: 核心部分通过路由器和其他网络设备进行数据包的转发和交换。
- 当你访问一个网站或使用一个在线服务时，数据包会从你的设备（边缘部分）发送到核心部分，再通过核心部分传输到目标服务器（可能是另一个边缘设备）。
路由选择: 核心部分使用路由协议（如BGP，边界网关协议）来决定数据包的传输路径。路由器会根据网络拓扑结构和路由表选择最优的路径来传输数据。

1.4CS模式（用户-服务器模式）

1. 基本概念

客户（Client）:
- 客户是服务请求方，它主动向服务器发起请求。
- 客户程序运行在用户的设备上，比如你的手机、电脑等。
- 客户程序需要知道服务器的地址才能发起请求。
服务器（Server）:
- 服务器是服务提供方，它被动地等待客户请求并提供服务。
- 服务器程序通常运行在强大的硬件设备上，并使用高级操作系统。
- 服务器不需要知道客户的地址，因为它只负责响应请求。

2. 工作流程

1.客户发起请求:

- 客户程序运行后，主动向服务器发起服务请求。例如，你打开浏览器访问Bilibili网站，你的浏览器（客户程序）会向Bilibili的服务器发送请求。

2.服务器响应请求:

- 服务器接收到请求后，进行处理并返回结果。例如，Bilibili的服务器接收到你的请求后，会返回视频数据给你的浏览器。

3.数据传输:

- 客户和服务器之间的数据传输需要通过网络核心部分提供的服务，比如路由器、交换机等网络设备。

3. 主要特点

客户程序的特点：

主动发起通信: 客户程序主动向服务器请求服务。
轻量级: 客户程序不需要复杂的硬件或操作系统，通常运行在用户设备上。
需要知道服务器地址: 客户程序必须知道服务器的地址才能发起请求。

服务器程序的特点：

被动等待请求: 服务器程序一直运行，等待来自客户的请求。
处理多个请求: 服务器可以同时处理多个客户的请求。
需要强大硬件支持: 服务器程序通常运行在强大的硬件设备上，并使用高级操作系统。
不需要知道客户地址: 服务器只负责响应请求，不需要知道客户的地址。

4. 应用场景

Web服务: 浏览器（客户）向Web服务器请求网页，服务器返回网页数据。
文件下载/上传: 客户程序向文件服务器请求下载或上传文件。
邮件服务: 邮件客户端（客户）向邮件服务器发送或接收邮件。
数据库访问: 应用程序（客户）向数据库服务器请求数据。

5. 总结

客户-服务器模式是互联网中一种常见的通信模式，客户主动请求服务，服务器被动响应请求。
客户和服务器通过网络核心部分提供的服务进行通信。
这种模式广泛应用于Web服务、文件传输、邮件服务、数据库访问等场景。

1.5对等连接

如果C 向D请求服务的时候，C是客户，D是服务器。它们之间是对等的。D向C请求的时候，D是客户，C是服务器。

1. 基本概念

对等连接（P2P）:
- P2P是一种分布式网络架构，每个节点（计算机）在网络中都是平等的。
- 每个节点既可以作为客户端（请求服务），也可以作为服务器（提供服务）。
- 节点之间可以直接通信，不需要依赖中央服务器。

2. 工作方式

节点平等:
- 在P2P网络中，每个节点都运行相同的软件，既可以请求资源，也可以提供资源。
- 例如，在文件共享网络中，每个用户既是下载者（客户端），也是上传者（服务器）。
直接通信:
- 节点之间可以直接建立连接，进行数据传输，不需要通过中央服务器中转。
- 例如，计算机E可以直接与计算机F通信，计算机C可以直接与计算机D通信。
去中心化:
- P2P网络是去中心化的，没有单一的中央服务器控制整个网络。
- 网络的可靠性和稳定性由所有节点共同维护。

3. 主要特点

资源利用率高:
- 每个节点都可以贡献自己的资源（如带宽、存储空间），提高了整体网络的资源利用率。
高弹性:
- P2P网络具有很高的弹性，单个节点的故障不会影响整个网络的运行。
- 节点可以随时加入或离开网络，网络会自动调整。
可扩展性强:
- P2P网络可以很容易地扩展，随着更多节点的加入，网络容量和性能都会提高。

4. 应用场景

文件共享:
- 早期的P2P应用主要用于文件共享，如BitTorrent、eMule等，用户可以互相下载和上传文件。
分布式计算:
- P2P网络可以用于分布式计算，将计算任务分配给网络中的多个节点共同完成。
即时通讯:
- 一些即时通讯软件（如Skype）也使用P2P技术来提高通信效率和可靠性。
区块链:
- 区块链技术本质上也是一种P2P网络，所有节点共同维护一个分布式账本。

5. P2P网络的优势

去中心化: 没有单点故障，网络更稳定可靠。
高资源利用率: 每个节点都可以贡献资源，提高了整体效率。
可扩展性强: 节点可以随时加入或离开，网络可以动态调整。
成本低: 不需要昂贵的中央服务器，降低了运营成本。

6. 总结

对等连接（P2P）是一种分布式网络架构，每个节点既是客户端也是服务器，节点之间可以直接通信。
P2P网络具有去中心化、高资源利用率、高弹性和可扩展性强等特点。
P2P技术广泛应用于文件共享、分布式计算、即时通讯和区块链等领域。

1.6互联网的核心部分（路由器）

互联网的核心部分起到特殊作用是路由器（router），它是一种专用的计算机（但是不是主机）。路由器是实现分组交换（packet switching）的关键构建。

1）网段

路由器的每个端口指定的区域叫做网段。

1.7电路交换

1）步骤

建立连接->通话->释放连接

2）交换（switching）

交换就是按照某种方式动态地分配传输路线的资源。在使用电路交换之前，必须先拨号请求建立联系。

3）以打电话为举例

在使用电路交换打电话的之前，必须先拨号请求建立连接。当被叫用户听到交换机送来的振铃声并摘机后，从主机端到被叫端之间就建立了一条连接，也就是一条专用的物理通路。这条连接就保证了双方的通话时需要的通信资源，而这些资源在双方通信时不会被其他用户占用。此后双方才可以进行通话。在通话的时间内，通话的两个用户始终占用端到端的通信资源。