我报名参加金石计划 1 期挑战 —— 瓜分 10 万奖池，这是我的第 1 篇文章，点击查看活动详情。
什么是计算机网络？
计算机网络将计算机、打印机等外围设备连接在一起以实现交流和共享资源的目的。计算机网络可以在不同类型的设备之间传输语音、视频流、文字和图像数据。
网络四要素
所有的网络都有四个共同的基本要素：
设备（Device）
用于彼此交换消息，可分为终端设备和中间设备两种。
终端设备（End device）
发送和接收消息的设备，也称为主机（host）或端系统（end system）。
中间设备（Intermediary device）
转发和处理消息的设备，其中包括集线器（hub）、交换机（switch）和路由器（router）。这些设备的用途会在之后的小节中探讨。
介质（Medium）
互连设备的介质可以是有线或无线的。有线介质主要有双绞线（twisted pair）、同轴电缆（coaxial）和光纤（optical fiber）三种。
图片来源（从左往右）：
www.freeimageslive.co.uk/free_stock_…
en.wikipedia.org/wiki/Coaxia…
commons.wikimedia.org/wiki/File:C…
消息（Message）
所有类型的消息（包括网页、邮件、视频、即时消息、通话聊天等）在发送到目的地之前都必须转换为数字信号。数字信号以二进制表示，取值为 0 或 1。
规则（Rule）
协议（protocol）是网络设备之间沟通的规则。其中一个大家比较熟悉的例子是 TCP/IP（Transimission Control Protocol/Internet Protocol，传输控制协议/网际协议）。TCP/IP 指定了消息格式、寻址和路由机制，确保我们的消息能准确地传递给正确的接收者。
网络类型
LAN
局域网（Local Area Network，LAN）是一种适用于办公室或家庭等单一服务据点内的网络。如今的 LAN 环境主流采用的是以太网（Ethernet）。该技术标准（IEEE 802.3）规定了物理连线、电子信号和介质访问控制的内容（flag：之后会单独发一篇文章聊聊）。
除此之外，局域网也可以是无线的，称为 WLAN（Wireless Local Area Network）。这种方式的网络连接使用无线电波在主机和路由器之间传输信息。根据发送的数据量，电波频率可以为 2.4 GHz 或 5 GHz 等（这两者较为常见）。WLAN 的协议标准是 IEEE 802.11，也就是大家熟知的 Wi-Fi（Wireless Fidelity，无线保真技术）。
WAN
广域网（Wide Area Network，WAN）是一种让据点和据点之间相互连接的网络。如果一个组织的位置相隔很远，那么我们可能需要通过电信服务提供商（Telecommunications Service Provider，TSP）来互联不同地方的 LAN。
补充：
按空间范围分类，网络类型可以由小到大分为以下 8 种：
- Nanonetwork，纳米网络 —— 分子通信
- Body Area Network，体域网 —— 可穿戴、可嵌入设备网络
- Personal Area Network，个人局域网 —— 可随身携带或数米之内的设备网络
- Local Area Network，局域网 —— 建筑内的网络
- Campus Area Network，园区网 —— 在有限地理区域内的网络
- Metropolitan Area Network，城域网 —— 城市或都会区的大型网络
- Radio Access Network，无线电接入网 —— 移动网络，基站
- Wide Area Network，广域网 —— 横跨国家、洲的国际性网络
(知道有这么一回事即可)
Internet 与 Intranet：
Internet
互联网（Internet）通过使用中间设备连接全球的网络，成为一个横世界性的通讯网络。这个过程/技术称为网络互联（internetworking）。
值得一提的是，Internet 一定是 WAN，但 WAN 不一定是 Internet。
Intranet
内部网（Intranet）指的是属于某个机构的私人 LAN 或 WAN 专用连接。内部网只能由机构的成员、员工或其他获得授权的人访问。
网络拓扑结构
网络拓朴指的是构成网络的成员间特定的排列方式，也就是设备之间得物理连通性。
星形（Star）
设备通过网络集中设备（例如：集线器或交换机）连接在一起。所有数据在继续到达目的地之前都会通过中央节点。
优点：
- 结构简单，便于调试；
- 控制简单，添加或删除某个站点非常容易；
- 集中管理，可方便地提供服务和网络重新配置；
- 容易检测和隔离故障；
- 如果有某台设备发生故障或某条电缆中断，其他设备不受影响。
缺点：
- 线路利用率不高，一条线路只被该线路上的中央节点和一个节点使用；
- 如果中央节点出现故障，则所有设备受到影响；
- 安装和维护成本高，需要大量电缆。
总线型（Bus）
（过时技术，现在不怎么用了）
一条主缆线（同轴电缆）负责串接所有设备，也就是整个网络的骨干（backbone）。骨干的两端必须安装终结器（terminator）。终结器能吸收到达末端的信号，避免反射，对其他信号造成干扰。
如果两个或以上的设备在同一时间传输信号，信号之间会发生干扰并产生碰撞。碰撞发生时，涉及的设备会等待一段时间（随机）后再重新发送。这种方案被称为载波侦听多路访问/碰撞检测（Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection，CSMA/CD）。此方案也应用于以太网标准。更准确地说，总线拓扑是以太网的第一个实现。
补充：
图片来源：upload.wikimedia.org/wikipedia/c…BNC-T 型头，用于将设备连接到骨干（上图中黑色的电缆）上。
图片来源：upload.wikimedia.org/wikipedia/c…BNC 终结器，其实就是一个 50 Ω 至 250 kΩ 的大电阻。
优点：
- 使用的电缆更少；
- 实现成本低。
缺点：
- 如果有一部分主缆上中断时，整个网络都会中断；
- 添加或移除设备时会导致电缆不闭合，产生信号干扰；
- 问题排查难度较大；
- 设备越多，传输速度越慢。
环形（Ring）
（现如今不常用）
每台设备都以闭环的形式相互连接。数据围绕环发送，直到送达目的地。
优点：
- 结构简单；
- 简化了路径选择的控制；
- 不需要服务器控制网络连接；
- 碰撞少，在高流量时传输速度较快。
缺点：
- 设备越多，传输速度越慢；
- 不易扩展：如果要新添加或移动结点，就必须中断整个网络；
- 任何一个节点出故障都会造成整个网络瘫痪。
网状（Mesh）
每台设备都连接到网络上的所有其他设备。由于拥有如此多的连接，这种结构可以很好地处理故障。
优点：
- 可靠性高，常用于广域网；
- 传输延迟小：采用多种通信信道，多种传输速率。
缺点：
- 费用高；
- 结构复杂，不易维护；
混合型（Hybrid）
混合型结构是不同拓扑结构的组合形式，其中较为常见的是树形结构：
树状结构是星形结构和总线结构的混合。这是一种分层结构，每个节点可以有任意数量的子节点。这种结构适用于分级管理和控制系统。
优点：
- 成本低；
- 拓展性高；
- 故障隔离方便：如果某一分支的节点或线路发生故障，很容易将这个分支和整个系统隔离开来。
缺点：
- 对根节点的依赖性大：如果根节点发生故障，则整个网络都不能正常工作；
- 流量更为密集：部分数据需要通过中央电缆传输。
网络设备
集线器（Hub）
图片来源：upload.wikimedia.org/wikipedia/c…
集线器能对数据进行转发，使得设备之间可以互连互通。集线器本身不能识别目的地址，数据包在以集线器为架构的网络上是以广播方式传输的，由每一台终端通过验证数据包头的地址信息来确定是否接收。
由于集线器在一个时钟周期中只能传输一组信息，在设备较多的情况下，集线器的工作效率很差，信息容易发生堵塞和碰撞。
交换机（Switch）
图片来源：upload.wikimedia.org/wikipedia/c…
交换机是一个比较“聪明”的集线器，具备自动寻址能力和交换作用。它能根据所传递信息包的目的地址，将每一信息包独立地从源端口送至目的端口，避免了和其他端口发生碰撞。
当交换机的控制电路收到数据包以后，处理端口会查找内存中的地址对照表以确定目的 MAC 地址（硬件地址）挂接在哪个端口上，通过内部交换矩阵将数据包从目的端口传出。
如果目的 MAC 地址若不存在，交换机才广播到所有的端口。接收端口回应后，交换机会“学习”新的地址，并把它添加入内部地址表中。
路由器（Router）
图片来源：upload.wikimedia.org/wikipedia/c…
集线器和交换机只负责本地网络内的数据交换。要与本地网络以外的主机交换信息，我们需要一个能读懂 IP 地址的设备 —— 路由器。
路由器是网络的“出入口”，也就是默认网关（default gateway）。它提供路由（决定数据包的“传递”路径）和转送（发送数据包至下一个“地点”）两种重要的机制。
补充：
具体来说，当主机 A 要发送数据给主机 B 且两台主机不在同一个子网时，主机 A 会将数据发送给路由器。路由器会通过算法决定数据的去向，也就是下一个路由器的位置，并转发过去。就这样经过了 N 次跳，数据最终来到主机 B 所在的网络。
在这个过程中 IP 地址和 MAC 地址扮演了关键的角色，而两者之间的映射涉及到 ARP 协议。相关内容可以看看这篇文章：【图解 ARP 协议】反手一个 ARP 投毒，学校的网络瘫了……
网络模型
C/S 模型
在客户端/服务器模型（Client-Server model）中，多个客户端向中央服务器请求资源。
特点：
- 集中管理和控制；
- 服务器向客户端计算机提供数据、服务和应用程序；
- 可扩展 —— 可以支持大型网络；
- 高安全性，访问基于权限。
P2P 模型
在端到端模型（Peer-to-Peer model）中，每个节点即是客户端也是服务器，负责向其他节点提供资源。
特点：
- 适用于小型网络（少于 15 个用户）；
- 低成本；
- 非中心化 —— 用户文件不储存在一个中心地点；
- 无需网络管理员，用户自行管理各自的资源。
模型对比：
| C/S 模型 | P2P 模型 | |
|---|---|---|
| 优点 |
|
|
| 缺点 |
|
|
参考资料
课纲来源于国外某知名院校的《计算机网络基础》课程。
- en.wikipedia.org/wiki/Comput…
- zh.wikipedia.org/wiki/%E7%BD…
- zh.wikipedia.org/wiki/%E6%98…
- zh.wikipedia.org/wiki/%E7%92…
- baike.baidu.com/item/%E7%BD…
- zh.wikipedia.org/wiki/%E6%A8…
- www.geeksforgeeks.org/advantages-…
- isaaccomputerscience.org/concepts/ne…
- www.youtube.com/watch?v=zbq…
- www.cnblogs.com/myblesh/art…
- www.youtube.com/watch?v=1z0…
- 《MIS 一定要懂的 82 個網路技術知識》—— Chapter 1：網路基礎知識
