计算机网络是现代信息社会的基石，它将分散在不同地理位置的计算机系统通过通信设备和线路连接起来，实现资源共享和信息交换。本笔记旨在对计算机网络进行一个宏观的总览，为后续深入学习奠定基础。
一、计算机网络的定义与功能
计算机网络是指将多台具有独立功能的计算机及其外部设备，通过通信线路和通信设备连接起来，在网络操作系统、网络管理软件及网络通信协议的管理和协调下，实现资源共享和信息传递的计算机系统。其主要功能包括：
- 数据通信：这是计算机网络最基本的功能，实现计算机之间快速、可靠的信息传输。
- 资源共享：包括硬件资源（如打印机、大容量存储设备）、软件资源和数据资源的共享，避免了重复投资，提高了资源利用率。
- 分布式处理与负载均衡：将大型任务分解，交由网络中的多台计算机并行处理，提高系统的处理能力和可靠性。
- 提高系统可靠性与可用性：网络中一台计算机的故障通常不会导致整个系统瘫痪，重要的资源可以通过网络在其他设备上获得备份。
二、计算机网络的分类
计算机网络的分类方式多样，常见的分类标准包括：
- 按覆盖范围（地理范围）划分：
- 个人区域网 (PAN)：范围最小，如蓝牙连接。
- 局域网 (LAN)：覆盖范围有限，如一个办公室、一栋楼或一个园区。特点是传输速率高、误码率低、拓扑结构规整。
- 城域网 (MAN)：覆盖一个城市。
- 广域网 (WAN)：覆盖范围广阔，如一个国家或全球。互联网是最大的广域网。
- 按传输技术划分：
- 广播式网络：所有联网计算机共享一个公共通信信道，一台计算机发送信息，网络中的所有计算机都能接收到。
- 点对点网络：使用一对一的连接，数据从源节点经过一系列中间节点的存储转发，最终到达目的节点。
- 按拓扑结构划分：描述网络中节点（计算机、交换机、路由器等）和链路（连接线路）的几何排列形式。常见的有总线型、星型、环型、树型和网状型。
- 按使用者划分：
- 公用网：面向公众提供服务的网络，如电信运营商的网络。
- 专用网：某个部门或组织为自身业务需要而建造的网络，如政府、军队、银行的内部网络。
三、计算机网络体系结构：分层的艺术
为了降低网络设计的复杂性，计算机网络普遍采用分层结构。每一层都建立在下一层之上，并为上一层提供服务，同时屏蔽实现细节。这种思想的核心是“协议”和“服务”。
- 协议：为进行网络中的数据交换而建立的规则、标准或约定。它规定了通信实体之间所交换消息的格式、意义、顺序以及针对收到信息或发生事件所采取的动作。协议的三要素是：语法（数据格式）、语义（控制信息含义）和时序（事件顺序）。
- 服务：下层为紧邻的上层提供的功能调用。服务通过“服务访问点”提供。
国际上广泛接受的标准化模型是 OSI（开放系统互连）参考模型（七层模型）和 TCP/IP参考模型（四层模型）。实际应用中，常采用一种折中的 五层体系结构，自下而上依次为：
- 物理层：传输原始比特流，定义机械、电气、功能和规程特性。
- 数据链路层：在相邻节点间提供可靠的数据帧传输，处理差错控制、流量控制等问题。
- 网络层：负责为分组交换网上的不同主机提供通信服务，实现路由选择、拥塞控制和网际互联。核心协议是IP。
- 运输层：为两台主机中进程之间的通信提供通用的数据传输服务，主要协议有TCP（可靠的、面向连接的）和UDP（不可靠的、无连接的）。
- 应用层：为用户的应用进程提供网络服务接口，包含大量协议，如HTTP、FTP、SMTP、DNS等。
四、关键性能指标
- 速率 (比特率)：单位时间内传输的数据量，基本单位是比特/秒(bps)。常说的带宽在数值上通常指最高速率。
- 时延：数据从网络的一端传送到另一端所需的时间。总时延 = 发送时延 + 传播时延 + 处理时延 + 排队时延。
- 吞吐量：单位时间内通过某个网络的实际数据量。
- 往返时间RTT：从发送方发送数据开始，到发送方收到来自接收方的确认所经历的时间。
- 利用率：包括信道利用率和网络利用率。根据排队论，网络利用率并非越高越好，高利用率会导致时延急剧增加。
计算机网络是一个复杂而精妙的系统。理解其总览性的定义、功能、分类、体系结构和性能指标，是后续深入学习各层协议细节、网络设备原理以及互联网技术的必备前提。在接下来的笔记中，我们将逐层剖析这个迷人的世界。
