软件设计师笔记-网络基础知识

计算机网络的发展

计算机网络（计算机技术+通信技术）的发展是一个逐步演进的过程，从简单的具有通信功能的单机系统，到复杂的以局域网及因特网为支撑环境的分布式计算机系统，这一历程经历了多个关键阶段：

计算机网络的功能

数据通信（Data Communication）：
数据通信是计算机网络最基本的功能。它允许网络中的设备（如计算机、服务器、打印机等）通过数据链路相互交换信息。这些信息可以是文本、图像、音频、视频等任何形式的数字数据。数据通信通过一系列的网络协议和标准来实现，确保了数据在传输过程中的准确性、完整性和及时性。
资源共享（Resource Sharing）：
资源共享是计算机网络的重要优势之一。它允许网络中的用户和设备共享硬件资源（如打印机、存储设备）、软件资源（如数据库、应用程序）以及信息资源（如网站、文件）。这种共享不仅提高了资源的利用率，还降低了用户的成本。例如，在一个局域网中，多台计算机可以共享一台打印机，而无需为每台计算机都配备打印机。
负载均衡（Load Balancing）：
负载均衡是一种用于优化网络性能和资源利用的技术。它通过将网络请求或数据流分散到多个服务器或网络设备上，以减少单一设备的负载压力，提高整个网络的吞吐量和响应速度。负载均衡可以基于多种策略进行，如轮询、最少连接数、IP哈希等。在大型网站或高流量应用中，负载均衡是确保服务稳定性和高可用性的关键措施。
高可靠性（High Reliability）：
高可靠性是计算机网络设计的重要目标之一。它指的是网络能够在面对各种故障和异常情况时，仍然能够保持服务的连续性和数据的完整性。为了实现高可靠性，网络通常会采用冗余设计、备份机制、故障恢复策略等多种手段。例如，通过在网络中部署多个路由器和交换机，并配置适当的路由协议和故障转移机制，可以在一个设备发生故障时，自动将流量转移到其他设备上，从而确保网络的连通性和服务的连续性。

计算机网络的分类

计算机网络的分类主要依据其覆盖的地理范围大小来区分，常见的分类包括局域网（LAN）、城域网（MAN）和广域网（WAN），每种网络类型都有其特定的应用场景和特点。以下是这三种网络类型的详细介绍：

局域网（Local Area Network, LAN）
- 定义：局域网是指在较小的地理范围内（如办公室、学校、工厂等），将各种计算机、外设和数据库等互相连接起来，实现资源共享和通信的计算机网络。
- 覆盖范围：通常从几米到十几公里（但通常所说的LAN主要指覆盖10米至1000米的网络），具体取决于使用的传输媒介和技术。
- 特点：数据传输速率高，误码率低，成本低，易于管理和维护。
- 应用：适用于小型或中型企业、学校、机关等需要内部资源共享和通信的场所。
城域网（Metropolitan Area Network, MAN）
- 定义：城域网是一种大型的局域网，其覆盖范围通常是一个城市或地区，用来连接多个局域网或大型企业、机关等。
- 覆盖范围：一般为几公里到几十公里，具体取决于城市的规模和布局。
- 特点：传输速率较高，能够提供数据、语音和图像等多种业务的综合通信服务。
- 应用：适用于城市范围内的数据通信和资源共享，如城市宽带网络、政府机关的专网等。
广域网（Wide Area Network, WAN）
- 定义：广域网是一种跨地区的数据通信网络，通常覆盖一个国家或几个国家，甚至全球范围。
- 覆盖范围：从几十公里到数千公里甚至更远，是连接不同地区局域网或城域网的主要手段。
- 特点：覆盖范围广，传输速率相对较低（但与具体的通信技术和设备有关），通信成本较高，需要采用复杂的路由协议和传输控制技术。
- 应用：适用于大型企业、跨国公司的全球通信和资源共享，以及互联网服务提供商（ISP）为用户提供的互联网接入服务等。

网络拓扑结构

网络拓扑结构是描述网络中各个节点（如计算机、交换机、路由器等）之间的物理或逻辑连接方式的图形表示，不同的拓扑结构适用于不同的网络需求和环境。

总线型拓扑结构：
- 在总线型网络中，所有的节点都通过一条共享的通信线路（总线）连接。
- 优点：结构简单，成本低，易于扩展。
- 缺点：一旦总线出现故障，整个网络可能瘫痪；且总线上的通信距离和节点数量有限制。
- 示例：早期的以太网和令牌环网（Token Ring）多采用总线型结构。
星型拓扑结构：
- 在星型网络中，每个节点都通过点到点的方式连接到中央节点（如集线器、交换机）。
- 优点：易于管理和维护，易于扩展，单个节点故障不会影响到整个网络。
- 缺点：对中央节点的依赖性强，一旦中央节点出现故障，整个网络可能瘫痪。
- 示例：现代局域网（LAN）中广泛使用星型拓扑结构。
环型拓扑结构：
- 在环型网络中，节点通过点对点的方式连接成一个闭合的环。
- 优点：结构简单，传输延迟确定。
- 缺点：网络扩展性差，节点故障可能导致整个网络瘫痪（除非有环路保护机制）。
- 示例：早期的令牌环网（Token Ring）和FDDI（光纤分布式数据接口）网络采用环型拓扑结构。
树型拓扑结构：
- 树型拓扑结构是星型拓扑结构的扩展，每个节点可以进一步向下扩展成星型结构。
- 优点：结构清晰，易于管理和维护，易于扩展。
- 缺点：对根节点的依赖性强，一旦根节点或关键链路出现故障，可能影响整个网络。
- 示例：大型网络或企业网络中，常采用树型拓扑结构来组织和管理网络。
分布式拓扑结构：
- 分布式拓扑结构没有严格的布线规定和形状，各节点之间有多条线路相连，形成复杂的网状结构。
- 优点：网络可靠性高，容错能力强，数据传输效率高。
- 缺点：结构复杂，成本较高，管理和维护难度较大。
- 示例：互联网（Internet）和大型企业网络中的核心部分常采用分布式拓扑结构。