Fundamentals of computer networks

欢迎来到计算机网络的世界！

在本章中，我们将探索计算机之间是如何“对话”的。无论是你发送 WhatsApp 消息、玩在线游戏，还是使用 Google 搜索资料，你都在使用计算机网络。在阅读完这些笔记后，你将会了解不同类型的网络、它们的架构方式，以及为了确保数据安全且快速传输所必须遵循的“规则”。

1. 什么是计算机网络？

计算机网络 (Computer Network) 是指将两台或多台计算机（或其他设备）连接起来，以便它们可以通信和共享资源。

为什么要连接它们？（优点）：
- 共享硬件： 办公室里的每个人都可以使用同一台打印机。
- 共享文件： 你可以在不同的计算机上处理同一个文档。
- 通信： 发送电子邮件或即时消息。
- 集中更新： 软件可以同时安装在所有计算机上。

缺点：
- 安全风险： 黑客或病毒可以更容易地在网络中传播。
- 成本： 你需要额外的硬件（如电缆和交换机），这可能会很昂贵。
- 管理： 大型网络通常需要专人（网络管理员）来维护其运作。

快速重温：基本概念

网络： 为了共享资源而连接在一起的设备。
主要目标： 通信与资源共享。

2. 网络类型：PAN、LAN 和 WAN

并非所有网络的大小都相同。我们根据它们覆盖的地理区域来进行分类。

个人区域网络 (PAN)

PAN 是最小型的网络，用于连接一个人身边极近距离的设备。对于本课程，你只需考虑 蓝牙 (Bluetooth) 即可。
例子：将无线耳机连接到你的智能手机。

局域网 (LAN)

LAN 覆盖较小的地理区域，例如一间屋、一所学校或一栋办公大楼。
- 拥有权： 通常由使用它的个人或机构拥有和管理（例如：你的学校拥有自己的 LAN）。
- 硬件： 使用 以太网 (Ethernet) 电缆或 Wi-Fi。

广域网 (WAN)

WAN 覆盖广大的地理区域，例如一个城市、一个国家，甚至是整个世界。
- 拥有权： 通常由集体或分布式所有。它们使用卫星或电话线等外部设备。
- 终极例子： 互联网 (Internet) 是世界上最大的 WAN。

记忆小撇步：
- PAN = Private（私人的，只属于我和我的设备）
- LAN = Local（局部的，我的建筑物）
- WAN = Wide（广阔的，全世界）

重点总结： LAN 和 WAN 之间的主要区别在于它们覆盖的 地理区域 以及谁 拥有 这些硬件。

3. 有线与无线

计算机可以通过物理电缆连接，也可以通过空气中的无线电波连接。

有线连接

- 铜缆： 使用电信号。它便宜且普及，但信号在长距离传输时会衰减。
- 光纤 (Fibre Optic)： 使用脉冲光信号。速度极快，且传输距离长且不易损耗信号。它是互联网“骨干”的完美选择。

无线连接

- Wi-Fi： 使用无线电波来传送数据。
- 优点： 你可以带着笔记本电脑或手机自由移动。
- 缺点： 速度可能比有线慢，且信号会被厚墙阻挡。

你知道吗？ Wi-Fi 其实是一个注册商标！无线网络的技术术语是 WLAN (Wireless Local Area Network)。

4. 网络拓扑（布局方式）

拓扑 (Topology) 是一个专业词汇，用来形容网络中设备的排列方式。

星型拓扑 (Star Topology)

在 星型拓扑 中，每个设备都连接到中央的 交换机 (switch) 或 集线器 (hub)。
- 优点： 如果一条电缆损坏，只有该设备受影响。其余网络保持正常运作！
- 缺点： 如果中央交换机发生故障，整个网络就会瘫痪。

总线拓扑 (Bus Topology)

在 总线拓扑 中，所有设备都连接到一条称为 主干 (backbone) 的单一主要电缆上。
- 优点： 对于少量计算机而言，非常便宜且容易架设。
- 缺点： 如果主干电缆被切断，整个网络就会崩溃。如果同时有太多人使用，速度会变得非常缓慢。

常见错误： 不要搞混这两者！在考试中，如果被问及“选择最合适的拓扑”，星型 通常是学校和办公室更好的选择，因为它更可靠。

5. 网络协议（规则）

协议 (Protocol) 是一套规范数据如何传送和接收的规则。把它想象成一种语言；如果两台计算机没有使用相同的协议，它们就无法理解对方。

你需要知道的常见协议：

- Ethernet： LAN 中有线连接的规则。
- Wi-Fi： 无线连接的规则。
- TCP (传输控制协议)： 将数据分解成“数据包 (packets)”，并确保它们安全地按顺序到达。
- UDP (用户数据报协议)： 类似于 TCP，但速度更快，因为它不检查数据是否到达。非常适合 在线游戏 或 视频流，因为这些场合速度比完美更重要。
- IP (互联网协议)： 负责“寻址”。它确保数据包被发送到互联网上的正确目的地。
- HTTP/HTTPS： 由浏览器用于访问网站。HTTPS 中的“S”代表 Secure（安全）（数据经过加密）。
- FTP (文件传输协议)： 专门用于在计算机之间传输文件。
- SMTP (简单邮件传输协议)： 用于 发送 电子邮件。
- IMAP (互联网邮件访问协议)： 用于在服务器上 接收 和管理电子邮件。

快速重温表：
发送电子邮件： SMTP
接收电子邮件： IMAP
网页浏览： HTTP / HTTPS
快速但“不可靠”的数据： UDP

6. 四层 TCP/IP 模型

为了让网络管理更简单，我们将过程拆分为 层 (layers)。每一层都有特定的工作。如果觉得复杂也不用担心，只要把它想象成寄信的邮政流程即可。

1. 应用层 (Application Layer)： 这是你的应用程序所在的地方（浏览器、电子邮件）。协议：HTTP, HTTPS, SMTP, IMAP, FTP。
2. 传输层 (Transport Layer)： 这一层建立两台计算机之间的通信，并协议数据包大小等事宜。协议：TCP, UDP。
3. 互联网层 (Internet Layer)： 这一层负责在网络中对数据包进行寻址和路由。协议：IP。
4. 链路层 (Link Layer)： 这是硬件所在的地方（网卡和电缆）。它负责实际的物理数据传输。协议：Ethernet。

类比：寄信
- 应用层： 你写好信件内容。
- 传输层： 你将信放入信封并封好。
- 互联网层： 你在信封正面写上地址。
- 链路层： 邮差亲自将信件送到目的地。

7. 网络安全

由于网络对许多人开放，我们需要保护它。以下是四种主要的方法：

- 身份验证 (Authentication)： 检查用户是否为其本人（通常使用 用户名和密码）。
- 加密 (Encryption)： 将数据编码，这样即便黑客窃取了资料，没有特殊的“密钥”也无法阅读。
- 防火墙 (Firewall)： 一种监控进入和离开网络流量的软件或硬件。它根据一组规则来拦截任何可疑行为。
- MAC 地址过滤： 每个设备都有一个唯一的物理“指纹”，称为 MAC 地址。网络可以设置为仅允许特定的 MAC 地址连接。这就像是为你的 Wi-Fi 准备一份 VIP 客人名单。

重点总结： 这些方法结合使用时效果最好。防火墙阻止入侵者，而加密则确保即使他们闯入，拿到的数据也毫无用处。

总结：考试必备小撇步

1. LAN 与 WAN： 记住地理区域和拥有权的区别。
2. 协议： 准备好解释像 SMTP 或 HTTPS 等特定协议的功能。
3. 层级： 记住顺序（应用层、传输层、互联网层、链路层）。
4. 安全： 理解防火墙是用于 监控流量，而身份验证是用于 核实身份。