計算機網絡基礎
網絡組成
我們習慣稱今天的時代為雲時代，整個世界可以看作一張巨大的、立體的網。在這個時代里產生的各種服務，就好像水和電一樣，打開即用。透過這張巨大的網去觀察，里面還會有一個個小型的網絡。你可以想象，用無數個節點構成一個個小型網絡，再用小型網絡組成中型網絡，再組成大型網絡，以此類推，最后組成完整的一個如星河般的世界。
公司內網
如果你仔細分析一個小型網絡，比如一個公司網絡，就會得到下圖 1 所示的結構：
圖 1：公司內網結構示例
公司網絡從
本地網絡服務提供商 （Internet Service Provider） 接入，然后內部再分成一個個子網。上圖 1 中，你看到的線路，也被稱作
通信鏈路（Communication Link），用於傳輸網絡信號。你可以觀察到，有的網絡節點，同時接入了 2 條以上的鏈路，這個時候因為路徑發生了分叉，數據傳輸到這些節點需要選擇方向，因此我們在這些節點需要進行
交換（Switch）。
數據發生交換的時候，會先從一條鏈路進入交換設備，然后緩存下來，再轉發（切換）到另一條路徑，如下圖 2 所示：
圖 2：封包交換（Packet Switch）
交換技術的本質，就是讓數據切換路徑。因為，網絡中的數據是以分組或封包（Packet）的形式傳輸，因此這個技術也稱作
封包交換技術（Packet Switch）。
比如說，你要傳遞一首 2Mb 的 MP3 的歌曲，歌曲本身不是一次傳輸完成的，而是被拆分成很多個封包。每個封包只有歌曲中的一部分數據，而封包一旦遇到岔路口，就需要封包交換技術幫助每個封包選擇最合理的路徑。
在網絡中，常見的具有交換能力的設備是
路由器（Router）和鏈路層交換機（Link-Layer Switch）。通常情況下，兩個網絡可以通過路由器進行連接，多台設備可以通過交換機進行連接。
但是路由器通常也具有交換機的功能。
在上圖 1 中，公司內部網絡也被分成了多級子網。每個路由器、交換機構成一級子網。最高級的路由器在公司網絡的邊緣，它可以將網絡內部節點連接到其他的網絡（網絡外部）。本地網絡提供商（ISP）提供的互聯網先到達邊緣的路由器，然后再滲透到內部的網絡節點。公司內部的若干服務器可以通過交換機形成一個局域網絡；公司內部的辦公設備，比如電腦和筆記本，也可以通過無線路由器或者交換機形成局域網絡。
局域網絡之間，可以通過路由器、交換機進行連接，從而構成一個更大的局域網。
移動網絡
前面我們提到，網絡傳輸需要
通信鏈路（Communication Link），而通信鏈路是一個抽象概念。這里說的抽象，就是面向對象中抽象類和繼承類的關系，比如同軸電纜是通信鏈路，無線信號的發送接收器可以構成通信鏈路，藍牙信道也可以構成通信鏈路。
在移動網絡中，無線信號構成了通信鏈路。在移動網絡的設計中，通信的核心被稱作
蜂窩塔（Cellular Tower），有時候也稱作
基站（BaseStation）。之所以有這樣的名稱，是因為每個蜂窩塔只覆蓋一個六邊形的范圍，如果要覆蓋一個很大的區域就需要很多的蜂窩塔（六邊形）排列在一起，像極了蜜蜂的巢穴。這種六邊形的結構，可以讓信號無死角地覆蓋。想象一下，如果是圓形結構，那么圓和圓之間就會有間隙，造成一部分無法覆蓋的信號死角，而六邊形就完美地解決了這個問題。
圖 3：蜂巢網絡示意圖
對於構成移動網絡最小的網絡結構——蜂窩網絡來說，構造大體如圖 4 所示：
圖 4：蜂窩移動網絡構成
圖 4 中，國家或全球網絡提供商將網絡供給處於蜂窩網絡邊緣的路由器，路由器連接蜂窩塔，再通過蜂窩塔（基站）提供給處於六邊形地區中的設備。通常是國家級別的網絡服務提供商負責部署基站，比如中國電信、中國聯通。將網絡提供給一個子網的行為，通常稱為
網絡提供（Network Provider），反過來，對一個子網連接提供商的網絡，稱為
網絡接入（Network Access）。
隨着移動網絡的發展，一個蜂窩網格中的設備越來越多，也出現了基站覆蓋有重疊關系的網格，如下圖 5 所示：
圖 5 ：基站重疊的網格和邊緣計算節點
這樣設計的好處是，當一個基站過載、出現故障，或者用戶設備周邊信號出現不穩定，就可以切換到另一個基站的網絡，不影響用戶繼續使用網絡服務。
另一方面，在一定范圍內的區域，離用戶較近的地方還可以部署服務器，幫助用戶完成計算。這相當於計算資源的下沉，稱為
邊緣計算。相比中心化的計算，邊緣計算延遲低、鏈路短，能夠將更好的體驗帶給距離邊緣計算集群最近的節點。從而讓用戶享受到更優質、延遲更低、算力更強的服務。
家用網絡
還有一個值得討論的是家用網絡。近些年，家用聯網設備越來越多。比如說冰箱、空調、掃地機器人、燈光、電動窗簾……
圖 6： 家用網絡結構
如上圖 6 所示，家用網絡現在已經發展成一種網格狀的連接。一方面家用網絡會通過路由器接入本地 ISP 提供的網絡服務。另一方面，一些設備，比如電腦、筆記本、手機、冰箱等都可以直接和路由器連接。
路由器也承擔了鏈路層網關的作用，作為家用電器之間信息的交換設備。
還有一些家用設備，比如說 10 多塊錢的燈泡，不太適合內部再嵌入一個幾十塊錢可以接收 WI-FI 的芯片，這個時候就可以考慮用藍牙控制電燈。路由器提供藍牙不現實，因此一些家用電器也承擔了藍牙設備的控制器——比如說智能音箱。上圖 7 中的智能音箱把家用網絡帶向了一個網格狀，有的設備會同時連接路由器（WI-FI）和智能音箱，這樣手機和音箱都可以直接控制這些設備。這樣的設計，即便網絡斷開，仍然可以控制這些家用設備。
整體關系
以上，我們了解了 3 種常見的網絡：公司網絡、移動網絡和家用網絡。它們的整體關系如下圖 8 所示：
圖 7：互聯網整體結構
最頂部的全球或國家大型的 ISP 之間聯網，構成了網絡的主干。然后區域性的 ISP 承接主干網絡，在這個基礎之上再向家庭和公司提供接入服務。
移動蜂窩網絡因為部署復雜，往往也是由大型 ISP 直接提供。
數據的傳輸
上述的網絡結構中，由龐大數目的個人、公司、組織、基站，形成一個個網絡。在這些網絡中，傳遞數據不是一件容易的事情。
為了傳遞數據，在網絡中有幾個特別重要的抽象。最終提供服務或者享受服務的設備，稱為
終端（Terminal），或者端
系統（End System），有時候簡單稱為
主機（Host）。比如說：電腦、手機、冰箱、汽車等，我們都可以看作是一個主機（Host）。
然后，我們可以把網絡傳輸分成兩類，一類是
端到端（Host-to-Host）的能力，由 TCP/IP 協議群提供。還有一類是廣播的能力，是一對多、多對多的能力，可以看作是端到端（Host-to-Host）能力的延伸。
你可以思考一下，一個北京的主機（Host）向一個深圳的主機（Host）發送消息。那么，中間會穿越大量的網絡節點，這些節點可以是路由器、交換機、基站等。在發送消息的過程中，可能跨越很多網絡、通過很多邊緣，也可能會通過不同的網絡提供商提供的網絡……而且，傳輸過程中，可能會使用不同材質的通信鏈路（Communication Link），比如同軸電纜、雙絞線、光纖，或者通過無線傳輸的 WI-FI、衛星等。
網絡基礎設施往往不能一次性傳輸太大的數據量，因此通常會將數據分片傳輸。比如傳輸一個 MP3，我們會將 MP3 內容切分成很多個組，每個組也稱作一個封包，英文都是 Packet。這樣，如果一個封包損壞，只需要重發損壞的封包，而不需要重發所有數據。你可以類比下中文的活字印刷技術。
另一方面，網絡中兩點間的路徑非常多，如果一條路徑阻塞了，部分封包可以考慮走其他路徑。發送端將數據拆分成封包（Packet），封包在網絡中遇到岔路，由交換器和路由器節點決定走向，圖 8中是對封包交換技術的一個演示。
圖 8：封包交換技術