计算机网络基础之网络组成
计算机网络基础
网络组成
我们习惯称今天的时代为云时代，整个世界可以看作一张巨大的、立体的网。在这个时代里产生的各种服务，就好像水和电一样，打开即用。透过这张巨大的网去观察，里面还会有一个个小型的网络。你可以想象，用无数个节点构成一个个小型网络，再用小型网络组成中型网络，再组成大型网络，以此类推，最后组成完整的一个如星河般的世界。
公司内网
如果你仔细分析一个小型网络，比如一个公司网络，就会得到下图 1 所示的结构：
图 1：公司内网结构示例
公司网络从本地网络服务提供商 （Internet Service Provider） 接入，然后内部再分成一个个子网。上图 1 中，你看到的线路，也被称作通信链路（Communication Link），用于传输网络信号。你可以观察到，有的网络节点，同时接入了 2 条以上的链路，这个时候因为路径发生了分叉，数据传输到这些节点需要选择方向，因此我们在这些节点需要进行交换（Switch）。
数据发生交换的时候，会先从一条链路进入交换设备，然后缓存下来，再转发（切换）到另一条路径，如下图 2 所示：
图 2：封包交换（Packet Switch）
交换技术的本质，就是让数据切换路径。因为，网络中的数据是以分组或封包（Packet）的形式传输，因此这个技术也称作封包交换技术（Packet Switch）。
比如说，你要传递一首 2Mb 的 MP3 的歌曲，歌曲本身不是一次传输完成的，而是被拆分成很多个封包。每个封包只有歌曲中的一部分数据，而封包一旦遇到岔路口，就需要封包交换技术帮助每个封包选择最合理的路径。
在网络中，常见的具有交换能力的设备是路由器（Router）和链路层交换机（Link-Layer Switch）。通常情况下，两个网络可以通过路由器进行连接，多台设备可以通过交换机进行连接。但是路由器通常也具有交换机的功能。
在上图 1 中，公司内部网络也被分成了多级子网。每个路由器、交换机构成一级子网。最高级的路由器在公司网络的边缘，它可以将网络内部节点连接到其他的网络（网络外部）。本地网络提供商（ISP）提供的互联网先到达边缘的路由器，然后再渗透到内部的网络节点。公司内部的若干服务器可以通过交换机形成一个局域网络；公司内部的办公设备，比如电脑和笔记本，也可以通过无线路由器或者交换机形成局域网络。局域网络之间，可以通过路由器、交换机进行连接，从而构成一个更大的局域网。
移动网络
前面我们提到，网络传输需要通信链路（Communication Link），而通信链路是一个抽象概念。这里说的抽象，就是面向对象中抽象类和继承类的关系，比如同轴电缆是通信链路，无线信号的发送接收器可以构成通信链路，蓝牙信道也可以构成通信链路。
在移动网络中，无线信号构成了通信链路。在移动网络的设计中，通信的核心被称作蜂窝塔（Cellular Tower），有时候也称作基站（BaseStation）。之所以有这样的名称，是因为每个蜂窝塔只覆盖一个六边形的范围，如果要覆盖一个很大的区域就需要很多的蜂窝塔（六边形）排列在一起，像极了蜜蜂的巢穴。这种六边形的结构，可以让信号无死角地覆盖。想象一下，如果是圆形结构，那么圆和圆之间就会有间隙，造成一部分无法覆盖的信号死角，而六边形就完美地解决了这个问题。
图 3：蜂巢网络示意图
对于构成移动网络最小的网络结构——蜂窝网络来说，构造大体如图 4 所示：
图 4：蜂窝移动网络构成
图 4 中，国家或全球网络提供商将网络供给处于蜂窝网络边缘的路由器，路由器连接蜂窝塔，再通过蜂窝塔（基站）提供给处于六边形地区中的设备。通常是国家级别的网络服务提供商负责部署基站，比如中国电信、中国联通。将网络提供给一个子网的行为，通常称为网络提供（Network Provider），反过来，对一个子网连接提供商的网络，称为网络接入（Network Access）。
随着移动网络的发展，一个蜂窝网格中的设备越来越多，也出现了基站覆盖有重叠关系的网格，如下图 5 所示：
图 5 ：基站重叠的网格和边缘计算节点
这样设计的好处是，当一个基站过载、出现故障，或者用户设备周边信号出现不稳定，就可以切换到另一个基站的网络，不影响用户继续使用网络服务。
另一方面，在一定范围内的区域，离用户较近的地方还可以部署服务器，帮助用户完成计算。这相当于计算资源的下沉，称为边缘计算。相比中心化的计算，边缘计算延迟低、链路短，能够将更好的体验带给距离边缘计算集群最近的节点。从而让用户享受到更优质、延迟更低、算力更强的服务。
家用网络
还有一个值得讨论的是家用网络。近些年，家用联网设备越来越多。比如说冰箱、空调、扫地机器人、灯光、电动窗帘……
图 6： 家用网络结构
如上图 6 所示，家用网络现在已经发展成一种网格状的连接。一方面家用网络会通过路由器接入本地 ISP 提供的网络服务。另一方面，一些设备，比如电脑、笔记本、手机、冰箱等都可以直接和路由器连接。路由器也承担了链路层网关的作用，作为家用电器之间信息的交换设备。
还有一些家用设备，比如说 10 多块钱的灯泡，不太适合内部再嵌入一个几十块钱可以接收 WI-FI 的芯片，这个时候就可以考虑用蓝牙控制电灯。路由器提供蓝牙不现实，因此一些家用电器也承担了蓝牙设备的控制器——比如说智能音箱。上图 7 中的智能音箱把家用网络带向了一个网格状，有的设备会同时连接路由器（WI-FI）和智能音箱，这样手机和音箱都可以直接控制这些设备。这样的设计，即便网络断开，仍然可以控制这些家用设备。
整体关系
以上，我们了解了 3 种常见的网络：公司网络、移动网络和家用网络。它们的整体关系如下图 8 所示：
图 7：互联网整体结构
最顶部的全球或国家大型的 ISP 之间联网，构成了网络的主干。然后区域性的 ISP 承接主干网络，在这个基础之上再向家庭和公司提供接入服务。移动蜂窝网络因为部署复杂，往往也是由大型 ISP 直接提供。
数据的传输
上述的网络结构中，由庞大数目的个人、公司、组织、基站，形成一个个网络。在这些网络中，传递数据不是一件容易的事情。
为了传递数据，在网络中有几个特别重要的抽象。最终提供服务或者享受服务的设备，称为终端（Terminal），或者端系统（End System），有时候简单称为主机（Host）。比如说：电脑、手机、冰箱、汽车等，我们都可以看作是一个主机（Host）。
然后，我们可以把网络传输分成两类，一类是端到端（Host-to-Host）的能力，由 TCP/IP 协议群提供。还有一类是广播的能力，是一对多、多对多的能力，可以看作是端到端（Host-to-Host）能力的延伸。
你可以思考一下，一个北京的主机（Host）向一个深圳的主机（Host）发送消息。那么，中间会穿越大量的网络节点，这些节点可以是路由器、交换机、基站等。在发送消息的过程中，可能跨越很多网络、通过很多边缘，也可能会通过不同的网络提供商提供的网络……而且，传输过程中，可能会使用不同材质的通信链路（Communication Link），比如同轴电缆、双绞线、光纤，或者通过无线传输的 WI-FI、卫星等。
网络基础设施往往不能一次性传输太大的数据量，因此通常会将数据分片传输。比如传输一个 MP3，我们会将 MP3 内容切分成很多个组，每个组也称作一个封包，英文都是 Packet。这样，如果一个封包损坏，只需要重发损坏的封包，而不需要重发所有数据。你可以类比下中文的活字印刷技术。
另一方面，网络中两点间的路径非常多，如果一条路径阻塞了，部分封包可以考虑走其他路径。发送端将数据拆分成封包（Packet），封包在网络中遇到岔路，由交换器和路由器节点决定走向，图 8中是对封包交换技术的一个演示。
图 8：封包交换技术
