什么是计算机联网？

网络或计算机联网是指连接两台或多台计算设备（如台式计算机、笔记本电脑、移动设备、路由器或应用程序）以实现信息与资源的传输和交换。

联网设备依靠通信协议（用于描述如何通过网络来传输或交换数据的规则）并借助物理或无线连接来共享信息。

计算机网络几乎构成了所有数字体验的支柱 - 从个人通信和娱乐到云原生业务运营和全球基础设施。当今的网络专为可扩展性、速度和 IT 安全性而设计，可支持跨本地部署系统和虚拟化云环境的动态数据流。

在现代联网实践出现之前，计算机科学工程师必须物理移动计算机才能在各设备之间共享数据；而在计算机十分庞大且笨重的当时，这显然是一项艰巨的任务。

为简化此流程（尤其是针对政府工作人员），美国国防部于 20 世纪 60 年代末出资建立了首个正常运行的计算机网络（并最终将其命名为 ARPANET）。这一里程碑不仅为互联网奠定了基础，也为如今支持全球分布式基础设施和应用程序服务的云网络奠定了基础。

从那时起，联网实践以及驱动它们的计算机系统便发生了巨大的变化。当今的计算机网络促进了各种商业、娱乐和研究目的的大规模设备间通信。互联网、在线搜索、电子邮件、音频和视频共享、在线商务、直播和社交媒体的存在均得益于计算机联网领域的进步。

在企业环境中，这一进步导致了以云基础设施为中心的更灵活的网络模型。组织越来越依赖混合云和多云的网络战略，在这种战略下，应用程序和数据在本地部署的基础设施与云服务提供商提供的云环境之间无缝流动。一些著名的提供商包括 AWS、Microsoft Azure、IBM® Cloud 和 Google Cloud Platform。云优先的网络战略使企业能够动态扩展资源、降低基础设施成本并访问高级服务，而无需维护物理硬件。

如今，人工智能 (AI) 和机器学习 (ML) 通过支持更智能、更具适应性的系统，正在进一步改变网络。这些技术有助于实现网络管理自动化，通过异常检测增强安全性，并通过实时预测和响应流量模式来优化性能。

以电子邮件为基本示例，以下介绍数据移动通过网络的方式。

当用户想要发送电子邮件时，他们首先需要撰写电子邮件，然后按下“发送”按钮。当用户按下“发送”按钮时，SMTP 或 POP3 协议会使用发件人的 Wi-Fi 将邮件从发件人节点引导通过网络交换机。在这里，它被压缩并分解成越来越小的片段（最终变成比特位，或一串串的 1 和 0）。

网络网关可将比特流传送至接收者的网络，以便按需转换数据和通信协议。当比特流到达收件人的计算机时，相同的协议会引导电子邮件数据通过收件方网络中的网络交换机。在此过程中，网络会重建原始消息，直至该电子邮件以人类可读的形式到达收件人的收件箱（接收方节点）。

要全面了解计算机网络，必须审查网络组件及其功能，包括：

• IP 地址：IP 地址是分配给 Internet Protocol (IP) 网络中每个网络设备的唯一编号。每个 IP 地址标识设备的主机网络及其在网络上的位置。当一个设备向另一设备发送数据时，该数据包含一个“标头”，其中包含发送设备与接收设备的 IP 地址。

• 节点：节点是指可接收、发送、创建或存储数据的联网点。就本质而言，它指的是任何能识别、处理并向其他网络节点传输信息的网络设备（如计算机、打印机、调制解调器、网桥或交换机）。每个节点均需具有某种形式的标识（例如 IP 或 MAC 地址）才能接入网络。

• 路由器：路由器是指在各网络之间发送数据“包”的物理设备或虚拟设备。路由器会分析数据包中的数据以确定最佳传输路径，并使用复杂的路由算法来转发数据包，直至其到达预期的目标节点。
  

• 交换机：交换机是指可连接网络设备并管理网络内节点到节点通信的一个设备，从而确保数据包能到达其预期目的地。与在各网络之间发送信息的路由器不同，交换机会在网络内部的各节点之间发送信息。

  因此，“交换”是指如何在网络上的设备之间传输数据。网络依赖三种主要的交换类型：

  • 线路交换可在网络中的节点之间建立专用的数据通信路径，以便其他流量无法通过同一路径。线路交换可确保每次传输均能使用全部带宽。

  • 消息交换可将整个消息从源节点发送到目标节点，而此消息则会从一个交换机传输到另一交换机，直至到达目标。

  • 分组交换可将数据分解为若干独立的部分，以便降低数据传输对网络资源的需求。通过分组交换，数据包（而非整个数据流）会通过网络到达其最终目的地。

     

• 端口：端口表示各网络设备之间的特定连接，且每个端口均由一个数字来标识。如果将 IP 地址比作酒店地址，端口则好比套房和房号。计算机使用端口号来确定哪个应用程序、服务或进程应接收哪些消息。

• 网关：网关是指用于促进两个不同网络之间通信的硬件设备。路由器、防火墙和其他网关设备使用速率转换器、协议转换器和其他技术，以促进不兼容设备之间的互联网络通信。
  

传统的网络组件（例如，路由器、交换机、端口、网关）仍然是网络运营的基础，但云环境已改变部署和管理这些要素的方式。

在云设置中，许多传统组件都被虚拟化并作为托管服务提供，使组织能够构建强大的网络基础设施，而无需维护物理硬件。云供应商抽象了底层复杂性，同时仍然依赖于相同的基本网络原理，但具有增强的可扩展性、灵活性和全球覆盖范围。

现代网络越发依赖扩展和增强传统网络功能的云原生组件。这些组件包括：

• 负载均衡器：负载均衡器可跨多个服务器或服务分配传入流量。

• 内容分发网络 (CDN)：内容分发网络可在靠近用户的区域缓存静态和动态 Web 内容，从而减少延迟并提高应用程序性能。

• 虚拟私有云 (VPC)：虚拟私有云在公有云基础设施内提供隔离的网络环境。

• API 网关：API 网关通过使用 API 来管理、路由和保护应用程序与其编程接口之间的流量，确保通信安全、可靠。

• 中间件：中间件充当应用程序、服务和数据库之间的桥梁，促进分布式或云原生环境中的通信、数据交换和整合。

• 服务网格：服务网格管理基于微服务的现代应用程序中的内部服务间通信，处理负载均衡、流量路由和安全等任务。

通常，按地理区域定义计算机网络。局域网 (LAN) 连接确定物理空间内的计算机，而广域网 (WAN) 可以跨大洲连接计算机。但是，网络还可以按它们用于通信的协议、其组件的物理排列、它们管理网络流量的方式以及它们在各自环境中的用途来定义。

最常见和广泛使用的计算机网络类型分为三大类别：

• 按地理区域划分的网络类型

• 按传输介质划分的网络类型

• 按通信类型划分的网络类型

属于此类别的网络类型会按网络覆盖的地理区域来区分。

网络节点可使用有线或无线链路（连接）来发送和接收消息。

计算网络可使用一系列动态传输方式来传输数据，其中包括：

计算机网络架构确立了计算机网络的理论框架，涵盖设计原则和通信协议。

网络架构的主要类型包括：

• 点对点 (P2P) 架构

• 客户端-服务器架构

• 混合架构

在 P2P 架构中，两台或多台计算机作为“对等点”连接，这意味着它们在网络上拥有同等的权力和特权。P2P 网络无需中央服务器进行协调。相反，网络上的每台计算机均会充当客户端（需访问某一服务的计算机）和服务器（向客户端提供服务的计算机）的双重角色。

网络上的每个对等方均会将其部分资源提供给其他网络设备，以便在整个网络中共享存储、内存、带宽和处理能力。

例如，在研究密集型组织中，团队成员可以利用分散式文件共享系统在其工作站之间直接交换大型数据集，而无需使用中央服务器。

在客户端-服务器网络中，中央服务器（或服务器组）管理资源并向网络中的客户端设备提供服务。此架构中的客户端不分享资源，只能通过服务器进行交互。客户端-服务器架构由于具有多个层级，通常被称为分层架构。

例如，在应用客户端-服务器架构的企业环境中，员工（客户端）通常可以访问中央人力资源系统（服务器）。该服务器允许其管理个人数据、提交休假申请和查看内部文件。

混合架构融合了 P2P 与客户端-服务器模型的元素。许多企业需要集中式服务（例如用户身份验证）和点对点功能（例如本地文件共享）来优化性能和资源利用率。

架构代表网络的理论框架，而拓扑是指该框架的实际实现。网络拓扑描述了网络上节点和链路的物理和逻辑布局。它包括所有硬件（例如路由器、交换机、缆线）、软件（例如应用程序、操作系统）和传输媒介（例如有线、无线连接）。

常见的网络拓扑包括：

• 总线网络拓扑

• 环网拓扑

• 星形网络拓扑

• 网状网络拓扑

在总线拓扑中，每个网络节点均会直接连接到主线缆。

在环形拓扑中，节点会按环形进行连接，因此每个设备实际有两个邻居。相邻对会直接相连，而非相邻对则会通过中介节点间接连接。

星形网络拓扑的特点是有一个中心枢纽，而所有节点均会通过该枢纽来间接连接。

网状拓扑结构较为复杂，且由各节点之间的重叠连接来定义。网状网络有两种类型：全网状网络和部分网状网络。

在全网状拓扑中，每个网络节点均与其他网络节点相连，从而提供最高级别的网络弹性。在部分网状拓扑中，仅有部分网络节点会进行连接，且通常是那些交换数据最频繁的节点。

运行全网状拓扑十分昂贵且耗时，因此通常仅用于需要较高冗余性的网络。而部分网状拓扑提供的冗余性较低，但更具成本效益，且运行更简单。

无论哪种子类型，网状网络均有自配置与自组织功能；它们会自动执行路由流程，因此该网络可查找最快、最可靠的数据路径。

无论是 Internet Protocol (IP) 套件、以太网、无线局域网 (WLAN) 还是蜂窝通信标准，所有计算机网络均遵循通信协议。这些协议是网络上的每个节点均须遵循才能共享和接收数据的规则集。

设定全球网络技术标准的 IEEE（电气电子工程师协会）负责开发和管理众多协议，包括以太网 (IEEE 802.3) 和wifi (IEEE 802.11)。此外，网络协议还依赖网关来实现不兼容设备的通信（例如，尝试访问 Linux 服务器的 Windows 计算机）。

很多现代网络均运行于 TCP/IP 模型上，其中包括四个网络层：

• 网络接入层：TCP/IP 网络的网络接入层也称为数据链路层或物理层，包括与网络介质对接所需的网络基础设施。此层利用以太网和地址解析协议 (ARP) 等协议来处理同一网络上各设备之间的物理数据传输。

• 互联网层：互联网层负责逻辑寻址、路由选择和数据包转发。它主要依赖于 IP 协议和互联网控制消息协议 (ICMP)，而后者可管理不同网络中数据包的寻址和路由。

• 传输层：TCP/IP 传输层实现了网络上层和下层之间的数据传输。它还使用 TCP 和 UDP 协议，提供错误检查和流量控制机制。TCP（传输控制协议）是一种基于连接的协议，与 UDP 相比速度更慢，但更可靠。UDP（用户数据协议）是一种无连接协议，其速度比 TCP 更快，但不提供保证传输。UDP 协议促进时间敏感应用（例如视频流和游戏平台）和域名系统 (DNS) 查找的数据包传输。

• 应用层：TCP/IP 的应用层使用 HTTP（超文本传输协议）、FTP（文件传输协议）、POP3（邮局协议 3）、SMTP（简单邮件传输协议）、DNS 和 SSH（安全 Shell）等协议。这些协议用于直接向应用程序提供网络服务。此外，它还管理支持用户应用程序的所有协议。

虽然 TCP/IP 是当今大多数网络所用的协议套件，但开放式系统互联 (OSI) 模型是标准化框架，用于定义数据在七层网络中的移动路径。

从通过电缆发送原始比特的物理层到管理用户应用程序的顶层，各个层级都有其特定的功能。这种分层方法可帮助网络工程师进行设计、排除故障并实现不同系统间的通信标准化。尽管 OSI 本身并非实践中使用的一组协议，但其模型仍然是理解不同网络技术如何协同运作的基础。

从全球企业到日常用户，计算机网络支持几乎所有的数字体验，连接世界各地的设备、数据应用程序和用户。在商业领域，它们支撑着运营，促成云服务、实时协作和安全数据交换。以下是一些最常见的计算机联网用例：

• 高效的数据传输

• 更多数据存储空间

• 简化的知识共享

• 自动网络管理和威胁检测

• 强大的网络安全

联网可实现各种形式的数字通信，包括电子邮件、消息传递、文件共享、视频通话和流式传输。通过联网，可连接所有服务器、接口和传输介质，以使业务通信成为可能。

如果没有联网，组织便不得不将数据存储在单个数据存储库中，而这在大数据时代不具备可持续性。计算机联网可帮助团队保持能为整个网络提供服务的集中式数据存储，从而为其他任务释放宝贵的存储容量。

常见的基于联网的存储解决方案包括存储区域网络 (SAN) 和网络直连存储。SAN 提供高速块存储，通常用于数据库和虚拟化等任务关键型应用，而 NAS 则提供可通过标准网络访问的文件存储。

阅读更多有关 SAN 与 NAS 的信息。

用户、网络管理员和开发人员均会受益于联网简化资源与知识共享的方式。联网数据更易进行请求和获取，因此用户和客户可从网络设备更快地做出响应。联网数据还为业务方面带来了益处，使团队能够随着技术和企业的发展而更轻松地协作并分享信息。

AI 和算法有助于实现复杂任务的自动化，例如网络监控、流量分析、异常检测和事件响应、减少人工干预和加强整体网络安全。

例如，电信、金融服务和制造业等行业的许多组织依赖网络运营中心 (NOC) 来持续监控和管理网络性能、可用性和安全性。

精心构建的网络解决方案不仅更具弹性，还可为企业提供更多的网络安全和网络安全性选项。大多数网络提供商均提供内置的加密协议和访问控制措施（例如多重身份验证）来保护敏感数据，并将不良行为者挡在网络之外。