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计算机网络为人们提供便捷的信息获取、快速可靠的通信和全面的数据共享方式，使人们可以更容易地跨越地域和文化的障碍，实现全球性的交流与合作。下面介绍网络的基础知识。
网络即计算机网络，主要指利用线缆、无线技术、网络设备等，将不同位置的计算机连接起来，如图1-1所示，通过共同遵守的协议、网络操作系统、管理系统等，实现硬件、软件、资源、数据信息的传递、共享的一整套功能完备的系统。
图1-1
现在的网络所连接的终端设备已经不仅仅局限于计算机，而是包括一切可以连接到网络上，并可以相互通信的设备。例如常见的智能手机、智能电视、智能门禁系统、智能冰箱、网络打印机、网络摄像机、各种智能穿戴设备等，如图1-2所示，它们都可以通过有线或无线的方式与网络相连，用户可以在任意位置获取设备状态并控制它们。
图1-2
网络的基本功能是让设备之间可以相互通信并共享资源。共享资源可以是数据、文件或硬件设备。此外，网络还为用户提供了许多其他功能，例如社交媒体、在线购物和娱乐等重要的应用程序。下面介绍网络的主要功能。
数据传输即数据通信或数据交换。数据传输功能是网络的基本功能。数据按照设计好的通信协议和预设的目的地址，利用网络，在多个设备终端之间或者设备与服务器之间进行数据的传输，将数据安全、准确、快速地传递到指定终端，这也是衡量网络质量好坏的基本参数。现在使用的电子邮件、即时通信软件、各种App等，只要是需要联网使用的，都必须进行数据传递，如图1-3所示。
图1-3
网络建立的初衷是为了资源共享。在资源的共享中包括硬件的共享，例如打印机、专业设备和超级计算机，如图1-4所示。软件的共享包括各种大型的、专业级别的处理、分析软件；还有最重要的数据共享，如各种数据库、文件、文档，如图1-5所示。这些软、硬件以及数据，不可能为每个用户配备，而是需要专业的机构进行管理。资源的共享可以提高资源利用率、平摊成本、减少重复浪费、便于维护和开发等。尤其是现在的大数据时代，数据的共享和综合利用，可以获取到更加专业、准确的信息，成为决策支持的重要技术手段。
图1-4
图1-5
大型门户网站、数据中心、关键部门，如银行、金融业等，它们所需要的不仅仅是传输速度，更需要可靠的稳定性。由于网络不能像个人计算机一样，随时断电并进行数据备份与恢复，所以更需要一个可靠的冗余备份渠道。
依靠强大的互联网，企业在不同的地理位置的数据中心，部署了许多冗余服务器。这些服务器平时进行数据的同步工作，一旦主服务器崩溃，备用服务器立即接手；一旦某区域网络出现瘫痪，则利用其他区域数据中心的冗余服务器继续提供服务。
随着网络技术的发展，网络主干的承载能力也变得越来越强大。但是在某些特定区域的特定时间段内，某服务器的访问量非常高，而有些区域访问量则非常少，服务器过于空闲。这时，可以将大量的访问数据按照某种策略进行分流，指定某个区域访问某个数据中心的服务器，这样可以做到服务器的负载均衡，达到服务器的最大利用率，并保证访问质量。
现在的服务器负载均衡和冗余备份可以同时使用，如图1-6所示。
图1-6
其实在访问某些网页时，所访问到的不全是主服务器，而是内容分发网络（Content Delivery Network，CDN）。CDN是构建在现有网络基础上的智能虚拟网络，依靠部署在各地的边缘服务器，通过中心平台的负载均衡、内容分发、调度等功能模块，使用户就近获取所需内容，降低网络拥塞程度，提高用户访问的响应速度和命中率。CDN的关键技术主要有内容存储和分发技术。整个访问过程如图1-7所示。现在大部分门户网站应用的都是CDN技术。
图1-7
有些大型或者超大型的数据计算或处理任务，使用单独的服务器无法完成，而是要借助网络，或者说，通过网络中的多种计算资源和一定的算法将任务分拆，共同完成。通过这种分布式的处理方式可以提高处理的效率并降低成本。而且通过网络存储，可以确保数据的防篡改以及安全性。最经典的案例就是区块链技术，如图1-8所示。
在网络广泛应用的基础上，使得依托于网络的应用日趋多元化，包括提供多媒体服务的应用，以及新兴应用，如网上交易、远程监控、视频会议、网络直播、微信、各种小程序等。
图1-8
网络由处于核心的网络通信设备（主要是路由器）、软件以及各种线缆组成，其结构叫作通信子网，主要目的是传输及转发数据；而所有互联的设备，无论是提供共享资源的服务器，还是各种访问资源的终端，都叫资源子网，负责提供及获取资源，如图1-9所示。
图1-9
通信子网由网络结点和通信链路组成。通信设备、网络通信协议、通信控制软件等属于通信子网，是网络的内层，负责信息的传输。通信子网功能：为用户提供数据的传输、转接、加工、变换等。通信子网的任务是在端结点之间传送报文。
资源子网由计算机系统、终端、终端控制器、连网外设、各种软件资源与信息资源组成。资源子网功能：主要负责全网的信息处理及数据处理业务、向网络用户提供各种网络资源和网络服务。
网络的发展大致经历了四个阶段，分别对应着不同的网络拓扑结构。
在20世纪50年代中后期，出现了由一台中央主机作为数据信息存储和处理中心，通过通信线路将多个地点的终端连接起来，构成以单个计算机为中心的远程联机系统，也就是第一代计算机网络，其以批处理和分时系统为基础，构成一个最简单的网络体系。其中终端分时访问中心计算机的资源，而中心计算机将处理结果返回终端，终端没有数据的存储和处理能力。该拓扑结构如图1-10所示。
图1-10
从某种角度上来说，随着计算机网络的发展，这种服务器／客户端模式又再次重现，而且可能是未来发展的趋势。当然，网络内部的结构要比这种原始网络复杂、稳定、高效得多。比较常见的应用案例是云计算机，如图1-11所示。服务器根据客户需求，调配好软、硬件资源，客户端无须高端配置，只要支持网络服务，使用软件连接服务器，即可远程使用云计算机。
图1-11
随着大型主机、程控交换技术的出现与发展，出现了对大型主机资源远程共享的需求。该阶段的网络已经摆脱了中心计算机的束缚，多台独立的计算机通过通信线路互联，任意两台主机间通过约定好的“协议”传输信息，如图1-12所示。这时的网络也称为分组交换网络，网络多以电话线路以及少量的专用线路为基础，目标是“以能够相互共享资源为目的，互联起来的具有独立功能的计算机的集合体”。
图1-12
20世纪60年代，ARPA（美国国防部高级研究计划局）为了防止在战争时中心计算机被摧毁，依托于中心计算机的网络全部瘫痪，于是提出了分散性指挥系统，此系统是网络间互相独立，作用级别相同，彼此之间可以互相通信的架构。为了尽快实现和测试，其资助并建立的ARPANET将加州大学洛杉矶分校、加州大学圣芭芭拉分校、斯坦福研究院，以及20世纪犹他州州立大学的计算机主机连接起来，如图1-13所示。此后ARPANET的规模不断扩大，到70年代节点超过60个，主机有100多台。连通了美国东、西部的许多大学和科研机构，并通过卫星与夏威夷和欧洲地区的计算机网络互联互通。
图1-13
随着计算机的价格降低，越来越多的计算机使用者加入到网络中，网络的规模变得越来越大，通信协议也越来越复杂。各个计算机厂商以及通信厂商各自为政，自有产品都使用自有协议，所以在网络互访方面给用户造成了很大的困扰。1984年，由国际标准化组织ISO制定了一种统一的网络分层结构——OSI参考模型，将网络分为七层结构。在OSI七层模型中，规定了设备之间必须在对应层之间才能够沟通。网络的标准化大大简化了网络通信原理，让异构网络互联成为可能，如图1-14所示。
图1-14
由于OSI参考模型及TCP/IP的广泛应用，在ARPANET的基础上形成了最早的Internet骨干网。而后被美国国家科学基金会规划建立的13个国家超级计算机中心及国家教育科技网所代替，后者变成了Internet的骨干。20世纪80年代末开始，局域网技术发展成熟，并出现了光纤及高速网络技术。20世纪90年代中期开始，互联网进入高速发展的阶段，出现以Internet为代表的第四代计算机网络。第四代计算机网络也可以称为信息高速公路（高速、多业务、大数据量），包括网上直播、网上购物、网上会议、订票、挂号、点餐、游戏、网上视频、网上银行等，都彰显着网络的重大作用，如图1-15及图1-16所示。所以有必要、也必须学习网络的相关知识。
图1-15
图1-16
新一代互联网应用包括人工智能、AR技术、物联网、云计算、云存储等。
网络的性能指标反映了网络的快慢和质量的高低，一般会通过以下四个方面进行评估。
带宽是指在单位时间内从某一点到另一点所能通过的“最高数据率”。计算机网络的带宽是指单位时间内某网络可通过的最高数据量，常用的单位是b/s（bit per second，比特每秒）。例如某网络的带宽是100Mb/s。
使用计算机时，会使用字节（Byte）作为存储单位。在计算机科学中，位（bit）是表示信息的最小单位。由8位（8bit）组成一个字节（1Byte），此时1Byte=8bit。
在实际应用中，因为ISP提供的线路带宽使用的单位是比特每秒（b/s），而一般下载软件显示的是字节每秒（B/s），所以要通过换算，才能得到实际值。如100Mb/s的理论下载速度，或者显示的速度应该在12.5MB/s左右。
带宽越大，单位时间内经过的数据会越多，下载速度也越快。在计算机的网卡属性中，可以看到当前网络速度为1.0 Gb/s（1000Mb/s），如图1-17所示。
图1-17
时延指一个数据包从用户的设备发送到测速点，然后再立即从测速点返回用户设备的来回时间，以毫秒（ms）计算。一般时延在0~100ms都是正常的速度，不会有较为明显的卡顿。时延包括发送时延、传播时延、处理时延、排队时延。在实际应用中时延也被称为网络延时。如使用ping命令，可以查看到当前的时延为11ms，如图1-18所示。时延越小，网络应用就越顺畅，尤其是实时游戏，对时延非常敏感。
图1-18
抖动指最大延迟与最小延迟的时间差，例如访问一个网站的最大延迟是10ms，最小延迟为5ms，那么网络抖动就是5ms，抖动可以用来评价网络的稳定性，抖动越小，网络越稳定。可以使用测速网来查看抖动和其他指标，如图1-19所示。
图1-19
丢包是指一个或多个数据包的数据无法通过网络到达目的地，接收端如果发现数据丢失，会根据队列序号向发送端发出请求，进行丢包重传。丢包的原因比较多，最常见的原因是网络发生拥塞、数据流量太大、网络设备处理不过来等。
丢包率是指测试中所丢失数据包数量占所发送数据包的比率。例如发送100个数据包，丢失一个数据包，那么丢包率就是1%。
丢包率也可以通过ping命令查看，丢包率越高，应用、游戏会发生明显的掉线、卡顿的情况。