Computer Networks: Crash Course Computer Science #28

Summary

本视频介绍了计算机网络的起源和发展，以及支撑它们的基本原理和技术。20世纪50年代和60年代，局域网（LAN）首次出现，主要用于组织内部，如公司或研究实验室，以促进不同人员和计算机之间的信息交换。以太网是最著名的局域网技术，它通过将计算机连接到一个共享的电缆上来进行数据传输。为了解决共享介质上的碰撞问题，以太网采用了载波监听多路访问（CSMA）和指数退避算法。随着网络的扩大，需要减少碰撞并提高效率，通过使用网络交换机将网络分割成多个碰撞域。此外，视频还探讨了数据传输的不同方法，包括电路交换和消息交换，并引入了分组交换的概念，这是现代互联网的基础。分组交换允许数据被分割成小包，通过灵活的路由进行传输，提高了网络的效率和容错性。最后，视频提到了ARPANET，它是现代互联网的前身，以及互联网协议（IP）和传输控制协议（TCP/IP）的作用。

Takeaways

• 🌐 互联网的出现极大地改变了世界，使得信息传递的速度从数周缩短到几秒钟。
• 📧 早期计算机大多是独立工作的，但随着大型计算机和低成本机器的出现，数据和资源共享变得越来越有用。
• 🖥️ 局域网（LAN）允许组织内部的计算机之间交换信息，提高了效率并减少了物理资源的重复。
• 🔌 以太网（Ethernet）是最著名的局域网技术，通过将数据作为电信号写入共享电缆来传输数据。
• 🆔 每台计算机都有一个唯一的MAC地址，用于区分网络上的数据包，这是以太网通信的基础。
• 🚫 共享传输介质（如以太网电缆）的主要问题是会发生碰撞，导致数据传输混乱。
• 🤖 计算机可以通过监听电缆上的信号来检测碰撞，并采用指数退避（Exponential Backoff）策略来减少碰撞。
• 🔄 使用网络交换机可以减少碰撞域，提高网络效率，通过隔离不同的网络段来减少设备间的冲突。
• 🔄 路由是计算机网络中的另一个基础概念，它涉及数据在不同网络间的传递，可以有多种路径选择。
• 📦 消息交换和电路交换是早期的数据传输方式，而现代互联网使用的是分组交换（Packet Switching），它更加灵活和可靠。
• 🌐 ARPANET是第一个分组交换网络，也是现代互联网的前身，它通过多个节点连接不同的计算机和网络。
• 📈 随着物联网（IoT）的发展，互联网的连接设备数量正在迅速增长，预计将接近100亿。

Q & A

互联网如何改变了信息传递的速度？

互联网极大地提高了信息传递的速度。150年前，从伦敦到加利福尼亚发送一封信需要两到三周的时间，而现在通过电子邮件，这一过程只需要几分之一秒。这种延迟的百万倍改进，即信息传输所需的时间，促进了全球经济的发展，帮助现代世界以光速在遍布全球的光纤电缆上移动。

计算机和网络是如何开始结合使用的？

虽然人们可能认为计算机和网络总是紧密结合的，但实际上，1970年之前的大多数计算机都是独立工作的。随着大型计算机开始普及，低成本机器开始出现在人们的办公桌上，共享数据和资源变得越来越有用，这导致了第一批计算机网络的出现。

局域网（LAN）是如何定义的？

局域网（LAN）是相对较小的计算机网络，它们通常位于同一建筑物内或校园内，连接着多台计算机。LAN可以小到只有同一房间内的两台机器，也可以大到一个拥有数千台计算机的大学校园。

以太网（Ethernet）是如何工作的？

以太网在其最简单的形式中，是将一系列计算机连接到一条共同的以太网电缆上。当计算机想要向另一台计算机传输数据时，它会将数据作为电信号写入电缆。由于电缆是共享的，网络上的每台计算机都能看到传输，但不知道数据是针对它们还是另一台计算机。为了解决这个问题，以太网要求每台计算机都有一个唯一的媒体访问控制地址（MAC地址）。这个独特的地址被放入一个头部，作为网络上传输的任何数据的前缀。

什么是CSMA/CD协议？

CSMA/CD（Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection）即载波侦听多路访问/碰撞检测协议，是一种网络通信协议。它允许计算机在检测到传输介质（如以太网电缆或Wi-Fi无线电波）空闲时发送数据，但如果检测到碰撞（即多个设备同时尝试传输数据），则可以停止传输并等待随机时间后再次尝试。

什么是冲突域？

冲突域是指网络上的一个区域，其中的设备共享同一传输介质，并且如果两个或多个设备同时发送数据，它们可能会发生冲突。通过使用网络交换机，可以将一个大的冲突域分割成多个更小的冲突域，从而减少冲突的可能性并提高网络效率。

什么是路由和路由选择？

路由是指在网络中从一个点到另一个点的数据传输路径的选择过程。路由选择是指网络路由器决定数据传输的最佳路径的过程。路由选择可以通过多种方式进行，包括电路交换、报文交换或分组交换。在分组交换中，数据被分成小的包，每个包独立路由，这增加了网络的灵活性和容错性。

什么是电路交换？

电路交换是一种网络通信方式，其中在通信期间为两个通信点之间建立一个专用的通信线路。这种线路在通话期间一直占用，直到通话结束。电路交换类似于早期的电话系统，它相对不灵活且成本较高，但可以提供专用的线路容量。

什么是分组交换？

分组交换是一种网络通信方式，它将大数据传输分解成许多小的、独立的包，这些包通过网络中的不同路由独立传输。每个包都包含目的地地址，使得路由器能够知道如何转发它们。分组交换提高了网络的效率和容错性，是现代互联网的基础。

什么是IP地址？

IP地址（Internet Protocol Address）是分配给网络中每个设备的唯一标识符。它通常由四个用点分隔的8位数字组成，例如172.217.7.238。IP地址使得设备能够在网络中进行通信和数据传输。

什么是TCP/IP协议？

TCP/IP协议是传输控制协议/互联网协议的缩写，是一组用于管理互联网上设备之间通信的协议。TCP负责确保数据包的有序传输和错误检查，而IP负责将数据包从源地址路由到目的地址。TCP/IP协议是互联网通信的基础。

什么是ARPANET？

ARPANET是高级研究计划署网络（Advanced Research Projects Agency Network）的缩写，是世界上第一个分组交换网络，也是现代互联网的前身。它由美国国防部的高级研究计划署资助建立，最初连接了大学和研究机构的计算机，为后来的互联网发展奠定了基础。