计算机存储与网络学习笔记教程

一、计算机存储系统

1. 存储系统概述

• 定义：计算机中用于存储程序和数据的硬件及相关管理软件的集合。
• 核心功能：实现数据的长期保存、快速读取和写入，为CPU提供高效的数据支持。
• 性能指标：
  • 容量：存储设备能容纳的数据总量（单位：B、KB、MB、GB、TB等）
  • 速度：数据读写的快慢（单位：MB/s、GB/s）
  • 可靠性：数据保存的稳定程度（常用MTBF平均无故障时间衡量）
  • 成本：单位存储容量的价格

2. 存储层次结构（按速度和距离CPU远近）

• 寄存器：位于CPU内部，速度最快，容量最小（通常几十到几百KB），用于暂存CPU正在处理的数据和指令。
• 高速缓存（Cache）：介于CPU和内存之间，分为L1、L2、L3多级缓存，速度接近CPU，容量较小（几MB到几十MB），减少CPU访问内存的次数。
• 主存储器（内存）：
  • 特点：断电后数据丢失（易失性），速度较快，容量中等（GB级别）
  • 类型：DRAM（动态随机存取存储器）、SRAM（静态随机存取存储器）
• 辅助存储器（外存）：
  • 特点：断电后数据不丢失（非易失性），速度较慢，容量大（TB级别及以上）
  • 类型：硬盘（HDD）、固态硬盘（SSD）、光盘、U盘、移动硬盘等

3. 常见存储设备详解

• 硬盘（HDD）：
  • 原理：通过磁头在旋转的磁性盘片上读写数据
  • 结构：盘片、磁头、电机等
  • 优缺点：容量大、价格低；但速度较慢、怕震动
• 固态硬盘（SSD）：
  • 原理：基于闪存芯片存储数据，无机械部件
  • 结构：控制芯片、闪存颗粒等
  • 优缺点：速度快、抗震性好、功耗低；但价格较高、容量相对HDD小、有写入次数限制
• 内存（RAM）：
  • 作用：临时存储CPU正在运行的程序和数据，提高CPU的工作效率
  • 类型：DDR4、DDR5等（不同代际在速度、带宽等方面有差异）

二、计算机网络基础

1. 网络的基本概念

• 定义：将地理位置不同的具有独立功能的多台计算机及其外部设备，通过通信线路连接起来，在网络操作系统、网络管理软件及网络通信协议的管理和协调下，实现资源共享和信息传递的计算机系统。
• 功能：
  • 资源共享（硬件、软件、数据）
  • 信息传递与通信
  • 分布式处理
  • 提高系统可靠性

2. 网络分类

• 按覆盖范围：
  • 局域网（LAN）：覆盖范围小（如办公室、校园），传输速率高，误码率低
  • 城域网（MAN）：覆盖范围为一个城市，介于LAN和WAN之间
  • 广域网（WAN）：覆盖范围大（如国家、全球），传输速率相对较低，误码率较高（如互联网）
• 按拓扑结构：
  • 总线型：所有节点连接到一条总线上，结构简单，但总线故障会影响整个网络
  • 星型：以中心节点为中心，其他节点与之连接，中心节点故障影响整个网络，但其他节点故障不影响
  • 环型：节点首尾相连形成环，数据单向传输，可靠性较高，但某一节点故障可能影响网络
  • 树型：层次结构，易于扩展，但根节点故障影响大
  • 网状：节点之间有多条路径，可靠性高，常用于广域网，但成本高

3. 网络协议与体系结构

• 协议三要素：语法（数据格式）、语义（数据含义）、时序（通信顺序）
• OSI七层模型（从下到上）：
  1. 物理层：负责比特流的传输，涉及硬件接口、电气特性等（如网线、网卡物理连接）
  2. 数据链路层：负责相邻节点间数据帧的传输，进行差错控制和流量控制（如MAC地址、以太网协议）
  3. 网络层：负责不同网络之间数据分组的路由选择和转发（如IP地址、IP协议）
  4. 传输层：负责端到端的数据传输，保证数据的可靠传输或高效传输（如TCP、UDP协议）
  5. 会话层：负责建立、管理和终止会话连接
  6. 表示层：负责数据的格式转换、加密解密、压缩解压等（如JPEG、ASCII编码）
  7. 应用层：为用户应用程序提供网络服务（如HTTP、FTP、SMTP协议）
• TCP/IP四层模型（实际广泛使用）：
  • 网络接口层（对应OSI物理层和数据链路层）
  • 网络层（对应OSI网络层）
  • 传输层（对应OSI传输层）
  • 应用层（对应OSI会话层、表示层、应用层）

4. 常用网络协议

• IP协议：网络层协议，负责为数据包分配IP地址并进行路由选择，是无连接、不可靠的协议。
• TCP协议：传输层协议，面向连接、可靠的协议，通过三次握手建立连接，四次挥手释放连接，采用确认、重传等机制保证数据可靠传输（如网页浏览、文件传输等需要可靠数据的场景）。
• UDP协议：传输层协议，无连接、不可靠的协议，传输速度快，适用于对实时性要求高但可容忍少量丢包的场景（如视频通话、在线游戏）。
• HTTP/HTTPS协议：应用层协议，HTTP用于网页传输，HTTPS是HTTP的加密版本，通过SSL/TLS协议保证数据传输安全。
• FTP协议：应用层协议，用于文件的上传和下载。
• DNS协议：应用层协议，负责将域名解析为IP地址。

5. 网络设备

• 网卡（NIC）：安装在计算机上，负责计算机与网络之间的信号转换。
• 交换机：工作在数据链路层，用于连接局域网内的设备，根据MAC地址转发数据帧，可分割冲突域。
• 路由器：工作在网络层，用于连接不同的网络，根据IP地址进行路由选择和数据转发，可分割广播域。
• 调制解调器（Modem）：实现数字信号和模拟信号的转换，用于计算机通过电话线等模拟线路接入网络。
• 网关：连接不同类型网络的设备，实现不同协议之间的转换。

6. IP地址与子网掩码

• IP地址：用于标识网络中的设备，由32位二进制数组成（IPv4），通常分为4个8位的十进制数，用点分隔（如192.168.1.1）。
• 分类：A类（0-127）、B类（128-191）、C类（192-223）、D类（组播）、E类（保留）。
• 子网掩码：用于区分IP地址中的网络部分和主机部分，与IP地址配合使用，通过子网掩码与IP地址的二进制与运算，得到网络地址。
• IPv6：由于IPv4地址资源枯竭，IPv6采用128位地址，格式为8组4位十六进制数（如2001:0db8:85a3:0000:0000:8a2e:0370:7334），提供了海量的地址空间。

三、存储与网络的结合应用

• 网络存储技术：
  • NAS（网络附加存储）：一种专用数据存储服务器，通过网络为客户端提供文件共享服务，易于部署和管理。
  • SAN（存储区域网络）：一种高速专用网络，连接存储设备和服务器，为服务器提供块级存储访问，性能高，适用于大型企业。
• 云存储：基于网络，将数据存储在云端服务器上，用户通过网络访问数据，具有高可用性、可扩展性等特点（如阿里云OSS、腾讯云COS）。
• 数据传输与存储的关系：网络的带宽和稳定性影响存储设备之间的数据传输效率，如通过高速网络实现远程备份、异地容灾等。