计算机网络技术概论

一. 计算机网络的起源与发展

1. 从资源共享角度定义计算机网络

• 能够以共享资源的方式互联起来的自治计算机系统的集合

2. ARPANET

• 20世纪60年代，ARPANET标志着计算机网络的兴起
  • 采用分组交换技术
  • 80年代，ARPANET全部采用了 TCP/IP 模型
• 90年，ARPANET被 NSFNET 代替
• ARPANET的意义和作用
  • 提出 资源子网 和 通信子网 的概念
  • 实现了分组交换 技术
  • 促进 TCP/IP 模型的研究与应用
  • 为 Internet 的形成和发展奠定了基础
  • 完成对计算机网络的定义和分类方法的研究
  • 采用层次结构的网络体系结构和研究方法
• 三网合一
  • Internet的发展使得 计算机网络，电信网络，广播电视网络 相互融合

二. 计算机网络的分类

1. 按照网络覆盖范围划分

• 局域网 LAN

  • 范围几百米到几千米的内的计算机等终端设备连接所构成的网络，实现资源共享和数据通信

  • 特点

    • 早期使用共享信道，数据传输率高（10Mbps,100MbPs），低延迟，误码率低

      • 共享信道是多个终端在一条总线上

        

    • 新型局域网数据传输速率可以高达 10Gbps或100Gbps

  • 拓扑结构

    • 传统局域网采用 总线型 和 环形结构

    • 新型的局域网采用 星型拓扑结构

      • 星型拓扑一个交换机连接多台计算机

• 局域网目前遵循 IEEE802.3 协议的 以太网 ethernet

• 无线局域网 WLAN 正在取代有线局域网，它遵循的是 802.11系列

• 城域网 MAN

  • 采用技术与局域网类似，覆盖范围为一座城市
  • 拓扑结构
    • 总线型，由 IEEE802.6标准定义
  • 目前大部分城域网采用 以太网技术

• 广域网 WAN

  • 覆盖范围为一个或者几个国家
  • 采用交换技术，将分布在各地的主机或者局域网连接起来
  • 交换技术
    • X.25(早期) ——》 帧中继和ATM
  • 交换设备
    • 路由器和交换机
  • 传输介质
    • 光纤（带宽高，传输速率快），具有较高的通信速率

• 互联网

  • 将世界各地的 局域网 和 广域网 连接起来
  • 最常见的是 多个局域网 通过 广域网连接起来
    • 由于物理结构 协议 标准的不同，需要 网关（路由器） 设备进行转换
  • Internet是最常见的互联网形式

2. 按照传输介质划分

• 按照传输介质的类型可以分为 有线网络 和 无线网络
• 有线网络的传输介质
  • 双绞线
  • 同轴电缆
  • 光纤
• 无线网络利用 无线电磁波 进行传输
• 常用的无线网有
  • 无线局域网WLAN
  • 移动通信网
  • 物联网

3. 按网络的所有权划分

• 按照索所有权性质不同：
  • 公用网
    • 由电信部门建设
  • 专用网
    • 特殊用途（银行，军队等），不对外提供服务

4. 按照网络拓扑结构划分

• 总线型网络

  • 优点

    • 节省通信线路，结构简单，价格便宜

  • 缺点

    • 不支持多点通信，若线路出现故障，整个网络瘫痪

  • 所有数据终端均连接到一条通信线路上，同一时刻只能有两个网络结点进行通信
    

• 环形网络

  • 优点

    • 网络中的传输最大延迟是固定，控制机制简单

  • 缺点

    • 网络中一个节点出现故障，整个网络无法通信

  • 将所有的数据终端连接到一个闭合的环形通信线路上

• 星型网络

  • 优点

    • 结构简单，局部故障不影响全网通信

  • 缺点

    • 中心处理机要求性能高，线路利用率低

  • 以一台交换机作为中心处理系统，入网设备与交换机相连，两台设备不能直接通信，必须通过中心处理机进行转发

• 树形网络

  • 通过多级处理机进行分层，每一层设置一个中心处理机
  • 比星型网络更节省通信线路成本

• 网状网络

  • 优点

    • 局部故障不影响整个网络，可靠性强

  • 缺点

    • 网络结构复杂，不易管理和控制

  • 数据终端可以与其他设备任意相连，两个网络节点之间任意通信，也可以通过其他网络节点进行转接

5. 按照网络中的逻辑功能划分

• 从逻辑功能上，计算机网络可以分为
  • 通信子网
    • 负责网络数据的传输，转发，交换和路由
    • 通信控制处理机，通信线路和其他网络设备组成
  • 资源子网
    • 负责网络的数据处理业务，向用户提供资源和服务
    • 主机 终端 联网的外部设备，软件和信息资源组成

6. 按照网络的传输技术划分

• 按照数据传输技术分为
  • 广播式网络
    • 网络中的计算机共享一条公共信道
    • 任何一台计算机发送数据，其他计算机都可以收到该数据
    • 典型的广播式网络：传统以太网
  • 点对点式网络
    • 网络中的两台计算机可以任意通信
    • 典型的点对点式网络：因特网Internet

三. 计算机网络中的硬件和软件设备

1. 根据设备的物理性质可以分为

• 硬件设备

  • 计算机，服务器，交换机，路由器，通信介质

• 软件设备

  • 网络协议，网络操作系统，应用程序

2. 根据设备在网络中逻辑位置的不同，可以分为

• 终端设备
  • 台式机，服务器，笔记本，智能手机，打印机
  • 用于处理数据的
• 网络中间设备
  • 交换机，路由器，通信线路
  • 用于数据传输，交换，路由等功能

3. 终端计算机

• 是用户访问和使用计算机网络的界面，可以获取和提供信息和资源
• 客户机
  • 从网络中获取信息和资源，请求资源
• 服务器
  • 提供信息和资源服务，提供相应的资源

4. 交换机

• 交换式网络的核心设备，负责网RJ内部数据的转发和调度
• 交换机有 若干物理接口（RJ-45接口） 计算机相连，内部有地址表
  • 地址表是计算机地址（MAC）与端口的对应关系
  • 交换机根据地址表来进行数据转发

• 交换机的工作过程
  • 交换机收到 A 发送过来的 数据分组（帧），根据帧中的目的地址 查 地址表（B地址与端口的对应关系），进行转发对应到物理接口上
• 根据处理的协议层次不同分为
  • 二层交换机
    • 工作在第二层，为数据链路层，其协议数据单位为帧
    • 收到一个帧 转发一个 帧
  • 三层交换机
    • 第三层是 网络层，处理 IP 分组，协议数据单位为 IP 包

5. 路由器

• 路由器连接不同类型的网络，为网络中的数据分组进行 路由选择 和 数据转发
• 路由器实现 不同网络之间 的数据转发，交换机是 同一网络内部数据 的存储转发
• 工作过程
  • 路由器工作在网络层，收到发送过来的 IP 分组，根据 目的 IP地址 查询路由表，选择接口转发
• 路由表
  • 可以由路由算法得到
  • 路由表是固定不变的，对应的路由算法称为 静态路由算法
  • 根据网络变化不断更新，对应的称为 动态路由算法
• 路由器根据管辖范围和处理能力不同分为
  • 核心路由器
  • 接入路由器
  • 汇聚路由器

6. 网络协议

• 为进行网络中的数据通信而指定的规则，标准和约定
• 网络协议3要素
  • 语法：规定数据与控制信息的分组结构或格式
  • 语义：规定进行通信需要发出的控制信息，完成的操作动作和响应
  • 同步：网络事件实现顺序的详细说明

7. 网络操作系统

• 网络操作系统除了 具有操作系统（5大功能） 的功能外，还具有 网络通信 和提供 网络服务 的功能
• 网络操作系统可以分为：
  • 任务型
    • 针对某一特殊网络应用而设计，如Cisco路由器的专用操作系统（IOS）
  • 通用型
    • 提供一般性的网络服务功能，如微软的 Windows NT Linux等

8. 传输介质

• 有线介质
  • 双绞线，同轴电缆 ，光纤
• 无线介质
  • 大气，水下，外层空间等

四. 计算机网络的性能指标

• 要研究和使用计算机就要有一套评价网络运行好坏的性能指标体系

1. 定量的性能指标

• 速率
  • 发送速率
    • 指在终端或网络中间节点，设备每秒向网络中发送多少 比特数据
    • 反映的是网络设备的性能，通常采用比特每秒（采用 bit/s 或 bps）衡量
    • 比如千兆以太网指的是 发送速率为1000M比特每秒的以太网
  • 传输速率
    • 在传输线路上每秒能传播多少千米
    • 反映的是 信号和信道的性能
    • 比如 光在真空中的传输速率是 3.0*10的八次方米/秒
• 带宽
  • 信道带宽
    • 信道中通过模拟信号的最高频率和最低频率的差值
    • 单位 赫兹Hz
  • 信号传输带宽
    • 通信业务信号频率的最高分量和最低分量的差值
    • 单位也是 赫兹
  • 在数字通信系统，带宽表示通信线路所能传送数据的能力
    • 即单位时间内从网络中的一点到另一点所能通过的最高数据量（最大传输速率）
    • 单位：比特每秒（bit/s或bps）
• 端到端延迟
  • 表示数据分组从网络中的一个端点到另一个端点花费的时间
  • 发送延迟：
    • 向网络中发送数据分组的时间 = 发送bit数 / 发送速率
  • 传播延迟
    • 电磁波信号在信道中传播所消耗的时间 = 传输距离 / 传输速率
  • 处理延迟
    • 节点处理分析数据分组所要消耗的时间
  • 排队延迟
    • 数据在经过网络中的路由器，排队等待转发所需要的时间
• 吞吐量
  • 表示在单位时间内通过某个网络的数据量
  • 衡量现实网络能够通过多少数据量，受网络带宽或网络的额定速率的限制

2. 非定量的性能指标

• QoS服务质量
  • 指的是利用各种技术，为指定的网络通信提供更好的服务能力
  • 比如说我家是10M的带宽，电信部门必须通过相应的技术使网络能够达到10M
• 可靠性
  • 能否长时间无故障运行
• 可扩展性
  • 开始设计的时候，考虑网络的可扩展性
• 安全性
  • 抵御各种风险的能力
• 标准化
  • 网络产品所遵循的标准
• 成本
  • 设计 建设 使用网络的费用

5. 计算机网络的功能和应用

• 功能
  • 实现数据通信
  • 提供资源共享
    • 硬件资源
    • 软件资源
    • 信息资源
  • 提供计算机系统的可靠性
    • 一旦某台计算机发生故障，网络中的其他计算机可以代替它完成
  • 进行分布式处理
  • 对分散对象提供集中控制与管理
• 应用
  • 最初计算机网络应用
    • 远程登陆Telnet
    • 文件传输服务FTP
    • 电子邮件 E-mail
  • HTTP的万维网WWW
    • 91年，伯纳斯.李发明了基于 超文本传输协议
  • 搜索引擎，即时通讯，电子商务，P2P应用，视频点播
  • 移动互联网，物联网（IOT）,云计算，大数据

六. 计算机网络的标准化组织

• ISO 国际标准化组织
  • 全球的非政府组织，制定各行业的国际标准化活动
  • 开发系统互联参考模型 OSI，将网络分为7层
• 国际电信联盟 ITU
  • 1865年，负责各国电信业务的国际组织
  • ITU 指定的X系列标准，如X.25协议
• EIA 美国电子工业协会
  • 制定数据通信设备的物理接口
  • 比如数字设备之间 串行通信的接口标准 RS-232
• IEEE 电器和电子工程师协会
  • 1963年建立，指定一系列局域网标准
  • IEEE802系列标准
  • 802.11无线以太网
  • 802.6 城域网