《计算机网络基础》笔记------ 计算机网络概述（一）

目录

1.计算机网络的基本概念

1.1 计算机网络的定义

所谓计算机网络就是利用通信设备和线路将地理位置不同、功能独立的多个计算机系统互连起来，并通过功能完善的网络软件实现网络中资源共享和信息传递的系统.

• 定义中的要点：
  • 网络中的连接对象是功能独立的计算机，功能独立的意思是计算机即使不联网也具有信息处理的能力；
  • 网络的连接方式是通过“通信设备与线路”进行连接的；
  • 网络的作用是实现资源的共享和信息的传递（网络中资源主要指计算机硬件，软件和数据资源）；
  • 网络的实现需要“功能完善的网络软件”；

1.2 计算机网络的产生与发展

• 计算机网络雏形
  • 20世纪50年代，产生了计算机网络的雏形：远程联机系统，由一台计算机连接多台终端组成，允许多人同时使用一台计算机，特别是远程使用。
  • “终端”设备比较简单，由显示器、键盘和简单的通信硬件组成，终端通过通信线路与主计算机相连，其作用是将远地用户通过键盘输入的命令和数据传送给主计算机，将主计算机的执行结果回送终端并在屏幕上显示。
  • 由于终端不具有独立的处理能力，因此远程联机系统并不是真正意义上的计算机网络。
• 计算机网络技术里程碑
  • 20世纪60年代，出现了真正符合定义的计算机网络，该项目由美国军方的先进研究项目局(ARPA)负责，1969年底试验系统建成，命名为ARPANET，它就是Internet的前身。ARPANET是广域网，首次采用分组交换技术，是计算机网络发展史上的里程碑。
  • 1973年美国施乐公司(Xerox)发明了第一种实用的局域网技术，命名为以太网(Ethernet)。局域网在技术上与广域网不同，是当时传输速度较快的计算机网络技术之一

1.3 计算机网络的组成与分类

• 组成计算机网络的三要素

  • 服务器:若干个计算机用来向使用者提供服务；
  • 通信线路：一个通讯子网，由通信设备和线路组成；
  • 通信协议：一系列协议，用于协调主机与子网，主机与主机之间的通信；

  计算机网络由资源子网和通信子网两部分组成。
  通信子网负责全网的信息传递。
  资源子网则负责信息处理，向网络提供可用的资源。

• 计算机网络的分类

  • 按照网络的覆盖范围：
    • 广域网（(Wide Area Network)）

      任务是通过长距离运送主机发送的数据
      

    • 局域网（Local Area Network）

        学校或企业大多拥有多个互连的局域网
      

    • 城域网（Metropolitan Area Network)

      用来将多个局域网进行互连
      

  • 按照网络的使用范围的分类
    • 公用网
    • 专用网
  • 按照网络采用的交换方式进行分类
    • 电路交换

      整个报文的比特流连续的从源点直达终点，好像在一个管道中传送
      

    • 报文交换

      整个报文先传输到相邻的结点，全部存储下来后查找转发表，转发到下一个结点
      报文交换是以报文为数据交换的单位，报文携带有目标地址、源地址等信息，在交换结点采用存储转发的传输方式
      

    • 分组交换

      单个分组(报文的一部分)传送到相邻结点，传送到相邻结点，存储下来后查找转发表，转发到下一个结点。
      

    • 混合交换
      多种交换共用
      

• 交换方式对比

  交换方式	优点	缺点
  电路交换	①由于通信线路为通信双方用户专用，数据直达，所以传输数据的时延非常小。 ②通信双方之间的物理通路一旦建立，双方可以随时通信，实时性强。 ③双方通信时按发送顺序传送数据，不存在失序问题。 ④电路交换既适用于传输模拟信号，也适用于传输数字信号。　 ⑤电路交换的交换的交换设备（交换机等）及控制均较简单	①电路交换的平均连接建立时间对计算机通信来说嫌长。 ②电路交换连接建立后，物理通路被通信双方独占，即使通信线路空闲，也不能供其他用户使用，因而信道利用低。 ③电路交换时，数据直达，不同类型、不同规格、不同速率的终端很难相互进行通信，也难以在通信过程中进行差错控制。
  报文交换	①报文交换不需要为通信双方预先建立一条专用的通信线路，不存在连接建立时延，用户可随时发送报文。 ②由于采用存储转发的传输方式，使之具有下列优点： a.在报文交换中便于设置代码检验和数据重发设施，加之交换结点还具有路径选择，就可以做到某条传输路径发生故障时，重新选择另一条路径传输数据，提高了传输的可靠性； b.在存储转发中容易实现代码转换和速率匹配，甚至收发双方可以不同时处于可用状态。这样就便于类型、规格和速度不同的计算机之间进行通信； c.提供多目标服务，即一个报文可以同时发送到多个目的地址，这在电路交换中是很难实现的； d.允许建立数据传输的优先级，使优先级高的报文优先转换。 ③通信双方不是固定占有一条通信线路，而是在不同的时间一段一段地部分占有这条物理通路，因而大大提高了通信线路的利用率。	①由于数据进入交换结点后要经历存储、转发这一过程，从而引起转发时延（包括接收报文、检验正确性、排队、发送时间等），而且网络的通信量愈大，造成的时延就愈大，因此报文交换的实时性差，不适合传送实时或交互式业务的数据。　 ②报文交换只适用于数字信号。　　 ③由于报文长度没有限制，而每个中间结点都要完整地接收传来的整个报文，当输出线路不空闲时，还可能要存储几个完整报文等待转发，要求网络中每个结点有较大的缓冲区。为了降低成本，减少结点的缓冲存储器的容量，有时要把等待转发的报文存在磁盘上，进一步增加了传送时延。
  分组交换	①加速了数据在网络中的传输。因为分组是逐个传输，可以使后一个分组的存储操作与前一个分组的转发操作并行，这种流水线式传输方式减少了报文的传输时间。此外，传输一个分组所需的缓冲区比传输一份报文所需的缓冲区小得多，这样因缓冲区不足而等待发送的机率及等待的时间也必然少得多。　　 ②简化了存储管理。因为分组的长度固定，相应的缓冲区的大小也固定，在交换结点中存储器的管理通常被简化为对缓冲区的管理，相对比较容易。　　 ③减少了出错机率和重发数据量。因为分组较短，其出错机率必然减少，每次重发的数据量也就大大减少，这样不仅提高了可靠性，也减少了传输时延。　　 ④由于分组短小，更适用于采用优先级策略，便于及时传送一些紧急数据，因此对于计算机之间的突发式的数据通信，分组交换显然更为合适些。	①尽管分组交换比报文交换的传输时延少，但仍存在存储转发时延，而且其结点交换机必须具有更强的处理能力。　　 ②分组交换与报文交换一样，每个分组都要加上源、目的地址和分组编号等信息，使传送的信息量大约增大5%～10%，一定程度上降低了通信效率，增加了处理的时间，使控制复杂，时延增加。　　 ③当分组交换采用数据报服务时，可能出现失序、丢失或重复分组，分组到达目的结点时，要对分组按编号进行排序等工作，增加了麻烦。若采用虚电路服务，虽无失序问题，但有呼叫建立、数据传输和虚电路释放三个过程。

1.4 计算机的拓扑结构

• 计算机的拓扑结构是计算机的网络形状，或者说是物理上的连通性
• 基本的拓扑结构有五种：

  • 星型

    • 所有计算机都通过通信线路直接连接到中心交换设备上
    • 优点是结构简单
    • 缺点是如果中心交换设备故障，则整个网络瘫痪
      

  • 总线型

    • 特点是所有计算机共用一条通信线路，任意时刻只能有一台计算机发送数据，否则将会发生冲突
    • 优点是结构简单，使用的电缆少
    • 缺点是这条通信总线出现故障，整个网络瘫痪
      

  • 环型

    • 特点是所有计算机公用一条首尾相连成闭合环的通信线路。环可以是单向的，也可以是双向的。单向的环型网络，数据只能沿一个方向传输
      

  • 树型

    • 特点是形状象一棵倒置的树，顶端是树根，树根以下带分支，每个分支还可再带子分支，其中树根和分支点为网络交换设备
    • 优点是易于拓展
      

  • 网状

    • 节点之间有多条线路相连，所以网络的可靠性较高。由于结构比较复杂，建设成本较高
      

网络拓扑结构的用途
不同的拓扑结构往往采用不同的网络技术。
了解网络采用的拓扑结构对管理和维护网络十分有用，特别是当网络出现故障时，通过分析拓扑结构可以很快找出问题并加以解决。

2.计算机网络体系结构

2.1 网络体系结构基础

• 网络协议

  • 通过通信设备和线路连接起来的计算机要想做到有条不紊地交换数据，就必须遵循事先约定的一组规则。 这些规则明确规定了所交换的数据的格式以及有关的同步问题。
  • 为进行网络中的数据交换而建立的规则、标准或约定，就称为网络协议。
  • 网络协议的三要素
    • 语法：即数据和控制信息的结构或者格式；
    • 语义：即需要发出何种控制信息，完成何种动作以及做出何种应答；
    • 同步：事件实现顺序的详细说明

• 层次化的网络体系结构

  • 计算机网络通常包含一组网络协议，把它们按层次结构进行组织，每个层次可以包含若干个协议。
  • 层和层之间定义了信息交互接口。
  • 某个层次中的协议即可以为上层协议提供服务，也可以使用下层协议提供的服务。

• 计算机网络体系结构

  • 计算机网络的各层及其各层协议的集合，称为网络的体系结构。
  • 计算机网络的体系结构是对如何划分层次，层次之间的关系及各层包含那些协议的精确定义。

• 协议和服务的关系

  • 实体：表示任何可发送或接收信息的硬件或软件。
  • 服务访问点：在同一系统中相邻两层的实体进行交互(即交换信息)的地方，通常称为服务访问点SAP(service Access Point)。
  • 服务原语：上层使用下层所提供的服务必须通过与下层交换一些命令来实现，这些命令称为服务原语。

协议是控制两个对等实体进行通信的规则的集合

• 在对等层实体间传送的数据的单位都称为该层的协议数据单元PDU(Protocol Data Unit)。
• 层与层之间交换的数据的单位称为服务数据单元SDU(Service Data Unit)。

2.2 OSI 体系结构

• OSI是开放系统互连基本参考模型 (Open System Interconnection Reference Model)的简称，“开放”的含义表示只要遵循OSI的标准，一个系统就可以和位于世界上任何地方、也遵循同一标准的其他任何系统进行通信。
• 各层功能介绍

• OSI层次结构中数据的流动
  

3.Internet与TCP/IP体系结构

3.1 Internet的产生与发展

• 1969年，ARPA完成了计算机网络ARPANET的研制 。1983年ARPANET各站点的通信协议全部更改为TCP/IP协议，这是全球因特网正式诞生的标志。同年ARPANET分解为ARPANET和MILNET，后者为军用的计算机网络。在1983～1984年间因特网Internet就形成了
• 因特网标准化工作
  • 因特网的标准化工作对因特网的发展起到了非常重要的作用。因特网在制定其标准上很有特色，它的一个很大的特点是面向公众。因特网所有的技术文档都可以从因特网上免费下载，而且任何人都可以用电子邮件随时发表队某个文档的意见或建议，这种方式对因特网的迅速发展影响很大。

3.2 TCP/IP体系结构

低三层为通信子网，负责数据传输
高三层为资源子网，相当于计算机系统，完成数据处理；
传输层承上启下

• TCP/IP层级分析

• TCP/IP体系特点
  • TCP/IP一开始就考虑到各种异构网络的互连问题，将网际协议IP作为TCP/IP的重要组成部分。但OSI制定时最初只考虑到全世界都使用一种统一的标准将各种不同的系统互连起来。
  • TCP/IP一开始就把面向连接服务和无连接服务并重，并在网际层使用无连接服务，但OSI在开始时各个层都采用面向连接服务，降低了效率。
  • TCP/IP在较早时就有了较好的网络管理功能，但OSI到后来才开始考虑。
  • TCP/IP的不足主要在于TCP/IP模型对“服务”、“协议”和“接口”等概念没有很清楚地区分开，TCP/IP模型的通用性较差。此外，TCP/IP但网络接口层严格来说并不是一个层次而仅仅是一个接口。