计算机网络

计算机网络的定义

计算机网络是指将一群具有独立功能的计算机通过通信设备及传输媒体被互联起来，在通信软件的支持下，实现计算机间资源共享、信息交换或协同工作的系统。

计算机网络是计算机技术和通信技术紧密结合的产物，两者的迅速发展及相互渗透，形成了计算机网络技术。

计算机之间的物理连接是通过通信设备完成的，但真正的通信是通过执行具体的程序来实现的，程序是使计算机完成特定操作的指令的有序序列。

计算机网络的发展历程

以数据通讯为主的第一代计算机网络

第一代计算机网络是以单个计算机为中心、面向终端设备的网络结构（“终端——通信线路——计算机”的结构），严格来讲，是一种联机系统，只是计算机网络的雏形，我们一般称之为第一代计算机网络。主要目的：数据通信。

以资源共享为主的第二代计算机网络

以分组交换网为中心的计算机网络

1968年主持研制，次年将分散在不同地区的4台计算机连接起来，建成了ARPA网

ARPA网的建成标志着计算机网络的发展进入了第二代，它也是Internet的前身。它与第一代计算机网络的区别在于：一是网络中通信双方都是具有自主处理能力的计算机，而不是终端机；二是计算机网络功能以资源共享为主，而不是以数据通信为主。

体系标准化的第三代计算机网络

1983年，该国际标准化组织（ISO）委员会提出的开放系统互连参考模型（OSI-RM）各层的协议被批准为国际标准

因此我们把体系结构标准化的计算机网络称为第三代计算机网络

以Internet为核心的第四代计算机网络

进入20世纪90年代，Internet的建立将分散在世界各地的计算机和各种网络连接起来，形成了覆盖世界的大网络

信息高速公路，就是一个高速度、大容量、多媒体的信息传输网络目前这阶段计算机网络发展特点呈现为：高速互连、智能与更广泛的应用

计算机网络的发展趋势

三网合一

通信网络、计算机网络和有线电视网络三类网络正逐渐向单一的统一IP网络发展，即所谓的三网合一

光通信技术

光通信技术的发展主要有两个大的方向：一是主干传输向高速率、大容量的光传送网发展，最终实现全光网络；二是接人向低成本，综合接入宽带化光纤接人网发展,最终实现光纤到家庭和光纤到桌面。

IPv6协议

TCP/IP协议族是互联网的基石之一。目前广泛使用的协议的版术为IPv4。其地址位数为32位，即理论上约有40亿（232）个地址。IPv4 的问题逐渐显露出来，主要有地址资源枯竭路由表急剧膨胀对两络安全和多媒体应用的支持不够等。 IPv6作为下一代的IP协议，采用128位地址长度，即理论上约有128个地址，几乎可以不受限制地提供地址。IPv6除劳永逸地解决了地址短缺问题外，同时也解决了IPv4中端到端IP连接、服务质量(QoS)、安全性等缺陷。

宽带接入技术与移动通信技术

低成本光纤到户的宽带接人技术和更高速的3G乃至以后的4G 、5G宽带移动通信系续持术的应用，使得不同的网络间无缝连接，为用户提供满意的服务。

计算机网络性能指标

速率、带宽、吞吐量、时延、时延带宽积、往返时间RTT、利用率。

速率

网络技术中的速率指的是数据的传送速率，它也称为数据率或比特率。指信道中每秒钟实际传输的比特数，是信息传输速率（传信率）的度量。计算公式为S=1/T。T为传输1比特数据所花的时间。速率的单位是bit/s（比特每秒）（或b/s，有时也写作bps，即bit per second）

带宽

对于模拟信号，带宽又称为频宽，表示某信道允许通过的信号频带范围，就是可传送信号的最高频率与最低频率之差。单位是赫兹（Hz）（或千赫、兆赫、吉赫等）。

对于数字信号，带宽用来表示网络的通信线路所能传送数据的能力，表示在单位时间内从网络的某一点到另一点所能通过的“最高数据量“。

吞吐量

吞吐量表示在单位时间内通过某个网络的实际数据量。

时延

时延是指数据从网络的一端传送到另一端所需的时间。时延是个很重要的性能指标，它有时也称为延迟或者迟延。

（1）发送时延 发送时延也叫做传输时延,是从发送数据帧的第一个比特算起，到该帧的最后一个比特发送完毕所需的时间。（2）传播时延 传播时延是电磁波在信道中传播一定的距离需要花费的时间。（3）处理时延 主机或路由器在收到分组时需要花费一定时间进行处理就产生了处理时延。（4）排队时延 分组在进行网络传输时，要经过许多路由器。但分组在进入路由器后要先在输入队列中排队等待，在路由器确定了转发接口后，还要在输出队列中排队等待转发。这就产生了排队时延。 总时延=发送时延+传播时延+处理时延+排队时延。

计算机网络的组成

典型的计算机网络由计算机系统(网络服务器、客户机、打印机)和网络接口卡（使计算机联网的设备）、数据通信系统(通信线路、通信设备)、网络软件(网络操作系统、网络服务器/客户机程序)及协议（为计算机网络中进行数据交换而建立的规则、标准或约定的集合）三大部分组成。

物理连接上

计算机系统

计算机网络中的计算机系统主要担负数据处理工作，它可以是具有强大功能的大型计算机，也可以是一台微机，其任务是进行信息的采集、存储和加工处理。

网络节点

负责网络中信息的发送、接收和转发。网络节点是计算机与网络的接口

大型网络

网络节点一般由一台通信处理机或通信控制器担当

局域网

使用的网络适配器（又称网卡或网络接口卡，英文名NetworkInterfaceCard，简称NIC，是使计算机联网的设备。网卡插在计算机主板插槽中，负责将用户要传递的数据转换为网络上其它设备能够识别的格式，通过网络介质传输））也属于网络节点。

通信链路

通信线路

有线介质

有线网采用双绞线、同轴电缆、光纤或电话线做传输介质。采用双绞线和同轴电缆连成的网络经济且安装简便，但传输距离相对较短。以光纤为介质的网络传输距离远，传输率高，抗干扰能力强，安全好用，但成本稍高。

双绞线分为非屏蔽双绞线(UTP）和屏蔽双绞线(STP）。双绞线的线路耗损大,传输速率较低，传输距离也很有限，一般为几百米，但与其他传输介质相比价格便宜,易于安装,主要用于局域网中。目前在局域网中最常用的传输介质是双绞线。

同轴电缆抗干扰能力强，连接简单。信息传输速度可达每秒几百兆位，是中、高档局域网的首选传输介质。

光纤分为单模光纤和多模光纤。光纤的电磁绝缘性能好、信号衰小、频带宽、传输速度快、传输距离大。主要用于要求传输距离较长、布线条件特殊的主干网连接；尺寸小、重量轻，数据可传送几百千米，但价格昂贵。

有线传输介质中，传输率最高的是光纤。

无线介质

无线网主要以无线电波或红外线为传输介质，联网方式灵活方便，但联网费用稍高，可靠性和安全性还有待完善。

微波微波是指频率为300MHz-300GHz的电磁波，是无线电波中一个有限频带的简称，即波长在1米（不含1米）到1毫米之间的电磁波，是分米波、厘米波、毫米波和亚毫米波的统称。

红外线可分为三部分，即近红外线，波长为0.75～1.50μm之间；中红外线，波长为1.50～6.0μm之间；远红外线，波长为6.0～l000μm之间。

无线电波是指在自由空间（包括空气和真空）传播的射频频段的电磁波。无线电技术是通过无线电波传播声音或其他信号的技术。

无线电波（长波（对潜通信）、中波（广播）、短波（广播）、微波（电视、卫星通信））、红外线（军事：夜视仪，生活：测温）、可见光、紫外线、X射线、γ射线都是电磁波，波长由大到小。

通信设备

通信设备包括调制解调器（Modem）、中继器、集线器(HUB，多端口中继器)、网桥、交换机（Switch，多端口网桥）、路由器(Router)等。

调制解调器

调制解调器（Modem）能进行数字信号和模拟信号的转换，以便将数字信号通过只能传输模拟信号的线路(如：电话线)来传输）（调制：数-模转换；解调：模-数转换）

中继器

中继器的作用是将数字信号放大

集线器(HUB，多端口中继器)

集线器可以视作多端口的中继器。“Hub”是“中心”的意思，集线器的主要功能是对接收到的信号进行再生整形放大，以扩大网络的传输距离，同时把所有节点集中在以它为中心的节点上。它工作于OSI(开放系统互联参考模型)参考模型第一层，即“物理层”。集线器(所有端口在同一广播域和冲突域；所有端口共享带宽。CSMA/CD带有冲突检测的载波监听多路访问

交换机（Switch，多端口网桥）

交换机是一种用于电信号转发的网络设备。它可以为接入交换机的任意两个网络节点提供独享的电信号通路。所有端口处于同一广播域和不同冲突域；所有端口独享带宽。工作在数据链路层。交换机可以看作多端口网桥；网桥可以看作只有两个接口的交换机。）

路由器（Router）

路由器属于网间连接设备，用来实现不同类型的网络之间互联，它能够在复杂的网络环境中，完成数据包的传送工作（寻径+转发），路由器工作在网络层。

逻辑功能上

通信子网

通信子网提供计算机网络的通信功能，由网络节点和通信链路组成。

通信子网通信子网提供计算机网络的通信功能，由网络节点和通信链路组成。通信子网是由节点处理机和通信链路组成的一个独立的数据通信系统。通信子网主要包括;中继器、集线器、网桥，路由器，网关等硬件设备。

2)资源子网资源子网提供访问网络和处理数据的能力，由主机、终端控制器和终端组成。主机负责本地或全网的数据处理，运行各种应用程序或大型数据库系统，向网络用户提供各种软硬件资源和网络服务;终端控制器用于把一组终端连入通信子网，并负责控制终端信息的接收和发送。终端控制器可以不经主机直接和网络节点相连，当然，还有一些设备也可以不经主机直接和节点相连，如打印机和大型存储设备等。资源子网主要包括;网络的服务器、用户计算机、网络存储系统、网络终端、共享的打印机和其他设备及相关软件所组成，资源子网的主体为网络资源设备。

资源子网

资源子网提供访问网络和处理数据的能力，由主机、终端控制器和终端组成。 计算机网络中的主体设备称为主机，一般可分为中心站(又称服务器)和工作站(又称客户机)两类。

计算机网络的功能

数据通信

数据通信是计算机网络的基本功能之一，用于实现计算机之间的信息传送。在计算机网络中，人们可以收发电子邮件，发布新闻、消息，进行电子商务、远程教育、远程医疗，传递文字、图像、声音、视频

资源共享

计算机资源主要是指计算机的硬件、软件和数据资源。资源共享功能是组建计算机网络的驱动力之一，资源共享是计算机网络的主要功能，是最突出的特征

分布式处理

对于综合性的大型科学计算和信息处理问题，可以采用一定的算法，将任务分给网络中不同的计算机，以达到均衡使用网络资源，实现分布处理的目的。

提高系统的可靠性

可靠性对于军事、金融和工业过程控制等部门的应用特别重要。计算机通过网络中的冗余部件，尤其是借助虚拟化技术可大大提高可靠性。

计算机网络的分类

根据网络的覆盖范围划分

局域网（LAN，Local Area Network）

一般用微机通过高速通信线路连接，覆盖范围从几百米到几公里，通常用于连接一个房间、一层楼或一座建筑物。局域网传输速率高、误码率低，可靠性好，适用各种传输介质，建设成本低(一般用双绞线(使用最多)和同轴电缆,既经济又安装方便)。

城域网（MAN，Metropolitan Area Network）

可将同一城市内不同地点的主机、数据库以及LAN 等互相连接起来。

广域网（WAN，Wide Area Network）

连接不同城市之间的LAN 或WAN。

广域网的通信子网主要采用分组交换技术，常常借用传统的公共传输网（如电话网），这就使广域网的数据传输相对较慢，传输误码率也较高。随着光纤通信网络的建设，广域网的速度将大大提高。广域网可以覆盖一个地区或国家。

因特网（Internet），最大的广域网，它将世界各地的广域网、局域网等互联起来，形成一个整体，实现全球范围内的数据通信和资源共享。

以太网（EtherNet)

以太网最早由Xerox（施乐）公司创建，于1980年DEC、lntel和Xerox三家公司联合开发成为一个标准。以太网是应用最为广泛的局域网，包括标准的以太网（10Mbit/s)、快速以太网（100Mbit/s）和10G（10Gbit/s）以太网，采用的是CSMA/CD(载波监听多路访问及冲突检测)访问控制法。当以太网中的一台主机要传输数据时，它将按如下步骤进行： ①监听信道上是否有信号在传输。如果有的话，表明信道处于忙状态，就继续监听，直到信道空闲为止。 ②若没有监听到任何信号，就传输数据。 ③传输的时候继续监听，如发现冲突则执行退避算法，随机等待一段时间后，重新执行步骤①（当冲突发生时，涉及冲突的计算机会返回到监听信道状态）。 ④若未发现冲突则发送成功。

802.3标准

以太网符合IEEE （电气和电子工程师协会）制定的802.3标准。常见的802.3应用为： 10BASE-5：粗缆。最大传输距离500米，使用AUI连接器连接。 10BASE-2：细缆。实际传输距离为185米，使用BNC连接器(T型和N型)。 10BASE-T：双绞线。传输距离100米，使用RJ45连接器。 100BASE-TX：双绞线，使用两对非屏蔽双绞线或两对1类屏蔽双绞线连接，传输100米。 100BASE-T4：4对3类非屏蔽双绞线，传输距离100米。 100BASE-F：单模或多模光纤，传输距离2000米左右。说明： “Base”代表“基带传输”；前面数字代表传播速率，单位是“Mbps” （如：“10”，表示10 Mbps，即 10 兆比特/ 秒）；后面数字表示最大延伸距离，如：“5”表示单段网线长度接近500米，500米内不需要转接器。

按网络的拓扑结构划分

把网络中的计算机等设备抽象为点，把网络中的通信媒体抽象为线，我们称之为网络的拓扑结构。计算机网络按拓扑结构可以分成总线型网络、星形网络、环形网络、树状网络、网状网络和混合型网络

总线型拓扑

总线型拓扑采用单一信道作为传输介质，所有主机（或站点）通过专门的连接器接到这根称为总线的公共信道上

在总线型拓扑中，任何一台主机发送的信息都沿着总线向两个方向扩散，并且总能被总线上的每一台主机所接收。由于其信息是向四周传播的，类似于广播，所以总线网络也被称为广播网。这种拓扑结构的所有主机都彼此进行了连接，从而可以直接通信。总线型拓扑结构的优点是：结构简单，布线容易，站点扩展灵活方便，可靠性高。缺点是：故障检测和隔离较困难，总线负载能力较低。另外，一旦线缆中出现断路，就会使主机之间造成分离，使整个网段通信中止。

环形拓扑

环形拓扑是一个包括若干节点和链路的单一封闭环，每个节点只与相邻的两个节点相连

环形结构的优点：容易安装和监控，传输最大延迟时间是固定的，传输控制机制简单，实时性强。缺点：网络中任何一台计算机的故障都会影响整个网络的正常工作，故障检测比较困难，节点增、删不方便。

星形拓扑

星形拓扑是由各个节点通过专用链路连接到中央节点上而形成的网络结构

星形结构的优点：传输速度快，误差小，扩容比较方便，易于管理和维护，故障的检测和隔离也很方便。缺点：中央节点是整个网络的瓶颈，必须具有很高的可靠性。中央节点一旦发生故障，整个网络就会瘫痪。另外，每个节点都要和中央节点相连，需要耗费大量的电缆。

树状拓扑

树状拓扑是从总线型拓扑演变而来的，在树状拓扑中，任何一个节点发送信息后都要传送到根节点，然后从根节点返回整个网络，

这种结构的网络在扩容和容错方面都有很大优势，很容易将错误隔离在小范围内。这种网络依赖根节点，如果根节点出了故障，则整个网络将会瘫痪。

网状拓扑

网状结构由节点和连接节点的点到点链路组成，每个节点都有一条或几条链路同其他节点相连

状结构通常用于广域网中，优点是节点间路径多，局部的故障不会影响整个网络的正常工作，可靠性高，而且网络扩充和主机入网比较灵活、简单。缺点，这种网络的结构和协议比较复杂，建网成本高。

按网络的使用性质划分

可分为公用网和专用网。其中，

公用网（Public Network）

是一种付费网络，

专用网（Private Network）

是某个部门根据本系统的特殊业务需要而建造的网络，这种网络一般不对外提供服务。

计算机网络协议及计算机网络参考模型

网络协议：为计算机网络中进行数据交换而建立的规则、标准或约定的集合称为网络协议(protocol) 。

组成要素

语法（怎么做）、语义（做什么）、时序（做的顺序）

开放系统互连OSI

国际标准化组织ISO提出，物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层和应用层。

数据链路层分成LLC(Logical Link Control，逻辑链路控制)和MAC(Media Access Control，媒介接入控制)两个子层

封装：（解封装过程与之相反应用层：发送数据---------表示层：数据格式转换，加密，压缩等--------会话层：建立会话(应用进程连接) ----------传输层：建立端到端的连接，差错校验，流量控制，TCP/UDP传输；数据段：（源端口，目标端口）+数据----------网络层：分组/数据包（IP地址+数据）--------数据链路层：帧（帧头（帧头包含Mac地址）+帧数据）------------物理层：比特流（0,1）

TCP/IP协议

TCP/IP协议一个完整的体系结构，TCP是传输控制协议；而IP是互联网协议，也称网际协议，它们由很多协议共同组成

链路层：负责封装和解封装IP报文，发送和接受ARP\RARP报文等
网络层：负责路由以及把分组报文发送给目标网络和主机
传输层：负责对报文进行分组和重组，并以TCP或UDP协议格式封装报文
应用层：负责向用户提供应用程序，比如HTTP,FTP,TELNET,DNS,SMTP等

TCP(传输控制协议)是一种可靠的面向端到端连接的协议，同时要完成差错恢复和流量控制功能，协调双方的发送与接受速度，达到正确传输的目的。TCP把应用层数据流分割成适当长度的报文段，并将其按适当路径做好传送，在接收端收到后再将其正确地还原。 UDP(用户数据报协议)是一种不可靠的面向无连接的协议，主要用于不要求分组数据按顺序到达的传输中，分组传输顺序检查与排序由应用层完成，不提供流量控制和差错恢复。 TCP/IP协议中常用的应用层协议：超文本传输协议(HTTP)、文件传输协议(FTP)、简单邮件传输协议(SMTP)、远程终端协议(TELNET)、域名服务（DNS）、简单网络管理协议（SNMP）

网络测试命令

（1）ping：利用“ping”命令可以检查网络是否连通，可以很好地帮助我们分析和判定网络故障。应用格式：Ping空格IP地址。

（2）IPConfig：可用于检查当前网络的配置情况，即显示当前的TCP/IP配置的设置值。（3）Tracert：路由跟踪实用程序，用于确定 IP 数据包访问目标所采取的路径。