计算机网络绪论

介绍计算机网络的一些基本概念、诞生与发展历程，以及计算机网络的组成和发展趋势等。

计算机网络的诞生与发展

1.面向终端的通信网络（第一代）

1963年美国建立的SAGE，这种联机系统中，终端T（键盘和显示器）分布在各地，并独占一条通信线路，主计算机是网络的中心和控制者，通过线路复用控制器（MCU）和各终端相连。

随着远程终端数目的增加，为减轻主计算机负载，在通信线路和计算机之间设置了一个前端处理机（FEP）或通信控制处理机（CCP），专门负责与终端之间的通信控制，使数据处理和通信控制分工。在远程终端集中的地方设置集中器（或多路复用器），通过近程低速线路把附近群集的终端连起来，再由调制解调器及高速线路与FEP相连。

面向终端的通信网络虽还不能称为计算机网络，但它提供了计算机通信的技术基础，而且这种系统也成为此后计算机网络的组成部分。

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2.分组交换网络（第二代）

在面向终端的通信网络中，终端和计算机之间数据通信是通过线路进行，因为计算机数据通常是突发式、间歇性地出现在传输线路上，在整个占线期间，真正传送数据的时间往往不到10%甚至只有1%，所以需要寻找一种新的交换方式来改变电路交换，适应计算机通信要求。

1964年，巴兰在德国兰德公司讨论分布式通信提出了分组交换的概念。
1969年，美国的分组交换网络ARPANet投入运行。

逻辑上，可以把ARPANet看成是一种由资源子网和通信子网两级结构组成的计算机网络。主机之间由接口报文处理机（IMP）和它们之间的通信网络一起组成通信子网，实现数据传输与交换。

一个主机配有一个IMP，IMP之间有一定的拓扑结构，数据可在一条路径上存储和传输。ARPANet中存储转发的信息的基本单元是分组，它将整个要交换的信息报文分成若干信息分组，对每个分组按照存储转发的方式在通信子网上传输。
这种以存储转发方式传输分组的通信子网，又成为分组交换数据网（PSDN）

目前，世界上运行的远程通信网多采用分组交换数据网。ARPANet中的IMP，在PSDN中也被称为分组交换节点。又因为IMP或分组交换结点通常是用小型计算机或微型计算机实现的，为了与资源子网中的主机相区别，也称为结点机。

ARPANet不仅开创了第二代计算机网络，也发展成为了今天世界范围内广泛应用的Internet。

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3.体系结构标准化网络（第三代）

第二代计算机网络有力促进发展，这个时期网络多是由各个单位、公司、学校研发的，没有统一的网络体系结构，难以在大范围内把这些网络互联起来，实现信息交换和资源共享。

国际标准化组织（ISO）于1984年正式颁布了一个称为“开放系统互联基本参考模型”，计算机网络走向国际标准化。通常把体系结构标准化的网络称为第三代网络。

20世纪70年代，计算机局域网技术应运而生。1980年，美国电气电子工程师学会IEEE成立了IEEE 802局域网标准化委员会。

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4.高速互联网络（第四代）

随着局域网、城域网（MAN）和广域网的迅速发展和应用，如何将它们连接起来，扩大网络规模和实现更大范围的资源共享问题造就了Internet。

阶段：

1)研究试验网阶段

以ARPANet为雏形
保证计算机之间通信的标准规范，即通信协议TCP/IP协议的问世
每个网络内部各自使用自己的通信协议，在与其他网络通信时使用TCP/IP协议

2)推广普及阶段

美国国家科学基金会（NSF）建设形成了主干网（NSFNet），传输速率从T1（1.544Mbps）到T3（45Mbps），代替了ARPANet的骨干地位
1989年MILNet（由ARPANet分离出来）实现了和NSFNet的连接，并开始采用Internet这个名称。
1989年日内瓦欧洲粒子物理实验室开发成功万维网（WWW）

3)商用发展阶段
1994年NSF宣布停止对NSFNet的支持，由MCI、Sprint等公司运营维护，由此进入商业化时代。
很多国家建立了本国的Internet主干网，并接入Internet，称为组成部分。例如中国的CHINANet、加拿大的CANet等等

局域网、城域网、广域网之间通过路由器实现互联互通。用户计算机可以通过局域网方式，也可以选择公共电话交换网（PSTN）、有线电视（CATV）网、无线城域网或无线局域网方式接入作为地区主干网的城域网。

TCP/IP协议在UNIX系统中的实现进一步推动了Internet的普及应用。

4)Internet在中国的应用发展

1987年，钱天白教授从中国学术网络（CANet）通过意大利公用分组交换网（ITAPAC）向世界发出了第一封E-mail“越过长城，通向世界”

顶级国家域名“cn”。顶级域名服务器设置在国外，后放在国内。

1996年底，中国Internet网已形成；额四大主流网络体系，分别归属于国家指定的4个部级互联网管理单位：中国科学院、国家教育部、邮电部和电子工业部。

5)进军信息高速公路网络

信息称为了国家经济和科技发展的重要因素，人类进入了信息社会，信息产业称为一个国家的主要支柱产业。

“信息高速公路”目的是把分散的计算机资源通过高速通信网实现共享，提高国家的综合实力和人们生活质量。

美国的“国家信息基础设施”建设计划
中国的“三金”工程计划

中国第一个下一代互联网主干试验网CERNet2的建成并开始提供服务。CERNet2是目前世界上最大的纯IPv6互联网。

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5.下一代网络（NGN）

现在的互联网是建立在IPv4协议基础上，经过多年发展，逐渐显露当初设计中存在的一些缺陷，最大的问题是地址空间短缺。另外，空间拥塞、网络黑客、网络病毒等也严重威胁网络安全。
IPv6最初的目的主要是解决地址空间紧张问题，但是人们还是希望能同时解决如网络安全、服务质量和移动计算等问题。

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计算机网络发展趋势

1.多媒体宽带网络

首先，多媒体通信网络必须具有足够的高带宽，这是多媒体通信海量数据的要求。另外也只有高带宽才能确保实现用户与网络之间交互的实时性。

其次，网络必须满足多媒体通信的实时性和可靠性要求。

最后，网络必须满足媒体同步要求，包括媒体间同步和媒体内同步。

目前广泛使用的集中通信网络，如电信网络、计算机网络和广播电视网络，虽然都可以传输多媒体信息，但都存在不同程度的缺陷。如电视网络的单向性、计算机网络（IP）的无服务保证，以及电信网络的复杂和高开销等。多媒体宽带网络是目前为止最适合多媒体信息传输的网络，即“三网合一”

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2.智能化信息网络

智能化信息网络很难用一个明确的方程式加以定义，它包含很多参数，当这些参数组合一起可以在整个网络中实现特定的网络功能。

目前人们在为智能化信息网络的发展奠定基础和建立架构，如积极推进和发展物联网，旨在通过各种信息传感设备及系统（传感网、射频识别、红外传感器、激光扫描器等）、条码与二维码、全球定位系统，按约定的通信协议，将物与物、人与物练级诶起来，通过各种接入网、互联网进行信息交换，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理，最终新城物联网。

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3.光网络

目前，基于DWDM技术的光传输宽带已达到1.6Tbps，并将达到10Tbps数量级。
100个波长通道的传输设备已经商用化。
然而，由于光存储交换技术还不成熟，导致光分组交换目前难以实用。如果光交换分组能够实用，那么光交换机就将取代目前的核心路由器。

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4.Ad Hoc无线网络

目前：
短距离无线通信技术：
1) 插电的设备，用WiFi；
2) 需要和手机交互的，用BLE；
3) 传感器用ZigBee。

它们需要固定基础设施的支持，并且一般采用集中式的控制方式。但在某些特殊环境或紧急情况下，基于中心的移动通信技术并不能胜任。为满足这些些特殊应用需求，Ad Hoc—（不依赖于任何基础设施的移动结点的短时间互联网络）应运而生

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计算机网络的基本概念

1.计算机网络的定义

简单来说，计算机网络是由“计算机集合”加“通信设施”组成的系统，由软件和硬件构成。

软件系统：应用软件，高级语言，设备驱动，文字处理，通信网络，操作系统，文件管理，开发工具。
硬件系统：主机（CPU、内存），总线，总线下的外设（硬盘，光驱，USB，网卡，终端）

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2.计算机网络的主要功能

1）数据通信—快速传输计算机与终端、计算机与计算机之间各种数据信息

2）资源共享—硬件、数据、信息和网络

3）分布式处理—某台计算负担过重，自动将新任务转交给空闲的计算机来完成

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计算机网络的分类

1.按地理覆盖范围分类

局域网（LAN）
城域网（MAN）
广域网（WAN）
互联网（Internet）

2.按传输媒体分类

有线网：

光纤光缆,同轴电缆,双绞线的作用和区别

同轴电缆

双绞线

光纤

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无线网：

微波，信息性
由于微波频率很高，所以在不大的相对带宽下，其可用的频带很宽，可达数百甚至上千兆赫兹。这是低频无线电波无法比拟的。这意味着微波的信息容量大，所以现代多路通信系统，包括卫星通信系统，几乎无例外都是工作在微波波段。另外，微波信号还可以提供相位信息，极化信息，多普勒频率信息。这在目标检测，遥感目标特征分析等应用中十分重要。

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利用红外线来传输信号的通信方式，叫红外线通信。
由于红外线能象可见光一样集中成很窄的一束发射出去，因此红外线通信有两个最突出的优点：1、不易被人发现和截获，保密性强；2、几乎不会受到电气、天电、人为干扰，抗干扰性强。此外，红外线通信机体积小，重量轻，结构简单，价格低廉。但是它必须在直视距离内通信，且传播受天气的影响。在不能架设有线线路，而使用无线电又怕暴露自己的情况下，使用红外线通信是比较好的。

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无线电短波通信
无线电短波是指波长在100米以下，10米以上的电磁波，其频率为3～30兆赫兹。在这个频段，电波可以通过高层大气的电离层进行折射或反射而回到地面达到远距离通信，当电波被地面再次反射而由天空二次返回时，传送距离更远，多次反射的电波可以实现全球通信。

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3.按数据传输交换方式分类

电路交换网络和存储转发网络，后者又可分为报文交换和分组交换（数据报和虚电路）

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4.按网络组建属性分类

公用计算机网络
国家电信部门组建、经营和管理，向公众提供服务。

专用计算机网络
指为政府、企业、行业和社会发展等部门提供具有部门特色、特定应用服务功能的计算机网络，如Intranet。

Intranet又称为企业内部网,是Internet技术在企业内部的应用.它实际上是采用Internet技术建立的企业内部网络,它的核心技术是基于Web的计算.Intranet的基本思想是:在内部网络上采用TCP/IP作为通信协议,利用Internet的Web模型作为标准信息平台,同时建立防火墙把内部网和Internet分开.当然Intranet并非一定要和Internet连接在一起,它完全可以自成一体作为一个独立的网络.

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计算机网络的组成

资源子网和通信子网

计算机网络的拓扑结构

星状、总线、环状、树状和网状及混合型拓扑结构

网络体系结构的分层

1.网络协议

（1）语法。如IBM公司提出的二进制同步通信BSC协议格式

SYN（同步字符）+ SYN + SOH（报头开始）+ 报头 +STX（正文开始）+ 正文 +ETX（正文结束） + BCC（块校验码）

（2）语义。对构成协议的协议元素含义的解释

（3）时序。对事件执行顺序的详细说明

ISO/OSI参考模型

开放系统互连参考模型 (Open System Interconnect 简称OSI）是国际标准化组织(ISO)和国际电报电话咨询委员会(CCITT)联合制定的开放系统互连参考模型，为开放式互连信息系统提供了一种功能结构的框架。它从低到高分别是：物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层和应用层。

TCP/IP协议体系

ransmission Control Protocol/Internet Protocol的简写，中译名为传输控制协议/因特网互联协议，又名网络通讯协议，是Internet最基本的协议、Internet国际互联网络的基础，由网络层的IP协议和传输层的TCP协议组成。TCP/IP 定义了电子设备如何连入因特网，以及数据如何在它们之间传输的标准。协议采用了4层的层级结构，每一层都呼叫它的下一层所提供的协议来完成自己的需求。通俗而言：TCP负责发现传输的问题，一有问题就发出信号，要求重新传输，直到所有数据安全正确地传输到目的地。而IP是给因特网的每一台联网设备规定一个地址。