第1章 计算机网络概述

第一章 计算机网络概述

1.1计算机网络的发展过程

1.1.1 早期的计算机网络

​ 20世纪50年代，美国空军设计的半自动化地面防空系统SAGE，将远距离的雷达和其他检测装置的信号通过通信线路送入一台IMB计算机系统，连接了1000+台终端，被认为是世界上最早的计算机网络。

​ 早期的计算机网络是计算机和电话通信系统相结合的产物，连接到中心计算机的终端并没有自主处理能力。是以单台计算机为中心的远程联机系统。

1.1.2 现代计算机网络的形成

​ 美国国防部高级研究计划署资助一些公司和大学进行研究，设计了ARPANET，后不断壮大发展为今天的因特网。

• 它的主要贡献：

1. 完成对计算机网络的定义、分类和子课题研究的描述。
2. 提出“资源子网”和“通信子网”的概念。
3. 研究了报文分组交换的数据交换方法。
4. 采用了层次结构的网络体系结构模型与协议体系。

  关键概念：现代计算机网络是具有自主处理能力、使用分组交换方式通信的计算机互联。

• 资源子网与通信子网

1. 资源子网由网络中的所有主机、终端、终端控制器、外部设备（如网络打印机、磁盘阵列等）和各种软件资源组成，负责全网的数据处理和向网络用户（工作站和终端）提供网络资源和服务。
2. 通信子网由各种通信设备和线路组成，承担资源子网的数据传输、转接和变换等通信工作。

1.1.3 局域网的产生和发展

​ 超大规模集成电路的发展极大地促进了微型计算机技术的发展，推动了微型计算机的局域网发展，其中以 NT/2000 和 LAN 技术最为著名；
​ LAN技术发展最迅速的是以太网，它经历了30年的发展，速度由 10Mbit/s 提高到了 10Gbit/s。以太网是LAN的主流网络。

1.1.4 计算机网络体系结构的形成

​ 1977年，国际标准化组织（ISO） 下属的计算机与信息处理标准化技术委员会成立了一个分委员会，研究计算机网络体系结构的标准化问题，最终制定出了 “开放系统互连参考模型”（OSI/RM）。OSI/RM分为7层，每层都有相应规定和协议标准。由于OSI/RM实现非常复杂，就发展出了 “传输控制协议/网际协议”(TCP/IP)，事实上已成为主要标准，从而为Internet的发展和星期起到了决定性作用。

1.1.5 Internet时代

1. Internet 发展史
   早期最大的 ARPANET，还发展了 UNIX 的 TCP/IP 协议族。但是1983年，ARPANET分裂了；与此同时 NSFNET 蓬勃发展，随着局域网和广域网发展，NSF（美国国家科学基金会）在全美国建立了计算机广域网。于是 NSFNET 在 1990年6月 彻底取代了 ARPANET，成为 Internet 的主干网。

2. 下一代因特网的发展
   IPv4已经耗尽，下一代将实现IPv6 。

---

1.2 计算机网络的定义和分类

​ 在不断的发展过程中，人们对于网络的定义不断变化。

1.2.1 计算机网络的定义

​ 现在对于计算机网络的定义是：利用通信设备和通信线路，将地理位置分散的、具有自治能力的多个计算机系统互联起来按照网络协议进行信息交换、组员贡献、互操作和协同工作的系统。

1.2.2 计算机网络的分类

按照传输范围：局域网、广域网和城域网；
按照拓扑结构：总线型、环型、星型、树型、网型和混合网；
按照传输介质：有线网和无线网；
按照交换方式：电路交换网、分组交换网、帧中继网、信元交换（ATM）网；

主要分为局域网、城域网和广域网。

1.2.3局域网、城域网和广域网

1. 局域网

   覆盖范围在 10 km内的低差错高速率数据网，是最常见的计算机网络。小范围内实现简单、高效、快速。

2. 城域网

一般覆盖城市或地区，可以利用已有传输媒介，也可以铺设专门的线路，城域网中可以包含多个局域网。

技术特征：具有双环结构，具有动态分配带宽的能力，支持同步和异步数据传输。

3. 广域网

   可以跨越城市、地区甚至国家。拓扑结构为网状结构。通信速率低、误码率高、维护成本大，但是范围大。

---

1.3 计算机网络的组成、拓扑结构和功能

1.3.1 计算机网络的组成

​ 从系统功能上看，由资源子网和通信子网组成；从系统构成上看，由网络硬件和网络软件组成。

1. 计算机网络的硬件构成

*   计算机（主机）。
*   通信设备。 即中间系统，入交换机、路由器等，为主机转发数据，常被称为“节点”。
*	接口设备。 网络接口卡、调制调节器等接口设备。
*  传输媒体。 又称 “传输介质” ，包括双绞线、同轴电缆、光纤、无线电波、电磁波、红外线和卫星链路等。

​
2. 计算机网络的软件构成

• 网络操作系统。 如UNIX/Linux操作系统。

• 网络协议软件。 如 CSMA/CD 、TCP/IP 、UDP 、PPP 、ATM 、NIC等
• 网络数据库系统。 包括集中式网络数据库和分布式网络数据库。
• 网络管理软件。 如 HP公司的 HP Open View。
• 网络应用软件。 如 WWW、FTP、Email、TELNET等。

1.3.2 计算机网络的拓扑结构

1. 总线型拓扑结构
   优点：结构简单灵活，便于实现和扩充；多个站点公用一条信道，利用率高。
   缺点：传输能力低，容易发生介质访问冲突，可靠性不高（容错率第）。
   2. 环形拓扑结构
   优点：结构简单，延迟低。
   缺点：可靠性差，增加站点困难。
   3. 星型拓扑结构
   优点：结构简单，便于管理；延迟低；误码率低；可靠性高；
   缺点：网络共享能力差；成本大，介质利用率低；中心节点负担打。
   4. 树型拓扑结构
   优点：通信线路总长度短，成本低；路径选择简单；不同层次可以使用不同的以太网实现。
   缺点：任何一个关节点瘫痪都导致连通子集瘫痪。
   5. 网状拓扑结构
   优点：路径选择采用最短路径算法，延迟低；传输速率高；
   缺点：复杂、贵。

1.3.3 计算机网络的功能

1. 数据通信

   传输图片、文字、音视频等资源。

2. 资源共享

   包括所有的软硬件资源。

3. 分布处理

   处理大型计算问题需要多台计算机联合工作，就可以通过网络将多台计算机联合使用并构成高性能的计算机体系，这种策略比买一个同算力的计算机便宜多了。

4. 提高系统可靠性和可用性

   如果一台计算机故障就可以让另一台计算机代行，比如沿节点进行分组传输，就可以绕过故障节点。

---

1.4 计算机网络的体系结构

​ 为了能够是不同地理分布、功能相对独立的计算机之间组成网络实现资源的共享，人们研究和解决计算机网络系统问题，采用了分层思想。把系统实现的功能分解到不同层次，可以有效解决通信中的质变问题。上层解决信息的处理，下层解决信息的传递，高层次屏蔽掉底层实现问题，于是就产生了，计算机网络的分层模型。

​ 关键概念：计算机网络的体系结构是网络的层次结构及各层协议集合的统称。

1.4.1 开放系统互联参考模型（OSI/RM）

层号	中文名称	英文名称缩写
7	应用层	A
6	表示层	P
5	会话层	S
4	传输层	T
3	网络层	N
2	数据链路层	DL
1	物理层	PH

1. 物理层

   向上为数据链路层提供透明的比特流传输服务，向下与物理媒体相连，规定了连接物理媒体的网络接口规范。

1. 机械的。规定接口连接器大小、形状，引脚的数量和几何分布。
2. 电气的。规定线路最大数据传输效率，信号允许传输的最大距离。
3. 功能的。规定接口连接器各引脚的功能、电路的作用。
4. 规程的。规定比特流传输时，应按什么顺序执行整个过程。

2. 数据链路层

​ 数据链路层建立在物理层传输能力的基础上，负责在两个相邻节点间的线路上无差错的传输以帧为单位的数据。主要任务就是进行数据封装和数据链路的建立，每一帧包括一定数量的数据和一些必要的控制信息。
​ 封装的数据信息中，地址段含有发送节点和接受节点的地址，控制端用来表示数据连续帧的类型，数据段包含实际要传输的数据，差错控制端用来检测传输中出现错误的帧。

3. 网络层

​ 网络成负责计算机间的通信，将分组或包为单位的数据，从源节点通过中间节点转发到目的节点。
​ 网络层实现网络互连。网络层中分组传输可能通过互联网的很多子网，由中间节点进行转发，因此网络层首先要解决如何进行分组转发，即如何将分组逐节点的从源节点传送到目的节点。另外就是路由优化问题，当网络拓扑和负载等因素发生变化时，分组到达目的主机路由还应动态地更新，以便动态的保持实时最优。

4. 传输层

​ 运输层负责应用进程间的通信，为两个应用进程之间提供端到端的数据传输服务。运输层为应用进程提供一条端到端的逻辑信道，此逻辑信道是在源节点和目的节点的两个传输实体之间，不涉及线路中间的路由器等中间系统。

​ 端到端的通信涉及端点间是否和如何建立通信连接，是否和如何进行数据传输的流量控制、拥塞控制和差错控制等问题。

5. 会话层

​ 会话层利用运输层提供会话服务，会话可能是一个永福通过网络登录到一个主机，或一个正在建立的用于传输文件的会话。在会话层以上的高层次中，数据传输单位不在另外命名，统称为“报文”。会话层不参与具体的运输，他提供包括访问验证和会话管理在内的建立和维护应用之间的通信的机制。

​ 会话层的功能主要有会话连接到传输连接的映射、数据传送、绘画连接的恢复和释放会话管理、令牌管理和活动管理等。

6. 表示层

​ 如果通信双方用不同的数据表示方式，它们就不能互相理解。表示层就是用于屏蔽这种不同之处，这一层主要解决用户信息的语法表示问题。它将交换的数据从适合某一用户的抽象语法，转换为适合OSI系统内部使用的传送语法，即提供格式化的表示和转换数据服务。数据的解压缩、加密和解密等工作都由表示层负责。

​ 本层功能：数据语法转换、语法表示、表示连接管理、数据加密和数据压缩等。

7. 应用层

应用层是OSI参考模型中的最高层，结局的也是最高层次的问题，即程序应用过程中的问题，直接面对用的具有应用。应用层包含用户应用程序执行通信任务所需要的协议和功能，如电子邮件和文件传输等。

1.4.2 TCP/IP模型

TCP/IP的层次结构：

对应OSI/RM	TCP/IP
高层（5-7）	应用层
运输层	运输层
网络层	网际层
底层（1-2）	网络接口层

1. 网络接口层
	网络接口层负责将网际层的IP数据报通过网络发送出去，或者网络接收数据帧，抽出IP数据报上交给网际层。网络接口层可以使用各种网络，如LAN、MAN、WAN，甚至点对点链路。是作为分割 TCP/IP 和底层的实际网络。
	
2. 网际层
	是TCP/IP模型的第二层，而且是协议栈的核心。实现的相当于OSI网络层的无连接网络服务。否则将源主机的报文分组发送到目的主机，源主机和目的主机可以再同一个网络，也可以不在同一个网络。
	
3. 运输层
	圆弧层的功能是在互联网中源主机与目的主机的对等实体之间建立用户会话的端对端连接，对应于OSI参考模型的运输层。该层也提供确认、差错控制、流量控制等机制。运输层从应用层接受数据，并在必要的时候把它分成较小的单元，传递给网际层，并确保到达对方的各段信息正确无误。
	
4. 应用层
	TCP/IP模型将OSI参考模型中的会话层和表示层的功能合并到应用层实现。应用层为用户提供网络应用，并未这些应用提供网络支持服务，把用户的数据发送到底层，为应用层程序提供网络接口。由于TCP/IP将所有与应用相关的内容都归结为一层，所以应用层要处理高层协议、数据表达和对话控制等任务。

1.4.3 TCP与OSI的区别

OSI/RM 是理论参考模型，TCP/IP是 实际运行的网络通信协议。

1.4.4 网络体系中的重要概念

1. 协议
   包含语义、语法和同步，协议就是计算机网络各层次之间通信所要遵守的一组一组规则和约定。

1. 语法。协议控制信息和传输数据所著称的传输信息的格式。
2. 语义。与意识对构成协议的各个协议元素的含义的阐释。规定了通信双方所要表达的含义，类似于字典，双方发送信息按照字典进行修改。
3. 同步。听不用来规定通信双方操作执行的顺序，协调双方的操作，共同合作完成数据传输任务。

2. 实体

实体是指能够发送和接受信息的对象模型，是每一层实现该层功能的软件或硬件，包括终端、应用软件、通信进程等。

3. 接口

将同一站点内相邻的计算机网络层次之间交换信息的连接点称为“接口”。

4. 服务

服务是同一站点内相邻层之间的操作，位于上层的服务使用者和位于下层的服务提供者之间通过服务访问点来联系。SAP是指相邻两层实体之间通过接口调用服务或提供服务的联系点。

服务主要分为两种形式：

 1. 面向连接服务。 传输服务是在一条实现建立好的链路上进行的。传输前先建立连线，然后通话后释放连线。
 2. 无连接服务。	传输前不需要事先建立连接。如同邮政，每个新建上都有一个收信人的地址，根据地址选定路线传递。