计算机网络原理——第一章：计算机网络概述

学习目标：
1）：理解计算机网络、网络协议、计算机网络的分类、计算机网络结构等基本概念
2）：掌握电路交换、报文交换、分组交换网络的工作原理及其特点
3）：掌握计算机网络主要性能指标与分组交换网络性能分析方法
4）：理解网络体系结构概念，掌握OSI参考模型及TCP/IP参考模型
5）：；了解计算机网络发展历史

第一节：计算机网络基本概念

1：什么是计算机网络？

从技术范畴来看，计算机网络是计算机技术与通信技术相互融合的产物。计算机网络是互连的自治的计算机的集合

• 自治：指互连的计算机系统之间彼此独立，不存在主从或者控制与被控制的关系
• 互连：指利用通信链路连接相互独立的计算机系统。通信链路可以是双绞线、光纤、微波、通信卫星等

目前最大的的、应用最广泛的计算机网络就是Internet或称因特网，Internet是由很多网络互连而构成的全球性网络，是“网络的网络”。个人计算机、笔记本电脑、服务器、智能手机等通过有线的方式或无线方式连接Internet服务提供商（Internet Service Provider，ISP）网络，进而接入Internet

2：网络协议的三要素是什么？每个要素的含义是什么？

协议概述

计算机网络中的实体在进行数据交换的过程中也必须遵循一些规则或约定，这些规则或约定就是网络协议
协议是网络通信实体之间的数据交换过程中需要遵循的规则或约定，是计算机网络有序运行的重要保证
协议约定了实体之间交换的信息类型、信息各部分的含义、信息交换顺序以及收到特定信息或出现异常时应采取的行为

协议三要素

1. 语法：语法定义实体之间交换信息的格式与结构
2. 语义：包括其他控制信息，比如地址信息
3. 时序：也称同步，定义实体之间交换信息的顺序以及如何匹配或适应彼此的速度

计算机网络的功能是什么？

• 硬件资源共享：
  | 通过计算机网络，一台主机可以共享使用另一台主机的硬件资源，包括计算资源（如CPU）、存储资源、打印机与扫描仪I.O设备等。事实上，云计算和云存储可以提供硬件计算资源和存储资源的共享，这都是典型的硬件共享的实例。
• 软件资源共享：
  | 网络上的主机可以远程访问、使用服务器计算机上运行的各类大型软件，例如，大型数据库系统、大型行业专用软件等，实现软件资源共享。软件资源共享可以避免软件的重复投资、重复部署，有效节省成本。
• 信息资源共享：
  | 例如，新闻阅读、信息检索。事实上，目前各类信息（主要是非涉密公开信息）都是通过互联网进行发布分享的，包括政府的政策法规、企业的产品信息、社会的热点新闻、高校的研究成果等。

3：按网络区域覆盖范围划分，主要有哪几类计算机网络？各有什么特点？

1）：个域网：

• 通常是个人穿戴设备通过无线通信技术构成的小范围的网络，进而实现个人设备间的数据传输，比如通过蓝牙技术实现个人设备的互连等。个域网通常覆盖范围在 1~10m。

2）：局域网：

• 局域网通常部署在办公室、办公楼、厂区、校园等局部范围内，采用高速有线或无线链路连接主机，实现局部范围内的高速数据传输。局域网通常覆盖范围在 10m ~ 1km

3）：城域网：

• 城域网是指覆盖一个城市范围的网络，覆盖范围通常在 5 ~ 50km

4）：广域网：

• 广域网覆盖范围在几十到几千千米，通常跨越更大的地理空间，可以实现异地城域网或局域网的互连。

4：按网络拓扑划分，主要有哪几类计算机网络？各有什么特点？

网络拓扑是指网络中的主机、网络设备间的物理连接关系与布局。按拓扑结构，计算机网络可以分为：
星形拓扑结构、总线型拓扑结构、环形拓扑结构、网状行拓扑结构、树形拓扑结构和混合型拓扑结构

1）：星形拓扑结构

• 星形拓扑结构网络包括一个中央结点，网络中的主机通过点对点通信链路与中央结点连接
• 优点：易于监控与管理，故障诊断与隔离容易
• 缺点：中央结点时网络瓶颈，一旦故障，全网瘫痪，网络规模受限于中央结点的端口数量

2）：总线型拓扑结构

• 总线型拓扑结构网络采用一条广播信道作为公共传输介质，称为总线，所有结点均与总线连接，结点间的通信均通过共享的总线进行，如果同时有两个或两个以上的结点同时向共享信道中发送数据，就会产生干扰，会导致任何一个结点的数据发送失败，这一现象称为冲突。
• 优点：结构简单，所需电缆数量少，易于扩展
• 缺点：通信范围受限，故障诊断与隔离较困难，容易产生冲突

3）：环形拓扑结构

• 环形拓扑结构利用通信链路将所有结点连接成一个闭合的环，环中的数据传输时单向（也可以是双向）传输，每个结点都可以从环中接收数据，并向环中进一步转发数据。如果某结点判断数据是发送给自己的，则复制数据。数据会沿特定方向绕环一周，回到发送数据的终点，发送数据的结点需要负责从环中清除其发送的数据，即“自生自灭”
• 优点：所需电缆长度短、可以使用光纤，易于避免冲突
• 缺点：某结点的故障易引起全网瘫痪，新结点的加入或撤出过程比较麻烦，存在等待时间问题

4）：网状拓扑结构

• 网状拓扑结构中的结点通过多条链路与不同的结点直接连接，
• 优点：网络可靠性高、一条或多条链路故障时，网络仍然可联通
• 缺点：网络结构复杂、造价成本高、选路协议复杂

5）：树形拓扑结构

• 树形拓扑结构网络可以看作时总线型拓扑或星形拓扑网络的扩展
• 优点：易于扩展、故障隔离容易
• 缺点：对根结点的可靠性要求高，一旦根结点故障，则可能导致网络大范围无法通信

6）：混合拓扑结构

• 混合型拓扑结构网络是由两种以上的简单拓扑节后网络混合连接而成的网络。绝大多数实际网络的拓扑都属于混合拓扑结构
• 优点：易于扩展，可以构建不同规模的网络，并可根据需要优选网络结构
• 缺点：网络结构复杂，管理与维护复杂

第二节：计算机网络结构

计算机网络规模不同，其结构复杂程度也有所不同。大规模现代计算机网络的结构包括网络边缘、接入网络、网络核心三部分。

网络边缘

• 连接到网络上的计算机、服务器、智能手机、智能传感器、智能家电等称为主机或端系统，这些系统位于网络的最边缘，因此，连接到网络上的所有端系统构成了网络边缘。
• 普通网络用户在使用网络时，就是在网络边缘中通过使用某网络应用，实现在网络边缘的端系统之间的信息交换。因此，可以说网络边缘为网络用户提供了网络应用服务。

接入网络

接入网络时实现网络边缘的端系统与网络核心连接与接入的网络。

常见的接入网络技术有：

1. 电话拨号接入
   1.1：特点：利用电话网络，通过调制解调器（modem）将数字信号调制到模拟电话线路，通过电话网络的模拟语音信息作为载波传送到远端，再利用调制解调器将数字喜好从模拟信号中解调出来，这类接入网络主要用于家庭接入没利用了电话网络覆盖广泛的优点，能方便的实现分散的家庭用户接入网络。
   1.2：但是，这种接入方式的接入链路带宽有限，最大带宽通常为56kbit/s。对于现代Internet用户来说，显然带宽太低，已经很少使用了。
2. 非对称数字用户线路ADSL
   2.1：特点：电话机连接电话端局的线路称为用户线路（Subscriber Line），ADSL也是利用现有的电话网络的用户线路实现的接入网络，ADSL时目前家庭用户接入网络中比较常见的一种接入方式，ADSL基于频分多路复用（FDM）技术实现电话语音通信与数字通信（即网络数据传输）共享一条用户线路，在进行网络通信的同时也可以进行电话语音通信。之所以称为非对称数字用户线路，是因为在ADSL接入网络中，在用户线路上实现的上行（从用户端向网上传输数据）带宽比下行（从网络向用户端传输数据）带宽小。
   2.2：虽然ADSL接入方式主要用于家庭用户接入网络，但是一些小型商业用户也选择这种接入方式，比如小型商业门店等。
3. 混合光纤同轴电缆HFC接入网络
   3.1：HFC接入网络也成为电缆调制解调器接入，是利用有线电视网络实现网络接入的技术。HFC接入网络的用户端使用电缆调制解调器连接有线电视网的入户同轴电缆，同轴电缆连接到光纤结点，再通过光纤链路连接电缆调制解调端连接系统，进而连接网络，如Internet。HFC也是基于频分多路复用技术，利用有线电视网络同轴电缆剩余的传输能力实现电视信号传输与网络数据传输的共享，HFC也是非对称的
   3.2：但是当用户数量较大时，HFC接入没有ADSL接入速率快，因为，ADSL是独享式接入。
4. 局域网
   4.1：典型的局域网技术是以以太网、WI-FI等
5. 移动接入网络
   5.1：移动接入网络主要利用移动通信网络，如3G/4G/5G网络，实现智能手机、移动终端等设备的网络接入。

网络核心

网络核心是由通信链路互连的分组交换设备构成的网络，作用是实现网络边缘中主机之间的额数据中继与转发。比较典型分组交换设备是路由器与交换机。在大规模计算机网络中，相距遥远的主机之间不可能通过一条物理通信链路直接相连，而是各自通过接入网络连接到网络核心上没彼此传输的数据都是通过网络核心进行中继和转发，最后送达目的主机。

网络和信心如何实现数据的中继与转发？ 数据交换

第三节：数据交换技术

电路交换

电话网络是最早、最大的电路交换网络。电路交换网络中，首先需要通过中间交换结点为两台主机之间建立一条专用的通信线路，成为电路，然后再利用该电路进行通信没通信结束后再拆除电路。

建立电路

• 在传输数据之前，必须建立一条端对端的电路，这个电路建立过程实际上就是一个个交换结点的接续过程。
• 这个电路之间可能不是通信双方之间直接的连接，而是通过若干个中间交换结点实现的连接
• 电路交换这种“接续”过程所需时间（电路建立时间）的长短与接续的中间交换结点的个数有关。
• 主机到交换节点之间的链路规则通常为独占的。

传输数据

拆除电路

报文交换

分组交换

后续待更新