计算机网络的概念与组成

计算机网络的概念

计算机网络系统是将地理位置不同的多个计算机系统，通过通信设备和线路连接起来，并配以功能完善的网络软件(如网络操作系统等)，按照一定的协议实现相互通信和资源共享的系统，称为计算机网络系统。

计算机网络的功能：相互通信、资源共享

计算机网络的应用

• 进行各种规模和不同范围的信息管理：教务管理系统、企业管理系统、办公自动化…

• 进行信息/文献检索：时事新闻、市场商情、产品需求、图书、期刊、专业型动态数据

• 电子数据交换：电子政务、电子商务、联网售票、网络直播

• 实现不同范围的监测、数据传递、信息处理与反馈控制

• 提供分布式计算和分布式处理的环境 ：集群机、网格、云

• 计算机综合(集成)制造系统(CIMS)

计算机网络的重要性

• 国家（经济、军事、科技、公用事业等）的重要基础设施和命脉

• 战争的首要攻击目标（网络部队、网络司令部）

• 企业、公众的依赖

• 公共安全、社会稳定(*网监）

计算机网络的组成

• 网络硬件：计算机、通信设备、通信线路
• 网络软件：网络操作系统
• 网络协议

网络软件硬件的关系：相辅相成，缺一不可

网络协议：网络中各部分必须遵守的规定，必不可少！

网络硬件

客户机（Client）

• PC、PDA、智能设备(仪器/仪表->嵌入式系统)、智能手机
• 中、大型机、（专业）工作站

数据传输介质

有线介质：通信电缆（双绞线、同轴电缆等）通信光缆

无线介质：空气（电磁波、微波）

网络接口单元（NIU） 、通信控制器、网卡

功能：通信管理与控制，保证通信对用户的透明性

交换机

主要作用：提供多个端口，连接多台设备，实现数据转接(交换)

分类：接入 (边缘)交换机、汇聚 (分支)交换机、核心交换机

工作原理：电路交换方式，存储转发交换方式(报文交换、分组交换)

主要厂家：Cisco、Juniper、华为、锐捷、神码、H3C、TP-LINK

服务器

作用：为网络用户提供各种资源和服务

资源：网络打印机、存储空间（网盘）、软件、数据…

服务：信息浏览、文件传输、电子邮件、远程登录、视频信息和各种有针对性的信息服务…

相应的服务器：Web、FTP、E-Mail、Telnet、视频、DNS、DBMS

提供相应的服务，就需要相应的服务器

一台物理服务器（高性能），可以提供多种服务

可通过服务器集群，提供多种服务

服务器形式：

• 专业生产的高性能服务器：浪潮、HP、SUN、IBM…

技术：对称多处理器、RAID技术、SCSI卡、冗余电源

• PC机、大、中、小型机

服务器架构

原理分类：复杂指令集(CISC) 、精简指令集(RISC)、并行指令集(VLIW)

架构分类：【复杂指令集(CISC)】Intel架构(入门、工作组）、【精简指令集(RISC)】UNIX架构（企业级）

网络互联设备

路由器（Router）

作用：连接多个网络或网段，从而形成网络的网络——因特网

主要厂家：Cisco、华为、锐捷…

集线器：实现设备共享接入

无线接入点（AP）：无线设备共享接入

网桥：将局域网分隔成多个网段，减少冲突范围

防火墙、入侵检测/防御、UTM：保护网络安全

防火墙：防止外部网络访问内网（需要v*n才能访问）

光电耦合器(Net-Bridge)：光信号-电信号转换

网络软件

分类：

• 网络系统软件
• 网络环境软件
• 网络应用软件

网络系统软件

网络操作系统：用于管理网络的各种资源和网络的正常运行。

典型的产品：Windows NT/2000/2003/Vista/Windows 7(8)、Netware、Unix、Linux等。—— 缺少国产，存在风险!!!

组成：

• 网络操作系统内核（服务器软件，工作于服务器之上）
• 网络操作系统外壳（客户机软件，工作于客户机之上）

—— 并通过它们的配合来完成网络管理工作。

网络环境软件

构成网络应用环境的各种软件，用户由此可以方便地使用网络，进行各种操作，并开发各种应用软件。

典型的产品：Internet Explore、Netscape 、J2EE、.NET Framework等。

网络应用软件

针对各种实际网络应用环境而开发的面向应用的软件。——如前面提到的公文管理软件、教务管理软件、科研管理、ERP、MES等。

网络协议/标准

产品化的需求

标准化组织及相应的协议

国际标准化组织(ISO/TC97/SC16)：OSI/RM

国际电信联盟电信标准化局(ITU-T)：V系列，X系列，…

美国国家标准学会(ANSI) ：

• 电气电子工程师学会(IEEE) ：IEEE802系列局域网标准

• 电子工业学会(EIA)：EIA RS-232接口标准

• 通信工业学会(TIA)：EIA/TIA 568A(B) 布线标准

企业

Novell：IPX/SPX，Microsoft：NETBEAU…

民间组织

ISOC：Internet(TCP/IP)，各种联盟

Internet组织机构

Internet标准化过程

因特网草案(Internet Draft)
↓
建议标准(Proposed Standard) —— RFC 文档
↓
草案标准(Draft Standard)
↓
因特网标准(Internet Standard)

计算机网络的逻辑组成

计算机网络的主要功能：相互通信和资源共享

从逻辑上，划分两个子网：通信子网和资源子网

通信子网：又称主干网络(Backborn)，主要由网络核心交换机、网络分支(边缘)交换机、网络主干线路(光缆或通信电缆) 和路由器(防火墙)等组成。—— 影响网络性能好坏的关键

主要任务：数据的交换、管理和控制

资源子网

各种服务器及其接入子网

目的：提供各种资源，如磁盘阵列、软件、数据等，以及共享网络打印机、音视频点播装置等。

客户机及其接入子网

主要任务：提供所需的软件、硬件以及数据等资源和服务，并进行各种数据处理 。

逻辑划分意义：

在组建一个大型网络时，可以分而治之，减少复杂性。

计算机网络的类别

分类方法：

• 网络的地理覆盖范围
• 网络的应用群体
• 网络的作用
• 网络的管理方式
• 网络的拓扑结构形式
• 网络的传输媒体

按照网络的地理覆盖范围分

• 广域网（Wide Area Network，WAN）
• 城域网（Metroplitan Area Network，MAN）
• 局域网（Local Area Network，LAN）
• 个人区域网 (Personal Area Network，PAN)
• 互联网（Internet) 【严格意义上不算】

广域网（WAN）

跨度大：覆盖一个市、一个省，也可以覆盖一个国家、几个国家，甚至可以覆盖全世界。

代表性网络：11个全国范围的互联网络，国家/省的公用/专用网络（如*专网、银行专用网等）如：三大运营商、中国科学技术网（科研用）、中国长城网（军用）

城域网（MAN）

跨度介于广域网和局域网之间，覆盖距离一般为几十公里。

典型代表：城域教育网、城域党政信息网、公用宽带城域网等。满足城市地区范围内的某个特定行业、集团型企业、*的网络需求。(如同城市的环城路，统一出口)

局域网（LAN）

跨度较小：通常限制在一个办公室或实验室、一个办公大楼，整个校园或企业，形成园区网（Intranet）。

覆盖距离一般不超过十公里。

个人区域网（PAN）

将属于个人使用的电子设备用蓝牙、红外等无线技术连接起来形成的网络。覆盖范围一般不超过10米

典型代表：手机、笔记本电脑、PDA等。

互联网（Internet)

Internet实际上是由世界范围内众多计算机网络连接而成的网络，它并非一个具有独立形态的网络，而是由计算机网络汇合成的一个网络集合体。它难以区分边界，也没有必要区分边界 。

按网络的应用群体分

公用网 (public network)

可为所有公众提供有偿服务；通常跨度大，覆盖范围广。

专用网 (private network)

由某个机关/事业单位(部门)或企业(集团)自建自用。

按网络的作用分

骨(主)干网

网络核心，由大型（容量）交换机、通信基站、路由设备和大对数宽带（高速）主干光/电通信线缆（卫星）构成。

作用：数据的远程交换与传输

工作方式：路由交换

接入网

又称为本地接入网或居民接入网。

作用：让大量用户能够与因特网连接，起到“桥梁”作用。

典型代表：电话网ADSL、有线电视数据网、无线移动网 …

连接方式：通过ISP(Internet Service Provider)提供接入服务

按网络的管理方式分

对等网（P2P，Peer-to-Peer）

特点：无主从之分，重在通信；系统小、价格低、使用便捷，无需管理。

适用范围：工作组间的协作与交流。

非对等网（有服务器网络）

特点：由服务器管理整个网络，重在资源共享与服务；功能强大、系统完善。

适用范围：面向大众用户。

服务器工作形式：并发方式和专用方式。

按网络的拓扑结构分

星形结构

又称集中式网络。以一台网络设备为中心，其它所有要连网的计算机都与该中心网络设备相连。

树形结构 —— 从星形结构网络演变而来

分级的集中式网络，每个上级网络设备都有对下级网络设备的管理和控制的能力，每个上级网络结点和它的所有下级网络结点都可以形成一个相对独立的集中式网络 。

环形结构

将所有要连网的计算机用一条或两条公用数据通道环接在一起而构成的单环或双环的网络。其网络控制一般分散到各结点 。

总线式结构

将所有要连网的计算机通过一条公用数据通信线路连接在一起而形成的网络。—— 类似于计算机内部的总线结构。

分布式结构

网络没有固定的连接形式，各结点之间可能有多条路径相通。其路由选择是动态进行的，其信息流向是随机的。

按网络的传输媒体分

有线网

电缆网

利用电信号表示和传输数据

优点：传输速度快；信息安全、稳定。

缺点：网络布线成本高，维护量大，施工困难。

光传输（全光/光纤）网

利用光信号表示和传输数据

优点：传输速度“极快”；信息安全、稳定。

缺点：线路成本高，维护量大，施工困难。

无线网

利用电磁波或微波形式传输数据；

优点：不用布线，因而节省成本；尤其对于过河、过路以及历史建筑优势明显。

缺点：数据缺乏安全性，需加密；速度漫；范围小

标准：

• 无线局域网802.11/a/b/g/n 11M → 54M →
• 宽带无线城域网802.16 (100M)→
• 无线个人局域网（基于蓝牙技术802.15，红外技术）

卫星网

用于实现无线远程通信，无线通信的特例。

微波通信：

• 要求接收天线与发送天线要互相可见
• 建立若干微波中继站， “接力”
• 形成微波中继系统

卫星网特点：

• 微波中继站在卫星上
• 利用卫星以微波形式传输数据

移动网

有线与无线的结合,电信网与计算机网(互联网)融合

• 包括GSM、CDMA、GPRS等移动电信网
• 核心与基站之间为基于光传输的宽带主干网
• 基站与用户终端设备之间为基于电磁波传输的无线网

虚拟网

虚拟局域网（VLAN）—— 企业内部局域网的一种实现形式

• 虚拟网络是在整个网络中通过网络交换设备建立的虚拟工作组。与具体的物理网及地理位置无关。
• 实现部门或单位分布在不同位置情况的资源共享和访问。
• 将广播限制在虚拟工作组中，由于广播域的缩小，网络中广播包消耗带宽大大降低，网络的性能得到显著的提高。

虚拟专用网络（v*n） —— 企业外联网的一种实现

借助公网（Internet或其他网络）来形成企业专网或实现远程接入。

企业内部网Intranet/企业外联网Extranet

Intranet

• 按照Internet功能与服务模式建立的企业内部局域网。
• 可以是有线也可以是无线形式。

Extranet

是Intranet的扩展 —— 跨越企业组织边界的网络连接。

形式：借助互联网, 通过v*n方式。

应用：

• 本企业组织的员工远程访问本公司的Intranet 。
• 大的企业集团，分布在多个地域的分公司或办事机构需要作为一个整体，互相交换信息，访问对方的Intranet，将企业内部网Intranet连接在一起。

计算机网络的性能指标

计算机网络的技术指标

传输速率和带宽

传输速率(Data Rate)

每秒种传输的二进制比特数，描述数据流的一个参数，单位用BPS表示。

带宽（Bandwidth)

信道具有的频带宽度，描述媒介物理特性的一个参数，单位用HZ表示。

两者关系的定性描述：

具有一定带宽的信道，其信号传输速率是有限的。

信号传输的速率越快，要求信道的带宽就越高。

信道的带宽越高，信号的传输速率就越快。

—— 两者成正比关系。

——信号传输速率与信道带宽两个概念在工业上经常互换使用。

两者关系的定量描述：

（1）对于无热噪声的理想信道（无其他信号干扰）来说，用奈奎斯特（Nyquist）公式计算：

极限传输速率（信道容量）C=2Flog$_2$2​S

其中，F为信道带宽 (Hz) ，S为单位周期内数字信号的状态数。

（2）对于有热噪声的实际信道（既有干扰信号）来说，这个极限值可以用香农（Shannon）公式计算：

信道容量 C=Flog$_2$2​(1+S/N)

其中，S为接收端信号平均功率（W），N为信道内噪声平均功率（W）。

一般的数据通信系统都必须保证S/N的比值。

吞吐量(throughput)

单位时间内通过某个网络（或信道、接口）的数据量。

传输速率、带宽、吞吐量都是衡量网络传输质量的重要参数。

误码率（BER：bit error）

衡量网络传输质量的一个重要参数。

定义：二进制符号在传输系统中被传错的概率。

近似的等于被传错的二进制符号数与所传二进制符号总数的比值

计算公式：误码率Pe = 接收的错误比特数/传输的总比特数

量值概念：在计算机网络通讯中，误码率要求低于$10^-9$10−9

分组延迟和延迟抖动

分组延迟

分组的第一个bit离开发送端与分组的最后一个bit到达接收端的时间间隔。

分组延迟可以细分为4个部分：

（1）发送延迟（传输延迟，transmission delay）：发送数据时，数据分组从结点进入网络所需的时间。

（2）传播延迟：分组在网络中传播而花费的时间，即发送端发送出分组中的某一个比特到接收端接收到该比特所经过的时间间隔，它取决于传输介质和传输距离。

注意：信号传输速率（即发送速率）和信号在信道上的传播速率是完全不同的概念。

（3）处理延迟（processing delay）：交换结点为存储转发分组而进行一些必要的处理所花费的时间，即分组从到达节点到进入输出队列的时间间隔，包括对分组头处理，路由查找等，它取决于节点的处理能力和分组处理的复杂度

（4）排队延迟（queuing delay）：分组从进入队列到开始传输所经过的时间间隔，或者说分组在路由器等结点的缓存队列中排队所经历的延迟。排队延迟取决于平均队列长度（反映的是网络中的数据流量）和调度策略。

分组总延迟＝发送延迟＋传播延迟＋处理延迟＋排队延迟

如何减少延迟？

提高网络的带宽、增加路由器等结点的缓存空间和处理能力

延迟抖动

分组延迟的变化程度。反映的是端到端延时的变化特性。

产生原因：由延时的可变部分的变化导致的。如：流量的突发、不公平的队列调度算法。

影响程度：延迟抖动越大，网络服务质量越难以控制，网络越容易出现拥塞。

分组丢失率和超时重传率

丢失原因：因为出现拥塞而*丢失；因避免出现拥塞而被主动丢弃。

分组丢失率

单位时间内丢失的分组数量与所传输的分组数量的比值。

——取平均值(因为不同时刻，网络中的数据流量以及拥塞程度不同)

超时重传率

单位时间内被重传的分组数量与发送的分组总数的比率。

——取一段时间内的平均值。

分组丢失率、超时重传率和误码率都是衡量网络传输质量的重要参数。

信道利用率&网络利用率

信道利用率

信道的使用效率。

网络利用率：

网络中全部信道的利用率的加权平均值。

考虑到可能出现的网络拥塞，信道利用率或网络利用率并非越高越好。

计算机网络的工程化指标

• 性价比
• 可靠性（稳定性）
• 可扩展性
• 易于管理和维护

计算机网络的体系结构

计算机网络体系结构的形成

协议的必要性：双（多）方协调一致，相互匹配。

协议集：对于一个功能强大的、既包括硬件又包括软件的、复杂的计算机网络来说，需要制订若干个协议，构成一个协议集。

层次结构：对于数量繁多、庞大复杂的网络协议集来说，其最好的组织方式就是采用层次结构。

分层的好处

• 灵活性好：各层之间是独立的，可以跟据需要裁剪组合，跨越某些层。
• 易于设计（实现）和维护。
• 易于标准化。

层数设多少

• 层数太少：每一层的协议太复杂。
• 层数太多：各层之间关系太复杂。
• 层数适当：4 ～ 7

分层原则：

• 逻辑关系
• 功能独立性

网络体系结构(architecture) ：网络协议的层次结构模型

网络体系结构意义：

• 促进标准化
• 决定网络的功能和性能

开放系统互连参考模型OSI/RM

产生的背景：

• 层次化的网络体系结构被接受并得到普及和推广
• 各计算机生产厂商纷纷推出自己的层次化网络体系结构
• 这些网络体系结构普遍是以自己公司的产品为对象
• 层次的划分、功能的分配与采用的技术术语各不相同，不具备与其它公司网络结构的兼容性

ISO组成TC97/SC16，OSI/RM应运而生。

**开放系统：**一个系统在和其他系统进行通信时，如果能够遵守标准化的信息交换协议，就称其为开放系统。

层次划分的原则：

• 网络中相同的结点具有相同的层次；相同的层次具有相同的功能
• 同一结点内相邻层之间通过确定的接口进行交互通信
• 网络中不同结点的同等层之间采用相同的协议，实现对等层之间的交互操作

分层情况：

以客户机为代表的每个端结点： 开放系统——七层

以路由器/交换机(三层结构) 为代表的中继结点（中继开放系统）——三层

各层协议的功能：

• 应用层协议：提供各种规范的网络应用和服务 (如文件传递，电子邮件等)

• 表示层协议：用于协调两个应用实体之间进行数据交换时数据格式不一致以及数据表示方法不同等问题 。

• 会话层协议：组织和同步不同主机上各进程间的通信(会话) —— 在两个相互通信的实体(进程)之间，建立、组织、协调其交互会话过程。

• 传输层协议：确保两个客户端之间可以实现端——端的透明数据传输服务。

• 网络层协议：用于实现数据分组跨通信子网（物理网络）进行传输的管理和控制。

• 数据链路层：按某种规程(如HDLC)组织每条数据链路上的数据传输，提供高可靠性、无差错的数据传输质量。

• 物理层协议：使所有连网的计算机系统和通信设备都能够从接口上兼容，并使这些接口的定义独立于厂商的设备。

OSI/RM的应用：

CCITT（ITU—T）从一开始就提供对OSI的支持，协助制定标准。但在市场化方面 OSI 却失败了：

• OSI 标准的制定周期太长，因而使得按 OSI 标准生产的设备无法及时进入市场

• OSI 的专家们在完成 OSI 标准时没有商业驱动力

• OSI 的协议实现起来过分复杂，且运行效率很低

• OSI 的层次划分并也不太合理，有些功能在多个层次中重复出现

  ——总之，没有得到市场的认可。

OSI/RM的意义：

其它所有网络体系结构都要都要参照OSI/RM，并给出与其对应关系。—— 参照意义。

TCP/IP网络体系结构

TCP/IP协议源于著名的ARPAnet及NSFNET

TCP/IP协议是先于OSI模型开发的，因此不符合OSI/RM标准。

TCP/IP协议被广泛采用的原因：

• Internet采用TCP/IP协议，各类网络都要和Internet或借助于Internet相互连接

• TCP/IP已被公认为是异种计算机、异种网络彼此通信的可行协议

• 各主要计算机软、硬件厂商的网络产品几乎都支持TCP/IP协议

TCP/IP不涉及接口层，所以可应用于各类网络

UDP后于TCP出现，主要弥补TCP协议的不足。TCP与UDP互补

TCP相对于UDP可靠性高；UDP相对于TCP传输效率高

网络接口层

没有具体的协议，适用于任何网络产品。—— 类似对应OSI/RM的物理层和数据链路层。

网际层

类似对应OSI/RM的网络层。

包括4个重要的协议：IP、ICMP、ARP和RARP。

IP(互连网协议)

实现网际寻址，通过互连的网络找到目标结点，传送数据报。

特点：不检查遗失的分组 → IP协议不保证服务的可靠性

—— 端到端的流量控制、分组丢失的检测、分组排序等工作均由高层协议负责。

ICMP(互连网控制报文协议)

使网际上的计算机能够检测和报告丢包等差错，或提供其它意外信息 。

ICMP与IP的关系：嵌入到IP中，弥补IP的不足。（IP的补丁）

ARP(地址转换协议)

将IP地址变换成硬件接口地址(MAC)

RARP(反向地址转换协议)

根据MAC地址查找IP地址。

传输层

为通信双方的主机提供端到端的服务。—— 类似对应OSI/RM的运输层和会话层

TCP/IP在传输层提供两个主要协议：

TCP(传输控制协议)

提供端到端可靠的进程间通信 —— TCP向高层提供的是面向连接的虚电路服务

面向连接的通信分三个阶段：连接建立、数据传送和连接拆除

由于建立了一条虚电路，因此可以实现可靠传输。

UDP(用户数据报协议)

提供端到端快捷但不够可靠的进程间通信 —— UDP向高层提供的是非面向连接的数据报服务

由于面向无连接的服务没有建立连接和拆除连接的过程，因此可直接进行数据传输，但每个包必须给出IP地址。

端口号：一个16位的标志符，标识传输层协议和特定的应用程序之间的接口。

套接字：端口号和IP地址合起来，唯一标识一个特定的应用程序。

应用层

大致和OSI模型的表示层和应用层对应，但没有明确的层次划分。

其中，HTTP、Telnet、FTP、TFTP、SMTP、DNS等是广泛使用的应用层协议。

TCP/IP的特点

• TCP/IP虽然也分层，但其层次间的调用关系不像OSI那样严格

可以越层

• OSI对可靠性的强调是第一位的，协议的所有各层都要检测和处理错误

随着传输介质和通信子网的升级换代，没必要

​ TCP/IP认为可靠性应该在传输层由端结点来解决

TCP/IP效率很高（但如果通信子网可靠性较差，主机的负担就会加重）

• OSI由通信子网解决：监视数据流量、控制网络访问、记帐收费、甚至路由选择、流量控制等智能性活动；TCP/IP则要求主机参与几乎所有的智能性活动。

• OSI一开始没有考虑网络互连问题，只好以后在网络层中划分出一个子层来完成类似IP的功能TCP/IP从一开始就考虑到网络互联问题，并将互连网协议IP作为TCP/IP的重要组成部分

原创声明

文章作者：Zam9036

文章链接：https://zam9036.gitee.io/2020/02/24/26-Computer-network-study-notes-1

版权声明: 本博客所有文章除特别声明外，均采用 CC BY-NC-SA 4.0 许可协议。转载请保留文章链接并注明来自Zam9036的博客！