一、 计算机网络定义

    计算机网络是指将分布在不同地理位置具有独立功能的多台计算机，用通信设备和通信链路连接起来，在网络操作系统、网络协议及网络管理软件的管理协调下，实现资源共享、信息传递（数据通信）的系统。

    计算机网络是现代计算机技术与通信技术相结合的产物。



二、 发展

第一代：面向终端的计算机通信网，采用电路交换方式，实质上是以主机为中心的星型网。

第二代：分组交换网，以通信子网为中心，多台计算机和终端构成外围的资源子网，数据交换方式采用分组交换。

第三代：以“开放系统互连为参考模型”为标准框架，80年人中期，Internet的出现（TCP/IP）。

第四代：宽带综合业务数字网（B-ISDN），93年美国政府提出“信息高速公路”。“信息高速公路”的特征是广域、高速和交互。



三、 系统组成

    计算机网络是计算机技术与通信技术密切结合的产物，也是继报纸、广播、电视之后的第四媒体。

    从网络拓扑结构来看，计算机网络是由一些网络节点和连接这些网络节点的通信链路构成。

    从逻辑功能上讲，计算机网络是由通信子网和资源子网组成。通信子网是计算机网络中负责数据通信的部分，主要完成计算机之间数据的传输、交换以及通信控制，它由网络节点、通信链路组成；资源子网提供访问网络和处理数据的能力，是由主机系统、终端控制器和终端组成，主机系统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，向网络用户提供各种软硬件资源和网络服务，终端控制器把一组终端连入通信子网，并负责对终端的控制及终端信息的接收和发送。

从系统组成来看，计算机网络是由网络硬件系统和网络软件系统构成。



1、 网络硬件系统

网络硬件系统一般指构成计算机网络的硬件设备，包括各种计算机系统、终端及通信设备。

（1） 主机系统：是计算机网络的主体，根据在网络中的功能和用途的不同可分为服务器和工作站。

服务器是通过网络操作系统为网上工作站提供服务及共享资源的计算机设备；网络工作站是连接到网络上的计算机，又称客户机，它是网络数据主要的发生场所和使用场所除保持原有功能为用户服务之外，同时又可以按照被授予的权限去访问服务器，用户主要是通过使用工作站为利用网络资源并完成自己的工作。工作站又可分为无盘工作站和带盘工作站两种，带盘工作站是带有硬盘的微机，本身具有独立的功能，具有本地处理能力。而无盘工作是不带硬盘的微机，其引导程序存放在网络适配器EPROM中，加电后自动执行，与网络中的服务器进行相连。这种工作站不仅能防止计算机病毒通过工作站感染服务器，还可以防止非法用户拷贝网络中的数据。

（2） 终端：本身不具备处理能力，不能直接在连接到网络上，只能通过网络上的主机与网络相连而发挥作用，常见的有显示终端、打印终端、图形终端等。

（3） 传输介质：在网络设备之间构成物理通路，以便实现信息的交换。最常见的有同轴电缆、双绞线、光纤。

（4） 网络互联设备：用于实现网络之间的互连，主要有中继器、集线器、路由器、交换机等。

（5） 网络接入设备：用于计算机与计算机网络进行连接的设备，常见的有网卡、调制解调器等。



2、 网络软件系统

网络软件主要包括网络操作系统、网络通信协议和各种网络应用系统。

操作系统：包括服务器操作系统与工作站操作系统。

服务器操作系统：一般为多任务、多用户的，它装在服务器上，主要承担网络范围内的资源管理与分配，对网络设备进行存取访问，支持网络用户间的通信。常见的windowsNT/windows server2000/netware/unix/linux等。

工作站操作系统：是本机处理能力的有力支撑，负责对本机资源的正常管理。常见的有window98/windows2000/dos等。

通信协议：网络中计算机之间、网络设备与计算机之间、网络设备之间进行通信时，双方所要遵循的通信规则的约定。常见的有包交换协议IPX、传输控制协议/网际协议（TCP/IP）、以太网协议等。

网络管理软件：用来对网络运行状况进行信息统计、报告、警告、监控的软件系统。TCP/IP协议簇中提供管理功能的协议为简单网络管理协议SNMP。



四、 分类

1、 按网络覆盖的范围分：广域网（WAN）、局域网（LAN）、城域网（MAN）。三种网络比较如下表：

表 三种网络的比较

类型 分布范围 传输速率 应用场合

局域网 1KM左右 1M以上 一个单位

城域网 5-50KM 1M 一个城市

广域网 几十-几千KM 几M以上 一个国家或洲际网

2、 按网络的拓扑结构分：星型、树型、总线型、环型、网状型、混合型。

3、 按传输介质分：同轴电缆网、双绞线网、光纤网、卫星网、无线网。

4、 按带宽和传输能力分：基带网（窄带网）和宽带网（多媒体）。

5、 按网络的使用性质分：公用网、专用网。

6、 按网络的交换功能分：电路交换网、报文交换网、分组交换网、帧中继网、ATM网。

7、 按控制方式分：集中式、分散式、分布式。

注：intranet又称内联网，服务于企业网，集LAN、WAN和数据服务为一体，采用internet的相关技术，同样使用TCP/IP通信协议进行数据通信。



五、 功能

建立计算机网络的基本目的是实现数据通信和资源共享。其主要功能有：

1、 数据通信

传真、电子邮件、电子数据交换（EDI）、电子公告牌（BBS）、视频点播（VOD）、远程登录和信息浏览等。

2、 资源共享

共享的资源主要指计算机系统的软件、硬件和数据；共享是指网内用户均能享受网络中各个计算机系统的全部或部分资源，且用户不需要知道资源所处的物理位置。

3、 提高计算机系统的可靠性和可用性

网络中的每台计算机可通过网络相互成为后备机，一旦某台计算机出现故障，它的任务就可由其他计算机代完成；均衡负荷，从而提高每台计算机的可用性。

4、 支持分布式的信息处理

通过算法将大型的综合问题、交给不同的计算机分别同时进行处理用户可根据需要合理选择网络资源，就近快速地进行处理；另一方面利用网络技术将多台计算机连成具有高性能的计算机系统来解决大型的问题，也比用同样性能的大中型计算机节省费用。



六、 传输技术

1、 基带传输与频带传输

（1） 基带传输

基带指电信号固有的基本频带。

基带传输是指将数字设备发出的数字信号原封不动地送入信道上去传输。

（2） 频带传输

把数字设备上发出的数字信号调制成模拟信号后再发送、传输，到达接收端时再把模拟信号解调成原来的数字信号来进行传输。

（3） 宽带传输

将多路基带信号、音频信号和视频信号经调制后放到同一条电缆的不同频段处进行传输。宽带传输系统可实现文字、声音和图像的一体化传输。



2、 异步传输与同步传输

（1） 异步传输

发送字符时发送端在每个字符的首尾分别加上一个起始位和2个停止位，以表示字符的开始和结束，一次只能收发一个字符。有数据需要发送的终端设备可以在任何时刻向信道发送信号，而不管接收方是否知道它已开始发送操作，且由于各字符的发送时间间隔是任意的，因此各字符之间是异步的，故称之为异步传输。

（2） 同步传输

在同步方式中，发送端连续发送一串字符（或数据块）一个字符紧接在另一个字符之后，只在每个数据块的前后各附加一个字节的同步字符SYN，接收端仅靠该字符来识别所要接收的数据。同步传输是一个接收与发送速度保持一致的过程，也就是接收端根据发磅端所发送的信号频率和起止时间来接收信号，接收端校准自己的接收时间和重复频率，以求同发送端信号相一致的过程。

表 异步传输与同步传输比较

传输方式： 传输单位 优 点 缺 点

异步传输： 字符 控制简单、价格便宜 效率低、速率慢

同步传输： 报文或分组 传输效率高 误码率较高、控制复杂



3、 单工、半双工、全双工

三种通信方式的比较

表 三种通信方式的比较

通信方式 传输方向 信道个数 收、发方限制 优、缺点 应 用

单工： 固定单向 1 一方只能发送，另一方只能接收 结构简单、效率低、只能单向传输信息 广播、电视

半双工： 限时双向 2 通信双方在不同时刻可分别发送或接收信息 效率低 对讲机等

全双工 ：双向 2 通信双方在同一时刻既可发送信息又可接收信息 结构复杂、成本高、性能最好 计算机之间

单工：只允许数据按指定的一个方向传输，只需一个信道，结构简单。

半双工：在任何时刻信道上只有一个方向的数据传输，而在另一个时刻有反方向的传输。在要求不太高的场合，多采用此通信方式，如航空和航海的无线电台和对讲机及多数的计算机网络中的数据通信等，需两个信道。

全双工：允许在两个方向上同时传输数据。此方式效率最高，使用方便，常用于计算机与计算机间的通信，它需要两个信道分别传送两个方向上的信号，每一端在发送信息的同时也在接收信息。

全双工需要两个独立的信道，这两个独立信道可以采用两组传输线路实现，也可以用多路复用技术实现。此通信方式的性能最好，所需用的设备最复杂，实现的成本也最高。



4、 多路复用技术

    多路复用技术在计算机网络起着重要的作用其目的主要是使多个数据通信合用一条传输线路，以提高线路的利用率。常见的复用技术有频分频多路复用（FDM）和时分多路复用（TM）。

频分多路复用的原理是当物理信道的可用带宽超过单个信号源的信号带宽时，可将信道按频率划分为若干个子信道，每个子信道传输一路信号，从而可在一个信道中传输多路信号。

时分多路复用与频分多路复用技术不同，它是将一条物理信道的传输时间分割为多个短的时间片，而将若干个时间片组成时分复帧轮换地给多个信号使用，根据时分复用的方式不同又可分为同步时分多路复用技术（STDM）和异步时分多路复用（ATDM）。



除此之外，目前常见的还有码分多址复用技术（CDMA）。



四种线路复用技术进行比较如下表：

表 四种线路复用技术的比较

分类 特点（共享信道方式） 优点 缺点

频分多路复用（FDM）： 同一时间传送多路信号，采用带宽划分方法 适用于传输模拟信号，无延时，费用低 速率低

时分多路复用（TDM）： 多个信号分时使用一个信道，采用时间片轮转方法 速率高，适用于传输模拟信号 有一定的延时，费用较FDM高

异步时分多路复用（ATDM）： 信道的使用与终端的需求相结合 信道利用率高 有一定的延时

码分多址复用技术（CDMA）： 各发送端用互不同的地址去调制其发送的信号，接收端通过地址识别从混合中选出相应的接收信号 抗干扰能力强，保密性好，灵活机动 



七、 数据交换技术



    在计算机通信中，两台计算机利用通信线路，通过多个中间节点或中转节点的计算机网络进行传送，中间节点计算机或计算机网络在传送信息时并不关心信息的具体内容，仅负责将信息从一个节点计算机传送到另一个节点计算机上，直到信息被传送到目的地，我们将这种由中间节点参与的通信称为“数据交换”。传统的数据交换方式可分为：电路交换和存储交换，存储交换又可分为报文交换和分组交换，目前常用的帧中继、异步传输模式（ATM）均属于快速的分组交换技术。



1、 电路交换技术

    又称线路交换技术，它是基于信道的共享方式，类似于电话，必须经过建立连接（信道建立）、传输数据、拆除连接（释放信道）三个通信过程，适合远距离成批传输数据。

表 数据交换技术的比较

交换技术 特 点 工作位置 优 点 缺 点

电路交换： 通信前先建立一条物理信道或子信道，通信结束后再释放信道，以比特为单位 物理层 设备及操作简单实时性好 静态分配信道线路利用率低

存储交换： 报文交换 存储转发 以报文为单位进行传输，且长度无限制 网络层 信道利用率高可靠性高双方可不同时工作 实时性差，分组交换中结点必须有较高的处理能力

分组交换： 以分组为单位，长度一般为1~nKbit 网络层 线路利用率高、速率快（64Kbps）、吞吐量大、误码低、灵活性好 



表 两种典型的分组交换技术的比较

交换技术 工作位置 特点 缺点

帧中继 链路层 以帧为单位、边接收边转发 具有路由功能传输速率高2.048Mbps

异步传输模式（ATM） 链路层 以信元为单位、信元定长为53B、发送端不独占时间片 实时性好误码率低传速率高2.2Mbps时延小



2、 存储交换技术

    通信双方不必完整地占用一个物理信道，被传输的数据单元中含有目的地址，中间结点总是先将传输到本结点的数据单元暂存于本结点中，后寻找空闲的通路再转发给下一结点。

存储交换又可分为报文交换和分组交换，二者之间的主要区别是传输的数据单位不同，报文交换的数据单元是一个长度没有任何限制的报文，而分组交换对数据单元的长度有明确的规定，一般为1千至几千个比特位，所以在分组交换方式中长报文要先分割为多个短分组，然后再以分组为单位进行传送。



3、 帧中继交换技术FR

    帧中继是一种减少数据处理时间的技术，即一个节点在接收到一个数据帧的首部后就立即开始转发，帧是此种方式中的传输单位，它是可变长度的分组。采用帧中继技术传送时，可以使用更简单的通信协议。



4、 异步传输模式ATM

    又称信元交换，建立在电路交换和分组交换技术基础上，可以传送综合数字业务，采用异步时分复用方式，在此方式中传送的信元相当于一个分组，长度固定为53B，其中5B为信元头，可标志不同的信道和优先级，48B为传送的数据，只要有空闲的时间片，可在任何时刻传送信元。



网络体系结构与网络拓朴



一、 网络体系结构的基本概念



1、 网络协议

计算机网络实体之间进行通信时所采用的一种通信语言，它是一组有关信息传输顺序、信息格式和信息内容等的约定或规则。网络协议含有三个要素即语义、语法和时序。

语义：指构成协议的协议元素的含义，不同类型的协议元素规定了通信双方所要表达的不同内容，而协议元素是指控制信息或命令及应答。

语法：指数据或控制信息的数据结构形式或格式。

时序：也称规则，即事件的执行顺序。



2、 网络层次式结构

对于复杂的计算机网络协议，通常采用自顶向下逐步求精的方法采用分层式网络结构，有采用分层方式的做法，可以使每一层实现一种相对独立的功能，从而将一个难以处理的复杂问题分解为若干较容易处理的小问题，而且每一层都是向它的上一层提供服务。采用分层结构的好处主要有：

（1） 各层之间相互独立

（2） 灵活性好

（3） 容易标准化

（4） 各层可以选择最合适的实现技术



3、 网络体系结构：计算机网络的层次及其协议的集合。



4、网络拓朴结构：也称网络结构，是指网络结点和链路的几何位置。结点是指组成网络的网络单元，如：主机、集线器、路由器等，根据功能不同可分为端点和转接点，端结点指通信的源或宿结点，又称访问接点，如主机或终端；转接结噗指网络通信过程中起控制和转发信息作用的结点，如集线器、交换机等。



5、链路：两个节点之间的线路。



二、 常见的网络拓朴结构

网络拓朴结构的选择与传输出介质的选择和介质访问控制方法紧密相关。常见的拓朴结构有：



1、 星型

    所有的计算机都连接到一个中心节点上，该中心节点一般为主机或集线器。中心接点负责接收工作站的信息，再转发给相应的工作站，它具有中继和数据处理功能。



2、 环型

    由连接成封闭回路的网络节点组成，每一节点与它左右相邻的节点连接并最终形成一个“环状”，信息单向逐点进行传输，各节点入网的计算机通过中继器连接到这个环型的信号以同样的速度、同样的方向传向下一节点。

在该类型的网络中，用令牌传递方式解决对环路的访问控制，令牌是一种通行征，它可以是一位或多位二进数组成的编码，只有获得令牌的站点才能发送数据，因令牌只有一个，所以不会发生碰撞。较典型的是IBM的令牌环网。



3、 总线型

    使用同一媒体或电缆连接所有用户节点的一种方式。总线型拓朴用一条无源通信线路作主干，入网计算机通过相应接口（如T型头）连接到线路上，该主干电缆即被称为总线。

因为所有站点共用一条电缆，所以一次只能有一个设备传输信息，易发生碰撞，为防止信号反射，所有连接到一条通信传输线路上的计算机在线路两端必须加装防止信号反射的装置即端接器。常用的以太网即是采用总线型的网络拓朴结构，为防止发生碰撞，采用IEEE802.3的的CSMA/CD进行介质访问控制方法。

以上三种是最基本的网络拓朴结构类型，也是局域网中常用的三种网络拓朴结构，除此之外还有树型、网状型。在实际应用中往往采用它们的某种组合。几种网络结构比较如下表：

几种网络结构的比较

网络类型 特 点 优 点 缺 点 应用场合

星型 从结点之间必须经过中心结点才可进行通信 结构简单协议简单易检测和隔离故障 费用高中心结点故障会造成整个网络瘫痪 智能大厦从结点之间较少交换数据的网络

总线型 只有一条信道，一个时刻只能有一个结点发送数据 费用低易布线易维护 故障检测困难争用总线 局域网或分布处理，如以太网

环型 沿环路单向传输 结构简单，性能好，适合用光纤连接 可靠性差重新配置较难 局域网，如FDDI、IBM令牌环网

树型 星型的扩展，根结点和子树结点均可作为转接结点 性能同星型，费较星型低 时延大 分层管理的网络

网状型 每个结点至少两条链路与其他结点相连 性能好，可靠性高 结构复杂控制繁琐 大型广域网

网络的性能好坏很大一部分因素是由网络的拓朴结构所决定的，选择网络拓朴结构时，一般应考虑可靠性、扩充性及费用高低三个主要因素。



OSI/ISO与TCP/IP

1、了解OSI/ISO网络参考模型

2、了解TCP/IP协议及网络参考模型



一、 OSI/ISO网络参考模型



    为了实现计算机系统的互连，OSI参考模型把整个网络的通信功能划分为7个层次，同时也定义了层次之间的相互关系以及各层所包括的服务及每层的功能。OSI的七层由低到高依次为：物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层、应用层，下三层（物理层、数据链路层、网络层）面向数据通信，而上三层（会话层、表示层、应用层）则面向资源子网，而传输层则是七层中最为重要的一层。它位于上层和下层中间，起承上启下的作用。



1、物理层

    为数据链路层提供物理连接，实现比特流的透明传输，所传输数据的单位是比特，该层定义了通信设备与传输线接口硬件的电气、机械以及功能和过程的特性。



2、数据链路层

   在通信的实体之间建立数据链路连接，传送以帧为单位的数据，通过检查发生在连接通信系统间传送路上的比特错误并进行恢复，确保比特序列组成为数据流准确无误地传送给对方的系统。数据链路层在相邻的节点之间实现透明的高可靠性传输。



3、网络层

    解决多节点传送时的路由选择、拥挤控制及网络互连等，控制分组传送系统的操作，它的特性对高层是透明的，同时，根据传输层的要求选择服务质量，并向传输层报告未恢复的差错。



4、传输层

    为两个端系统（源站和目标站）的会话层之间建立一条传输连接，可靠、透明地传送报文，执行端一端差错控制、顺序和流量控制、管理多路复用等。本层提供建立、维护和拆除传送连接的功能，并保证网络连接的质量。它向高层屏蔽了下层数据通信的细节，因而是OSI网络参考模型中最需要的一层。



5、会话层

    不参与具体的数据传输，但对数据传输的同步进行管理。它主要负责提供两个进程之间建立、维护和结束会话连接功能，同时要对进程中必要的信息传送方式、进程间的同步以及重新同步进行管理。



6、表示层

    解决在两个通信系统中交换信息时不同数据格式的编码之间的转换，语法选择，数据加密与解密及文本压缩等。



7、应用层

    负责向用户提供各种网络应用服务，如文件传输、电子邮件、远程访问等。把进程中于对方进程通信的部分放入应用实体中，同时，对各种业务内容的通信功能进行管理。



二、TCP/IP



   TCP/IP是运行在ARPANET(美国国防部高级研究计划局)上的一个网络通信协议，实际上TCP/IP是一个协议集，目前已包含了100多个协议，TCP和IP是其中的两个协议，也是最基本、最重要的两个协议，因此通常用TCP/IP来代表整个Internet协议集。

三、TCP/IP的分层模式

TCP/IP也采用分层体系结构，TCP/IP与开放系统互连OSI模型的层次结构相似，它可分为四层，由低到高依次为：网络接口层、网络层(即IP层)、传输层(即TCP层)、应用层。TCP/IP与OSI共同之处是都采用了层次结构的概念，在传输层定义了相似的功能，但是两者在层划分与使用上有很大的区别，下表显示了二者之间的层次对应关系、层次传递的对象及TCP/IP的主要协议。

传递对象 OSI TCP/IP TCP/IP中常用的协议 传递对象

应用层 应用层 Telnet FTP HTTP SMTP MDSother 报文

表示层 

报文 会话层 

报文 传输层 传输层 TCP UDP 传输协议分组

分组 网络层 网络层 IP ICMP ARP RARP 数据报

帧 数据链路层 网络接口 网络接口协议 帧

比特流 物理层 硬件 Ethernet Token-Ring OtherMedia 



1、网络口层(又称网络访问层)

    接收上一层的IP数据报，通过网络向外发送，或者接收和处理来自网络上的物理帧，并抽取IP数据报向IP层传送。



2、网络层(IP层)

    主要解决计算机之间的通信问题，它负责管理不同设备之间的数据交换，它是Internet通信子网的最高层，它所提供的是不可靠的无连接数据报机制，无论传输是否正确，不做验证，不发确认，也不保证分组的正确顺序。

IP层主要有以下协议：

(1)IP协议(网际协议)：使用IP地址确定收发端，提供端到端的“数据报”传递，也是TCP/IP协议簇中处于核心地位的一个协议。

(2)ICMP协议(网际控制报文协议)：处理路由，协助IP层实现报文传送的控制机制，提供错误和信息报告。

(3)ARP协议(正向地址解析协议)：将网络层地址转换为链路层地址。

(4)RARP协议(逆向地址解析协议)：将链路层地址转换为网络层地址。将网络层地址(即IP地址)与数据链路层地址(即物理地址)进行相互转换的功能称为地址解析，称为正向地址解析，由链路层地址转换为网络层地址则称为逆向地址解析。



3、传输层(TCP层)

确保所有传送到某个系统的数据正确无误地到达该系统，即提供端到端的可靠性传输，该层主要协议有：

(1)TCP协议：传输控制协议，提供可靠的面向连接的数据传输服务。

(2)UDP协议：用户数据报协议，采用无连接的数据报传送方式，一次传输少量信息的情况，如数据查询等，当通信子网相当可靠时，UDP的优越性尤为可靠。



4、应用层

将应用程序的数据传送给传输层，以便进行信息交换。它主要为各种应用程序提供了使用的协议，标准的应用层协议主要有：

(1)FTP文件传输协议：为文件的传输提供了途径，它允许数据从一台主机传输到另一台主机上，也可以从FTP服务器上下载文件，或者向FTP服务器上传文件。

(2)HTTP超文本传输协议：用来访问在WWW服务器上的各种页面。

(3)DNS域名服务系统：用于实现从主机域名到IP地址之间的转换。

(4)Telnet虚拟终端服务：实现互联网中的工作站登录到远程服务器的能力。

(5)SMTP简单邮件传输协议：实现互联网中电子邮件的传送功能。

(6)NFS网络文件系统：用于实现网络中不同主机之间的文件共享。

(7)RIP路由信息协议：用于网络设备之间交换路由信息。

无论是OSI参考模型与协议还是TCP/IP参考模型与协议，二者都不是完美的，但TCP/IP在异构网的互联及网络管理功能方面都较为成熟，而OSI在后来才有所考虑，如在异构网互联中，OSI只好在网络层中划出一个子层来完成IP任务。



四、TCP/IP协议的特点



1、是一个开放的协议标准，独立于特定的计算机硬件、网络硬件和操作系统。

2、具有统一的网络地址分配方案，采用与硬件无关的软件编址方法，使得网络中的所有设备都具有惟一的IP地址。

3、协议简单，性能可靠。

4、具有互操作性。

5、具有安全性和灵活性。