计算机网络
定义：将若干台具有
独立功能的计算机系统，用某种或多种通信介质连接起来，通过完善的网络协议，在数据交换的基础上，实现网络资源共享的系统称为计算机网络。
- 一个网络中包含多个
独立的计算机系统。 “独立”的含义是指每台计算机可运行各自独立的操作系统，各计算机系统之间的地位平等，无主从之分，任何一台计算机不能干预或强行控制其他计算机的正常运行。 网络协议是组成计算机网络的基础，是关键技术。数据交换是网络的最基本功能，各种资源共享都是建立在数据交换的基础上的。资源共享是网络最终目的。- 计算机网络以
资源共享为目标，在网络协议的支持下，用户使用远方计算机系 统的资源就好像使用本地计算机系统一 样方便，几乎觉察不到地理位置的差别。
1.计算机网络拓扑与组成
1.1 计算机网络拓扑结构
全连通式网络
1.1.1 星型网
- 传输介质从中央结点向外辐射连接其他节点。
- 任何两个节点之间的信息交换必须经过中央节点转发。
- 中央节点的可靠性十分重要，一旦中央节点发生故障，会引起整个网络瘫痪
1.1.2 环形网
- 网络上所有的结点通过传输介质连接成一个闭环，任何两个结点的数据交换必须沿环进行
- 一旦结点或链路发生故障，则环路断开，导致网络瘫痪
1.1.3 总线网
- 一条总线连接所有的结点，任何一个结点发送数据，其他节点都能收到。
- 任何结点故障都不会影响整个网络正常运行。
1.1.4 不规则型网
- 每个结点至少要和其他两个结点连接
- 可靠性好，任何一个结点或一条链路发生故障都不会影响网络的连通性
- 布线灵活，几乎不受任何拓扑结构的约束。
1.1.5 混合结构
1.2 计算机网络组成
注： 通信子网和资源子网
- 通信子网 + 由路由器和通线线路组成，完成网络通信任务。 + 通信线路提供数据传输的物理信道。 + 路由器是一种专用计算机，具有数据收发、路由选择、差错控制、流量控制等功能。
- 资源子网 + 由连接到通信子网的服务器和主机系统组成，为网络用户提供各种软硬件共享资源和数据处理能力。 + 硬件共享资源包括CPU、存储器、硬盘、磁带、打印机、绘图仪等。 + 软件共享资源包括操作系统、数据库系统、工具软件和应用程序等。
- 传输介质
- 有线、无线
- 互连设备
- 交换机、路由器、网桥、网关、中继器、HUB
- 网络适配器
- 工作站
- 服务器
2.数据交换类型
按数据交换方式分类
2.1电路交换网
2.1.1 电路交换
- 在源节点与目的节点之间搭建一条实体电路（或信道），形成一个连接；
- 在整个通信期间，这个连接独占这个信道，直到通信完成。
2.1.2 电路交换的优缺点
- 电路交换的优点：
- 时延小、固定；
- 对数据不进行存储、分析和处理，开销小效率高。透明传输。
- 编码方式不受网络限制。
- 电路交换的缺点：
- 接续时间长，网络利用率低；
- 电路利用率低；
- 通信要使用相同的协议、格式、同步方式等，限制不同终端的互联；
- 有呼损。
2.2 报文交换网
2.2.1 报文交换
- 信息在网络中一跳一跳地接力传输。节点接收并
存储上一节点发来的数据，校验无误后转发给下一节点。
- 源节点与目的节点之间没有固定的电路连接。
- 要发送的信息“打包”→交换机存储（有空闲线路时）→转发…… →目的终端
- 报文格式：报头（收、发端地址等）、正文、报尾。
2.2.2 报文交换过程
2.2.3 报文交换的优缺点
- 报文交换的优点：
- 可实现不同类型终端之间的交换；
- 实现以报文为单位的多路复用，提高线路的利用率。
- 报文交换的缺点：
- 时延大，不适应实时通信；
- 报文长，出错概率高；
- 要求交换机存储容量大，利用率不高。
2.3 分组交换网
2.3.1 分组交换
- 将报文分组（Packet）----长度短、格式统一。
- 在电路有空闲时，以“分组”为单位传送。
- 虚电路（逻辑连接）----可传输，不独占。
- 数据包可根据分组头中的地址，独立选择通路。
2.3.2 分组交换的传输过程
2.3.3 分组交换技术的基本思路
- 网络中没有中心控制节点，联网计算机独立地完成数据接收、转发、接收的功能。
- 发送数据的主机预先将待发送的数据封装成多个短的、有固定格式的
分组。 - 如果发送主机与接收主机之间没有直接连接的通信线路，那么分组就需要通过中间节点“
收储转发”，这种中间转发节点就是目前广泛使用的路由器。 - 每个路由器根据链路状态与分组的源
地址、目的地址，通过路由选择算法为每个分组选择合适的传输路径。 - 目的主机接收到属于一个报文的所有分组之后，将分组中各个数据字段组合起来，还原成发送主机发送的报文。
2.3.4 分组交换的优缺点
- 分组交换的优点：
- 不同数据终端之间灵活沟通；
- 时延小，能满足数据交互业务要求；
- 在一条物理线路上同时提供多条信息通路；
- 网络费用低。
- 分组交换的缺点:
- 附加信息多;
- 技术复杂。
3.计算机网络的分类
按地理范围分类
- 局域网LAN (Local Area Network)
- 覆盖范围一般不超过数公里。通常安装在一幢大楼内，大学校园内或厂区内
- 城域网MAN (Metropolitan Area Network)
- 覆盖范围通常是一个大城市，大约数十公里到上百公里。
- 广域网WAN (Wide Area Network)
- 覆盖范围一般在数百公里以上
- Internet就是目前最大的广域网
一个完整的网络连接示意图
4.网络体系结构和网络协议
- 背景：
为了减少网络设计的复杂性，便于网络互联和扩展，需要将整个网络功能划分为若干个层次，每个层次只完成某种特定功能，并由一个特定的协议来描述如何实现这个功能。 - 网络体系结构
网络分层结构及其协议的集合称为网络体系结构。
什么是协议？
- 通信双方事先规定好的通信规则叫做“协议”
- “协议”包括：语义、语法与时序
- 语义：做什么？
- 语法：怎么做？
- 时序：按什么顺序去做？
通信协议举例
- 假设一个中国人同一个德国人准备进行异地通话。要顺利的完成本次通信，双方必须共同遵守如下“协议”：
- 双方在交谈
内容上达成一致，即均对谈话内容感兴趣 ； - 双方使用的
语言必须转换成彼此能够听懂的第 三方语言； - 利用何种
通信系统实施语音信号的传输。
层次结构模型
- 会晤层
仅协商双方是否对交谈内容有共同兴趣，而不关
心使用何种语言以及何种通信系统。 - 语言层
仅协商通过某种第三方语言（如英语），完成汉语/英语，英语/德语的转换，而不关心交谈内容以及物理通信系统 - 物理层
仅完成语音信号的传输，而不关心使用何种语言， 更不关心交谈内容。
OSI参考模型和Internet参考模型
OSI参考模型----低层
- 物理层（PH）
完成原始数据位流在物理介质上传输，而不管位流的信息含义。 - 数据链路层（DL）
完成报文分组（数据帧）在相邻的结点间“透明”传输。
“透明”的含义是：无差错、无丢失、无重复、无顺序错误。 - 网络层（N）
完成报文分组在源/目的结点之间传输。 - 传输层（T）
完成报文段在源/目的主机进程之间的透明传输
OSI参考模型----高层
- 会话层（S）
进行会话管理，包括通信方向控制（单工，半双工，全双工）
谁是发送者？谁是接收者？谁付费？如何进行故障点恢复等。 - 表示层（P）
数据格式转化、数据加密/解密、数据压缩/解压。 - 应用层（A）
为用户提供各种网络服务，包括文件服务，电子邮件服务，
数据库服务，WWW，DNS等。OSI参考模型----高层
同层传输示意图
注：1- 4层完成网络通信，5-7层完成数据处理。
- 真正的物理通信总是发生在物理层。除物理层外，其余各对等层实体间都是进行虚拟通信。
- 通信必须在
对等层进行，不允许交差通信。 - 虚拟通信是一种逻辑通信，其意义在于：
- 设计本层协议时，不受其他层协议的内部实现影响。
- 通过层间
接口调用低层提供的服务，只要获得低层足够支持，虚拟通信就能得以实现。
- n-1层为n层提供服务。n层直接使用n-1层提供的服务，间接使用n-2, n-3, …… 层提供的服务。
- 层与层之间互视为黑匣子，不关心其他层的具体实现。当某一层具体实现方法改变时，只要
保持层间接口不变，就不会影响邻层。 - 对等层之间交互通过“
协议”实现, 相邻层之间交互通过“服务”实现。
TCP/IP协议栈
TCP/IP数据包
5.计算机网络的应用层
5.1 服务
- 远程登录
运用Telnet协议，在本地终端（键盘，显示器等）上使用远程主机的CPU，RAM，OS等。 - 文件传输
利用FTP在两台主机间传输文件。 - 电子邮件
利用SMTP发送邮件,利用POP3从邮件器服务接收电子邮件。 - 数据库服务
以C/S方式访问远方数据库系统。 - WWW服务
通过HTTP协议浏览分布在任何地方的网页，并通过超级链接，继续浏览下一个指定网页。 - 即时通信
网络聊天，IP语音、视频会话等。
5.2 协议
- Internet参考模型的
应用层（大体对应OSI的应用层、表示层和会话层）协议
主要包括:
FTP（文件传输协议）
SMTP （简单报文传输协议）
TELNET （远程网络登陆协议）
DNS （域名服务）
HTTP（超文本传输协议）
…….
5.3 URL
- URL是
统一资源定位符，对可以从互联网上得到的资源的位置和访问方法的一种简洁的表示，是互联网上标准资源的地址。互联网上的每个文件都有一个唯一的URL，它包含的信息指出文件的位置以及浏览器应该怎么处理它。
URL由三部分组成：
1.协议名称(http 超文本传输协议)
2.主机名或主机的DNS(ci.hfut.edu.cn)
3.文件路径和文件名(main.htm 超文本标记语言)
5.4 DNS
在网络层IP包采用IP地址进行通信。
在应用层，为了便于记忆，采用域名来标识。
常见域名的含义
- WWW上包含着非常丰富的信息，但要找到自己所需的内容并不是件很容易的事。
- 为了使人们能够方便、快捷地找到对他们有用的页面，研究人员写出了用多种方法索引WWW的网络应用程序。
- 索引WWW的 程序被称作搜索引擎(Search Engine)，如yahoo、google、百度、bing等。
从端系统接入的角度看物联网的结构
练习与思考
- 什么是电路交换？什么是分组交换？对比两者的优缺点。
- 简述分组交换的工作过程和特点。
- 计算机网络按照拓扑结构分为哪几类？局域网通常采用其中哪几类拓扑结构？分析每种拓扑结构的特点。
- 计算机网络由哪两个子网组成？各自完成的功能是什么？
- OSI参考模型分为几层，各层的功能是什么？
- 分析Internet参考模型与OSI参考模型两个分层体系结构的对应关系，列举Internet参考模型（TCP/IP协议栈）各层的主要协议及其功能。
- 网络中交换设备有什么作用？
- 什么是DNS？网络中域名服务器起什么作用？
- 什么是URL？统一资源定位符由哪几部分组成？
