计算机网络概述

7.1 计算机网络概述
1.计算机网络的定义
计算机网络是指将一群具有独立功能的计算机通过通信设备及传输媒体被互联起来，在通信软件的支持下，实现计算机间资源共享、信息交换或协同工作的系统。计算机网络是计算机技术和通信技术紧密结合的产物，两者的迅速发展及相互渗透，形成了计算机网络技术。
7.1.1 计算机网络的产生和发展
2.计算机网络的发展历程
1)以数据通信为主的第一代计算机网络
2）以资源共享为主的第二代计算机网络
ARPA网的建成标志着计算机网络的发展进入了第二代，它也是Internet的前身
3)体系标准化的第三代计算机网络
国际标准化组织 (ISO) 提出的开放系统互连参考模型(OSI-RM)各层的协议被批准为国际标准，给网络的发展提供了一个可共同遵守的规则，从此计算机网络的发展走上了标准化的道路，因此我们把体系结构标准化的计算机网络称为第三代计算机网络
4)以Internet为核心的第四代计算机网络
目前这阶段计算机网络发展特点呈现为: 高速互连、智能与更广泛的应用
3.计算机网络的发展趋势
1)三网合一
随着技术的不断发展，新旧业务的不断融合，目前广泛使用的通信网络、计算机网络和有线电视网络三类网络正逐渐向单一的统一IP网络发展，即所谓的三网合一。
2)光通信技术
全光网络是指光信息流在网络中的传输及交换始终以光的形式实现，不再需要经过光/电、电/光转换，即信息从源节点到目的节点的传输过程中始终在光域内。
3）IPv6协议
TCP/IP协议簇是互联网的基石之一。目前广泛使用的IP协议的版本为IPv4，其地址位数为32位，即理论上约有40亿 (232)个地址。随着互联网应用的日益广泛和网络技术的不断发展，IPv4的问题逐渐显露出来，主要有地址资源枯竭、路由表急剧膨胀、对网络安全和多媒体应用的支持不够等。
4)宽带接入技术与移动通信技术
低成本光纤到户的宽带接入技术和更高速的3G乃至以后的4G、5G宽带移动通信系统技术的应用，使得不同的网络间无缝连接，为用户提供满意的服务
同时，网络可以自行组织，终端可以重新配置和随身携带，它们带来的宽带多媒体业务也逐渐步入我们的生活
7.1.2 计算机网络的组成
计算机网络是计算机应用的高级应用形式。
从物理连接上讲，让算机网络由计算机系统、网络节点和通信链路组成。计算机系统进行各种数据处理，通信链路和网络节点提供通信功能。
1)计算机系统
计算机网络中的计算机系统主要担负数据处理工作它可以是具有强大功能的大型计算机，也可以是一台微机其任务是进行信息的采集、存储和加工处理。
2)网络节点
网络节点主要负责网络中信息的发送、接收和转发。网络节点是计算机与网络的接口，计算机通过网络节点向其他计算机发送信息，鉴别和接收其他计算机发过来的信息。
3)通信链路
通信链路是连接两个节点的通信信道，通信信道包括通信线路和相关的通信设备。通信线路可以是双绞线、同轴电缆和光纤等有线介质，也可以是微波、红外线等无线介质，相关的通信设备包括中继器、调制解调器等，其中中继器的作用是将数字信号放大，调制解调器则能进行数字信号和模拟信号的转换，以便将数字信号通过只能传输模拟信号的线路来传输。
从逻辑功能上看，可以把计算机网络分成通信子网和资源子网两个子网。
1)通信子网
通信子网提供计算机网络的通信功能，由网络节点和通信链路组成。通信子网是由节点处理机和通信链路组成的一个独立的数据通信系统。
2)源子网
资源子网提供访问网络和处理数据的能力，由主机终端控制器和终端组成
7.1.3 计算机网络的功能
随着计算机网络技术的发展及应用需求层次的日益提高，计算机网络功能的外延也在不断扩大。归纳起来，计算机网络主要有以下功能:
1.数据通信
数据通信是计算机网络的基本功能之一，用于实现计算机之间的信息传送。在计算机网络中，人们可以收发电子邮件，发布新闻、消息，进行电子商务、远程教育、远程医疗，传递文字、图像、声音、视频等信息。
2.资源共享
计算机资源主要是指计算机的硬件、软件和数据资源资源。共享功能是组建计算机网络的驱动力之一，使得网络用户可以克服地理位置的差异性，共享网络中的计算机资源。
3分布式处理
对于综合性的大型科学计算和信息处理问题，可以采用一定的算法，将任务分给网络中不同的计算机，以达到均衡使用网络资源，实现分布处理的目的。
4.提高系统的可靠性
可靠性对于军事、金融和工业过程控制等部门的应用特别重要。计算机通过网络中的冗余部件，尤其是借助虚拟化技术可大大提高可靠性。例如，在工作过程中，如果一台设备出了故障，可以使用网络中的另一台设备;网络中的一条通信线路出了故障，可以取道另一条线路提高了网络整体系统的可靠性
7.1.4 计算机网络的分类
从不同的角度出发，计算机网络可以有不同的分类方法，最常见的分类方法有以下几种。
1.根据网络的覆盖范围划分
局域网 (LAN，Local Area Network) ，一般用微机通过高速通信线路连接，覆盖范围从几百米到几公里，通常用于连接一个房间、一层楼或一座建筑物。局域网传输速率高，可靠性好，适用各种传输介质，建设成本低
城域网(MAN，Metropolitan Area Network) ，是在一座城市范围内建立的计算机通信网，通常使用与局域网相似的技术，但对媒介访问控制在实现方法上有所不同，它一般可将同一城市内不同地点的主机、数据库以及LAN等互相连接起来。
广域网人（WAN，Wide Area Network) ，用于连接不同城市之间的LAN或WAN。广域网的通信子网主要采用分组交换技术，常常借用传统的公共传输网 (如电话网)这就使广域网的数据传输相对较慢，传输误码率也较高随着光纤通信网络的建设，广域网的速度将大大提高。广域网可以覆盖一个地区或国家。
因特网（Internet），可以说是最大的广域网。它将世界各地的广域网、局域网等互联起来，形成一个整体，实现全球范围内的数据通信和资源共享。
2.按网络的拓扑结构划分
把网络中的计算机等设备抽象为点，把网络中的通信媒体抽象为线，这样就形成了由点和线组成的几何图形，即采用拓扑学方法抽象出的网络结构，我们称之为网络的拓扑结构。计算机网络按拓扑结构可以分为总线型网络、星形网络、环形网络、树状网络和混合型网络等。
1）总线型拓扑
总线型拓扑采用单一信道作为传输介质，所有主机（或站点）通过专门的连接器接到这根称为总线的公共信道上
在总线型拓扑中，任何一台主机发送的信息都沿着总线向两个方向扩散，并且总能被总线上的每一台主机所接收。由于其信息是向四周传播的，类似于广播，所以总线网络也被称为广播网。这种拓扑结构的所有主机都彼此进行了连接，从而进行直接通信。
总线型拓扑结构的优点是：结构简单，布线容易，站点扩展灵活方便，可靠性高。
缺点是：故障检测和隔离较困难，总线负载能力较低。另外，一旦线缆中出现断路，就会使主机之间造成分离，使整个网段通信中止。
2）环形拓扑
环形拓扑是一个包括若干节点和链路的单一封闭环，每个节点只与相邻的两个节点相连
在环形拓扑中，信息沿着环路按同一个方向传输，依次通过每一台主机。各主机识别信息中的目的地址，如与本地地址相符，则信息被接收下来。信息环绕一周后由发送主机将其从环上删除。
环形结构的优点：容易安装和监控，传输最大延迟时间是固定的，传输控制机制简单，实时性强。
缺点：网络中任何一台计算机的故障都会影响整个网络的正常工作，故障检测比较困难，节点增、删不方便。
3）星形拓扑
星形拓扑是由各个节点通过专用链路连接到中央节点上而形成的网络结构
在星形拓扑中，各节点计算机通过传输线路与中心节点相连，信息从计算机通过中央节点传送到网上的所有计算机。星形网络的特点是很容易在网络中增加新节点，数据的安全性和优先级容易控制。，网络中的某一台计算机或者一条线路的故障不会影响整个网络的运行。
星形结构的优点：传输速度快，误差小，扩容比较方便，易于管理和维护，故障的检测和隔离也很方便。
缺点：中央节点是整个网络的瓶颈，必须具有很高的可靠性。中央节点一旦发生故障，整个网络就会瘫痪。另外，每个节点都要和中央节点相连，需要耗费大量的电缆。实际上大都是采用交换机来构造多级结构的星形网络，形成扩展星形结构。
4）树状拓扑
树状拓扑是从总线型拓扑演变而来的，在树状拓扑中，任何一个节点发送信息后都要传送到跟节点，然后从根节点返回整个网络。
这种结构的网络在扩容和容错方面都有很大优势，，很容易将错误隔离在小范围内。这种网络依赖根节点，如果根节点出了故障，则整个网络将会瘫痪。
适用于层级结构明显的网络
5）网状拓扑
网状拓扑由节点和连接节点的点到点链路组成，每个节点都有一条或几条链路同其他节点相连
网状结构通常用于广域网中，优点是节点间路径多，局部的故障不会影响整个网络的正常工作，可靠性高，而且网络扩充和主机入网比较灵活。简单。但这种网络的结构和协议比较复杂，建网成本高。
可靠性好
3.按传输介质划分
计算机网络按传输介质的不同可以划分为有线网和无线网。
有线网采用双绞线、同轴电缆、光纤或电话线做传输介质。采用双绞线和同轴电缆练成的网络经济且安装简便，但传输距离相对较短。以光纤为介质的网络传输距离远，传输率高，抗干扰能力强，安全好用，但成本稍高。
无线网主要以无线电波或红外线为传输介质，联网方式灵活方便，但联网费用稍高，可靠性和安全性还有待完善。另外，还有卫星数据通信网，它是通过卫星进行数据通信的。
4.按网络的使用性质划分
计算机网络按网络的性质的不同，可分为公用网和专用网。其中，公用网是一种付费网络，属于经营性网络，由电信部门或其他通信服务的经营部门组建、管理和控制，任何单位和个人付费租用一定带宽的数据通道，如我国的电信网、广电网、联通网等。
专用网是某个部门根据本系统的特殊业务需要而建造的网络，这种网络一般不对外提供服务。
7.1.5 计算机网络性能指标
1.计算机网络的性能指标
（1）速率
网络技术中的速率指的是数据的传送速率，它也称为数据率或比特率。速率的单位是bit/s（比特每秒）（或b/s），有时也写作bps，即bit per second）。当提到网络的速率时，往往指的是额定速率或标称速率，而并非网络实际上运行的速率。
（2）带宽
（3）吞吐量
吞吐量表示在单位时间内通过某个网络的实际数据量
（4）时延
时延是指数据从网络的一端传送到另一端所需的事件。时延是个很重要的性能指标，它有时也称为延迟或者迟延
（5）时延带宽积
把传播时时延和带宽相乘，就可以得到：传播时延带宽积，即：时延带宽积=传播时延*带宽
（6）往返时间RTT
（7）利用率
利用率有信道利用率和网络利用率等。信道利用率指出某信道有百分之几的事件是被利用的（有数据通过）。
（8）误码率