计算机网络技术(一)——概论

摘要

1. 计算机网络的起源与发展
2. 计算机网络的分类
3. 计算机网络的硬件和软件设备
4. 计算机网络的性能指标
5. 计算机网络的功能和应用
6. 计算机网络的标准化组织

一、计算机网络的起源与发展

1.1 产生背景

计算机诞生后，作为信息处理的核心器件，被广泛用于科学计算、工业控制、人工智能等各个领域。随着计算机普及，人们越来越不满足孤立的计算机进行的信息处理，而是希望位于不同空间的计算机及其附属设备能够连通起来，从而实现[信息的传输和共享]。计算机网络便在这样的背景下出现了。

1.2 计算机网络是什么?

从资源共享的角度可以定义为：计算机网络是以能够相互共享资源的方式互联起来的自治计算机系统的集合。

1.3 计算机网络技术发展的里程碑

美国国防部于20世纪60年代末开始建设ARPANET，用于研究和实验。ARPANET采用[分组交换技术],可以连接到不同型号的计算机设备，实现数据信号的传输。最初的ARPANET包含4个节点，到了20世纪70年代，越来越多的大学和科研机构作为结点加入ARPANET。同时，出现了越来越多的基于ARPANET的网络应用，比如电子邮件、DNS、FTP和Telnet等。在ARPANET网络研究过程中，研究员为了将不同类型的网络互联起来，使得位于不同网络的计算机之间可以通信，TCP/IP模型由此而生。进入20世纪80年代，TCP/IP完全覆盖了ARPANET，成为网络互联的标准协议。

二、计算机网络的分类

2.1 按照网络覆盖范围划分

根据网络的覆盖范围可以分为：局域网、城域网、广域网和互联网。

• 局域网（Local Area Network，LAN）
  范围在几百米到几千米内，广泛用于校园、工厂和机关的个人计算机或工作站，最常用的是共享信道，即所有的设备都连接在同一条传输线路上。传统的局域网主要有总线结构和环形结构两种拓扑结构，新型的局域网普遍采用的是星形拓扑。

• 城域网（Metropolitan Area Network，MAN）
  采用的技术基本上与局域网类似，只是规模上要大一些。城域网既可以覆盖相距不远的办公楼，也可以覆盖一个城市，工作范围一般是几十千米。

• 广域网（Wide Area Network，WAN）
  通常跨越一个或多个国家，与局域网共享方式不同，广域网采用交换技术，通过若干相连的交换结点（称之为通信子网），将分布在各地的主机或局域网连接起来。担任交换结点的设备通常是路由器或交换机。

• 互联网（Inter Networking）
  将世界各地的局域网和广域网通过一定的方式连接起来，使得海量的信息能在更广阔的范围内传播，就构成了互联网。

2.2 按传输介质分类

计算机网络按照传输介质的类型可以分为：有线网络和无线网络。

有线网络的优点：

• 信号导向性强
• 带宽比较宽
• 受外界干扰小
• 不易被监听和截获

有线网络的缺点：

• 布线成本高
• 通信受线路布局制约，不灵活方便

无线网络的优点：

• 利用无线电磁波进行数据传输
• 不受地点限制
• 可随时随地进行通信

无线网络的缺点：

• 信号导向性差
• 无线信道容易受干扰和衰落
• 传输带宽比较小

2.3 按照网络的所有权划分

计算机网络按照其所有权性质的不同，可以分为：公用网和专用网。
公用网是由电信部门建设的，能供任何个人和单位使用。专用网是由某个部门为本单位的特殊用途而建设的，通常不向外提供服务。

2.4 按照网络拓扑结构划分

拓扑结构是网络中各个结点之间相互连接的几何形式，直接影响到网络中数据传输的特点和性能，主要有以下几种。

• 总线型网络
  总线型结构是早期网络普遍采用的方式，所有接入网络的数据终端均连接到一条通信线路上，同一时刻只能有两个网络结点进行通信，总线结构的优点是节省通信线路，结构简单，价格便宜；缺点是不能同时支持多个结点通信，而且一旦通信线路的一个地方出现障碍，整个网络都不能正常运行。
• 环形网络
  环形结构与总线型结构类似，只是将所有联网的数据终端连接到一个闭合的环形通信线路上，优点是一次通信在网络中传输的最大延迟是固定的，控制机制比较简单；同样，一旦网络中一个地方出现故障，整个网络将不能通信。
• 星形网络
  星形结构是一一台数据设备作为中心处理系统，其他的入网设备均与中心处理机通过线路相连，其他结点间不能直接通信，必须经过中心处理机进行转发，其优点是结构简单，局部障碍不会影响全网通信；缺点是对中心处理机性能要求高，通信线路利用率低。
• 树形网络
  树形结构是星形结构的一种特例，它将原来用单独线路直接相连的网络结点通过多级处理机进行分层相连。树形结构相比星形结构能节省通信线路成本。
• 网状网络
  网状结构是指网络中的终端可以与其他设备任意相连，两个网络结点间可以直接通信，也可以通过其他结点进行转接。优点是局部故障不会影响整个网络；缺点是网络结构复杂，不容易进行网络管理和控制。
• 混合型网络
  在实际的互联网中，常常根据网络的规模、性能要求进行混合这几种拓扑结构使用。

网络拓扑结构图

2.5 按照在计算机网络系统中的逻辑功能划分

在逻辑功能上，计算机网络可以分为两部分：通信子网和资源子网。
通信子网负责完成网络数据的传输、转发、交换和路由等通信认为；资源子网负责网络的数据处理业务，向网络中的用户提供各种资源和服务。

2.6 按照网络的传输技术划分

计算机网络可以分为广播式网络和点对点式网络。传统的以太网就是广播式计算机网络，基于TCP/IP的Internet属于点对点式网络。

三、计算机网络的硬件和软件设备

计算机网络要实现数据传输和资源共享，必须要有相应的设备来实现这些功能。计算机网络设备可以分为硬件设备和软件设备。硬件设备包括计算机、服务器、交换机、路由器和通信介质等，软件设备包含各种网络协议、网络操作系统和应用程序等。

3.1 终端计算机

是用户访问和使用计算机网络的界面，包含台式机、笔记本、服务器及智能手机、平板电脑等。

3.2 交换机

是某种交换式网络(如以太网)内部的一种核心装置，负责网络内部数据的调度和转发。

3.3 路由器

是连接IP网络中不同类型的网络，为不同格式的数据分组选择合适的通信路径并转发的网络中间设备。实现路由的方法称为路由算法(Routing Algorithm)。

3.4 网络协议

规定网络中所传输的数据分组的格式、传输的策略、交换和路由方法。网络协议包含三个基本要素：

• 语法：规定数据与控制信息的分组结构或格式
• 语义：规定进行通信需要发出的控制信息、完成的操作动作和响应
• 同步：网络事件实现顺序的详细说明

3.5 网络操作系统

区别于单机操作系统，能够在网络环境下为用户和网络资源提供接口，实现对网络资源管理和控制的程序集合。

3.6 传输介质

是计算机网络中连接各个网络结点的物理线路，是数据传输的通道。可以分为有线介质(或称引导型介质)和无线介质(或称非引导型介质)两大类。

四、计算机网络的性能指标

要研究和使用计算机网络，首先要有一套评价网络运行好坏的性能指标体系，其中包括定量的性能指标，也包括非定量的性能指标。

4.1 定量的性能指标

• 速率
  速率描述的是计算机网络中数字信息传递的快慢情况。分为发送速率和传输速率。发送速率是指在终端或网络中间结点，计算机设备每秒向网络中发送多少比特数据，反映的是网络设备性能；传输速率是指数据信号在传输线路上每秒能传输多少千米，反映的是信号及信道的性能。

• 带宽
  带宽是描述通信有效性的指标。
  对于模拟通信系统，带宽包含信道带宽和信号传输带宽。信道带宽只与信道介质有关，信号传输带宽是某种通信业务信号频率的最高分量和最低分量间的差值。
  对于数字通信系统，网络的带宽通常用来表示通信线路所能传送数据的能力。

• 端到端延迟
  表示一个数据分组从网络中的一个端点到达另一个端点所花费的时间。
  端到端延迟主要分为4个部分：发送延迟（终端或网络中间结点发送数据分组的时间）、传播延迟（承载数据的电磁波信号在信道中传播所消耗的时间）、处理延迟（终端或网络中间结点分析、处理数据分组所消耗的时间）、排队延迟（数据分组在经过网络中的路由器时，排队等待转发所需要的时间）。

• 吞吐量
  吞吐量表示在单位时间内通过某个网络（或信道、接口）的数据量。受网络的带宽或网络的额定速率的限制。

4.2 非定量的性能指标

• Qos(Quality of Service，服务质量)
  是指一个网络能够利用各种基础技术，为指定的网络通信提供优先级转发策略、拥塞避免等机制。

• 可靠性
  是指计算机网络能否尽可能长时间稳定运行不出或少出故障，在发生故障时及时恢复。一般提高网络可靠性的方法是增加网络的冗余度，即备用设备。

• 可扩展性
  是指网络是否能够方便、快捷地在现有基础上进行规模的扩充和技术更新。

• 安全性
  是指计算机网络是否具备抵御和防范各种风险和威胁的能力。包含安全防控策略、防火墙设备、病毒查杀软件、操作规范和习惯等。

• 标准化
  由于不同厂商生产的硬件及软件导致网络类型多种多样，如果采用标准不一致，将导致网络很难互联。

• 成本
  网络成本包含设计和建设网络的费用，以及用户使用网络的费用。

五、计算机网络的功能和应用

• 实现数据通信
  对符合、文字、声音、图片等数据通过网络进行传输

• 提供资源共享
  如网络打印机、操作系统、电子图书

• 提高计算机系统的可靠性
  将多台计算机联系起来，实现计算机之间互相备份，提高可靠性

• 进行分布式处理
  将原本集中与一个计算机的处理功能分散到不同的计算机上进行分布处理

• 对分散对象提供集中控制与管理
  在工业生产、电力调度场合下，需要对地理上分散的计算机进行管理，就需要设置中心控制结点，与各分散计算机相联，统一管理。

六、计算机网络的标准化组织

根据制定和使用标准的组织性质不同，标准可以分为：企业标准、行业标准、国家标准和国际标准。

• 国际标准化组织（ISO）
  是一个全球性的非政府组织，在计算机网络领域制定的最著名的标准是开放系统互联参考模型OSI。

• 国际电信联盟（ITU）
  是负责协调世界各国电信业务的国际组织，ITU制定的X系列标准，如X.25协议等，曾经一直是公用数字网络数据传输（即广域网）的国际标准。

• 美国电子工业协会（EIA）
  是由美国半导体、通信和计算机等系统和设备制造企业共同成立的行业协会，最著名的工作是在数据通信设备的物理接口和电气特性方面制定了一系列标准，如数字设备之间串行通信的接口标准RS-232。

• 电气和电子工程师协会（IEEE）
  是由美国电气工程师学会和美国无线电工程师学会合并而成的美国最大的专业学术协会，IEEE在计算机网络领域最大的成果是制定了局域网技术的一系列标准，称为IEEE 802系列标准。

总结

• 计算机网络的发展历程及美国ARPANET对计算机网络的影响

• 计算机网络的分类：局域网、城域网、广域网和互联网

• 计算机网络的主要功能：数据通信、资源共享、可靠性、分布式和集中控制

• 建设计算机网络的标准及组织