计算机网路学习笔记——计算机网路基础概念和相关概述

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发布时间：2019-05-23

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基本概念与概述

一、计算机网络的概念

首先，从科学和严格来说，通常口头所说的“网路”并不是接下来所说的“计算机网络”，计算机网络知识网路的一种。

计算机网络是一个将分散的、具有独立功能的计算机系统，通过通信设备与线路连接起来，由功能完善的软件实现资源共享和信息传递的系统；简而言之，计算机网络就是一些互联的、自治的计算机系统的集合。

1、广义观点

“只要是能实现远程信息处理的系统或能进一步达到资源共享的系统，都是计算机网络。”

该观点定义了一个计算机通信网络，物理结构上具有计算机网络的雏形，但资源共享能力弱，是计算机网络的低级阶段。

2、资源共享观点

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”，此观点有三层含义：
① 目的：资源共享。
② 组成单元：分布在不同地理位置的多台独立的“自治计算机”。
③ 网路中计算机必须遵循统一规范——网络协议。

此定义符合目前的计算机网络的基本特征。

3、用户透明性观点

此观点认为，存在一个能为用户自动管理资源的网络操作系统，能够调用用户所需要的资源，而整个网络就像一个大的计算机系统一样对用户是透明的；用户使用网络就像使用一台单一的超级计算机，无需了解网络的存在、资源的位置信息。

用户透明性观点的定义描述了一个分布式系统，它是网络未来发展追求的目标。

二、计算机网络的组成

从不同的角度，可以将计算机网络的组成分为如下几类：

1）从组成部分

一个完整的计算机网络主要由硬件、软件、协议三大部分组成；硬件主要指端系统主机、双绞线和光纤等通信链路、路由器和交换机等交换设备以及网卡等通信处理机；软件指各种实现资源共享的软件和方便用户使用的各种工具软件（如网络操作系统、邮件收发程序、FTP程序、聊天程序等），软件部分大多属于应用层；协议是计算机网络的核心，协议规定了网络传输数据时所遵循的规范。

2）从工作方式

计算机网络，即 Internet，可分为边缘部分和核心部分；边缘部分由所有连接到因特网上、供用户直接使用的主机组成，用于进行通信和资源共享；核心部分由大量的网络和连接这些网络的路由器组成，为边缘部分提供连通性和交换服务。

3）从功能组成上

计算机网络由通信子网和资源子网组成。通信子网由各种传输介质、通信设备和相应的网络协议组成，使网络具有数据传输、交换、控制和存储的能力，实现联网计算机之间的数据通信；资源子网是实现资源共享功能的设备及其软件的集合，向网络用户提供其他计算机上的硬件资源、软件资源和数据资源的服务。

三、计算机网络的功能

主要有五大功能：数据通信、资源共享、分布式处理、提高可靠性和负载均衡。

1、数据通信

是计算机网络的最基本和最重要的功能，用来实现联网计算机之间的各种信息的传输，并将分散在不同地理位置的计算机联系起来，进行统一的调配、控制和管理。

2、资源共享

分为软件共享、数据共享和硬件共享，使计算机网络互通有无、分工协作，从而极大提高硬件资源、软件资源和数据资源的利用率。

3、分布式处理

当计算机网络中的某个计算机系统负荷过重时，可以将其处理的某个复杂任务分配给网络中的其他计算机系统，从而利用空闲计算机资源以提高整个系统的利用率。

4、提高可靠性

计算机网络中的各台计算机可以通过网络互为替代机。

5、负载均衡

将工作任务均衡地分配给计算机网络中地各台计算机。

除了上面这些主要功能，计算机网络还可以实现电子办公、电子商务、远程教育等等。

四、计算机网络的分类

1、以分布范围划分

可分为广域网、城域网、局域网和个人区域网。

1）广域网（WAN）

广域网的任务是提供长距离通信，运送主机所发送的数据，其覆盖范围通常为几千米到几十千米的区域，故而也称远程网；广域网是因特网的核心部分，连接广域网的各个节点的交换机的链路一般是高速链路，具有较大的通信容量。

2）城域网（MAN）

城域网覆盖范围往往跨越几个街区甚至整个城市，约为5~50km；城域网大多采用以太网技术，因此有时也会并入局域网的范围。

3）局域网（LAN）

局域网一般用于微机或工作站通过高速线路相连，覆盖范围较小，为几十米到几千米距离。局域网在计算机配置的数量上没有太多限制，可以两台，也可以几百台。传统上，局域网使用广播技术，而广域网使用交换技术。

4）个人区域网（PAN）

个人区域网是指在个人工作的地方将消费电子设备，如平板电脑，用无线技术连接起来的网络，也称为无线个人区域网（WPAN），其覆盖直径为 10 m

注意：若中央处理器之间的距离非常近，如仅 1m 的数量级甚至更小，则一般就称为多处理器系统，而不称为计算机网络。

2、以传输技术来划分

依照传输技术的分类可划分为广播式网络和点对点式网络。

1）广播式

所有联网计算机都共享一个公共通信信道。当一台计算机利用共享通信信道发送报文分组时，所有其他的计算机都会“收听”到这个分组。接收到分组的计算机将通过检查目的地址来决定是否接收该分组。

2）点对点

每条物理线路连接一对计算机。若通信的两台主机之间没有之间连接的线路，那么它们之间的分组传输就要通过中间节点的接收、存储和转发，直至目的节点。

是否采用分组存储转发与路由选择机制是点对点与广播式的重要区别，广域网基本都属于点对点网络。

3、按拓扑结构分类

网络拓扑结构是指由网中节点——路由器、主机等，与通信线路即网线之间的几何关系表示的网络结构，主要指通信子网的拓扑结构。

根据网络的拓扑结构，计算机网络可以分为总线形、星形、环形和网状网络，如下图：

星形、总线形和环形网络多用于局域网，网状网络多用于广域网。

1）总线形

用单根传输线将计算机连接起来。优点是建网容易、增减节点方便、节省线路。缺点是重负载时通信效率不高、总线任意一处对故障敏感。

2）星形

每个终端机或路由器都以单独的线路与中央设备相连。中央设备在早期都是计算机，现在一般是路由器或交换机。星形网络便于集中控制和管理，因为端用户之间的通信必须经过中央设备。缺点是成本高，中心节点对故障敏感。

3）环形

所有计算机接口设备连接形成一个环。环形网络的典型例子就是令牌环局域网，环可以是单环也可以是双环，环中信号是单向传输的。

4）网状网络

一般情况下，每个节点至少有两条路径与其他节点相连，多用在广域网中，有规则型和非规则型两种。优点是可靠性高，缺点是控制复杂、线路成本高。

4、以使用者来划分

可以划分为专用网和公用网。

1）公用网（Public Network）

指电信公司出资建造的大型网络。“公用”的意思是指所有愿意按电信公司规定缴纳费用的人都可以使用这种网络，因此称公众网。

2）专用网（Private Network）

指某个部门根据需要而建造的网络，只供给内部人员使用，例如军队的专用网。

5、以交换技术来划分

交换技术：通信双方为交换信息所采用的数据格式和交换装置的方式。依据交换技术可分为电路交换网络、报文交换网络和分组交换网络。

1）电路交换

源节点和目的节点之间建立一条专用的通路用于传送数据，典型是传统电话网络。特点为整个报文的比特流连续地从源点直达终点；优点是数据直达、时延小，缺点是线路利用率低、不能充分利用线路容量、不便于进行差错控制。

2）报文交换

用户数据加上源地址、目的地址、校验码等辅助信息封装成一个报文，整个报文传送到相邻节点，相邻节点存储后转发给下一个相邻节点……直到到达目的节点；整个过程地路径可以由报文自己选择。报文交换网络也成为存储-转发网络；特点就是其传输方式；优点是充分利用线路容量、实现不同链路之间不同数据率地转换、可以实现格式转换、可以实现一对多、多对一的访问、可以实现差错控制；缺点是增大了资源开销、增加了缓冲时延、需要额外的控制机制来保证多个报文的顺序不乱序、缓冲区难以管理。

3）分组交换

也称包交换网络。原理是将数据分成较短的固定长度的数据块，每块包含目的地址、源地址等辅助信息，以存-转发方式传输。特点就是单个分组传送到相邻节点，存储后查找转发表，转发到下一个节点。优点方面具有报文交换网络的优点的同时，还有缓冲易于管理、包的平均时延更小、网络占用的平均缓冲区更少、更易于标准化、更适合应用。现在的主流网络基本上都可以视为分组交换网络。

6、按传输介质分

可分为有线和无线两大类；有线网络又可以分为双绞线网络、同轴电缆网络等；无线网络分为蓝牙、微波、无线电等类型。

五、计算机网路的标准化

在计算机行业，标准化的东西才容易广泛推广和应用，计算机网络也是如此。

因特网的所有标准都以 RFC（Request For Comments）形式发布在因特网上，但是并非所有的 RFC 都是因特网标准，一个 RFC 需要经历如下四个阶段才能称为因特网标准：
① 因特网草案（Internet Draft），这个阶段还不是 RFC 文档。
② 建议标准（Proposed Standard），开始成为 RFC 文档。
③草案标准（Draft Standard）
④因特网标准（Internet Standard）

国际上，负责制定、实施相关网络标准的标准化组织很多，主要有如下：
• 国际标准化组织（ISO），制定的主要网络标准或规范有 OSI 参考模型、HDLC 等。
• 国际电信联盟（ITU），前身为国际电话电报咨询委员会（CCITT），其下属机构 ITU-T 制定了大量有关远程通信的标准。
• 国际电气电子工程师协会（IEEE），世界上最大的专业技术团体，有计算机和工程学专业人士组成；其在通信领域最著名的研究成果是 802 标准。

六、网络性能指标

计算机网络常用的性能指标主要有带宽、时延、时延带宽积、往返时延、吞吐量、速率和信道利用率。

1、带宽（Bandwidth）

本表示通信线路允许通过的信号频带范围，单位是赫兹（Hz）。在这里表示网络的通信线路所能传送数据的能力，是数字信道所能传送的“最高数据率”的同义词，单位是比特每秒（b/s）。

2、时延（Delay）

指数据从网络的一端送到另一端所需的总时间，由发送时延、传播时延、处理时延和排队时延组成。
• 发送时延：节点将分组的所有比特推向链路所需的时间，计算公式为：发送时延=分组长度/信道宽度
• 传播时延：电磁波在信道中传播一定的距离需要花费的时间，计算公式为传播时延=信道长度/电磁波在信道上的传播速率
• 处理时延：数据在交换节点为存储转发而进行的一些必要的处理所花费的时间。
• 排队时延：分组在进入路由器后要先在输入队列中排队等待处理，路由器确定转发端口后，还要再输出队列中排队。