计算机网络概述

网络的发展

• 计算机网络 = 计算机 + 通信 + 用户需求
• 计算机发展过程：
  1. 单机：单个用户独占系统资源（主机）
  2. 分时系统：分时多用户系统：多个用户利用多台终端共享单台计算机的资源
  3. 远程访问系统：利用通信线路将远程终端连接到主机，不受地域限制地使用计算机资源
  4. 网络：将多台计算机连接在一起，相互共享资源
• 计算机网络
  • 以 共享资源 （硬件、软件和数据资源等）为目的而连接起来的、 在协议控制下，由一台或多台计算机、若干台终端设备、数据传输设备等组成的系统的集合。这些计算机系统应当具有能 独立自治能力 的操作系统。
• 计算机联网的主要目的：
  • 1. 资源共享：
    • 硬件共享：大型计算机的处理能力，昂贵的外设
    • 软件共享：应用软件、系统软件等
    • 数据共享：用户数据等
  • 2. 数据传输：
    • 支持用户之间的数据传输（如 smtp、ftp、ip 等），计算机网络可以使得分布于全球的计算机协作起来，形成一个巨大、虚拟的计算机。
• 网络的类型：
  • 根据网络覆盖范围
    • Wide Area Network (WAN) 广域网
    • Local Area Network (LAN) 局域网
    • Metropolitan Area Network (MAN) 城域网
    • Campus Network / Enterprise Network 园区网
  • 按照网络的拓扑结构
    • 星型拓扑结构：以一台中心处理机为主构成的网络，其他的入网机器仅与该中心处理机之间有直接的物理链路，所有网上传输的信息需要该处理机转发。
      • 网络结构简单，集中式的便于管理
      • 每台入网机均需要物理线路和处理机互连，线路利用率较低
      • 处理机负载重（需要处理所有服务），两台入网机之间交换信息也需要通过中心处理机
      • 入网主机故障将影响整个网络的正常工作，中心机的故障将导致网络瘫痪。
    • 总线拓扑结构：所有入网机器公用一条物理传输信道
      • 多台机器公用一条传输信道，信道利用率高
      • 同一时刻只能由两台计算机通信
      • 某一个结点的故障不影响网络的工作
      • 网络的延伸距离有限，节点数有限
      • 适用于局域网（LAN）布置
    • 环形拓扑结构：入网设备通过 转发器 接入网络，每个转发器仅与两个相邻的转发器有直接的物理线路，所有的转发器构成了环状的物理结构
      • 实时性较好（信息在网中传输的最大时间固定）
      • 每个结点只与相邻的两个结点有物理链路，传输控制机制比较简单
      • 某个结点的故障将会导致网络的故障
      • 结点数量有限
      • 适用于局域网，实时性要求比较高的系统
    • 网状拓扑结构：利用专门负责数据通信和传输的 结点机 构成入网设备直接接入结点机进行通信。两个结点直接的连接不唯一、完整性、可靠性较高
      • 主要用于地理范围大、入网主机多的环境，常用于构建广域网。
    • 树状拓扑结构：星型拓扑结构的拓展
  • 按照管理性质分类
    • 公用网（电话网等）
    • 专用网（军事网、电力网等）
    • 利用公用网组建专用网（教育网、政府机构网等）
    • 互联网（Internet）
    • 内部网（Intranet）
    • 外部网（Extranet）
  • 按照交换方式分类（信息在网络设备中的传输方式）
    • 电路交换网网：采用电话工作的方式，具有 建立链路、数据传输 和 释放链路 三个阶段；通信过程中，自始至终占用该条线路且不允许其他用户共享其信道容量。
    • 报文交换网：交换机采用具有 存储-转发 能力的计算机，用户数据可以暂时保存在交换机内，等待线路空闲时，在进行用户数据的一次性传输。
    • 分组交换网
      • 类同报文交换技术，规定了交换机处理和传输的数据长度（分组长度）
      • 不同用户的数据分组可以交织地在网络的物理链路上传输
      • 目前，大多数计算机网络都采用了分组交换技术
  • 按照功能分类
    • 通信子网：网络中 面向数据传输或者数据通信的部分资源集合，主要支持用户的传输；该子网包括 传输线路、交换机和网络控制中心 等软硬件设施。
    • 资源子网：网络中 面向数据处理的资源集合，主要支持用户的应用；该子网由用户的主机资源组成，包括接入网络的用户主机、面向应用的外设、软件和可共享数据。
• 通信协议的基本概念
  • 进程间通信：各进程间相互制约的 等待 或 互通消息。
    • 同一系统中：共享内存、共享缓冲区、共享文件、等待方式、并行方式
    • 不同系统间：两台计算机间的进程通信通过网络，越过通信链路
  • 网络通信的基本结构：
    • 网络控制程序（NCP）：负责控制和监视进程使用网络资源的情况，具有建立通信链路、分配存储器、控制计算机与网络之间信息流的功能。
    • 通信接口和接口程序：为两个系统的设备和部件之间连接服务的。
  • 网络通信接口性质：
    • 物理层面：接口有多少插脚
    • 电气层面：电路信号的电压、和时间的关系
    • 逻辑上：数据流如何通过接口”流“到线路上，如何控制等
    • 过程：说明数据流穿入接口时的命令、顺序、控制信息的内容等
  • 网络通信协议：一组 约定和规则 的集合
    • 通信的两个实体在通信内容、通信方式和通信时序方面，需要遵循相互可以接收的协议（相同或者兼容的协议）
    • 协议的三要素：
      • 语法：确定通信双方通信时数据报文的格式
      • 语义：确定通信双方通信的内容
      • 时序规则：指出通信双方信息交互的顺序（建链、数据传输、拆链、数据重传等）
    • 网络通信协议举例（ftp 协议）：
      • 1. 建链请求/确认格式 => Conn | 发送方IP、接收方IP、状态
      • 2. 发送文件请求/确认格式 => Send | 发送方文件名、接收方文件名、文件大小、…、状态
      • 3. 发送记录格式 => Rec | 记录长度、记录序号、记录内容
      • 4. 拆链请求/确认格式 => Disc | 发送方IP、接收方IP、状态