計算機網絡與通信之必須掌握的基礎知識詳解

計算機的學習，無論是從上到下（軟件開發），還是從下到上（配置入手），遲早都會遇到TCP/IP、應用層、網絡安全、認證、操作系統，數據庫、計算機原理。

如果從這個角度來看，計算機網絡只是極小的一個分支，但是恰恰是這個極小的分支，扮演者極其重要的角色，因爲沒有它的正常工作，計算機將成爲一個個信息孤島！

因此,計算機網絡這塊是非常重要的內容,於是我打算花點時間好好地整理一下這塊的內容,我將分爲幾篇文章來講解,這是第一篇,開胃小菜:

1. 計算機網絡的發展及其定義
2. 因特網(internet)概述
3. 網絡結構與分類
4. 網絡的性能指標

1. 計算機網絡的發展及其定義

計算機網絡是計算機技術和通信技術密切結合的產物。計算機網絡發展過程大致可分爲四個階段:

• 第一代:網絡雛形(20世紀50年代):中心計算機-終端
• 第二代:初級網絡(20世紀60年代):計算機-計算機
  前兩代也稱爲計算機網絡形成階段。
• 第三代:開放、標準化(20世紀70-80年代):網絡體系結構
• 第四代:Internet時代(20世紀90年代至今): 趨於高速大容量、多媒體、萬物互聯

第一代：網絡雛形(20世紀50年代):計算機通信網

20世紀50年代初，美國半自動地面防空系統(SAGE)的研究開始了計算機技術與通信技術相結合的嘗試

廣義觀點的網絡定義：以傳輸信息爲主要目的、用通信線路將多個計算（終端）連接起來的計算機系統的集合。（計算機通信網）

第二代：初級網絡(20世紀60年代):ARPAnet

20世紀60年代，ARPANET與分組交換技術的研究與發展。1969年，美國ARPAnet網絡被公認爲世界上第一個網絡，同時也是Internet的前身。

公認的的計算機網絡定義：計算機網絡是利用通信設備和線路將分佈在地理位置不同的、具有獨立功能的多個計算機系統連接起來，在功能完善的網絡軟件（網絡通信協議及網絡操作系統等）的控制下，進行數據通信，實現資源共享、互操作和協同工作的系統。

在這種系統中，終端和中心計算機之間的通信已發展到計算機與計算機之間的通信。這裏的多臺計算機都具有自主處理能力，它們之間不存在主從關係:

電話系統和分佈式網絡拓撲模型對比

a.電話系統

• 笨終端
• 信息（數據）流
• 電路交換
• 星形拓撲

b.網絡系統

• 智能終端
• 信息（數據）塊
• 分組交換
• 網狀拓撲

第三代：開放、標準化 (20世紀70-80年代)

• 1970年代的計算機網絡
  X.25 分組交換網：各國的電信部門建設運行
  各種專用的網絡體系結構：SNA，DNA

• 1980年代的計算機網絡
  標準化計算機網絡體系結構：OSI/RM、TCP/IP
  局域網絡 LAN 技術空前發展：IEEE802
  建成NSFNET，Internet 初具規模

用戶透明性觀點的網絡定義：存在着一個能爲用戶自動管理資源的網絡操作系統，由它調用完成用戶任務所需要的資源，而整個網絡像一個大的計算機系統一樣對用戶是透明的。（計算機分佈式系統）

第四代：Internet時代(20世紀90年代至今)

• 1990年代的計算機網絡
  Internet空前發展
  Web技術在Internet/Intranet 得到廣泛應用

• 21世紀的計算機網絡
  網絡計算技術的研究與發展
  移動技術發展迅速
  寬帶城域網與接入網技術的研究與發展
  網絡與信息安全技術的研究與發展
  下一代互聯網internet2研究受到普遍重視
  萬物互聯

2. 因特網(internet)概述

1. 網絡的網絡
2. Internet邊緣部分
3. Internet核心部分
4. Internet的結構與管理
5. Internet的發展趨勢

網絡的網絡

• 網絡把許多計算機連接在一起。
• 互聯網則把許多網絡通過路由器連接在一起。
• 與網絡相連的計算機常稱爲主機。

• 計算機網絡 (簡稱爲網絡，network)
  由若干結點(node)和連接這些結點的鏈路(link)組成。

• 互聯網 (internet)
  以小寫字母 “i” 開始的 internet是一個通用名詞，它泛指由多個計算機網絡互聯（不管採用什麼協議）並能夠相互通信，從而構成的“網絡的網絡”(network of networks)。

• 全球互聯網或因特網 (Internet)
  以大寫字母 “I” 開始的的 Internet（全球互聯網或因特網）則是一個專用名詞，它指當前全球最大的、開放的、由衆多網絡相互連接而成的特定計算機網絡，它採用 TCP/IP 協議族作爲通信的規則，且其前身是美國的 ARPANET。

當使用一朵“雲”來表示網絡時，可能會有兩種不同的情況：

1. 雲表示的網絡已經包含了和網絡相連的計算機。
2. 雲表示的網絡裏面就只剩下許多路由器和連接這些路由器的鏈路，把有關的計算機畫在雲的外面。習慣上，與網絡相連的計算機常稱爲主機 (host)。主機可以是計算機，也可以是智能手機等智能終端。
   

因特網的組成

從因特網的工作方式上看，可以劃分爲兩大塊：

1. 邊緣部分： 由所有連接在因特網上的主機組成。這部分是用戶直接使用的，用來進行通信（傳送數據、音頻或視頻）和資源共享。
2. 核心部分：由大量網絡和連接這些網絡的路由器組成。這部分是爲邊緣部分提供服務的（提供連通性和交換）。

Internet邊緣部分

處在因特網邊緣的部分就是連接在因特網上的所有的主機。這些主機又稱爲端系統 (end system)。

端系統在功能上可能有很大的差別:

• 小的端系統可以是一臺普通個人電腦，具有上網功能的智能手機，甚至是一個很小的網絡攝像頭。
• 大的端系統則可以是一臺非常昂貴的大型計算機。
• 端系統的擁有者可以是個人，也可以是單位。

端系統之間的兩種通信方式

端系統之間通信的含義：“主機 A 和主機 B 進行通信”實際上是指：“運行在主機 A 上的某個程序和運行在主機 B 上的另一個程序進行通信”。簡稱爲“計算機之間通信”。

端系統之間的通信方式通常可劃分爲兩大類：

• 客戶服務器方式（C/S 方式）
  即 Client/Server 方式，簡稱爲 C/S 方式。
  
• 對等方式（P2P 方式）
  即 Peer-to-Peer 方式 ，簡稱爲 P2P 方式。
  

Internet核心部分

互聯網的核心部分是由許多網絡和把它們互連起來的路由器(Router)組成。路由器之間一般都用高速鏈路相連接，而在網絡邊緣部分的主機接入到核心部分則通常以相對較低速率的鏈路相連接。

網絡中的核心部分要向網絡邊緣中的大量主機提供連通性，使邊緣部分中的任何一個主機都能夠向其他主機通信（即傳送或接收各種形式的數據）。

路由器是實現分組交換 (Packet Switching) 的關鍵構件，其任務是轉發收到的分組，這是網絡核心部分最重要的功能。

說到分組交換,就不得不提到電路交換:

電路交換

傳統電話系統使用電路交換，每一部電話都直接連接到交換機上，而交換機使用交換的方法，讓電話用戶彼此之間可以很方便地通信。所採用的交換方式就是電路交換 。

這裏的“交換”(switching)的含義就是轉接 —— 把一條電話線轉接到另一條電話線，使它們連通起來。

從通信資源的分配角度來看，“交換”就是按照某種方式動態地分配傳輸線路的資源。

主要特點

電路交換必定是面向連接的。

通信過程必須分爲三個階段：

1. 建立連接：建立一條專用的物理通路，以保證雙方通話時所需的通信資源在通信時不會被其他用戶佔用；
2. 通信：主叫和被叫雙方就能互相通電話；
3. 釋放連接：釋放剛纔使用的這條專用的物理通路（釋放剛纔佔用的所有通信資源）。

電路交換舉例

電路交換的用戶始終佔用端到端的通信資源

缺點

• 計算機數據具有突發性。
• 這導致在傳送計算機數據時，通信線路的利用率很低（用來傳送數據的時間往往不到10%甚至1% ）。

分組交換

主要特點

• 分組交換則採用存儲轉發技術。
• 在發送端，先把較長的報文劃分成較短的、固定長度的數據段。
  

添加首部構成分組

• 每一個數據段前面添加上首部構成分組(packet)。
  

傳輸單元

• 分組交換網以“分組”作爲數據傳輸單元。
• 依次把各分組發送到接收端（假定接收端在左邊）。

分組首部的重要性

• 每一個分組的首部都含有地址（諸如目的地址和源地址）等控制信息。
• 分組交換網中的結點交換機根據收到的分組首部中的地址信息，把分組轉發到下一個結點交換機。
• 每個分組在互聯網中獨立地選擇傳輸路徑。
• 用這樣的存儲轉發方式，最後分組就能到達最終目的地。

收到分組後剝去首部並恢復成爲原來的報文

接收端收到分組後剝去首部還原成報文,最後，在接收端把收到的數據恢復成爲原來的報文。

路由器

在路由器中的輸入和輸出端口之間沒有直接連線。

路由器處理分組的過程是：

• 把收到的分組先放入緩存（暫時存儲）；
• 查找轉發表，找出到某個目的地址應從哪個端口轉發；
• 把分組送到適當的端口轉發出去。

優點

分組交換帶來的問題

• 分組在各結點存儲轉發時需要排隊，這就會造成一定的時延。
• 分組必須攜帶的首部（裏面有必不可少的控制信息）也造成了一定的開銷。

三種交換的比較

• 若要連續傳送大量的數據，且其傳送時間遠大於連接建立時間，則電路交換的傳輸速率較快。
• 報文交換和分組交換不需要預先分配傳輸帶寬，在傳送突發數據時可提高整個網絡的信道利用率。
• 由於一個分組的長度往往遠小於整個報文的長度，因此分組交換比報文交換的時延小，同時也具有更好的靈活性。

Internet的結構與管理

1983 年， TCP/IP 協議成爲 ARPANET 上的標準協議，使得所有使TCP/IP 協議的計算機都能利用互連網相互通信。人們把 1983 年作爲互聯網的誕生時間。

經過幾十年的發展，逐漸形成了多層次 ISP 結構的互聯網。出現了互聯網服務提供者 ISP (Internet Service Provider)。任何機構和個人只要向某個 ISP 交納規定的費用，就可從該 ISP 獲取所需 IP 地址的使用權，並可通過該 ISP 接入到互聯網。根據提供服務的覆蓋面積大小以及所擁有的 IP 地址數目的不同，ISP 也分成爲不同層次的 ISP：主幹 ISP、地區 ISP 和 本地 ISP。

基於 ISP 的多層結構的因特網

互聯網的標準化工作

互聯網的標準化工作對互聯網的發展起到了非常重要的作用。

成爲互聯網正式標準要經過三個階段

所有互聯網標準都以 RFC 的形式在互聯網上發表。

• 互聯網草案 (Internet Draft) ——有效期只有六個月。在這個階段還不是 RFC 文檔。
• 建議標準 (Proposed Standard) ——從這個階段開始就成爲 RFC 文檔。
• 互聯網標準 (Internet Standard) ——達到正式標準後，每個標準就分配到一個編號 STD xxxx。 一個標準可以和多個 RFC 文檔關聯。

Internet的發展趨勢

從60年代單個網絡 ARPANET 向互聯網發展的過程。1983 年， TCP/IP 協議成爲 ARPANET 上的標準協議，使得所有使用 TCP/IP 協議的計算機都能利用互連網相互通信。

人們把 1983 年作爲互聯網的誕生時間。

自從 20 世紀 90 年代以後，隨着萬維網 WWW 的問世， Internet 得到了飛速的發展。

3. 網絡結構與分類

1. 網絡結構和拓撲類型
2. 網絡的分類

網絡結構和拓撲類型

拓撲（Topology）是一種研究與大小形狀無關的點、線、面特點的方法。

• 網絡拓撲是通過網中結點與通信線路之間的幾何關係表示網絡結構，反映出網絡中各實體間的結構關係;
• 計算機網絡拓撲主要是指網絡核心部分（也叫通信子網）的拓撲構型;

拓撲設計對網絡性能、系統可靠性與通信費用都有重大影響。

常見的網絡物理結構

常用網絡拓撲類型

• 總線型：結構簡單成本低，擴充性好；可靠性高。
• 星型：建網容易，擴充性好，易於集中控制；如果中央結點出現故障，則導致整個網絡癱瘓。
• 環型：建網容易，數據傳送延時確定，但網絡的可靠性較差。
• 樹型：適用於各種管理部門需要進行分級數據傳送的場合。其優點是連接容易，管理簡單，維護方便。缺點是共享能力差，可靠性低。
• 網狀型：具有較高的可靠性，但其實現起來費用高、結構複雜、不易管理和維護。

點對點通信和廣播通信

前面五種拓撲類型又可以分爲點對點通信（Point-to-Point）和廣播通信（Broadcast）兩種通信（信道）類型:

1. 點對點信道：特點是一條線路連接一對結點。兩臺主機常常經過幾個結點相連接，信息傳輸採用存儲轉發方式。由這種信道構成的通信子網，其網絡拓撲結構通常爲網狀拓撲類型。
2. 廣播信道：特點是隻有一條供諸結點共享的通信信道。任一結點所發出的信息報文可被所有其他結點接收，當然對信道需要有一定的訪問控制機制。由這種信道構成的通信子網拓撲結構有星形、總線型和環形等。

網絡的分類

1. 根據網絡覆蓋範圍進行分類

• 局域網（LAN，Local Area Network）覆蓋的地理範圍有限（如一幢大樓、一個校園等）。提供高數據傳輸速率（10Mbps～10Gbps）、低誤碼率的數據傳輸環境；一般屬於一個單位所有，易於建立、維護與擴展；
• 城域網（MAN，Metropolitan Area Network）城域網是介於廣域網與局域網之間的一種高速網絡
• 廣域網（WAN，Wide Area Network）覆蓋的地理範圍從幾十公里到幾千公里。通信子網主要使用分組交換技術；它將分佈在不同地區的計算機系統互連起來，達到資源共享的目的。
• 個人區域網 (PAN，Personal Area Network) ：範圍很小，大約在 幾十米左右。

2. 按照網絡的傳輸介質可以將計算機網絡劃分爲：

• 有線網絡
• 無線網絡

3. 按照網絡的通信技術可以將計算機網絡劃分爲：

• 廣播網絡
• 點到點網絡

4. 按照網絡的使用者可以將計算機網絡劃分爲：

• 公用網 (public network) 按規定交納費用的人都可以使用的網絡。
• 專用網 (private network) 爲特殊業務工作的需要而建造的網絡。

4. 網絡的性能指標

計算機網絡的幾個重要的性能指標包括：

• 速率
• 帶寬
• 吞吐率
• 時延
• 往返時間 RTT
• 利用率

速率

比特（bit）是計算機中數據量的單位，也是信息論中使用的信息量的單位。

比特（bit）來源於 binary digit，意思是一個“二進制數字”，因此一個比特就是二進制數字中的一個 1 或 0。

速率是計算機網絡中最重要的一個性能指標，指的是數據的傳送速率，它也稱爲數據率 (data rate)或比特率 (bit rate)。

速率的單位是 bit/s，或 kbit/s、Mbit/s、 Gbit/s 等。例如 4 * 10^10 bit/s 的數據率就記爲 40 Gbit/s。

帶寬

帶寬有兩種不同的意義：

• “帶寬”(bandwidth) 本來是指信號具有的頻帶寬度，其單位是赫（或千赫、兆赫、吉赫等）。
• 在計算機網絡中，帶寬用來表示網絡中某通道傳送數據的能力。表示在單位時間內網絡中的某信道所能通過的“最高數據率”。單位是 bit/s ，即 “比特每秒”。

在“帶寬”的上述兩種表述中，前者爲頻域稱謂，而後者爲時域稱謂，其本質是相同的。也就是說，一條通信鏈路的“帶寬”越寬，其所能傳輸的“最高數據率”也越高。

在時間軸上信號的寬度隨帶寬的增大而變窄

吞吐率

吞吐量 (throughput) 表示在單位時間內通過某個網絡（或信道、接口）的數據量。

吞吐量更經常地用於對現實世界中的網絡的一種測量，以便知道實際上到底有多少數據量能夠通過網絡。

吞吐量受網絡的帶寬或網絡的額定速率的限制。

時延

時延 (delay 或 latency) 是指數據（一個報文或分組，甚至比特）從網絡（或鏈路）的一端傳送到另一端所需的時間。有時也稱爲延遲或遲延。

網絡中的時延由以下幾個不同的部分組成：

1. 發送時延
2. 傳播時延
3. 處理時延
4. 排隊時延

數據在網絡中經歷的總時延就是發送時延、傳播時延、處理時延和排隊時延之和:

另外,對於高速網絡鏈路，我們提高的僅僅是數據的發送速率而不是比特在鏈路上的傳播速率。

發送時延

發送時延（也稱傳輸時延）,表示發送數據時，數據幀從結點進入到傳輸媒體所需要的時間。

也就是從發送數據幀的第一個比特算起，到該幀的最後一個比特發送完畢所需的時間。

傳播時延

傳播時延指電磁波在信道中需要傳播一定的距離而花費的時間。

發送時延與傳播時延有本質上的不同,信號發送速率和信號在信道上的傳播速率是完全不同的概念。:

處理時延

處理時延是主機或路由器在收到分組時，爲處理分組（例如分析首部、提取數據、差錯檢驗或查找路由）所花費的時間。

排隊時延

排隊時延是分組在路由器輸入輸出隊列中排隊等待處理所經歷的時延。

排隊時延的長短往往取決於網絡中當時的通信量。

往返時間 RTT

互聯網上的信息不僅僅單方向傳輸，而是雙向交互的。因此，有時很需要知道雙向交互一次所需的時間。

往返時間表示從發送方發送數據開始，到發送方收到來自接收方的確認，總共經歷的時間。

在互聯網中，往返時間還包括各中間結點的處理時延、排隊時延以及轉發數據時的發送時延。

當使用衛星通信時，往返時間 RTT 相對較長，是很重要的一個性能指標。

利用率

分爲信道利用率和網絡利用率:

• 信道利用率指出某信道有百分之幾的時間是被利用的（有數據通過）。完全空閒的信道的利用率是零。
• 網絡利用率則是全網絡的信道利用率的加權平均值。

信道利用率並非越高越好。當某信道的利用率增大時，該信道引起的時延也就迅速增加。

時延與網絡利用率的關係

當信道的利用率增大時，該信道引起的時延迅速增加。