計算機網絡技術(一)——概論

摘要

1. 計算機網絡的起源與發展
2. 計算機網絡的分類
3. 計算機網絡的硬件和軟件設備
4. 計算機網絡的性能指標
5. 計算機網絡的功能和應用
6. 計算機網絡的標準化組織

一、計算機網絡的起源與發展

1.1 產生背景

計算機誕生後，作爲信息處理的核心器件，被廣泛用於科學計算、工業控制、人工智能等各個領域。隨着計算機普及，人們越來越不滿足孤立的計算機進行的信息處理，而是希望位於不同空間的計算機及其附屬設備能夠連通起來，從而實現[信息的傳輸和共享]。計算機網絡便在這樣的背景下出現了。

1.2 計算機網絡是什麼?

從資源共享的角度可以定義爲：計算機網絡是以能夠相互共享資源的方式互聯起來的自治計算機系統的集合。

1.3 計算機網絡技術發展的里程碑

美國國防部於20世紀60年代末開始建設ARPANET，用於研究和實驗。ARPANET採用[分組交換技術],可以連接到不同型號的計算機設備，實現數據信號的傳輸。最初的ARPANET包含4個節點，到了20世紀70年代，越來越多的大學和科研機構作爲結點加入ARPANET。同時，出現了越來越多的基於ARPANET的網絡應用，比如電子郵件、DNS、FTP和Telnet等。在ARPANET網絡研究過程中，研究員爲了將不同類型的網絡互聯起來，使得位於不同網絡的計算機之間可以通信，TCP/IP模型由此而生。進入20世紀80年代，TCP/IP完全覆蓋了ARPANET，成爲網絡互聯的標準協議。

二、計算機網絡的分類

2.1 按照網絡覆蓋範圍劃分

根據網絡的覆蓋範圍可以分爲：局域網、城域網、廣域網和互聯網。

• 局域網（Local Area Network，LAN）
  範圍在幾百米到幾千米內，廣泛用於校園、工廠和機關的個人計算機或工作站，最常用的是共享信道，即所有的設備都連接在同一條傳輸線路上。傳統的局域網主要有總線結構和環形結構兩種拓撲結構，新型的局域網普遍採用的是星形拓撲。

• 城域網（Metropolitan Area Network，MAN）
  採用的技術基本上與局域網類似，只是規模上要大一些。城域網既可以覆蓋相距不遠的辦公樓，也可以覆蓋一個城市，工作範圍一般是幾十千米。

• 廣域網（Wide Area Network，WAN）
  通常跨越一個或多個國家，與局域網共享方式不同，廣域網採用交換技術，通過若干相連的交換結點（稱之爲通信子網），將分佈在各地的主機或局域網連接起來。擔任交換結點的設備通常是路由器或交換機。

• 互聯網（Inter Networking）
  將世界各地的局域網和廣域網通過一定的方式連接起來，使得海量的信息能在更廣闊的範圍內傳播，就構成了互聯網。

2.2 按傳輸介質分類

計算機網絡按照傳輸介質的類型可以分爲：有線網絡和無線網絡。

有線網絡的優點：

• 信號導向性強
• 帶寬比較寬
• 受外界干擾小
• 不易被監聽和截獲

有線網絡的缺點：

• 佈線成本高
• 通信受線路佈局制約，不靈活方便

無線網絡的優點：

• 利用無線電磁波進行數據傳輸
• 不受地點限制
• 可隨時隨地進行通信

無線網絡的缺點：

• 信號導向性差
• 無線信道容易受干擾和衰落
• 傳輸帶寬比較小

2.3 按照網絡的所有權劃分

計算機網絡按照其所有權性質的不同，可以分爲：公用網和專用網。
公用網是由電信部門建設的，能供任何個人和單位使用。專用網是由某個部門爲本單位的特殊用途而建設的，通常不向外提供服務。

2.4 按照網絡拓撲結構劃分

拓撲結構是網絡中各個結點之間相互連接的幾何形式，直接影響到網絡中數據傳輸的特點和性能，主要有以下幾種。

• 總線型網絡
  總線型結構是早期網絡普遍採用的方式，所有接入網絡的數據終端均連接到一條通信線路上，同一時刻只能有兩個網絡結點進行通信，總線結構的優點是節省通信線路，結構簡單，價格便宜；缺點是不能同時支持多個結點通信，而且一旦通信線路的一個地方出現障礙，整個網絡都不能正常運行。
• 環形網絡
  環形結構與總線型結構類似，只是將所有聯網的數據終端連接到一個閉合的環形通信線路上，優點是一次通信在網絡中傳輸的最大延遲是固定的，控制機制比較簡單；同樣，一旦網絡中一個地方出現故障，整個網絡將不能通信。
• 星形網絡
  星形結構是一一臺數據設備作爲中心處理系統，其他的入網設備均與中心處理機通過線路相連，其他結點間不能直接通信，必須經過中心處理機進行轉發，其優點是結構簡單，局部障礙不會影響全網通信；缺點是對中心處理機性能要求高，通信線路利用率低。
• 樹形網絡
  樹形結構是星形結構的一種特例，它將原來用單獨線路直接相連的網絡結點通過多級處理機進行分層相連。樹形結構相比星形結構能節省通信線路成本。
• 網狀網絡
  網狀結構是指網絡中的終端可以與其他設備任意相連，兩個網絡結點間可以直接通信，也可以通過其他結點進行轉接。優點是局部故障不會影響整個網絡；缺點是網絡結構複雜，不容易進行網絡管理和控制。
• 混合型網絡
  在實際的互聯網中，常常根據網絡的規模、性能要求進行混合這幾種拓撲結構使用。

2.5 按照在計算機網絡系統中的邏輯功能劃分

在邏輯功能上，計算機網絡可以分爲兩部分：通信子網和資源子網。
通信子網負責完成網絡數據的傳輸、轉發、交換和路由等通信認爲；資源子網負責網絡的數據處理業務，向網絡中的用戶提供各種資源和服務。

2.6 按照網絡的傳輸技術劃分

計算機網絡可以分爲廣播式網絡和點對點式網絡。傳統的以太網就是廣播式計算機網絡，基於TCP/IP的Internet屬於點對點式網絡。

三、計算機網絡的硬件和軟件設備

計算機網絡要實現數據傳輸和資源共享，必須要有相應的設備來實現這些功能。計算機網絡設備可以分爲硬件設備和軟件設備。硬件設備包括計算機、服務器、交換機、路由器和通信介質等，軟件設備包含各種網絡協議、網絡操作系統和應用程序等。

3.1 終端計算機

是用戶訪問和使用計算機網絡的界面，包含臺式機、筆記本、服務器及智能手機、平板電腦等。

3.2 交換機

是某種交換式網絡(如以太網)內部的一種核心裝置，負責網絡內部數據的調度和轉發。

3.3 路由器

是連接IP網絡中不同類型的網絡，爲不同格式的數據分組選擇合適的通信路徑並轉發的網絡中間設備。實現路由的方法稱爲路由算法(Routing Algorithm)。

3.4 網絡協議

規定網絡中所傳輸的數據分組的格式、傳輸的策略、交換和路由方法。網絡協議包含三個基本要素：

• 語法：規定數據與控制信息的分組結構或格式
• 語義：規定進行通信需要發出的控制信息、完成的操作動作和響應
• 同步：網絡事件實現順序的詳細說明

3.5 網絡操作系統

區別於單機操作系統，能夠在網絡環境下爲用戶和網絡資源提供接口，實現對網絡資源管理和控制的程序集合。

3.6 傳輸介質

是計算機網絡中連接各個網絡結點的物理線路，是數據傳輸的通道。可以分爲有線介質(或稱引導型介質)和無線介質(或稱非引導型介質)兩大類。

四、計算機網絡的性能指標

要研究和使用計算機網絡，首先要有一套評價網絡運行好壞的性能指標體系，其中包括定量的性能指標，也包括非定量的性能指標。

4.1 定量的性能指標

• 速率
  速率描述的是計算機網絡中數字信息傳遞的快慢情況。分爲發送速率和傳輸速率。發送速率是指在終端或網絡中間結點，計算機設備每秒向網絡中發送多少比特數據，反映的是網絡設備性能；傳輸速率是指數據信號在傳輸線路上每秒能傳輸多少千米，反映的是信號及信道的性能。

• 帶寬
  帶寬是描述通信有效性的指標。
  對於模擬通信系統，帶寬包含信道帶寬和信號傳輸帶寬。信道帶寬只與信道介質有關，信號傳輸帶寬是某種通信業務信號頻率的最高分量和最低分量間的差值。
  對於數字通信系統，網絡的帶寬通常用來表示通信線路所能傳送數據的能力。

• 端到端延遲
  表示一個數據分組從網絡中的一個端點到達另一個端點所花費的時間。
  端到端延遲主要分爲4個部分：發送延遲（終端或網絡中間結點發送數據分組的時間）、傳播延遲（承載數據的電磁波信號在信道中傳播所消耗的時間）、處理延遲（終端或網絡中間結點分析、處理數據分組所消耗的時間）、排隊延遲（數據分組在經過網絡中的路由器時，排隊等待轉發所需要的時間）。

• 吞吐量
  吞吐量表示在單位時間內通過某個網絡（或信道、接口）的數據量。受網絡的帶寬或網絡的額定速率的限制。

4.2 非定量的性能指標

• Qos(Quality of Service，服務質量)
  是指一個網絡能夠利用各種基礎技術，爲指定的網絡通信提供優先級轉發策略、擁塞避免等機制。

• 可靠性
  是指計算機網絡能否儘可能長時間穩定運行不出或少出故障，在發生故障時及時恢復。一般提高網絡可靠性的方法是增加網絡的冗餘度，即備用設備。

• 可擴展性
  是指網絡是否能夠方便、快捷地在現有基礎上進行規模的擴充和技術更新。

• 安全性
  是指計算機網絡是否具備抵禦和防範各種風險和威脅的能力。包含安全防控策略、防火牆設備、病毒查殺軟件、操作規範和習慣等。

• 標準化
  由於不同廠商生產的硬件及軟件導致網絡類型多種多樣，如果採用標準不一致，將導致網絡很難互聯。

• 成本
  網絡成本包含設計和建設網絡的費用，以及用戶使用網絡的費用。

五、計算機網絡的功能和應用

• 實現數據通信
  對符合、文字、聲音、圖片等數據通過網絡進行傳輸

• 提供資源共享
  如網絡打印機、操作系統、電子圖書

• 提高計算機系統的可靠性
  將多臺計算機聯繫起來，實現計算機之間互相備份，提高可靠性

• 進行分佈式處理
  將原本集中與一個計算機的處理功能分散到不同的計算機上進行分佈處理

• 對分散對象提供集中控制與管理
  在工業生產、電力調度場合下，需要對地理上分散的計算機進行管理，就需要設置中心控制結點，與各分散計算機相聯，統一管理。

六、計算機網絡的標準化組織

根據制定和使用標準的組織性質不同，標準可以分爲：企業標準、行業標準、國家標準和國際標準。

• 國際標準化組織（ISO）
  是一個全球性的非政府組織，在計算機網絡領域制定的最著名的標準是開放系統互聯參考模型OSI。

• 國際電信聯盟（ITU）
  是負責協調世界各國電信業務的國際組織，ITU制定的X系列標準，如X.25協議等，曾經一直是公用數字網絡數據傳輸（即廣域網）的國際標準。

• 美國電子工業協會（EIA）
  是由美國半導體、通信和計算機等系統和設備製造企業共同成立的行業協會，最著名的工作是在數據通信設備的物理接口和電氣特性方面制定了一系列標準，如數字設備之間串行通信的接口標準RS-232。

• 電氣和電子工程師協會（IEEE）
  是由美國電氣工程師學會和美國無線電工程師學會合並而成的美國最大的專業學術協會，IEEE在計算機網絡領域最大的成果是制定了局域網技術的一系列標準，稱爲IEEE 802系列標準。

總結

• 計算機網絡的發展歷程及美國ARPANET對計算機網絡的影響

• 計算機網絡的分類：局域網、城域網、廣域網和互聯網

• 計算機網絡的主要功能：數據通信、資源共享、可靠性、分佈式和集中控制

• 建設計算機網絡的標準及組織

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