2.5 计算机网络

声明：文章参考的《系统架构设计师教程（第二版）》，如有侵权，本人将立即修改和删除。

利用通信线路将地理上分散的、具有独立功能的计算机系统和通信设备按不同的形式连接起来，并依靠网络软件以及通信协议实现资源共享和信息传递的系统。

一、网络的基本概念

1、发展

（1）诞生

20世纪60年代，以单个计算机为中心的远程联机系统，以传输信息为目的

（2）形成

20世纪60年代-70年代，多个主机通过通信线路互联，以能够相互共享资源为目的

（3）互通互联

20世纪70年代末-90年代，具有统一的网络体系结构，并遵守国际标准的开放式和标准化网络。这个时期产生两个重要体系结构：TCP/IP体系结构和国际标准化组织的OSI体系结构。

（4）高速发展

20世纪90年代-至今，局域网成熟，出现光纤及高速网络技术，发展以因特网为代表的互联网

2、功能

（1）数据通信（主要功能）

依照一定的通信协议，利用数据传输技术在两个通信结点之间传递信息的一种通信方式。传递的信息均以二进制数据形式表示。特点：与远程信息处理相联系。

PS：三大通信业务：电报、电话、计算机网络

（2）资源共享（主要目的）

硬件资源、软件资源、数据资源的共享

（3）管理集中化

管理信息系统

（4）实现分布式处理

大任务分成小任务由不同计算机处理后集中解决。

（5）负荷均衡

指工作负荷被均匀地分配给网络上得各台计算机系统。网络中心负责分配和监测，某台计算机负荷过重时，系统自动转移到负荷较轻得计算机系统。

3、有关指标

（1）性能指标

• 速率（数据率/比特率，最重要得性能指标之一，单位b/s（比特每秒））

连接在计算机网络上得主机或通信设备在数字信道上传送数据的速率。

• 带宽（两个含义）

1）指一个信号具有的频道宽度。信号的带宽表示一个信号所包含的各种不同频率成分所占据的频率范围。单位是赫兹（千赫、兆赫、吉赫等）

2）计算机网络：带宽表示网络的通信线路传送数据的能力。网络带宽表示单位时间内从网络中一个结点到另一个结点所能通过的“最高数据率”。单位：比特每秒，b/s

• 吞吐量

单位时间内通过某个网络（或信道、接口）的数据量。受网络带宽或网络额定速率所限制。

有时吞吐量还可以用每秒传送的字节数或帧数来表示。

• 时延（延迟/迟延，重要性能指标）

数据（一个报文、分组甚至比特）从网络（链路）的一端到另一端所需的时间。

分为：发送时延、传播时延、处理时延、排队时延等。

• 往返时间（RTT，重要性能指标）

从发送方发送数据开始，到发送方收到来自接收方的确认（接收方收到数据后便立即发送确认）所经历的时间。

• 利用率

信道利用率：信道被利用的概率（有数据通过），以百分数表示。完全空闲的信道利用率是零。

网络利用率：全网络的信道利用率的加权平均值。

（2）非性能指标

• 费用

• 质量

• 标准化

• 可靠性

• 可扩展性和可升级性

• 易管理和维护性

4、应用前景

仅次于全球电话网的世界第二大网络

二、通信技术（计算机网络基础）

1、信道

信息传输：信源和信宿通过信道收发信息的过程。

（1）分类

（2）信息传输处理过程

1）信道是信息传输的通道

2）发送机接收到信源发送的信息，进行编码和调制，将信息转化为适合在信道上传输的信号，发送到信道。

3）收信机负责从信道上接收信息，进行解调和译码，将信息恢复出来给宿主。不是所有的频率的信号都可以通过信道传输。频率范围大小是信道的带宽。

（3）香农公式

计算信道容量：信道的最大传输速率

C=B*log2(1+S/N)

C：信道容量，b/s

B：信号带宽，Hz

S：信号平均功率，W

N：噪声平均功率，W

S/N：信噪比，dB（分贝）

提升信道容量，可以用较大带宽，降低信噪比；或较小带宽，提高信噪比。

2、信号变换

发信机信号处理：信源编码、信道编码、交织、脉冲成形、调制。

收信机信号处理：解调、采样判决、去交织、信道译码、信源译码。

（1）信源编码

模拟信号-模数转换-压缩编码（去除冗余信息）-数字信号

（2）信道编码

通过增加冗余信息以便在接收端进行检错和纠错。

（3）交织

为解决连续误码导致的信道译码出错问题，交织将信道编码之后的数据顺序按照一定规律打乱，接收端译码之前通过交织将数据顺序复原。

（4）脉冲成形

为减小带宽需求，将发送数据转化成合适的波形。

（5）调制

将信息承载到满足信号要求的高频载波信号的过程。

3、复用技术

同时传递多路数据需要用复用和多址技术。

指一条信道上同时传输多路数据的技术。

（1）TDM时分复用

（2）FDM频分复用

（3）CMD码分复用

4、多址技术

在一条线上同时传输多个用户数据的技术，在接收端把多个用户的数据分离。

（1）TDMA时分多址

（2）FDMA频分多址

（3）CMDA码分多址

5、5G通信网络特征

三、网络技术

1、局域网（LAN）

在有限的地理范围内将若干计算机通过传输介质互联成的计算机组（即通信网络）。局域网是封闭型。

（1）网络拓扑

• 星状结构

以中心结点（控制中心）为中心，通过连接线与中心相连。一个节点传输数据必经中心结点。

优点：传输速度快（任意两结点通信只需两步）、网络结构简单、建网容易、便于控制和管理

缺点：可靠性低、网络共享能力差、一旦中心结点瘫痪全网瘫痪

• 树状结构（分级的集中式网络）

特点：网络成本低结构简单。任意两个结点之间不产生回路，每个链路都支持双向传输，节点扩充方便、灵活、便于巡查链路路径。

缺点：任何一个非叶子结点链路故障，都会影响整个网络系统。

• 总线结构

各个结点设备和一根总线相连。所有结点设备通过总线进行信息传输。

总线故障将影响每个结点的通信。

• 环形结构

各结点通过一条首尾相连的通信链路连接，形成闭环。

各个设备地位相等，信息按照固定方向单向流动。

任意结点故障导致物理瘫痪，不利于扩充，系统响应延时长，信息传输效率低。

• 网状结构

任意结点彼此之间均存在一条通信链路。任何结点故障不影响其他结点。

布线繁琐、建设成本高、控制方法复杂

（2）以太网技术（最普遍的局域网技术）

• 以太网帧结构

以太帧：以太网链路上的数据包，结构如下：

DMAC：目的终端的MAC地址

SMAC：源MAC地址

Length/Type：2字节，值大于1500，数据帧的类型；小于1500代表长度

DATA/PAD：具体数据，不小于64字节（少于需增加填充内容）

FCS：帧校验字段

• 最小帧长（64个字节）

目的/原因：为了避免发送某结点已经将一个数据包的最后一个bit发送完毕，但第一个还未传送到距离较远的结点。误认为线路空闲而发送数据，导致链路上数据发送冲突。

• 最大传输距离

无严格限制，但受线路质量、信号衰减程度等影响

• 流量控制

作用：防止在设备堵塞情况下丢帧。

2、无线局域网（WLAN)

（1）WLAN拓扑结构

• 点对点型

• HUB型

一个中心结点（HUB）和若干外围结点组成。集中控制式通信。

• 全分布型

无具体应用。

3、广域网（WAN）

城市、国家或国家之间

广域网由通信子网（由通信结点设备和连接这些设备的链路组成）或资源子网（网络中实现资源共享功能的设备及其软件的集合）组成

（1）相关技术

（2）特点

1)面向数据通信服务，支持用户使用计算机进行远距离的信息交换；

2）覆盖范围广，通信的距离远，广域网没有固定拓扑结构

3）由电信部门或公司负责组件、管理和维护，向全社会提高面向通信的有偿服务。

（3）分类

• 公共传输网络

• 专用传输网络

• 无线传输网络

4、城域网（MAN）

单个城市建立的网络

3个层次：核心层、汇聚层和接入层

5、移动通信网

四、组网技术

1、网络设备及其工作层级

（1）集线器

最简单的网络设备，从一个端口收到的数据被转送到所有其他端口，无论与端口相连的系统是否准备好。有一个端口被指定为上联端口，可用于连接其他集线器或路由设备。

（2）中继器

局域网互连设备，位于OSI体系的物理层。

（3）网桥

OSI体系的数据链路层。

（4）交换机

OSI的数据链路层。为接入交换机的任意两个网络结点提供独享的转发通道。具备自动寻址和交换功能、避免端口冲突、提高网络吞吐的能力。

（5）路由器

OSI的网络层。通常用于广域网或广域网与局域网的互联。

（6）防火墙

硬件防火墙：防火墙程序做到芯片中。

2、网络协议

（1）开放系统互连模型（OSI/RM）

由低层到高层：物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层和应用层

同层之间提供协议，上下层提供服务

（2）OSI协议集

（3）TCP/IP协议集

TCP/IP协议族：因特网协议IP、传输控制协议TCP、用户数据报协议UDP、虚拟终端协议TELNET、文件传输协议FTP、电子邮件传输协议SMTP、网上新闻传输协议NNTP、超文本传输协议HTTP

（4)ISO/OSI模型与TCP/IP模型对比

3、交换技术

（1）交换机功能

集线功能；中继功能；桥接功能；隔离冲突域功能

（2）基本交换原理

交换机是基于MAC地址识别，能完成封装转发数据包功能的网络设备。

转发路径学习；数据转发；数据泛洪；链路地址更新

（3）交换机协议

生成树协议（STP）：解决链路环路问题

4、路由技术

（1）路由原理

接收来源于一个网络接口的数据包，根据此数据报的目的地址决定待转发的下一个地址。

（2）路由器协议

路由协议：指定数据包转送方式的协议

分类：

• 内部网关协议TGP

自治系统AS内运行的路由协议

• 外部网关协议EGP

AS之间的路由协议

五、网络工程

1、网络规划

包括：网络需求分析、可行性分析、对现有网络的分析（对现有网络优化升级时）

2、网络设计

设计一个能解决用户问题的方案。包括：网络总体目标确定、总体设计原则确定、通信子网设计、设备选型、网络安全设计等。

3、网络实施

包括：工程实施计划、网络设计验收、设备安装和调试、系统试运行和切换、用户培训等。