身为网络工程师，你能说清楚网络的概念吗？

01

计算机网络的定义

定义：能够相互共享资源的方式互连起来的自治计算机系统的集合。

自治的计算机是指计算机之间没有明显的主从关系，一台计算机不能强制地启动、停止或者控制网络中的其他计算机。

计算机网络的基本特征：资源共享。资源主要包括硬件、软件和数据。

02

计算机网络的分类

1. 网络分类 

（1）根据网络所采用的传输技术分为：

  • 广播式网络

  • 点对点式网络

广播式网络中，所有结点仅使用一条通信信道，该信道由网络上的所有站点共享。同一时刻，只能有一台计算机发送数据。

点对点式网络中，每条物理线路连接一对计算机。采用分组存储转发与路由选择是它与广播式网络的重要区别之一。同一时刻可以有多台计算机并行发送数据。

（2）按覆盖地理范围和规模分为

  • 局域网（LAN）

  • 广域网（WAN）

  • 城域网（MAN）

（3）按照通信子网的交换方式分为：公用电路交换网、报文交换网、分组交换网、ATM交换网等。

2. 广域网、局域网和城域网

（1）广域网

广域网也称远程网，覆盖范围从几十千米到几千千米。数据分组从源结点传送到目的结点的过程需要进行路由选择和分组转发（因为采用的是点对点网络）。

采用分组交换技术（如X.25，帧中继、异步传输模式（ATM））。ARPANET是第一个分组交换网。

特点：

  • 适应大容量与突发性通信的要求

  • 适应综合业务服务的要求

  • 开放的设备接口与规范化的协议

  • 完善的通信服务与网络管理

（2）局域网

覆盖范围在几公里之内，通常为一个单位所有。

主要技术：以太网、令牌总线、令牌环网。最后以太网占据统治性地位。

（3）城域网

介于局域网和广域网之间，主要是指一个地区内多个局域网的互联。范围在几公里至几十公里。

早期的城域网产品主要是光纤分布式数据接口（FDDI）。传输介质以光纤为主。在体系结构上采用三层模式：

  • 核心交换层

  • 业务汇聚层

  • 接入层

03

计算机网络的拓扑结构

1. 计算机网络拓扑的定义

计算机网络拓扑是通过网中节点与通信线路之间的几何关系表示网络结构，反映出网络中各实体之间的结构关系。

计算机网络拓扑是指通信子网的拓扑构型。它对网络性能、系统可靠性与通信费用都有重大影响。

2. 计算机网络拓扑的分类 

① 点对点通信子网的拓扑：星型，环型，树型，网状型。

② 广播式通信子网的拓扑：总线型，树型，环型，无线通信与卫星通信型。

（1）总线型

采用一条单根的通信线路（总线）作为公共的传输通道，所有的结点都通过相应的接口直接连接到总线上，并通过总线进行数据传输。同一时刻只能有一个结点发送数据。

特点：

  • 简单、灵活，便于广播

  • 负荷重时性能不好

  • 易于安装，费用低

  • 实时性差

（2）环型结构  环型结构是各个网络结点通过环接口连在一条首尾相接的闭合环型通信线路中。

环型结构有两种类型：

  • 单环结构：典型代表为令牌环

  • 双环结构：典型代表为光纤分布式数据接口（FDDI）

特点：

  • 传输延迟固定，实时性好，重负载下信道利用率较高

  • 支持优先级服务

  • 可扩充性差

  • 可靠性差

（3）星型结构

星型结构的每个结点都由一条点到点链路与中心结点相连。信息的传输是通过中心结点的转发实现的。

特点：

  • 结构简单，便于管理和维护，易扩充，易升级

  • 中心结点的可靠性基本上决定了整个网络的可靠性

  • 中心结点负担重，易成为信息传输的瓶颈。

（4）树型结构

对根节点依赖性大。

（5）网状结构

每个结点至少有两条链路与其他结点相连。

特点：可靠性高、线路成本高、适用于大型广域网。

04

数据传输率和误码率

描述数据通信的基本技术参数有两个：数据传输速率与误码率

1．数据传输速率 

在数值上等于每秒钟传输的二进制比特数，单位为比特/秒（bit/second），记作bps或b/s。

2．带宽与数据传输率 

“带宽”有两种含义：

  • 信道具有的频带宽度，即可传送的信号最高频率与最低频率之差，单位是赫兹（Hz）

  • 信道所能传送的“最高传输速率” ，单位是“比特每秒”，或 b/s (bps)

奈奎斯特准则和香农定理从定量的角度描述了带宽与速率的关系。（1）奈奎斯特准则（针对的是无噪声的理想信道）

Rmax=2*f  (bps)  （对于传输二进制信号）

Rmax：最高数据传输率（单位bps）

B：通信信道带宽（单位Hz） 若传输的是：

  • 四进制信号：Rmax=4*f  (bps)

  • 八进制信号：Rmax=6*f  (bps)

  • 十六进制信号：Rmax=8*f  (bps)

（2）香农定理（针对实际信道）

Rmax=B×log2（1+S/N） (bps)

  • B为信道带宽（单位Hz）

  • S为信号功率

  • Ｎ为噪声功率

  • S/N称为信噪比。

信噪比本来是没有单位的，若信噪比给出的值带有单位“分贝”，则与S/N的关系为：

多少分贝＝10log10(S/N)

3．误码率 

误码率是二进制码元在数据传输系统中被传错的概率，在数值上近似等于Pe=Ne/N（传错的码元数除以传输的二进制码元总数）

误码率应该是衡量数据传输系统正常工作状态下传输可靠性的参数。

对于一个实际的数据传输系统，不能笼统地说误码率越低越好，要根据实际传输要求提出误码率要求。

对于实际数据传输系统,如果传输的不是二进制码元，要折合成二进制码元来计算。

误码率具有随机性。

05

网络体系结构和网络协议

1. 网络体系结构的基本概念 

（1）网络协议（简称协议）

协议是为网络中的数据交换而建立的规则、标准或约定。由三个要素组成：

  • 语法：即用户数据与控制信息的结构和格式；

  • 语义：即需要发出何种控制信息,以及完成的动作与做出的响应；

  • 时序：即对事件实现顺序的详细说明。

（2）网络体系结构

网络的体系结构是指计算机网络的分层、各层协议和各层接口之间的集合。

第一个网络体系结构是IBM的系统网络体系结构SNA。当前具有代表性的体系结构有两个：

  • OSI参考模型

  • TCP/IP参考模型

（3）分层的好处

  • 各层之间相互独立。高层并不需要知道低层是如何实现的。

  • 灵活性好；

  • 各层都可以采用最合适的技术来实现，各层实现技术的改变不影响其他各层；

  • 易于实现和维护；

  • 有利于促进标准化。

2. 开放系统互连参考模型（OSI） 

OSI（Open System Interconnect）开放系统互连参考模型是国际标准化组织（ISO）和国际电报电话咨询委员会（CCITT）联合制定的。

最大特点：开放性。“开放”是指：只要遵循OSI标准，一个系统就可以和位于世界上任何地方的也遵循同一标准的其他系统进行通信。

它从低到高分别是：物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层和应用层。 

  • 物理层：传输比特流，规定网络接口的规格和特性。

  • 数据链路层：负责相邻节点（即在同一网络内部的节点）之间的无差错的数据传输。传输的数据单位为“帧”。该层使用的地址为物理地址（又称为MAC地址）

  • 网络层：负责在不同网络中的主机与主机之间的通信。为此，网络层要具备路由选择（即寻找路径，为网络层最主要功能）、拥塞控制与网络互连的功能。传输的数据单位为“分组”或“包”。该层使用的地址为IP地址。常见的网络层协议有IP、ICMP、IGMP、OSPF、RIP、ARP。

  • 传输层：是向用户提供可靠的端到端（即进程到进程）服务。是网络体系结构中最关键的一层。该层协议：TCP、UDP。 会话层：管理会话。

  • 表示层：负责数据格式转换、压缩等。

  • 应用层：向应用程序提供服务。该层结构最复杂，协议最多。

OSI的特点：

  • 网中各结点都有相同的层次

  • 不同结点的同等层具有相同的功能

  • 同一结点内相邻层之间通过接口通信

  • 每一层使用下层提供的服务，并向其上层提供服务

  • 不同结点的同等层按照协议实现对等层之间的通信

3. TCP/IP参考模型 

TCP/IP参考模型是目前Internet中的流行标准。该模型包含很多协议，其中最重要的两个协议就是TCP和IP协议。

TCP/IP参考模型最早起源1969年美国国防部的ARPANET。该模型分为四层（从低到高）：

  • 主机-网络层：对应OSI的物理层和数据链路层

  • 网络互连层：对应于OSI的网络层

  • 传输层：对应于OSI的传输层

  • 应用层：对应于OSI的应用层

  • 在TCP/IP没有OSI中的会话层和表示层。

4. OSI参考模型和TCP/IP参考模型的区别： 

  • OSI采用七层模型，TCP/IP是四层结构（实际上是三层结构）

  • OSI的网络层提供面向连接和无连接两种服务，而TCP/IP的网络互联层只提供无连接服务。

  • 注：面向连接指的是双方通信之前先建立连接，然后发送数据，最后释放连接，通常提供的是可靠的数据传输。而无连接指发送方直接向接收方发送数据，不建立连接，一般提供的是不可靠服务。

  • OSI的传输层只提供面向连接服务，而TCP/IP的传输层提供面向连接和无连接两种服务。

  • OSI过于繁杂，实现起来很困难，效率低。被市场淘汰。

  • 06

    分组交换技术

1. 电路交换 

面向连接。需要建立一个实际的物理线路连接。

分为两种方式：

  • 时分交换

  • 空分交换

通信过程：

  • 电路建立

  • 数据传输

  • 电路拆除（电路释放）

特点：

  • 独占线路

  • 实时性好

  • 数据传输可靠、迅速、不丢失，且保持原来的序列

  • 电路空闲时信道被浪费

2. 报文交换 

报文：把用户要发送的整个数据块称为一个报文。

报文交换的过程：先将用户的报文存储在中间交换节点的存储器中，并进行差错检测（若错误，则丢弃）。当所需要的输出线路空闲时，再将该报文发送给下一个节点。

需要给报文添加报文头，包括目标地址和源地址等信息。

特点：

  • 不独占线路

  • 无线路建立的过程，提高了线路的利用率

  • 支持多点传输（即可发往多个目的，相当于组播或者广播）

  • 增加了差错检测功能，避免出错数据的无谓传输

  • 中间节点需要具备很大的存储空间

  • 时延较大

3. 分组交换 

也称包交换。

分组交换的思想是从报文交换而来的，分组交换与报文交换的不同在于：分组交换将用户要传送的信息分割为若干个分组，每个分组中有一个首部，含有目的地址和源地址以及其他控制信息，然后将各个分组进行传输。

4. 数据报和虚电路 

分组交换又分数据报和虚电路两种。

虚电路是传输分组时建立逻辑连接，有虚电路建立、数据传输、虚电路拆除三个阶段。数据报在传输之前不需要建立逻辑连接。

在Internet中，网络层采用的是无连接的数据报服务。

07

无线网络的研究和应用

1. 无线网络的标准及结构 

无线局域网采用的标准是IEEE802.11。

介质访问控制方法是CSMA/CA。

无线局域网的结构：

  • 网桥连接型

  • 基站接入型

  • HUB接入型

  • 无中心结构

2. 主要的无线局域网 

  • 红外线局域网

  • 扩频无线局域网：

两种技术：①跳频；②直接序列

窄带微波无线局域网

3. 无线自组网（AD hoc网络） 

是一种自组织、对等式、多跳的无线移动网络，是在分组无线网的基础上发展起来，是由一组用户组成、不需要基站的移动通信模式。

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