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计算机网络概述

1.1🍁🍁计算机网络的基本定义和基本功能

• 计算机网络：计算机网络是一组自治计算机互连的集合。
  • 自治是指每个计算机都有自主权,不受别人控制;
  • 互连则是指使用通信介质进行计算机连接,并达到相互通信的目的。
• 通俗地讲,计算机网络就是把分布在不同地理区域的独立计算机以及专门的外部设备利用通信线路连成一个规模大、功能强的网络系统,从而使众多的计算机可以方便地互相传递信息,共享信息资源。

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• 计算机网络的功能：
  1. 资源共享
     • 资源分为软件资源和硬件资源。
     • 软件资源包括形式多种多样的数据，如数字信息,消息、声音,图像等;
     • 硬件资源包括各种设备,如打印机。
  2. 分布式处理(Distributed Processing)与负载均衡(Load Balancing)
     • 通过计算机网络,海量的处理任务可以分配到分散在全球各地的计算机上
     • 例如，一个大型ICP(InternetContent Provider)网络访问量相当大,为了支持更多的用户访问其网站,在全世界多个地方部署了相同内容的www(World Wide Web,万维网)服务器;通过技术使不同地域的用户看到放置在离他最近的服务器上的相同页面,这样可以实现各服务器的负载均衡,并使得通信距离缩短。
  3. 综合信息服务
     • 网络发展的趋势是应用日益多元化,即在一套系统上提供集成的信息服务,如图像、语音,数据、IP电话等。
     • 广泛使用的IP电话,就是利用IP作为传输协议,通过网络技术将语音集成到IP网络上来,实现在基于IP的网络上进行语音通信。

1.2 🪶🪶计算机网络的演进过程

• 1837年,美国的 Samuel F.B. Morse和英国的Charles Wheatstone、William Cooke 率先发明了电报。它可以利用一根导线传送字符信息,通过将每个字母规定成长短不同的电脉冲信号,并可以在导线的另一端解读文字信息。
• 1876年,Alexander Graham Bell进一步实现了通过导线传送声音的功能,成功构造了第一个电话系统,通话质量非常出色,Bell 的助手可以清晰地听到消息“Mr. Watson，comehere.”,电话系统由此得到广泛的应用和发展。
• 1945年,世界上第一台电子计算机 ENIAC(电子数字计算机)诞生了。它共由18000个真空管组成,体积极其庞大,需要数个戾间才能容纳它。
• 1946年,晶体管研制获得成功。计算机采用晶体管取代了真空管,由此它的体积和价格降了下来,同时它的性能和智能水平也在不断提高,这为后来的计算机快速而广泛地普及做了历史性的铺垫。
• 为了处理更多的运算,批量地处理任务,人们开始考虑通过借助传统的电话线路,使用终端(如电传打字机、收发器等)远程访问计算机,由此而发展出计算机网络的雏形——主机互连形式。

1.2.1 🦇主机互联🦇

• 基于主机(Host)之间的低速串行(Serial)连接的联机系统是计算机网络的最初雏形。在早期的网络中,终端借助电话线路访问计算机,由于计算机发送/接收的为数字信号,电话线传输的是模拟信号,这就要求在终端和主机间加人调制解调器(Modem，俗称“猫”),进行数/模间的转换。
• 在这种联机系统中,计算机是网络的中心,同时也是控制者。 这是一种非常原始的计算机网络，它的主要任务是通过远程终端与计算机的连接,提供应用程序执行,远程打印和数据服务等功能。

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存在的问题：

• 电话通信网络并不适合传送计算机或终端的数据。首先,用户所支付的通信线路费用是按占用线路的时间计算的,而在整个计费时间里,计算机的数据是突发式地和间歇性地出现在传输线路上。其次,由于计算机和各种终端的传送速率很不一样,在采用电话网进行数据的传输交换时,不同类型、不同规格、不同速率的终端很难相互进行通信。

1.2.2 🦇局域网🦇

• 随着以个人计算机为主的商业计算模式的出现。商业计算的复杂性要求大量终端设备的资源共享和协同操作,导致对本地大量计算机设备进行网络化连接的需求,局域网(Local Area Network,LAN)由此产生了
• 主流局域网技术——以太网(Ethernet)就是在此时期产生的。1973年,Xerox 公司的Robert Metcalfe博士(以太网之父)提出并实现了最初的以太网。
  局域网的出现,大大降低了商业用户高昂的成本。

1.2.3 🦇互联网🦇

• 彼此分离的局域网相连接，形成互联网(Internet)
  • 由于单一的局域网无法满足对网络的多样性要求,广域网技术逐渐发展起来,以便将分布在不同地域的局域网连接起来。以TCP（Transmission Control Protocol 传输控制协议)和IP(Internet Protocol,网际协议)作为其主要的协议族，使大范围的网络互联成为可能。

1.2.4 🦇因特网🦇

1.3 🍁🍁计算机网络中的基本概念

1.3.1 🍁🍁局域网、城域网、广域网

• 局域网通常指几千米范围以内的，可以通过某种介质互连的计算机、打印机、Modem或其他设备的集合。局域网连接的是小范围内的计算机，系统覆盖半径从几来到几千米，覆盖范围局限在房间、大楼或园区内。是实现有限区域内信息交换与共享的典型有效的途径。
• 一个局域网通常为一个组织所有，常用于连接公司办公室或企业内的个人计算机和工作站，以便共享资源和交换信息。
• 局域网与具他网络的区别主要体现在以下儿个方面：
  1. 网络所覆盖的物理范围
  2. 网络的拓扑结构
  3. 网络所使用的传输技术
• 局域网的优点：
  • 局域网分布范围极小，一方面容易管理与配置
  • 容易构成简洁规整的拓扑结构，网络延迟小、数据传输速率高、传输可靠、拓扑结构灵活。

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• 城域网覆盖范围为中等规模,介于局域网和广域网之间,通常是在一个城市内的网络连接(距离为10km左右)。

• 城域网建设主要采用IP技术和ATM技术,宽带IP城域网是根据业务发展和竞争的需要而建设的城市范围内的宽带多媒体通信网络,是宽带骨干网络(如中国电信IP骨干网络、联通骨干ATM网络等)在城市范围内的延伸。

• 城域网作为本地公共信息服务平台的组成部分,负责承载各种多媒体业务,为用户提供各种接人方式,满足政府部门、企事业单位、个人用户对基于IP的各种多媒体业务的需求,因此,宽带IP城域网必须是可管理、可扩展的电信运营网络。

• 城域网划分为“城域网城域部分”和“城域网接入部分”。

  • 城域网城域部分为运营商网络,由运营商统一规划与建设,又可分为城域核心层和城域汇接层。
    • 城域核心层主要完成城域网内部信息的高速传送与交换，实现与其他网络的互连互通
    • 城域汇接层主要完成信息的汇聚与分发。
  • 城域网接入部分可由运营商、企业,建筑商以及物业管理部门建设,其不仅仅提供传统意义上的接入功能,还可能需要向用户提供本地业务。
  • 城域网接入部分又分为接入汇接层和用户接入层
    • 接入汇接层：完成信息的汇接与分发,实现用户管理,城域网接接入部分的业务提供、计费等功能
    • 用户接人层：为用户提供具体的接入手段

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• 广域网在超过局域网的地理范围内运行，分布距离远，它通过各种类型的串行连接以便在更大的地理区域内实现接入。
• 广域网本身往往不具备规则的拓扑结构。 广域网拓扑很难进行归类，一般多采用网状结构，网络连接往往要依赖运营商提供的电信数据网络。
• 由于速度慢，延迟大，入网站点无法参与网络管理，所以，它要包含复杂的互连设备（如交换机、路由器）处理其中的管理工作，互连设备通过通信线路连接，构成网状结构（通信子网）。其中，入网站点只负责数据的收发工作：广域网中的互连设备负责数据包的路由等重要管理工作。
• 广域网的特点：数据传输慢、延迟比较大、拓扑结构不灵活。

1.3.2 🍁🍁网络的拓扑结构

• 网络拓扑(Network Topology)指的是计算机网络的物理布局，通常也称为拓扑结构。
• 基本的网络拓扑模型主要有总线型拓扑、环型拓扑,星型拓扑和网状拓扑。绝大部分网络都可以由这几种拓扑结构独立或混合构成
  
  四种常见的拓扑结构：

1. 总线型拓扑（Bus Topology）：
   总线型拓扑是一种线性连接的结构，所有节点都连接到同一条通信线（称为总线）上。数据在总线上单向传输，每个节点通过侦听总线上的数据来判断是否是自己的数据。总线型拓扑简单且成本较低，但当总线出现故障或冲突时，整个网络可能会受到影响。

2. 环型拓扑（Ring Topology）：
   **环型拓扑中每个节点都与左右相邻的节点直接相连，形成一个封闭的环路。**数据沿着环路从一个节点传输到下一个节点，直到到达目标节点。环型拓扑具有简单的结构，适用于小型网络，但当一个节点或连接出现问题时，可能会导致整个环路中断。

3. 星型拓扑（Star Topology）：
   **星型拓扑是一种中心化的结构，所有节点都直接连接到一个中心设备（通常是交换机或集线器）。**所有的数据传输都通过中心设备进行中转，这样可以降低冲突和故障对整个网络的影响。星型拓扑易于管理和维护，但如果中心设备故障，整个网络将无法正常工作。

4. 网状拓扑（Mesh Topology）：
   网状拓扑是最为复杂和灵活的一种结构，其中每个节点与其他节点直接相连。 这种连接方式可以提高数据传输的可靠性和冗余性，即使某些连接出现问题，仍然可以通过其他路径传输数据。网状拓扑通常用于关键应用和要求高可靠性的网络，但也会导致较高的成本和复杂性。

不同的拓扑结构适用于不同的网络需求和应用场景。选择合适的拓扑结构需要综合考虑网络规模、可靠性、成本和管理复杂性等因素。

1.4 🍁🍁计算机网络的类型

计算机网络可以根据不同的分类标准分为多种类型。以下是常见的计算机网络类型：

1. 按覆盖范围分类：

   • 局域网（LAN，Local Area Network）：覆盖较小的地理范围，例如一个建筑物、办公室或校园。
   • 城域网（MAN，Metropolitan Area Network）：覆盖城市范围，连接多个局域网。
   • 广域网（WAN，Wide Area Network）：覆盖更大的地理范围，可以跨越城市、国家甚至大陆，连接多个城域网和局域网。

2. 按拓扑结构分类：

   • 总线型拓扑（Bus Topology）：所有节点连接到一条共享的总线上。
   • 环型拓扑（Ring Topology）：所有节点按环状连接。
   • 星型拓扑（Star Topology）：所有节点连接到一个中心设备。
   • 网状拓扑（Mesh Topology）：所有节点之间相互直接连接，形成复杂的网状结构。

3. 按使用场景分类：

   • 互联网（Internet）：全球最大的广域网，连接了全球范围内的计算机和网络设备。
   • 企业内部网络：用于组织或企业内部的通信和资源共享。
   • 家庭网络：用于家庭中的多个设备之间的通信和共享。

4. 按连接方式分类：

   • 有线网络：使用物理电缆（如以太网、光纤等）连接设备。
   • 无线网络：使用无线技术（如Wi-Fi、蓝牙、移动网络等）连接设备。

5. 按传输技术分类：

   • 电路交换网络：建立点对点连接进行数据传输。
   • 分组交换网络：将数据分成小块（数据包）进行传输，如互联网就是基于分组交换网络的。

6. 按使用的协议和技术分类：

   • TCP/IP网络：基于TCP/IP协议栈的网络，是互联网的基础。
   • 以太网（Ethernet）：一种常见的局域网技术。
   • 无线局域网（Wi-Fi）：基于无线技术的局域网。

• 这些类型可以根据不同的标准和需求进行组合和衍生，从而构建出复杂多样的计算机网络。
• 不同类型的网络在不同的应用场景下都有其优势和适用性。

1.5 🍁🍁计算机网络的通信方式

• 电路交换(Circuit Switching)和分组交换(Packet Switching)是通信中的一对重要概念。
• 电路交换和分组交换都是计算机网络通信的方式，但它们的实现原理和适用场景有所不同。随着互联网和分组交换技术的发展，分组交换逐渐取代了电路交换，成为了现代计算机网络中主要的通信方式。

1.5.1 🍁电路交换🍁

• 电路交换是一种传统的通信方式，它在通信开始之前建立一条专用的物理连接，然后在通信过程中保持这条连接。在建立连接的过程中，网络资源（带宽、传输路径等）被独占，因此在通信过程中会有稳定的传输速率和延迟。
• 电话网络就是一个常见的电路交换网络的例子。然而，由于电路交换需要提前分配资源，并且在通信过程中保持连接，因此效率较低且不适合大量短时间通信的场景。
• 电路交换的缺点是所占带宽固定，网络资源利用率低。在电路交换系统中，物理线路的带宽是预先分配好的。对于已经预先分配好的线路，即使通信双方没有数据要交换，线路带宽也不能为其他用户所使用，从而造成带宽的浪费。此外，电路交换建立连接所需的时间比较长。

1.5.2 🍁分组交换🍁

• 分组交换技术将需要传输的信息划分为具有一定长度的分组(Packet,也称为包),以分组为单位进行存储转发。 每个分组都载有接收方地址和发送方地址的标识,便于在网络中寻址﹔网络中的传送设备则根据这些地址进行分组转发,使信息最终传递到目的节点。
• 由于采用动态复用的技术来传送各个分组,虽然任意时刻线路总是被某个分组独占,但线路的带宽在统计上得到复用,从而提高了线路的利用率。
• 分组交换能够保证任何用户都不能长时间独占某传输线路,因而它可以较充分地利用信道带宽,并且可以达到处理并行交互式通信的能力。IP电话就是使用分组交换技术的一种新型电话。
• 但是在分组交换中,数据要被分割成分组,而网络设备也需要逐一对分组实行转发,这使得分组交换引入了更大的端到端延迟。由于每个分组都要载有额外的地址信息,因此同样的有效数据实际上需要占用更多的带宽资源。另外由于来自多对通信节点的数据复用同一个信道,突发的数据可能造成信道的拥塞。所有这些使得分组交换网络设备和协议需要具备处理寻址、转发、拥塞等能力,这也加大了对分组交换网络设备处理能力和复杂程度的要求。

1.5.3 🍁补充：IP电话🍁

• QQ和微信电话都属于IP电话。IP电话也被称为VoIP（Voice over Internet Protocol），它是一种通过互联网或任何基于IP的网络进行语音通信的技术。
• 在IP电话中，语音信号被转换成数字数据包，并通过互联网或其他IP网络传输。这些数据包然后在接收端重新组装，以重新创建语音信号，从而实现用户之间的实时语音通信。IP电话提供了一种成本效益高且高效的替代传统的电路交换电话（固定电话通话），在现代通信系统和应用中广泛用于语音通信服务，包括QQ和微信。它们提供IP电话功能，允许用户通过互联网使用数据网络连接相互进行语音通话。

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IP电话（Internet Protocol Telephony），也称为VoIP（Voice over Internet Protocol），是一种利用互联网或其他IP网络传输语音通信的技术。它是一种数字化的语音通信方式，通过将语音信号转换为数据包并通过网络传输，实现用户之间的语音通话。

• IP电话的工作原理如下：

  1. 数字化语音信号：在IP电话通话开始时，用户的语音信号首先被转换成数字化的数据流。这个过程称为模数转换，将模拟的语音信号转换成数字形式。
  2. 数据分组：数字化的语音数据被划分成较小的数据包。每个数据包包含一小段语音数据以及一些额外的控制信息，如源地址、目的地址和时间戳等。
  3. IP传输：这些数据包通过互联网或其他IP网络进行传输。由于IP网络具有广泛的覆盖范围和高速传输能力，因此可以实现远程语音通信。
  4. 数据重组：在接收端，数据包被重新组装成连续的语音信号。这个过程称为数字到模拟转换，将数字数据还原成模拟的语音信号。
  5. 语音通话：重新组装的语音信号在接收端被传送到听筒或扬声器，使用户可以听到对方的声音。

• IP电话的优点包括：

  1. 成本效益：相较于传统的电路交换电话，IP电话可以利用现有的互联网或IP网络进行通信，避免了长途通话费用，特别是在国际通话方面。
  2. 灵活性：IP电话可以实现语音、视频和数据传输的综合通信，使得通信方式更加灵活多样。
  3. 全球性：由于基于互联网协议，IP电话可以跨越地理和国界进行通信，实现全球范围内的语音通话。
  4. 功能丰富：IP电话支持诸如语音邮件、会议通话、文件共享等高级功能，扩展了通信的用途。

1.6 🍁🍁计算机网络的衡量指标

• 带宽（Bandwidth）和延迟（delay）是衡量网络性能的两个重要指标。
• 带宽分为模拟带宽和数字带宽。

1. 带宽（Bandwidth）：

   • **带宽指的是网络传输数据的能力或速率，通常以每秒传输的数据量（比特/秒或字节/秒）来表示。**它表示在单位时间内从一个点到另一个点传输数据的能力。
   • 带宽可以理解为网络的"管道"大小，越大的带宽意味着网络可以支持更高的数据传输速率。带宽通常用来描述网络连接的速度，比如家庭宽带的带宽可以是几百兆比特每秒（Mbps）或几千兆比特每秒（Gbps）。

2. 延迟（Delay）：
   延迟是指数据从发送端到接收端所经历的时间，也称为数据包传输的时延。延迟包含多个组成部分：

   • 传播延迟（Propagation Delay）：数据在物理媒体（如光纤、电缆等）中传播所需的时间，取决于信号传输速度和距离。
   • 处理延迟（Processing Delay）：数据包在网络设备（如路由器、交换机）上进行处理所需的时间。
   • 排队延迟（Queuing Delay）：数据包在网络设备的缓冲区中等待处理所需的时间。
   • 传输延迟（Transmission Delay）：将数据包从发送端发送到接收端所需的时间，取决于带宽和数据包大小。

延迟是一个关键的性能指标，特别对于实时应用如语音通话、视频会议和在线游戏等，延迟的高低直接影响到用户体验。较低的延迟可以使通信更加实时和流畅。

1.7 🪶🪶网络及标准化组织

1. 国际标准化组织(International Organization for Standardization,ISO)：世界上最著名的国际标准组织之一,该组织负责制定大型网络的标准,包括与Internet相关的标准。ISO提出了OSI参考模型。OSI参考模型描述了网络的工作机制,为计算机网络构建了–个易于理解的、清晰的层次模型。
2. 电气和电子工程师协会:IEEE由计算机和工程学专业人士组成,是世界上最大的专业组织之一。主要提供了网络硬件的标准,使各厂商生产的硬件设备能相互连通。**IEEELAN标准是当今居于主导地位的LAN标准。**它定义了802.x协议族,其中比较著名的有802.3以太网标准、802.4令牌总线网(Token Bus)标准、802.5令牌环网(Token Ring)标准、802.11无线局域网（WLAN)标准等。
3. 美国国家标准协会(American National Standards Institute,ANSI):它是一个由公司、政府和其他组织成员组成的自愿组织。它有将近1000个会员,而且本身也是ISO的一个成员。著名的**美国标准信息交换码(ASCII)**就是被用来规范计算机内的信息存储的ANSI标准。光纤分布式数据接口(Fiber Distributed Data Interface,FDDI)也是一个适用于局域网光纤通信的 ANSI 标准。
4. 国际电信联盟(International Telecommunication Union,ITU):其前身是国际电报电话咨询委员会(CCITT)。ITU共分为3个主要部门,ITU-R负责无线电通信;ITU-D是发展部门;而ITU-T负责电信行业。它定义了很多作为广域连接的电信网络的标准,众所周知的有X.25、帧中继(Frame Relay)等。
5. **Internet架构委员会(Internet Architecture Board,IAB)😗*下设工程任务委员会(IETF)、研究任务委员会(IRTF)、号码分配委员会(IANA)等,负责各种Internet标准的定义,是目前最具影响力的国际标准化组织。
6. 电子工业协会(Electronic Industries Association,EIA):EIA的主要成员是电子产品公司和电信设备制造商。它也是ANSI的成员。EIA 主要定义了大量设备间电气连接和数据物理传输的标准。其中最广为人知的标准是RS-232(或称 EIA-232)，它已成为大多数PC与调制解调器或打印机等设备通信的规范。
7. 因特网工程特别任务组(Internet Engineering Task Force,IETF):IETF是一个由互联网技术工程专家自发参与和管理的国际机构,其成员包括网络设计者、制造商﹑研究人员以及所有对因特网的正常运转和持续发展感兴趣的个人或组织。它分为数百个工作组，分别处理因特网的应用、实施、管理、路由、安全和传输服务等不同方面的技术问题。这些作组同时也承担着对各种规范加以改进发展,使之成为因特网标准的任务。

1.8 🪶🪶计算机网络的协议标准

• 计算机网络的协议标准是为了确保不同厂商的设备能够互相通信，以及确保网络通信的稳定和安全。标准化组织负责制定和发布这些协议标准，以促进全球范围内的互操作性。

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1. TCP/IP协议：TCP/IP是互联网最基本的协议标准，它定义了数据在网络中的传输和路由方式。TCP/IP协议是一个网络协议簇，包含多个协议，如IP（Internet Protocol）、TCP（Transmission Control Protocol）、UDP（User Datagram Protocol）等。TCP/IP协议是由美国国防部高级研究计划署（DARPA）和互联网工程任务组（IETF）共同制定和维护的。

2. HTTP协议：HTTP（Hypertext Transfer Protocol）是用于在Web浏览器和Web服务器之间传输超文本的协议。HTTP是由IETF负责标准化。

3. DNS协议：DNS（Domain Name System）是用于将域名转换成IP地址的协议，它使得用户可以通过易于记忆的域名访问网站，而不需要记住复杂的IP地址。DNS协议也是由IETF标准化的。

4. Ethernet标准：Ethernet是一种常见的局域网技术，它规定了计算机在局域网中如何进行数据通信。Ethernet标准由IEEE（Institute of Electrical and Electronics Engineers）标准化，其中最为常见的是IEEE 802.3标准。

5. Wi-Fi标准：Wi-Fi是无线局域网技术，它允许计算机和其他设备通过无线信号进行通信和连接到互联网。Wi-Fi标准也由IEEE标准化，其中最为常见的是IEEE 802.11系列标准。

6. TLS/SSL协议：TLS（Transport Layer Security）和SSL（Secure Sockets Layer）是用于加密网络通信的安全协议，确保数据在传输过程中的机密性和完整性。TLS/SSL协议也由IETF标准化。

7. ITU标准：国际电信联盟（ITU，International Telecommunication Union）是联合国的一个专门机构，负责制定通信和网络领域的国际标准。例如，ITU制定了H.264视频编码标准和G.711音频编码标准等。