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网络基础知识
网络基础知识
胡经国
本文作者的话
云计算具有很强的知识性和专业性。
对于业外读者来说，云计算可谓“博大精深”。
业外公众要学习云计算，有必要循序渐进地学习有关云计算的一系列基础知识。
本文作为《漫话云计算》系列文稿和学习云计算笔录之一，供云计算业外读者进一步学习和研究参考。
希望能够得到大家的指教和喜欢！
下面是正文
一、网络一般概念
1、在汉语中，网络（Network）一词最早用于电学。
《现代汉语词典》（1993年版）做出这样的解释：
“在电的系统中，由若干元件组成的用来使电信号按一定要求传输的电路或这种电路的部分，叫做网络。
”
2、网络有时特指流量网络（FlowNetwork）；有时特指计算机网络（ComputerNetwork），或特指其中的互联网（Internet）；有时特指由有关联的个体组成的系统，如：
人际网络、交通网络、政治网络。
3、网络是由节点和连线构成的图，表示研究诸对象及其相互联系。
有时用带箭头的连线表示从一个节点到另一个节点存在某种顺序关系。
在节点或连线旁标出的数值，称为点权或线权，有时不标任何数值。
用数学语言说，网络是一种图，一般认为它专指加权图。
网络除了数学定义以外，还有具体的物理含义，即网络是从某种相同类型的实际问题中抽象出来的模型。
习惯上就称其为什么类型网络，如开关网络、运输网络、通信网络、计划网络等。
总之，网络是从同类问题中抽象出来的用数学中的图论来表达并研究的一种模型。
4、网络具有比喻性的泛化意义，如“人际关系网络”、“信息交流网络”等，在这种意义下，常说成“网”。
5、抽象意义上的网络。
比如：
城市网络、交通网络、交际网络等。
6、现在，网络一般是指“三网”，即：
电信网络、有线电视网络、计算机网络。
其中，计算机网络，是指用通信线路和通信设备将分布在不同地点的多个自治计算机系统互相连接起来，按照共同的网络协议，共享硬件和软件资源，最终实现资源共享的系统。
现在与人们生活密不可分的是计算机网络。
一般人对网络的理解都是关于计算机网络的。
一个自治计算机系统，是指处于一个管理机构控制之下的路由器和网络群组。
它可以是一个路由器直接连接到一个LAN（局域网）上，同时也连到Internet上；它可以是一个由企业骨干网互连的多个局域网。
在一个自治计算机系统中的所有路由器必须相互连接，运行相同的路由协议，同时分配同一个自治计算机系统编号。
自治计算机系统之间的链接使用外部路由协议，例如BGP。
链接：
LAN
LAN（LocalAreaNetwork，局域网），是在一个局部的地理范围内（如一个学校、工厂和机关内），将各种计算机、外部设备和数据库等互相联接起来组成的计算机通信网。
它可以通过数据通信网或专用数据电路，与远方的局域网、数据库或数据中心相连接，构成一个大范围的信息处理系统。
链接：
BGP
BGP（边界网关协议），是一种自治计算机系统的路由协议。
BGP是唯一一个用来处理像因特网那样大小的网络的协议，也是唯一能够妥善处理不相关路由域间的多路连接的协议。
二、实现网络的四个要素
1、通信线路和通信设备；
2、有独立功能的计算机；
3、网络软件支持；
4、实现数据通信与资源共享。
三、网络分类
1、按作用（覆盖）范围分类
广域网WAN（作用范围一般为几十到几千公里）；
城域网MAN（作用范围界于WAN与LAN之间）；
局域网LAN（作用范围一般为几米到几十公里）。
⑴、广域网WAN
①、概述
广域网（WideAreaNetwork，WAN），又叫做远程计算机网络（简称远程网）（RemoteComputerNetwork，RCN）。
它的作用范围最大，一般可以从几十公里至几万公里。
一个国家或国际间建立的网络都是广域网。
在广域网内，用于通信的传输装置和传输介质可由电信部门提供。
目前，世界上最大的信息网络Internet已经覆盖了包括中国在内的180多个国家和地区，连接了数万个网络，终端用户已达数千万；并且以每月15%的速度增长。
广域网的通信子网主要使用分组交换技术。
广域网的通信子网可以利用公用分组交换网、卫星通信网和无线分组交换网。
它将分布在不同地区的局域网或计算机系统互连起来，达到资源共享的目的。
互联网是世界范围内最大的广域网。
②、组织结构
广域网是由许多交换机组成的，交换机之间采用点到点线路连接。
几乎所有的点到点通信方式都可以用来建立广域网，包括租用线路、光纤、微波、卫星信道。
广域网交换机实际上就是一台计算机，有处理器和输入／输出设备进行数据包的收发处理。
广域网WAN一般最多只包含OSI参考模型的底下三层，而且目前大部分广域网都采用存储转发方式进行数据交换。
也就是说，广域网是基于报文交换或分组交换技术的（传统的公用电话交换网除外）。
广域网中的交换机先将发送给它的数据包完整接收下来，然后经过路径选择找出一条输出线路，最后交换机将接收到的数据包发送到该线路上去；以此类推，直到将数据包发送到目的节点。
广域网可以提供面向连接和无连接两种服务模式。
对应于这两种服务模式，广域网有两种组网方式：
虚电路（virtualcircuit）方式和数据报（datagram）方式。
链接：
OSI参考模型
OSI（OpenSystemInterconnect），即开放式系统互联，一般都叫做ISO开放系统互连参考模型，简称OSI参考模型。
它是ISO（国际标准化组织）在1985年研究的网络互联模型。
该体系结构标准定义了网络互连的七层框架，即（由底到高）：
物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层和应用层。
在这一框架下进一步详细规定了每一层的功能，以实现开放系统环境中的互连性、互操作性和应用的可移植性。
第7层应用层是OSI参考模型的最高层；第1层物理层是OSI参考模型的最底层。
OSI参考模型的底下三层是物理层、数据链路层、网络层。
发送数据时，从第7层传到第1层；而接收数据时则相反。
③、主要特点
A、适应大容量与突发性通信的要求；
B、适应综合业务服务的要求；
C、开放的设备接口与规范化的协议；
D、完善的通信服务与网络管理。
通常，广域网的数据传输速率比局域网低，而信号的传播延迟却比局域网要大得多。
广域网的典型速率是从56kbps到155Mbps，现在已有622Mbps、2.4Gbps甚至更高速率的广域网；传播延迟可从几毫秒到几百毫秒（使用卫星信道时）。
④、主要类型
广域网可以分为公共传输网络、专用传输网络和无线传输网络。
A、公共传输网络
一般是由政府电信部门组建、管理和控制；网络内的传输和交换装置可以提供（或租用）给任何部门和单位使用。
公共传输网络大体上可以分为以下两类：
电路交换网络：
主要包括公共交换电话网（PSTN）和综合业务数字网（ISDN）；
分组交换网络：
主要包括X.25分组交换网、帧中继和交换式多兆位数据服务（SMDS）。
B、专用传输网络
是由一个组织或团体自己建立、使用、控制和维护的私有通信网络。
一个专用网络起码要拥有自己的通信和交换设备。
它可以建立自己的线路服务，也可以向公用网络或其他专用网络进行租用。
专用传输网络主要是数字数据网（DDN）。
DDN可以在两个端点之间建立一条永久的、专用的数字通道。
它的特点是在租用该专用线路期间，用户独占该线路的带宽。
C、无线传输网络
主要是移动无线网，典型的有GSM和GPRS技术等。
⑤、中国广域网类型
以中国为例，广域网包括以下几种类型通信网：
A、公用电话网
用电话网传输数据，用户终端从连接到切断，要占用一条线路，所以又称电路交换方式。
其收费按照用户占用线路的时间而决定。
在数据网普及以前，电路交换方式是最主要的数据传输手段。
B、公用分组交换数据网
分组交换数据网将信息分“组”，按规定路径由发送者将分组的信息传送给接收者；数据分组的工作可在发送终端进行，也可在交换机进行。
每一组信息都含有信息目的的“地址”。
分组交换网可对信息的不同部分采取不同的路径传输，以便最有效地使用通信网络。
在接收点上，必须对各类数据组进行分类、监测以及重新组装。
C、数字数据网
它是利用光纤（或数字微波和卫星）数字电路和数字交叉连接设备组成的数字数据业务网。
主要为用户提供永久、半永久型出租业务。
数字数据网可根据需要定时租用或定时专用。
一条专线既可通话与发传真、也可以传送数据，并且传输质量高。
⑵、城域网MAN
①、概述
城域网（MetropolitanAreaNetwork，WAN）是在一个城市范围内所建立的计算机通信网。
它属于宽带局域网。
由于采用具有有源交换元件的局域网技术，网中传输延时较小。
它的传输媒介主要采用光缆，传输速率在100兆比特／秒以上。
MAN的一个重要用途是用作骨干网。
通过它将位于同一城市内不同地点的主机、数据库，以及LAN等互相联接起来。
这与WAN（广域网）的作用有相似之处；但是两者在实现方法与性能上有很大差别。
基于一种大型的LAN，通常使用与LAN相似的技术。
把MAN单独列出来的一个主要原因，是已经有了一个标准：
分布式队列双总线DQDB（DistributedQueueDualBus），即IEEE802.6。
DQDB是由双总线构成，所有的计算机都连结在上面。
②、城域网定义
城域网（MetropolitanAreaNetwork，MAN），是基于一种大型的LAN，通常使用与LAN相似的技术。
之所以将MAN单独列出来的一个主要原因，是已经有了一个标准：
分布式队列双总线DQDB（DistributedQueueDualBus），即IEEE802.6。
DQDB是由双总线构成，所有的计算机都连结在上面。
③、宽带城域网定义
所谓宽带城域网，是指在城市范围内，以IP和ATM电信技术为基础，以光纤作为传输媒介，集数据、语音、视频服务于一体的高带宽、多功能、多业务接入的多媒体通信网络。
它能够满足政府机构、金融保险、大中小学校、公司企业等单位对高速率、高质量数据通信业务日益旺盛的需求，特别是快速发展起来的互联网用户群对宽带高速上网的需求。
④、主要特点
城域网分为3个层次：
核心层、汇聚层和接入层。
A、核心层
核心层主要提供高带宽的业务承载和传输，完成和已有网络（如ATM、DDN、IP网络等）的互联互通。
其特征为宽带传输和高速调度。
链接：
ATM
ATM（AsynchronousTransferMode，异步传输模式），是一种为了多种业务设计的通用的面向连接的传输模式。
它适用于局域网和广域网。
它具有高速数据传输率和支持许多种类型如声音、数据、传真、实时视频、CD质量音频和图像的通信。
链接：
DDN
DDN（DigitalDataNetwork，数字数据网），是一种利用光纤、数字微波或卫星等数字传输通道和数字交叉复用设备组成的数字数据传输网。
它可以为用户提供各种速率的高质量数字专用电路和其他新业务，以满足用户多媒体通信和组建中高速计算机通信网的需要。
数字数据网主要由六个部分组成：
光纤或数字微波通信系统；智能节点或集线器设备；网络管理系统；数据电路终端设备；用户环路；用户端计算机或终端设备。
B、汇聚层
汇聚层的主要功能是给业务接入节点提供用户业务数据的汇聚和分发处理，同时要实现业务的服务等级分类。
C、接入层
接入层利用多种接入技术，进行带宽和业务分配，实现用户的接入，接入节点设备完成多业务的复用和传输。
⑤、适用范围
A、高速上网
高速上网——利用宽带IP网频带宽、速度快的特点，用户可以快速访问Internet及享受一切相关的互联网服务（包括WWW、电子邮件、新闻组、BBS（网络论坛）、互联网导航、信息搜索、远程文件传送等）；端口速度可达到10M以上。
链接：
宽带IP网
所谓宽带IP网是指在运行实时业务时能保证服务质量的IP网。
其交换机、中继通信线路、用户终端都是宽带化的；通常中继线带宽为几至几十Gbps，接入带宽为1～100Mbps。
各种宽带多媒体业务可以直接在宽带IP网上运行。
这种宽带IP网是一个真正的综合业务网，它可以提供数据、语音、视频综合传输业务，可以为企事业单位宽带接入因特网。
IP网（IPNetwork）是指由采用IP协议的所有计算机网相互连接而成的网络。
B、互动游戏
互动游戏——“互动游戏网”可以让您享受到Internet网上游戏和局域网游戏相结合的全新游戏体验。
通过宽带网，即使是相隔100公里的同城网友，也可以不计流量地相约玩三维联网游戏。
C、VOD视频点播
VOD视频点播——让你坐在家里利用Web浏览器随心所欲地点播自己爱看的节目，包括电影精品、流行的电视剧集，还有视频新闻、体育节目、戏曲、歌舞、MTV、卡拉OK等。
VOD（VideoOnDemand）是视频点播技术的简称，也称为交互式电视点播系统。
D、网络电视
网络电视（NETTV）——突破传统的电视模式，跨越时间和空间的约束，在网上实现无限频道的电视收视。
通过Web浏览器的方式直接从网上收看电视节目，克服了现有电视频道受地区及气候等多种因素约束的弊病；而且有利于进行一种新型交互式电视剧“网络电视剧”的制作和播放。
E、远程医疗
远程医疗——采用先进的数字处理技术和宽带通信技术，医务人员为远在几百公里或几千公里之外的病人进行诊断和治疗。
远程医疗是随着宽带多媒体通信的兴起而发展起来的一种新的医疗手段。
F、远程会议
远程会议——异地开会不用出差，也不用出门，在高速信息网络上的视频会议系统中，“天涯若比邻”的感觉得到了最完美的诠释。
G、远程教育
远程教育——从根本上克服了基于电视技术的单向广播式、基于Web网页的文本查询式和基于昂贵得无法进入家庭的会议电视等三种方式的缺陷；运用宽带网最新产品和技术，将图、文、声等多媒体信息，以交互的方式进入普通家庭、学校和企事业单位。
学生可以通过宽带网在家收看教学节目，并可与老师实时交互；可以上Internet查资料，以Email电子邮件等方式布置作业、交作业，解答提问等；缺课可以检索课程数据库以VOD方式播放老师讲课录象等。
H、远程监控（WEBCAM）
远程监控（WEBCAM）——对远程的系统或其他东西进行监控，授权用户通过Web自由进行镜头的转动、调焦等操作，实现实时的监控管理功能。
监控系统采用数字监控方式。
数字监控方式很好地与计算机网络结合在一起，充分发挥宽带城域网的带宽优势。
这是未来监控系统发展的流行趋势。
I、家庭证券交易系统
家庭证券交易系统——可在家里交互式地进行证券大户室形式的网上炒股。
不但可以实时查阅深、沪股市行情，获取全面及时的金融信息；还可以通过多种分析工具进行即时分析，并可进行网上实时下单交易，参考专家股评。
J、宽带业务
宽带业务还可为广大用户提供Internet信息浏览、信息查询、收发电子邮件、网上游戏、多媒体网上教育、视音频点播等多项服务。
⑶、局域网LAN
①、概述
局域网（LocalAreaNetwork，LAN）是在一个局部的地理范围内（如一个学校、工厂和机关内），将各种计算机、外部设备和数据库等互相联接起来组成的计算机通信网。
它可以通过数据通信网或专用数据电路，与远方的局域网、数据库或数据中心相连接，构成一个大范围的信息处理系统。
局域网（LocalAreaNetwork，LAN）是指在某一区域内由多台计算机互联成的计算机组。
一般是方圆几千米以内。
局域网可以实现文件管理、应用软件共享、打印机共享、工作组内的日程安排、电子邮件和传真通信服务等功能。
局域网是封闭型的，可以由办公室内的两台计算机组成，也可以由一个公司内的上千台计算机组成。
②、定义
为了完整地给出LAN的定义，必须使用两种方式：
一种是功能性定义，另一种是技术性定义。
功能性定义将LAN定义为一组台式计算机和其它设备，在物理地址上彼此相隔不远，以允许用户相互通信和共享诸如打印机和存储设备之类的计算资源的方式互连在一起的系统。
这种定义适用于办公环境下的LAN、工厂和研究机构中使用的LAN。
技术性定义将LAN定义为由特定类型的传输媒体（如电缆、光缆和无线媒体）和网络适配器（亦称为网卡）互连在一起的计算机，并受网络操作系统监控的网络系统。
功能性和技术性定义之间的差别是很明显的。
功能性定义强调的是外界行为和服务；而技术性定义强调的则是构成LAN所需的物质基础和构成的方法。
③、主要特点
广域网（WAN）就是我们通常所说的Internet，它是一个遍及全世界的网络。
局域网（LAN）相对于广域网（WAN）而言，主要是指在小范围内的计算机互联网络。
这个“小范围”可以是一个家庭，一所学校，一家公司，或者是一个政府部门。
BT中常常提到的公网、外网，即广域网（WAN）；BT中常常提到私网、内网，即局域网（LAN）。
广域网上的每一台电脑（或其他网络设备）都有一个或多个广域网IP地址（或者说公网、外网IP地址）；广域网IP地址一般要到ISP处交费之后才能申请到；广域网IP地址不能重复。
局域网（LAN）上的每一台电脑（或其他网络设备）都有一个或多个局域网IP地址（或者说私网、内网IP地址）；局域网IP地址是局域网内部分配的；不同局域网的IP地址可以重复，不会相互影响。
广域网（WAN、公网、外网）与局域网（LAN、私网、内网）电脑交换数据，要通过路由器或网关的NAT（网络地址转换）进行。
一般说来，局域网（LAN、私网、内网）内电脑发起的对外连接请求，路由器或网关都不会加以阻拦；但来自广域网对局域网内电脑连接的请求，路由器或网关在绝大多数情况下都会进行拦截。
局域网（LAN）的名字本身就隐含了这种网络地理范围的局域性。
由于较小的地理范围的局限性，LAN通常要比广域网（WAN）具有高得多的传输速率。
例如，目前LAN的传输速率为10Mb/s，FDDI（光纤分布式数据接口，它是于20世纪80年代中期发展起来一项局域网技术）的传输速率为100Mb/s，而WAN的主干线速率国内目前仅为64kbps或2.048Mbps，最终用户的上线速率通常为14.4kbps。
LAN的拓扑结构目前常用的是总线型和环型。
这是由于有限地理范围决定的。
这两种结构很少在广域网环境下使用。
LAN还有诸如高可靠性、易扩缩和易于管理及安全等多种特性。
④、无线局域网WLAN
A、有线局域网与无线局域网
局域网是把分布在数公里范围内的不同物理位置的计算机设备连在一起，在网络软件的支持下可以相互通信和资源共享的网络系统。
通常计算机组网的传输媒介主要依赖铜缆或光缆，构成有线局域网。
但是，有线网络在某些场合要受到布线的限制：
布线、改线工程量大；线路容易损坏；网中的各节点不可移动。
特别是当要把相离较远的节点联结起来时，敷设专用通讯线路布线施工难度之大，费用、耗时之多，实是令人生畏。
这些问题都对正在迅速扩大的联网需求形成了严重的瓶颈阻塞，限制了用户联网。
无线局域网（WirelessLocalAreaNetwork，WLAN）就是解决有线网络以上问题而出现的。
WLAN利用电磁波在空气中发送和接受数据，而无需线缆介质。
WLAN的数据传输速率现在已经能够达到最高450Mbps，传输距离可远至20km以上。
无线联网方式是对有线联网方式的一种补充和扩展，使网上的计算机具有可移动性，能快速、方便地解决以有线方式不易实现的网络联通问题。
B、无线局域网的优点
安装便捷
一般在网络建设当中，施工周期最长、对周边环境影响最大的就是网络布线的施工了。
在施工过程时，往往需要破墙掘地、穿线架管。
而WLAN最大的优势就是免去或减少了这部分繁杂的网络布线的工作量。
一般只要在安放一个或多个接入点（AccessPoint）设备就可建立覆盖整个建筑或地区的局域网络。
使用灵活
在有线网络中，网络设备的安放位置受网络信息点位置的限制。
而一旦WLAN建成后，在无线网的信号覆盖区域内任何一个位置都可以接入网络，进行通讯。
2、按拓扑结构分类
总线型、星型、环型、树型、网状、混合型。
计算机网络的拓扑结构，是引用拓扑学中研究与大小、形状无关的点、线关系的方法，把网络中的计算机和通信设备抽象为一个点，把传输介质抽象为一条线，由点和线组成的几何图形就是计算机网络的拓扑结构。
计算机网络的拓扑结构，是指网络中各个站点相互连接的形式。
在局域网中明确一点讲，就是文件服务器、工作站和电缆等的连接形式。
现在，最主要的拓扑结构有：
总线型、星型、环型、树形（由总线型演变而来）以及它们的混合型。
顾名思义，总线型其实就是将文件服务器和工作站都连在称为总线的一条公共电缆上，而且总线两端必须有终结器。
星型是以一台设备作为中央连接点，各工作站都与它直接相连形成星型。
环型是将所有站点彼此串行连接，像链子一样构成一个环形回路。
把这三种最基本的拓扑结构混合起来运用就形成混合型。
3、按信息交换方式分类
电路交换网、报文交换网、（报文）分组交换网、综合业务数字（交换）网。
从交换技术的发展历史看，数据交换经历了电路交换、报文交换、（报文）分组交换和综合业务数字交换的发展过程。
⑴、电路交换网
电路交换（SCN），是指按照需求建立连接并允许专用这些连接直至它们被释放这样一个过程。
电路交换网络，包含一条物理路径，并支持网络连接过程中两个终点间的单连接方式。
电路交换网络的基本结构，是由交换单元按照一定的拓扑结构扩展而成的，所构成的交换网络也称为互连网络。
交换网络从外部看，也有一组输入端和一组输出端，将其分别称为交换网络的入线和交换网络的出线。
如果交换网络有M条入线和N条出线，则把这个交换网络称为M×N的交换网络。
⑵、报文交换网
报文交换（Messageswitching）是一种信息传递的方式。
这种方式不要求在两个通信结点之间建立专用通路。
结点把要发送的信息组织成一个数据包——报文；该报文中含有目标结点的地址，完整的报文在网络中一站一站地向前传送。
每一个结点接收整个报文，检查目标结点地址，然后根据网络中的交通情况在适当的时候转发到下一个结点。
经过多次的存储－转发，最后到达目标。
因此，这样的网络又叫存储－转发网络。
其中的交换结点要有足够大的存储空间（一般是磁盘），用以缓冲收到的长报文。
交换结点对各个方向上收到的报文排队，并找下一个转结点，然后再转发出去。
这些都带来了排队等待延迟。
报文交换的优点是不建立专用通路，线路利用率较高。
这是由通信中的等待延迟换来的。
电子邮件系统（E-mail）适合采用报文交换方式。
⑶、报文分组交换网
报文分组交换（简称分组交换），实质上是在“存储－转发”基础上发展起来的。
它兼有电路交换和报文交换的优点。
分组交换在线路上采用动态复用技术，传送按一定长度分割为许多小段的数据——分组。
每个分组标识后，在一条物理线路上采用动态复用的技术，同时传送多个数据分组。
把来自用户发端的数据暂存在交换机的存储器内，接着在网内转发。
到达接收端，再去掉分组头将各数据字段按顺序重新装配成完整的报文。
分组交换比电路交换的电路利用率高，比报文交换的传输延迟小，交互性好。
⑷、综合业务数字网
综合业务数字网（IntegratedServicesDigitalNetwork，ISDN），是一个数字电话网络国际标准，是一种典型的电路交换网络系统。
ISDN是一种在数字电话网IDN的基础上发展起来的通信网络。
ISDN能够支持多种业务，包括电话业务和非电话业务。
综合业务数字网，除了可以用来打电话，还可以提供诸如可视电话、数据通信、会议电视等多种业务，从而将电话、传真、数据、图像等多种业务综合在一个统一的数字网络中进行传输和处理。
这也就是“综合业务数字网”名字的来历。
4、按传输介质分类
有线网、光纤网、无线网。
局域网通常采用单一的传输介质，而城域网和广域网则采用多种传输介质。
5、按通信方式分类
点对点传输网络，广播式传输网络。
⑴、点对点传输网络
点对点技术（peer
升级会员 