网络基础第2章计算机网络概述认识计算机网络.docx
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网络基础第2章计算机网络概述认识计算机网络
第1章计算机网络概述
【学习目标】
理解网络的基本概念
熟悉网络的拓扑结构
掌握影响网络性能的指标
理解并掌握OSI参考模型分层结构及各层的功能
了解TCP/IP与OSI参考模型的异同
理解IP、ARP/RARP、ICMP
【重点难点】
Ø影响网络性能的指标
ØOSI参考模型分层结构及各层的功能
1.1网络的形成与发展
目前，计算机网络的形成与发展大致可以分为以下几个阶段。
1.以单计算机为中心的联机系统
20世纪60年代中期以前，计算机主机昂贵，而通信线路和通信设备相对便宜，可以共享主机资源进行信息的采集及综合处理。
这种以单计算机为中心的联机系统如图所示。
在该种联机系统中，涉及多种通信技术、多种数据传输设备和数据交换设备。
从计算机技术上看这是由单用户独占一个系统发展到分时多用户系统，即多个终端用户分时占用主机上的资源，该种结构被称为第一代计算机网络。
后来为提高效率与资源利用率，又出现了多点通信线路、使用通信控制处理机和集中器的通信系统等，如图所示。
从20世纪60年代中期到70年代中期，随着计算机技术和通信技术的进步，形成了将多个单处理机联机终端玩过互相连接起来，以多处理机为中心的网络，并利用通信线路将多台主机连接起来，为用户提供服务，如图所示。
2.分组交换技术的诞生
随着计算机——计算机网络技术的发展，网络用户不仅可以通过计算机使用本地计算机的资源，也可以通过网络使用其他计算机的资源，以达到计算机资源共享的目的。
在早期的通信系统中，最重要且应用最广泛的是线路交换。
然而，直接利用电话线路传送计算机或终端的数据却会出现新的问题，这是因为在计算机通信是，线路真正用来传送数据的时间往往不到10%，用户在阅读屏幕信息或用键盘输入与编辑一份报文时，通信线路实际上是空闲的，通信线路资源被浪费，而用户的通信费用却很高。
同时，在线路交换中，用于建立通路的呼叫过程相对于通信过程来说太长。
由于计算机与各种终端的传送速率不同，在采用线路交换时，不同类型、不同规格和速率的终端很难相互进行通信，因此必须采用一些措施来解决。
另外，计算机通信必须采用差错控制技术，以便可靠并准确无误地传送每一个比特，因此，需要研究出适用于计算机通信的交换技术，即分组交换技术。
其典型代表为美国国防部高级研究计划局的ARPANET。
采用分组交换技术的网络使计算机网络的概念发生了巨大的变化。
早期的联机终端系统是以单主机为中心，各终端通过通信线路共享主机资源。
而分组交换网以通信子网为中心，主机和终端构成了用户的资源子网。
用户不仅可以共享通信子网的资源，而且还可以共享用户资源子网的资源。
这种以通信子网为中心的计算机网络被称为第二代计算机网络。
3.计算机网络体系结构的形成
为了促进网络产品的开发，各大计算机公司纷纷制定了自己的网络技术标准，最终促成了国际标准的制定，遵循网络体系结构标准建成的网络被称为第三代网络。
计算机网络体系结构一句标准化的发展可以分为两个阶段。
（1）各计算机制造厂商网络结构标准化
IBM公司在SNA（系统网络体系结构）之前已建立了许多网络，为使自己公司制造的计算机易于连网并有标准可依，使网络的系统软件、网络硬件具有通用性，1974年在世界上首先提出了完整的计算机网络体系标准化的概念，宣布了SNA标准。
为了增强计算机产品在世界市场上的竞争力，DEC公司公布了DNA（数字网络系统结构）；UNIVAC公司公布了DCA（数据通信体系结构）等。
这些网络技术标准只是在一个公司范围内有效，也就是说，遵从某种标准的、能够互联的通信网络产品，也只限于同一公司生产的同构型设备。
（2）国际网络体系结构标准化
1977年，国际标准化组织（ISO）为适应网络向标准化发展，成立了TC97（计算机与信息处理标准化委员会）下属的SC16（开放系统互联分技术委员会），在研究、吸收各计算机制造厂家的网络体系结构标准化经验的基础上，开始着手制定开放系统互联的一系列标准，旨在方便异种计算机互联。
该标准即“开放系统互联参考模型”（OSI/RM），简称为OSI。
OSI规定了可以互联的计算机系统之间的通信协议，遵从OSI协议的网络通信产品都是所谓的开放系统，而符合OSI标准的网络也被称为第三代计算机网络。
目前，几乎所有网络产品厂商都在生产符合国际标准的产品，而这种统一的、标准化的产品互相竞争市场，也给网络技术的发展带来了更大的繁荣。
20世纪80年代，个人计算机有了极大发展，局域网技术顺应发展起来。
1980年2月IEEE802局域网标准出台。
与广域网不同，局域网厂商一开始就按照标准化、互相兼容的方式展开竞争，他们大多进入了专业化的成熟期。
今天，在一个用户的局域网中，工作站可能是IBM的，服务器可能是HP的，网卡可能是Intel的，交换机可能是华为的，而网络上运行的软件则可能是Novell公司的NetWare或是Microsoft的WindowsServer。
4.Internet的快速发展
进入20世纪80年代中期，在计算机网络领域中发展速度最快的莫过于Internet，目前，它已成为世界上最大的国际性计算机互联网。
Internet的迅猛发展始于20世纪90年代。
由欧洲原子核研究组织CERN开发的万维网（WWW）被广泛应用在Internet上，大大方便了广大非网络专业人员对网络的使用，成为Internet发展的指数级增长的主要驱动力。
5.Internet的应用于高速网络技术的发展
对于广大网络用户来说，Internet是一个利用路由器来实现多个广域网和局域网互联的大型广域计算机网络。
它对推动世界科学、文化、经济和社会的发展有着不可估量的作用。
用户可以利用Internet来实现全球范围的电子邮件、WWW信息查询与浏览、电子新闻、文件传输、语音与图像通信服务等功能。
在Internet高速发展与广泛应用的同时，高速网络的发展也成为必然。
高速网络技术的发展主要表现在宽带综合业务数据网（B-ISDN）、异步传输模式（ATM）、高速局域网、交换局域网和虚拟网络上。
在高速网络发展的基础上，利用信息技术改造提升传统产业，实现网络化、智能化、集约化、绿色化发展，促进产业优化升级；另一方面，以宽带基础建设带动高新技术产业不断发展，培育新市场新业态，加快电子商务、现代物流、网络金融等现代服务业发展，壮大云计算、物联网、移动互联网、智能终端等新一代信息技术产业。
6.云计算、物联网与4G移动网络
云计算和物联网是目前IT业界的两大焦点，是互联网发展过程中必然的产物。
云计算狭义的理解就是通过网络以按需、易扩展的方式获得所需资源，包括计算资源、存储资源和网络资源。
通过云计算技术，将计算分布在大量的分布式计算机上，而非本地计算机或远程服务器中，企业可以将资源切换到需要的应用上，根据需求访问计算机和存储系统。
物联网就是“物物相连的互联网”，通过智能感知、识别技术与普适计算广泛应用于网络的融合中，也被称为继计算机、互联网后世界信息产业发展的第三次浪潮。
物联网利用局部网络或互联网等通信技术把传感器、控制器、机器、人员和物等通过新的方式连在一起，形成人与物、物与物互连，实现信息化、远程管理控制和智能化的网络，物联网是互联网的延伸。
云计算是实现物联网的核心，物联网是实现云计算的目标。
物联网通过大量的传感器采集到难以计数的数据量，云计算则对这些海量数据进行智能处理、提取。
随着移动互联网络从2G到3G，再到目前的4G技术，在移动办公、移动电子商务等方面具有广阔的应用前景。
作为未来大数据和移动网络的发展的先锋军，4G网络的运行让云计算、移动互联网与物联网的结合有巨大的空间。
1.2网络的基本概念
自1946年世界第一台计算机在美国诞生以来，计算机技术得到了突飞猛进的发展，硬件性能不断提升，其应用的领域越来越广泛，与通信技术结合促进了计算机网络技术的发展。
根据IEEE坦尼鲍姆博士的定义：
计算机网络是一组自治计算机互联的集合。
所谓自治有两层含义：
一是指每个计算机都有自主权，加入或离开网络完全自主；二是计算机离开网络后仍然能独立工作。
一般意义上，我们将计算机网络定义为：
将地理位置不同的具有独立功能的多台计算机及其外部设备，通过传输介质和网络设备连接起来，在网络操作系统、网络管理软件及网络通信协议的管理和协调下，实现资源共享和信息传递的计算机系统。
通常，我们根据网络覆盖范围的大小将计算机网络分为3类：
局域网
局域网通常是指覆盖范围在几千米以内，一般只限于一栋大楼或一个单位的地理范围内。
在理解局域网的概念时，需关注起两个特征：
权属：
局域网通常属于一个单位或组织，不面向公众开放，一般是一个非盈利性网络。
性能：
局域网内的网络通信速率快、延迟小、传输可靠。
城域网
城域网是介于局域网和广域网之间的网络，通常覆盖一个城市，一般由通信运营商投资兴建，为用户提供各种接入方式。
城域网从组成上可以分为城域部分和接入部分。
城域部分又可分为核心层和汇聚层，核心层完成信息的高速传送和交换，实现与其他网络的互联互通，而汇聚层则完成信息的汇聚与分发。
接入部分主要完成用户的网络接入功能。
目前城域网建设主要采用IP技术和ATM技术。
广域网
广域网是覆盖范围更广、规模更大的串行网络，一般由通信运营商或政府组建、管理和维护。
常用的典型广域网络有PSTN、X.25、帧中继等。
广域网使用的主要技术为存储转发技术。
1.3网络的拓扑结构
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。
网络的拓扑结构反映出网中各实体的结构关系，是建设计算机网络的第一步，是实现各种网络协议的基础，它对网络的性能，系统的可靠性与通信费用都有重大影响。
计算机网络的最主要的拓扑结构有总线型拓扑、环型拓扑、树型拓扑、星型拓扑、混合型拓扑以及网状拓扑，如图1-1所示。
其中环形拓扑、星形拓扑、总线拓扑是三个最基本的拓扑结构。
在局域网中，使用最多的是星型结构。
图1-1
总线型结构的优点是结构简单，线路投资成本低。
其缺点是线路一旦出现单点故障将导致整个网络瘫痪，并且由于所有节点共享总线，必须采用某种机制（如CSMA/CD）解决通信冲突问题。
星型结构的优点是可靠性较高，单一线路故障不影响其他节点通信，增删节点方便，利用中央节点便于控制管理网络。
其缺点是线缆投资较大（相对总线型结构而言），对中央节点的可靠性和处理能力要求较高，中央节点故障将导致全网瘫痪。
环形结构的优点是结构简单，通信节点的地位相等，建网及增删节点容易，故障易于排查。
其缺点是单向环类似于总线型结构，易于发生单点故障（可采用双向环方案解决）；因各个节点均参与数据转发，对节点的转发性能要求高。
树型结构的优点是层次分明，便于管理，增删节点容易，故障便于排查。
其缺点与星型结构类似，并且树的深度不易太深。
网状型结构可分为全互联网状结构和部分互联网状结构。
其优点是任意两节点间存在多条链路，可靠性高。
其缺点是线路投资高（这是由高可靠性引起的）。
需注意的是，在实际网络建设过程中，往往是由两种或两种以上的拓扑结构形成的混合型结构。
1.4网络的计算模式
随着计算机技术和网络技术的发展，对计算机网络各种资源的共享模式也发生了巨大的变化，有最初的以大型机为中心的模式，发展到以服务器为中心模式、客户机/服务器的计算模式、浏览器/服务器的计算模式、P2P的计算模式以及目前流行的云计算模式。
1.以大型机为中心的计算模式
20世纪80年代以前，计算机界普遍使用功能强大的大型机为用户提供资源。
在这种技术条件下，所采用的是以大型机为中心的计算模式，亦称分时共享模式，如图所示。
该种计算模式的特点为：
系统提供专用的用户界面；通过直接的硬件连线把简单的终端连接到主机或一个终端控制器上；所有用户的键盘击键操作和光标位置均传入主机，并将主机的反馈结果显示在屏幕的特定位置。
2.以服务器为中心的计算模式
20世纪80年代初，PC得到了飞速发展，用户计算机具有了有限的CPU和数据存储能力以及界面友好的软件，但PC机在大多数大型应用中数据处理能力不足，这便促使了局域网的产生。
通过局域网的连接，PC机与大型机连接在一起，形成了新的计算模式，即以服务器为中心的计算模式，亦称为资源共享模式，如图所示。
该种计算模式的主要特点为：
属于资源共享模式，用于共享共同的应用、数据和打印机；所有的用户查询或命令处理都在工作站上完成；利用工作站的能力运行所有应用，用服务器的能力来作为外设的延伸，如硬盘、打印机等；
3.客户机/服务器计算模式
随着PC技术的进一步发展，使得PC的数据处理能力和数据存储能力更加强大；同时路由器和网桥技术的应用和有效的网络管理使得计算机连接到局域网上变得更加容易。
在这样的情况下，人们已不满足与资源共享模式，从而产生了客户机/服务器模式，简称C/S模式，如图所示。
在Client-Server模式下，应用被分为前端（客户端）和后端（服务器端）；客户部分运行在微机或工作站上，而服务器部分可以运行在从微机到大型机等各种计算机上。
客户机和服务器分别工作在不同的逻辑实体中，并协同工作。
服务器主要是运行客户机不能完成或费时的工作，比如大型数据库的管理，而客户机可以通过预先指定的语言向服务器提出请求，要求服务器去执行某项操作，并将操作结果返送给客户机。
C/S模式最大的技术特点是系统使用了客户机和服务器双方的智能、资源和计算机能力来执行一项特定的任务，即一项任务由客户机和服务器双方共同承担。
其工作流程如图所示。
在客户机/服务器计算模式下，一个或更多个客户机和一个或更多的服务器，以及支持客户机和服务器进程通信的网络操作系统，共同组成了一个支持分布计算、分析和表示的系统；在C/S模式中，客户方发出请求，网络通信系统将请求的内容传到服务器，服务器根据请求完成预定的操作，然后把结果送回客户。
4.浏览器/服务器计算模式
在C/S计算模式中，不同的操作系统与网络操作系统对应着不同的语言和开发工具，由于在这种模式中，要把对数据库资源的访问形成一个统一的连接平台，因此客户机上除负责图形显示和事件输入外，把应用逻辑和业务处理规则可能都放置于客户机上，造成客户机越来越“胖”，开发着力点主要落在客户机端上。
由于客户机端配置了大量的应用逻辑和业务处理规则软件以及开发工具软件，而软件的变动与版本的升级以及硬件平台的适应能力都影响着系统中所有的客户机，在这种情况下，势必造成成本的增加和管理维护上的难度。
随着浏览器技术的发展，用户通过浏览器不仅能进行超文本的浏览查询，而且能够收发电子邮件、文件传输等工作，即用户在浏览器统一的界面上能完成网络上各种服务和应用。
这种基于浏览器、WWW服务器和应用服务器的计算结构称为浏览器/服务器的计算模式，简称B/S模式，如图所示。
在B/S模式下，可以将应用逻辑和业务处理规则放置在服务器一侧，对于这样的结构，客户机可以做得尽可能的“瘦”，其功能可能只是体现在一个浏览器或是Java虚拟机上。
5.P2P计算模式
P2P（peer-to-peer）为对等网络技术，又称点对点技术，是无中心服务器、依靠用户群（peers）交换信息的互联网体系。
与有中心服务器的中央网络系统不同，对等网络的每个用户端既是一个节点，也有服务器的功能，任何一个节点无法直接找到其他节点，必须依靠其户群进行信息交流。
P2P计算模式可简单地定义为通过直接交换共享计算机资源和服务。
从技术角度而言，P2P可提供机会利用大量闲置资源:
大量计算能力处理、海量存储能力。
P2P可消除仅用单一资源造成的瓶颈问题。
P2P可被用来通过网络实现数据分配、控制及满足负载平衡请求，以帮助优化性能。
P2P模式还可用来消除由于单点故障而影响全局的危险。
在企业采用P2P模式，可利用客户机之间的分布式服务代替数据中心功能。
6.云计算模式
云计算是一种新兴的网络计算模式。
云计算以网络化的方式组织和聚合计算与通信资源，以虚拟化的方式为用户提供可以缩减或扩展规模的计算资源，增加了用户对于计算系统的规划、购置、占有和使用的灵活性。
在云计算中，用户所关心的核心问题不再是计算资源本身，而是所能获得的服务，因此，服务问题（服务的提供和使用）是云计算中的核心和关键问题。
云计算通过管理、调度和整合分布在网络上的各种资源，以统一的界面为大量用户提供服务，如图所示。
云计算是网格计算、分布式计算、并行计算、效用计算、网络存储、虚拟化、负载均衡等传统计算机技术和网络技术发展融合的产物。
云计算的关键技术就是虚拟化技术，它能够实现计算资源划分和聚合，服务透明封装及虚拟机（VirtualMachine，VM）动态迁移等，能够满足云计算按需使用、弹性扩展的需求。
1.5影响网络的性能指标
影响网络性能的因素有很多，如传输的距离、使用的线路、传输技术、带宽、网络设备的处理性能等。
对用户而言，则主要体现在所获得的网络速度不一样。
影响计算机网络性能的指标主要有带宽、吞吐量、时延。
带宽（bandwidth）
在计算机网络中带宽用来表示网络的通信线路所能传送数据的能力，因此网络带宽表示单位时间内从网络中的某一点到另一点所能通过的“最高数据率”，通常表示的是数字传输速率，一般以bps（bitpersecond，位/秒）为单位。
注意：
在通信领域1Kbps表示1000bps而不是1024bps。
吞吐量（throughput）
吞吐量表示单位时间内通过某个网络（或信道、接口）的数据量，更经常地用于对现实世界中的网络的一种测量，以便知道实际上到底有多少数据能够通过网络。
显然，吞吐量受网络的带宽或网络的额定速率的限制。
例如：
对于一个100Mb/s的以太网，其额定速率是100Mbps，那么这个数值也是该以太网的吞吐量的绝对上限值。
因此，对100Mbps的以太网，其典型的吞吐量可能也只有70Mbps。
请注意：
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（delay）
时延，亦称延迟，是指数据通过网络从一个节点传送到另一个节点所历经的时间。
网络时延主要由发送时延（主机或路由器从发送数据帧的第一个比特算起到该帧的最后一个比特发送完毕所需的时间）、传播时延（电磁波在信道中传播一定的距离需要的时间）、处理时延（主机或路由器在收到分组时进行接收处理所花费的时间）、排队时延（分组在网络中传输时，要经过许多路由器。
但分组在进入路由器后要先在输入队列中排队等待处理。
在路由器确定了转发接口后，还要在输出队列中排队等待。
这就产生了排队时延）等组成。
对于任何一个网络来说，网络延迟是不可能完全消除的，只能随协议的优化、网络设备处理能力的增强、传输带宽的提高来有效缩短网络延迟。
需要指出的是，时延低与可靠性高是一对矛盾，需要根据实际业务的需要来优化实现高可靠性还是低时延。
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