计算机网络概述

一、计算机网络发展历史

计算机网络在全球的发展历程

计算机网络经历了由单一网络向互联网发展的过程。20世纪60年代中期至70年代的第二代计算机网络是以多台主机通过通信线路互联起来的，典型代表是美国国防部高级研究计划暑协助开发的ARPANET。

1969年，美国国防部高级研究计划暑ARPA开始建立一个命名为ARPANET的网络，ARPANET为世界上第一个运营的封包交换网络，它是全球互联网的始祖。

二、认识计算机网络

计算机网络是由多台计算机及其外部设备通过通信线路和通信设备连接起来的系统。其目的是实现资源共享和信息传递。计算机网络也称为计算机通信网。

在计算机网络中，通常包括资源子网和通信子网。

计算机网络的组成基本上包括计算机、网络操作系统、传输介质（可以是有线，也可以是无线）以及相应的应用软件四部分。

网络按照地理范围可分为局域网（LAN）、城域网（MAN）、广域网（WAN）。

网络通信方式可分为两类：①广播式传输网络；②点对点传输网络。

网络按照使用者进行分类，分为公用网和专用网。

三、数据转发方式

1.线路交换

也叫电路交换，通过建立一条物理路径（电路）来划分和保持通信资源，实现点对点的数据传输。在电路交换中，通信双方需要先建立连接。

电路交换的优点：专用信道，数据传输迅速、可靠、不会丢失且有序。

缺点：当建立了连接而双方之间暂时没有数据传输时，会造成带宽资源浪费。

2.报文交换

报文交换是以报文为数据交换的单位，报文携带目标地址、源地址等信息，在交换节点采用存储转发的传输方式。

报文交换的主要优点是资源利用率高，

缺点：在于对报文大小没有限制，可能导致较大的报文在传输过程中被分割成多个小分组，增加了处理的复杂度。

3.分组交换

分组交换也称包交换，它将用户通信的数据划分成多个更小等长数据段，在每个数据段的前面加上必要的控制信息作为数据段的首部，指明了该分组发送到的地址信息。这个过程就是分组交换。

分组交换的优点是包括更高的资源利用率、较低的时延，以及较强的容错能力。它适用于大量数据传输，并且能够处理不同类型、规格或速率的终端之间的通信。

四、网络通信基本概念

网络协议：网络协议指的是计算机网络中互相通信的对等体之间交换信息时所必须遵守的规则的集合。

网络拓扑：网络拓扑结构是指用传输介质互联各种设备的物理布局。常见的网络拓扑结构有：星型拓扑结构、总线型拓扑结构、环型拓扑结构、树型拓扑结构、网状型拓扑结构。

网络接口：指网络设备的各种接口，是主机与外部通信界面的总称，我们现今在使用的网络接口都为以太网接口。常见的以太网接口类型有RJ-45接口、RJ-11接口、SC接口、FDDI接口、AUI接口、BNC接口、Console接口等。

五、网络体系结构

1.OSI参考模型

由上至下

应用层 表示层 会话层 传输层 网络层 数据链路层 物理层

OSI参考模型各层的功能如下：

应用层

应用层是用户与计算机交互的通信，当需要访问网络的时候，这一层就开始发挥作用。工作在应用层的协议包括HTTP、DNS、DHCP、FTP、SMTP、和POP3等。

表示层

OSI在表示层定义了如何格式化标准数据，以便确保从一个系统的应用层传来的数据可以被另一个系统所识别和读取。数据加密、解密、压缩和解压缩等都和表示层有关。

会话层

会话层负责在表示层实体之间建立、管理和终止会话，它协调和组织系统之间的通信。其为客户端的应用程序提供了打开、关闭和管理会话的机制。

传输层

传输层为应用进程提供了 端到端的通信服务。

其功能包括数据的分段和重组、标识应用程序、提供可靠的数据传输、流量控制、拥塞控制等。传输层的协议主要包括TCP和UDP两个。

网络层

网络层位于数据链路层和传输层之间，为传输层提供服务。网络层主要提供了路由和寻址的功能。

工作在网络层的网络设备主要有：路由器、三层交换机。

数据链路层

数据链路层在两个网络实体之间提供数据链路连接的创建、维持和释放管理。还负责传输过程中的流量控制、差错检测和差错控制等内容。

工作在链路层的设备主要有网桥、交换机。

物理层

物理层负责在各种物理媒体上发送和接收数据比特

OSI参考模型三次封装生成的协议数据单元（PDU）的名称都不一样的。

第一次封装由传输层完成，封装后的PDU叫 数据段

第二次封装由网络层完成，封装后的PDU叫 数据包

第三次封装由数据链路层完成，封装后的PDU叫 数据帧

2.TCP/IP模型

TCP/IP是一组用于实现网络互联的通信协议。Internet网络体系结构已TCP/IP为核心。基于TCP/IP的参考模型将协议分成四个层次，它们分别是应用层、传输层、网络互联层、网络接入层。

（1）应用层

应用层对应OSI参考模型的五、六、七 三层，为用户提供所需要的各种服务。

（2）传输层

传输层对应OSI参考模型的传输层，为应用层实体提供端到端的通信功能，保证了数据包的顺序传送及数据的完整性。

（3）网络互联层

网络互联层对应OSI参考模型的网络层，主要解决主机到主机的通信问题。工作在该层的协议主要有网际协议（IP）、因特网控制报文协议（ICMP）、因特网组管理协议（IGMP）等

（4）网络接入层

网络接入层与OSI参考模型中的物理层和数据链路层相对应。它负责监视数据在主机和网络之间的交换。

TCP/IP模型 由上至下

应用层 传输层 网络互联层 网络接入层

第二章 物理层

一、认识物理层

1.通信系统组成

一个数据通信系统可划分为三大部分，即源系统（或发送端、发送方）、传输系统（或传输网络）和目的系统（或接收端、接收方），

（1）源系统一般包括以下两个部分：

源点：源点设备产生要传输的数据，例如，计算机产生输出的数据比特流。

发送器：通常源点生成的数据比特流要通过发送器编码后在传输系统中进行传输。

（2）目的系统一般也包括两部分：

接收器：接收传输系统传输过来的信号，并把它转换为能够被目的设备处理的信息。

终点：终点设备从接收器获取传送来的数据比特流，然后把信息输出（例如，把汉字在计算机屏幕上显示出来）。

2.通信方式

从通信的双方信息交互的方式来看，可以有以下三种基本方式。

单工通信：又称为单向通信，即只能有一个方向的通信而没有反向的交互。

半双工通信：又称为双向交替通信，即通信的双方都可以发送信息，但双方不能同时接收和发送。这种通信方式是一方发送，另一方接收。

全双工通信：又称为双向同时通信，即通信的双方可以同时发送和接收信息。单向通信只需要一条信道，而双向交替通信或双方同时通信都需要两条信道（每个方向各一条）。

3.传输方式

串行传输 是指数据一位一位地按顺序传送。串行通信具有传输线路少、成本低的特点。

并行传输 是指数据在传输过程中，同时通过很多条通道传输的一个通信方式。并行通信是一种高效的数据传输方式。

4.物理层连接方式

物理层连接方式有点对点（两个节点互联）、点到多点（节点和多个节点互联）。

5.相关定义

信号：信号是信息传输的媒介，信号是表示消息的物理量。如电信号可以通过幅度、频率、相位的变化来表示不同的消息。这种信号有 模拟信号 和数据信号 两类。

模拟信号： 信号波形模拟着信息的变化而变化，其主要特征是其幅度是连续的，可去无限多个值；而在时间上则即可连续，也可不连续。

数字信号： 不仅在时间上是离散的，而且在幅度上也是离散的，只能取有限个数值的信号。二进制信号就是一个数字信号，它是由“1”和“0”这两个数字的不同组合来表示不同的信息。

信道： 数据传输的通道，也是信号传输的媒介。

带宽：所谓带宽，是“频带宽度”的简称，指某个信号具有的频带宽度，指通信线路或设备所能传送信号的范围，通常由该频带的最大值减去最小值所得。在传统的通信线路上传送的是模拟信号，这种意义上的 贷款单位是赫兹Hz。

在现在的计算机网络中，带宽用来表示网络中传输数据的能力，也就是在一个特定时间内传输数据的能力，以bit/s（比特每秒）为单位。类似于一条水管，带宽指的是水管能够输送的最大水量。

速率： 数据的传输速率，反映了数据在网络中传输的速度，速率的单位是bit/s（比特每秒）。它类似于汽车的速度，表示每秒能够传输的数据量。

带宽与速率的关系：举个例子，你骑电动车去上班，路上限速80km/h，这就类似于网络的带宽（最高传输速率），电动车的最高速度是40km/h，就可以理解成速率（额定速率），但是电动车在形式的过程中并不会达到40km/h的速度。

时延：一个报文或分组从网络的一端传送到另一端所需要的时间。它包括了发送时延、传播时延、处理时延。（时延＝发送时延＋传播时延＋处理时延）。

二、传输介质

传输介质是指在网络中传输信息的载体，常用的传输介质为 有线 传输介质和 无线 传输介质两大类。

有线 传输介质主要有双绞线、同轴电缆和光纤。双绞线和同轴电缆传输电信号，光纤传输光信号。

同轴电缆可用于模拟信号和数据信号的传输，可应用于各种场景，其中最重要的是：有线电视传播、长途电话传输、计算机系统之间的短距离连接以及局域网等。

光纤是一种用于传输光信号的细长柔性玻璃或塑料材料。按照光纤传输光信号的模式分为单模光纤（SMF）和多模光纤（MMF）。

无线传输介质有无线电波和红外线。 无线数据通信的IEEE标准包含以下几个。

（1）Wi-Fi（IEEE802.11）：无线LAN（WLAN）技术，通常称为Wi-Fi。

（2）蓝牙（IEEE802.15）：这是一个无线个人局域网（WPAN）标准，通常称为“蓝牙”。它采用设备配对的方式进行通信。

（3）WiMAX（IEEE802.16）：通常称为“微波接入全球互通”（WiMAX），这个无线标准采用点到多点拓扑结构，提供无线带宽接入。

（4）Zigbee（IEEE802.15.4）：Zigbee是一种用于低数据速率、低功耗通信的规范。它适用于需要短距离、低数据速率和长电池寿命的应用。Zigbee通常用于工业和物联网（Iot）环境，如无线照明开关和医疗设备数据采集。

红外线是利用红外线来传输信号的通信方式，叫红外线通信。

三、数据通信基本概念

香农公式，是香农提出的，公式如下：

公式一：C=W*log2（1＋S/N）

该公式通常称为香农公式。C是数据速率的极限值，意味着这个值是不可达到的；W为信道带宽，单位赫兹；S是信号功率，单位瓦；N是噪声功率，单位瓦。

数据编码：为了便于使用，容易记忆，常常要对计算机加工处理的对象进行编码，用一个编码符号代表一条信息或一串数据，这就是数据编码。

几种常用的编码方案有单极性码、极性码、双极性码、归零码、双相码、不归零码、曼彻斯特编码、差分曼彻斯特编码、多电平编码、4B/5B编码等。

四、通信复用方式

时分复用（TDM）：时分复用是同一信道不同时隙来传输不同的信号，使用时间区分不同的用户。时分多路复用适用于数字信号的传输。

频分复用（FDM）：频分复用就是将用于传输信道的总带宽划分成若干个子信道，每个字信道传输单路信号，使用频率区分不同的用户。频分复用要求总频率带宽大于各个子信道频率之和。

波分复用（WDM）：波分复用是将两种或多种不同博城的光载波信号在发送端经复用器（也称合波器）汇合在一起，并耦合到光线路的同一根光线中进行传输的技术；在接收端，经解复用器（也称分波器或去复用器）将各种波长的光载波分离，然后由光接收机做进一步处理已恢复原信号。这种在同一根光纤中同时传输两个或众多不同的波长光信号的技术，称为波分复用。

码分复用（CDM）：码分复用是靠不同的码来区分各路原始信号的一种复用方式，主要和各种多址技术结合产生了各种接入技术，包括无线接入和有线接入。码和时间、频率一样属于一种无线资源。