第二章 网络基本概念
2-2 计算机网络的定义
2-2-1 计算机网络定义的基本内容
按照资源共享的观点，我们可以将计算机网络定义为“以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”。
这个定义体现了以下的几个基本特征：
计算机网络建立的主要目的是实现计算机资源的共享。计算机资源主要指计算机硬件、软件与数据
互连的计算机是分布在不同地理位置的多台独立的“自治计算机” ,它们之间可以没有明确的主从关系。
连网计算机之间的通信必须遵循共同的网络协议
2-2-2 计算机网络的基本结构及其特点
1、早期计算机网络结构
在网络发展过程中，最早出现的是广域网。广域网主要有数据处理和数据通信两大功能。从计算机网络的组成的角度来看，早期的计算机网络从逻辑功能上可以分为资源子网和通信子网两个部分。
资源子网
资源子网由主计算机系统（主机）、终端、终端控制器、连网外设、各种软件资源与信息资源组成。主要负责全网的数据处理业务，向网络用户提供各种网络资源与网络服务。
2、通信子网
通信子网由通信控制处理机、通信线路与其他通信设备组成，完成数据传输、转发等通信处理任务。
现代网络结构的特点
随着微型计算机的广泛使用，大量的微型计算机通过局域网连入广域网，而局域网与广域网、广域网与广域网的互联是通过路由器实现的。在INTERNET中，用户计算机通过校园网、企业网或ISP联入地区主干网，地区主干网通过国家主干网联入国家间的高速主干网，这样就形成一种由路由器互联的大型、层次结构的互联网络。
2-3 计算机网络的分类
2-3-1 网络分类方法
计算机网络的分类方法主要有两种：按使用的传输技术分类，根据网络的覆盖范围与规模分类。
按照传输技术分类
在通信技术中，通信信道的类型有两类：广播通信信道与点对点通信信道。相应的计算机网络也可分为两类：广播式网络与点对点式网络。
在广播式网络中，所有连网计算机都共享一个公共通信信道。当一台计算机利用共享通信信道发送报文分组时，所有其他的计算机都会“收听”到这个分组。
在点对点式网络中，每条物理线路连接一对计算机。假如两台计算机之间没有直接连接的线路，那么它们之间的分组传输就要通过中间结点接收、存储、转发，直至目的结点。由于从源结点到目的结点之间的线路比较复杂，因此需要有路由选择算法。采用分组存储转发与路由选择是点对点式网络与广播式网络的重要区别之一。
2、按照覆盖的地理范围分：
计算机网络可以分为三类：局域网、城域网与广域网。
2-3-2 广域网(WAN)
广域网也称为远程网。它所覆盖的地理范围从几十公里到几千公里。广域网的通信子网主要使用分组交换技术。
广域网应具备以下特点：
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
由于计算机的数据传输具有“突发性”的特点，通信子网中的负荷极不稳定，随之可能带来通信子网的暂时与局部的拥塞现象。因此广域网必须能适应大数据、突发性传输的要求，并能对网络拥塞有良好的控制功能。
讨论广域网必然会涉及X.25网、帧中继、SMDS、B-ISDN与ATM网。
X.25网：使用 CCITT的X.25建议标准。采用速率较低，误码率较高的电缆传输介质。为了保证数据传输的可靠性，X.25协议包括了差错控制、流量控制、拥塞控制等功能。X.25协议的复杂执行过程必然要增大网络传输的延迟时间。
帧中继（FR）：使用数据传输速率高、误码率低的光纤，使用简单的协议，以减小网络传输延迟，而必要的差错控制功能将由用户设备来完成。
B-ISDN：综合业务数据网。实现电话网，电报网和数据通信网的三网合一。
ATM（异步传输模式）：能保证用户对数据传输服务质量QoS的需求。实现了线路交换，分组交换的结合，符合B-ISDN的需求，因此B-ISDN选择了ATM作为它的数据传输技术。
2-3-3 局域网（LAN）
在局域网领域中，采用以太网Ethernet、令牌总线(Token Bus)、令牌环(Token Ring)原理的局域网产品形成了三足鼎立之势。
2-3-4 城域网（MAN）
城域网是介于广域网与局域网之间的一种高速网络。城域网设计的目标是要满足几十公里范围内的大量企业、机关、公司的多个局域网互连的需求，以实现大量用户之间的数据、语音、图形与视频等多种信息的传输功能。早期的城域网产品主要是光纤分布式数据接口(FDDI)。
目前的城域网建设方案有几个共同点，那就是：传输介质采用光纤，交换结点采用基于IP交换的高速路由交换机或ATM交换机，在体系结构上采用核心交换层、业务汇聚层与接入层的三层模式。
2-4 计算机网络的拓朴构型
2-4-1 计算机网络拓朴的定义
网络的拓扑结构指的是通过网中结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间的结构关系。拓扑设计是建设计算机网络的第一步，也是实现各种网络协议的基础，它对网络性能、系统可靠性与通信费用都有重大影响。计算机网络拓扑主要是指通信子网的拓朴构型。
2-4-2 网络拓朴分类方法
网络拓扑分为两类：点对点线路通信子网的拓朴与广播信道通信子网的拓朴。
点对点式网络的基本拓朴构型有：星型、环型、树型、网状型
广播式网络的基本拓朴构型有：总线型、树型、环形、无线通信与卫星通信型。
星型结构：结点通过点对点通信线路与中心结点连接，中心结点控制全网的通信，任何两结点之间的通信都要通过中心结点。
环型结构：将结点通过点对点通信线路连接成闭合环路。
树型结构：结点按层次进行连接，信息交换主要在上、下结点之间进行，相邻及同层结点之间一般不进行数据交换或数据交换量小。
网状结构；又称为无规则型。结点之间的连接是任意的，没有规律。具有较高的系统可靠性，但结构复杂，必须采用路由选择算法与流量控制方法。目前实际存在和使用的广域网基本上都采用网状拓朴。
2-5数据传输速率与误码率
2-5-1 数据传输速率的定义
计算机网络数据通信有两个基本参数：数据传输速率与误码率
数据传输速率
是描述数据传输系统的重要技术指标之一。等于每秒钟传输构成数据代码的二进制比特数，单位为比特/秒，记作bps，对于二进制数据，数据传输速率为：
S=1/T
其中T为发送每一比特所需要的时间。例如，如果在通信信道上发送1比特0、1信号所需要的时间是0.001ms，那么信道的数据传输速率为1 000 000bps。
常用的数据传输速率单位有：kbps,Mbps,Gbps
1kbps=103 bps
1Mbps=106 bps
1Gbps=109 bps
带宽与数据传输速率
在现代网络技术的讨论中，人们总是以“带宽”来表示信道的数据传输速率，信道带宽与数据传输速率的关系，可以用奈奎斯特准则与香农定律来回答。这两个定律从定量的角度描述了“带宽”与“速率”的关系。
奈奎斯特准则：最大数据传输速率是信道带宽的两倍。（一般达不到最大传输速率）
最大数据传输速率Rmax与通信信道带宽B（B=f，单位Hz）的关系可以写为：
Rmax=2f
对于二进制数据，若信道带宽为3000HZ，则最大数据传输速率为6000bps
香农定理：描述了有限带宽、有随机热噪声信道的最大传输速率与信道带宽、信号噪声功率比之间的关系。
数据传输速率Rmax与信道带宽B，信号与噪声功率比S/N的关系为：
Rmax=Blog2(1+S/N)
Rmax单位为bps，带宽B单位为Hz。如果S/N=1000，信道带宽B=3000Hz，那么Rmax=30(kbps)
2-5-2 误码率的定义
是指二进制码元在数据传输系统中的被传错的概率，是衡量网络质量的一个参数。
Pe = Ne/N
其中 N 表示传输的二进制码元总数；Ne表示被传错的码元数。
应注意的问题：
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，误码率越低，传输系统设备越复杂，造价越高。
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。
另外还要注意，差错的出现具有随机性，在实际测量一个数据传输系统时，只有被测量的传输二进制码元数越大，才会越接近于真正的误码率值。
注意：由于计算机通信的平均误码率要求低于10-9，所以普通的通信线路如不采取差错控制技术，是不能满足计算机的通信要求的。
2-6 网络体系结构与网络协议的基本概念
2-6-1 网络体系结构的基本概念
计算机网络由多个互连的结点组成，每个结点都必须遵守一些事先约定好的规则。这些规则精确地规定了所交换数据的格式和时序。这些为网络数据交换而制定的规则、约定与标准被称为网络协议。
网络协议的三要素：
语法：即用户数据与控制信息的结构与格式。
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。
一个功能完备的计算机纸张需要制定一套复杂的协议集，对于复杂的计算机网络协议最好组织方式是层次结构模型。我们将计算机网络层次结构模型和各层协议的集合定义为计算机网络体系结构。网络体系结构是对计算机网络应完成的功能的精确的定义，而这些功能是用什么样的硬件和软件实现的，则是具体的实现问题。体系结构是抽象的，而实现是具体的，是能够运行的一些硬件和软件。
网络体系结构示意图
协议1
协议2
协议3
协议4
协议N
层次结构的优点：
各层之间相互独立。
灵活性好。当任何一层发生变化时，只要接口保持不变，则在这层以上或以下各层均不受影响。
各层可采用最合适的技术来实现，不影响其他层。
易于实现和维护。
有利于促进标准化。
世界上第一个网络体系结构是IBM公司于1974年推出的，命名为“系统网络体系结构SNA”
2-6-2 ISO/OSI参考模型
1、OSI参考模型的基本概念
国际标准化组织ISO发布的最著名的ISO标准是ISO/IEC7498,又称为X.200建议。该体系结构标准定义了网络互连的七层框架，即ISO开放系统互连参考模型。可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。
2、OSI参考模型的结构与各层的主要功能
OSI模型将整个网络的通信功能划分为七个层次，并规定了每层的功能以及不同层如何协作完成网络通信。七层由低到高的次序分别称为：物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层和应用层，如图所示
各层的主要功能：
物理层：利用物理传输介质为数据链路层提供物理连接，以便 透明地传送比特流，是七层中唯一的物理连接。
数据链路层：在通信实体之间建立数据链路连接，传送以帧为单位的数据，采用差错控制，流量控制方法，使有差错的物理线路变成无差错的数据链路。
网络层：传送分组数据，实现路由选择、阻塞控制、网络互连几大功能。
传输层：向用户提供可靠的端到端服务，透明的传送报文。是高层与低层的分界线。
会话层：组织两个会话进程之间的通信，并管理数据的交换。
表示层：处理在两个通信系统中交换信息的表示方式，包括数据格式转换、数据加密与解密、数据压缩与恢复等功能。
应用层：是OSI参考模型的最高层。实现文件传送访问和管理、虚拟终端、事务处理、远程数据库访问、制造业报文规范和目录服务。
2-6-3 TCP/IP参考模型与协议
TCP/IP的发展过程
TCP/IP并不是OSI的标准协议，但在目前是最流行的商业化协议，是事实上的标准。
特点：（1）开放的协议标准，可以免费使用
（2）独立于特定的网络设施，适用于各类网络
（3）统一的网络地址分配方案，分配唯一地址
（4）标准化的高层协议
TCP/IP参考模型与层次
TCP/IP参考模型（见图3-10）
互连层：负责将源主机的报文分组发送到目的主机，源主机与目的主机可以在一个网上，也可以在不同的网上。
处理来自传输层的分组发送请求
处理接收的数据报
处理互连的路径、流控与阻塞问题
传输层：在互连网中源主机与目的主机的对等实体之间建立用于会话的端对端连接。它定义了两种协议：传输控制协议TCP、用户数据报协议UDP
TCP协议是一种可靠的面向连接的协议，它允许将一台主机的字节流无差错的传送到目的主机。
UDP协议是一种不可靠的无连接协议，它主要用于不要求按分组顺序到达的传输中，分组传输顺序检查与排序由应用层完成。
应用层：包括了所有高层协议，主要有：
网络终端协议TELNET
文件传输协议FTP
电子邮件协议SMTP
域名服务DNS，用于实现网络设备名字到IP地址映射的网络服务
路由信息协议RIP
网络文件系统NFS
HTTP协议，用于WWW服务
主机—网络层：是参考模型的最低层，通过网络发送和接收IP数
据报，同时包括各种物理层协议。
TCP/IP参考模型层次与协议之间的关系如下图所示：
注意：
ARP/RARP并不属于单独的一层，它介于物理地址（MAC）与IP地址之间，起着屏蔽物理地址细节的作用。
应用层的协议分为两种，一种依赖于TCP连接实现服务，一种依赖于UDP连接实现服务。
依赖TCP协议的主要有：文件传输协议FTP、电子邮件协议SMTP以及超文本传输协议HTTP。
依赖UDP协议的主要有：简单网络管理协议SNMP、简单文件传输协议TFTP。
可以使用TCP协议，又可以使用UDP协议的是域名服务DNS。
2-7 典型计算机网络
2-7-1 ARPANET
1969年11月，实验性的ARPANET开通。
2-7-2 NSFNET
是第一个使用TCP/IP协议的广域网，采取层次型结构，分为主干网、地区网与校园网。ANS公司在1990年接管了NSFNET。
2-7-3 Internet
2-7-2 Internet2
由于Internet的商业化，使其业务量增多，从而导致了它的性能的降低。在这种情况下，一些大学申请了国家科学基金，以建立一个新的、独立的NSFNET内部使用的网络，相当于一个专用的Internet，供这些大学使用。1996年10月，这种想法以Internet2的形式付诸实施。
Internet2的特点：
Internet2可以连接到现在的Internet上，但是它的宗旨是组建一个为其成员组织服务的专用的网络。
Internet2初始运行速率可达10Gbps。
Internet2在网络层运行的是IPv4，同时也支持IPv6业务。
2-8 网络计算研究与应用的发展
2-8-1 网络计算的基本概念
网络计算有着非常广泛的内涵，网络被视为最强有力的超级计算环境。移动计算网络、网络多媒体计算、网络并行计算、网格计算、存储区域网络与网络分布式对象计算正在成为网络新的研究与应有的热点问题。
2-8-2 移动计算网络的研究与应用
1、移动计算的基本概念
是将计算机网络和移动通信技术结合起来，为用户提供移动的计算环境和新的计算模式，其作用是在任何时间都能够及时、准确地将有用信息提供给在任何地理位置的用户。
移动计算包括移动计算网络和移动Internet。移动计算网络是指主机或局域网可在网中漫游。基于Internet的移动计算网络也称移动Internet，是目前该领域研究的热点。
2、无线局域网（WLAN）
以微波、激光、红外线等无线电波来部分或全部代替有线局域网中的同轴电缆、双绞线、光纤，实现了移动计算网络中移动结点的物理层与数据链路层功能。
3、Ad hoc 网络
Ad hoc网络是一种由一组用户群构成，不需要基站的移动通信模式。在这种方式中，没有固定的路由器。每个系统都具备动态搜索、定位和恢复连接的能力。
4、WAP协议
无线应用协议WAP是一个开放的全球化协议，能让用户使用移动电话访问Internet，提供了一个对无线Internet的解决方案。
5、移动IP技术
开发移动IPV4协议，支持移动结点在Internet中漫游。
用户离开北京总公司，出差到上海分公司时，只要简单地将笔记本电脑连接至上海分公司网络上，就可以享受到跟在北京总公司里一样的所有操作。用户依旧能使用北京总公司的共享打印机，或者可以依旧访问北京总公司同事电脑里的共享文件及相关资源；诸如此类的种种操作，让用户感觉不到自己身在外地，同事也感觉不到你已经出差到外地了。换句话说：移动IP的应用让用户的“家”网络随处可以安“家”，不再忍受移动节点因“出差”带来的所有不便之苦
2-8-3 多媒体网络的研究与应用
1、多媒体网络的基本概念
多媒体网络是指能够传输多媒体数据的通信网络。多媒体网络需要支持多媒体传输所需要的交互性与实时性要求。
目前已经出现了大量的网络多媒体系统，其中典型的有网络视频会议系统、分布式多媒体交互仿真系统、远程教学系统与远程医疗系统。
2、网络视频会议系统
网络视频会议系统是一种典型的网络多媒体系统。国际电信联盟ITU定义了基于电信网络的多媒体会议系统标准H.320.H.323。
可以把网络多媒体应用系统分为一对一系统、一对多系统、多对一系统、多对多系统等4种。
3、多媒体网络应用对数据通信的要求
高传输带宽要求
数字化的音频、视频的数据量是很大的。分辩率为640*480的真彩色图像（像素分辨率为24b），其数据量为7。37Mb，如果以每秒25帧动态显示，则需要的通信带宽约为184Mbps（640*480*24*25）。
这样的通信带宽很难实现，减小带宽的主要方法是采用压缩技术。常用的压缩标准有ITU-T的H.261、H.263和ISO的MPEG等。
不同类型的数据对传输的要求不同
不同类型的数据对于通信网络的性能和服务有不同的要求。例如语音数据传输对实时性要求较强，而它对通信带宽的要求则不是很高，64kbps的传输速率可完全满足要求。而高质量的视频通信对实时性和通信带宽的要求都比较高。
网络中的多媒体流传输的连续性与实时性要求
网络中的多媒体传输一般都是连续、实时的传送。
网络中多媒体数据传输的低时延要求
网络中的多媒体传输同步要求（音频与视频的同步）
网络中的多媒体的多方参与通信的特点
4、传统网络对多媒体应用的不适应及解决的思路
由于传统的网络协议不适于多媒体应用，所以需要改进。改进传统网络的方法主要有增大带宽与改进协议。
增大带宽可以从传输介质和路由器性能两个方面着手。路由器是网络中的核心设备。路由器的硬件体系结构的发展经历了单总线单CPU、单总线主从CPU、单总线对称多CPU、多总线多CPU和交换结构5个发展阶段。这个发展从产品上集中表现在从基于软件实现路由功能的单总线CPU结构的路由器，转向基于硬件专用ASIC芯片的路由交换功能的高性能的交换路由器发展。
改进协议主要表现在支持IP多播、资源预留协议、区分服务与多协议标识交换等方面。
2-8-4 网络并行计算的研究与应用
1、网络并行计算的基本概念
并行计算是使用多个CPU或者计算机来协同工作的计算模式。从互联结构上，并行计算机可分为紧耦合和松耦合两种方式。早期的并行机通常采用紧耦合方式，随着网络技术的发展，人们多采用松耦合方式。
网络的并行计算主要有机群计算和网格计算。
2、机群计算
机群计算的主要思想是将一些主机连接起来，通过网络互联，使得计算机硬件、操作系统、中间件软件、各种系统管理软件有机结合起来，从而获得较高的性能价格比。
机群系统按应用目标可以分为：高性能机群与高可用性机群。按组成机群的处理机类型分为：PC机群、工作站机群、对称多处理器机群。按处理机的配置分：同构型机群与非同构型机群。
3、网格计算
网格计算的目标是将广域网上一些计算资源、数据源和其他设备等互联，形成一个大的可相互利用、合作的高性能计算网，用户可以像登录一台超级巨型机一样使用它。
网格可分为计算型网格和访问型网格。
网格计算的应用包括：桌面超级计算、智能设备、协同环境与分布式并行计算。
2-8-5 存储区域网络的研究与应用
1、存储区域网络的基本概念
数据存储数量的剧增和对数据高效管理的要求导致了存储区域网格（SAN）和网络连接存储（NAS）的出现。
SAN（Storage Area Network）存储区域网络，即通过特定的互连方式连接的若干台存储服务器组成一个单独的数据网络，提供企业级的数据存储服务。
NAS，英文全称为Network Attached Storage，可译之为网络附加存储。它被定义为一种特殊的专用数据存储服务器，内嵌系统软件，可提供跨平台文件共享功能。NAS设备完全以数据为中心，将存储设备与服务器彻底分离。
SAN和NAS可以相互融合（如下图）
2、存储区域网络
基于Internet上的存储应用，网络存储一个重要的发展趋势是存储服务提供商（SSP）的出现。
SSP致力于数据中心业务，可以向客户提供多种存储应用和服务，包括基本的磁盘存储、网络连接文件组织、容量规划和评估、文件系统管理、备份和恢复、远程镜像等功能。
