第一章 计算机网络概述
本章知识点结构如下图所示：
1.1 计算机网络的形成与发展
1.1.1 计算机网络发展阶段的划分
第一阶段：计算机网络技术与理论准备阶段（可以追溯到20世纪50年代）
· 数据通信 技术日趋成熟，为计算机网络的形成奠定了技术基础。
· 分组交换 概念的提出为计算机网络的研究奠定了理论基础。
第二阶段：计算机网络的形成 （从20世纪60年代）
· ARPANET 的成功运行证明了分组交换理论 的正确性。 （ ARPANET 是计算机网络技术发展的
里程碑。 ）
· TCP/IP 协议的广泛应用为更大规模的网络互 联奠定了坚实的基础。
· E-mail、FTP、TELNET等应用展现出网络 技术广阔的应用前景。
第三阶段：网络体系结构的研究（20世纪70年代中期开始）
· OSI参考模型的研究对网络理论体系的形成与发展，以及在网络协议标准化研究方面起到了重要的推动作用。
· TCP/IP 经受了市场和用户的检验，吸引了大量的投资，推动了Internet应用的发展，成为业界标准。
第四阶段：Internet应用、无线网络与网络安全技术研究的发展（从20世纪90年代开始）
· Internet作为全球性的网际网与大型信息系统，在当今政治、经济、文化、科研、教育与社会生活等方面发挥了越来越重要的作用。
· Internet大规模接入推动了接入技术的发展，促进了 "三网融合" （计算机网络、电信通信网与有线电视网）
· 对等（P2P）网络技术的研究，使得"即时通信"等新的网络应用不断涌现，进一步丰富了人与人之间信息交互与共享的方式。
· 无线局域网与无线城域网技术日益成熟，并已进入应用阶段。无线自组网、无线传感器网络的研究与应用受到了高度重视。
· 通过射频标签RFID、各种类型的传感器与传感网，以及光学视频感知与摄录设备，能够方便、自动地采集各种物品、环境信息，拓宽了人与人、人与物、物与物之间更为广泛的信息交互，促进了物联网（IoT）技术的形成与发展。
· 随着网络应用的快速增长，社会对网络安全问题的重视程度也越来越高。强烈的社会需求推动了网络安全技术的快速发展。
1.1.2 计算机网络的形成与发展
1．ARPANET研究
· 背景
通信网络方案的设计两个基本问题：
（1） 网络拓扑结构：集中式和非集中式拓扑构型，分布式网络拓扑构型如下图所示
（2） 数据传输方式
分组交换设计思想：早期电路交换网线路利用率低，误码率高
分组交换：
① 网络中无中心控制点
② 发送数据的主机将发送数据封装成独立的、有固定格式的分组
③ 如果原端和目的端无直接连接的通信线路，小通过中间节点采用"存储转发"转发分组（路由器）
④ 目的端接受到分组重新组装
分组交换技术：
下图是通信子网结构 与分组交换原理 示意图：
ARPANET 最早四个节点的结构分布在：加州大学圣芭芭拉分****校，斯坦福大学，加州大学圣洛杉矶分校，犹他大学
2．TCP/IP协议研究与发展
ARPANET的协议结构如下如所示：
它是由美国高级研究规划署·(ARPA)提供资金，于1969年创建的。·
1977年ARPANET提出了TCP/IP协议
3．NSFNET对Internet发展的影响
1982年提出了DNS 的概念
1.1.3 Internet的高速发展与信息高速公路的建设
1993年9月，美国公布了国家信息基础设施（NII）建设计划，NII被形象地称为信息高速公路。
1995年2月全球信息基础设施委员会（GIIC）成立，目的是推动与协调各国信息技术与信息服务的发展与应用。
电信运营商纷纷将竞争重点和大量资金转移到高效、经济、支持大量用户接入和支持多种业务的城域网建设中。
1.1.4 宽带城域网与三网融合技术的发展
计算机网络、电信通信网、电视传输网
1.1.5 物联网技术的形成与发展
物联网由麻省理工大学自动识别实验室在1999年提出的， "The Internet of Things" 。
是在Internet技术的基础上，利用射频标签、无线传感与光学传感等感知技术（传感芯片或者射频标签芯片），自动获取物理世界的各种信息，通过三网融合形成的下一代网络系统，构建一个覆盖世界上人与人、人与物、物与物的智能信息系统。
理解物联网的基本概念，需要注意的几个问题：
1.物联网是Internet的接入方式的延伸与功能的扩展。
2.物联网实现物理世界与信息世界的无缝连接。
3.物联网预示着网络技术将会在更大范围、更深层次应用的发展趋势。
4.物联网提出了很多新的研究课题。（身份认证，命名与寻址，异构性，可扩展性等）
1.2 计算机网络技术发展的三条主线
第一条主线：从ARPANET到Internet
ARPANET的研究奠定了Internet发展的基础，而联系两者的是TCP/IP协议。
在Internet形成过程中，广域网、城域网、局域网与个人区域网技术逐步成熟。
今后除了计算机之外，各种PDA、智能手机、传感器、射频标签系统等移动数字终端设备都会连接到Internet之中。
P2P技术受到学术界与产业界的高度重视。新的基于P2P网络应用不断出现，成为21世纪网络应用重要的研究方向之一。
第二条主线：从无线分组网到无线自组网、无线传感器网络
无线自组网Ad hoc是一种特殊的无线、自组织、对等、多跳、移动的网络，具有重要的应用价值。
无线传感器网络WSN的研究受到高度关注，被评价为"21世纪最有影响的21项技术之一 "和"改变世界的十大技术之首" 。
无线传感器网络已经成为物联网重要的支撑技术之一。
无线个人区域网络在家庭网络中的应用具有很好的应用前景。无线个人区域网的802.15.4标准、蓝牙协议、ZigBee协议已经成为当前研究与应用的热点。
我们可以对几种无线技术做一个简要的比较：
|-------------------|-------------------|-----------------------------------------|----------|
| 无线技术 | 优点 | 缺点 | 节点成本 |
| WiFi(802.11b、a和g) | 使用现有网络，高速率、前向后向兼容 | 高功耗、协议开销大、需要接入点 | 约20美元 |
| 蓝牙 | 目前用里很大、对语音最优 | 以移动电话为中心，每网最多8个节点 | 低于5美元 |
| ZigBee (802.15.4) | 低功耗、可选路的网状网，无需接入点 | 采集粉尘和有毒气体等数据，在矿井，可实现环境检测、语音通讯和人员位置定位等功能 | 50美分(预计) |
| 无源RFID标记 | 成本很低、无功耗 | 无处理能力，需要阅读器和数据存储器 | 5-50美分 |
第三条主线：网络安全技术
现实社会对网络技术依赖的程度越高，网络安全技术就越显得重要。
目前网络攻击呈现出"趋利性"的特点。
网络安全是一个系统的社会工程，涉及技术、管理、道德与法制环境等多个方面。
物联网将要面临着更为严峻的网络安全问题。
1.3 计算机网络定义与分类
1.3.1 计算机网络定义
问题1:计算机网络的基本目的？
问题2：根据你的理解，怎样构成计算机网络？
计算机网络是"以相互共享资源的方式互联起来的自治计算机系统的集合" 。
计算机网络主要特征：
组建计算机网络的主要目的是实现计算机资源的共享。
互联的计算机系统是自治的系统。
联网计算机之间的通信必须遵循共同的网络协议。
Compter network：用通信技术将大量独立计算机系统互联起来的集合。
网络互联（ internet ）：将多个计算机网络互连成大型网络系统。
Internet：因特网、互联网的专用名词，指目前广泛应用、覆全世界的大型网络系统。是由很多网络互联起来的国际网。
Intranet：采用TCP/IP与Web的系统设计方法的企业内部的专用网络。
1.3.2 计算机网络的分类方法
计算机网络按照其覆盖的地理范围进行分类，可以很好地反映不同类型网络的技术特征。
按覆盖的地理范围划分，计算机网络可以分为：广域网、城域网、局域网与个人区域网。
理解网络分类需要注意几个问题：
距离数据只是一些参考值，这之间没有严格的界限。
随着技术的进步，局域网、城域网、广域网之间的界限越来越模糊了。
连接用户10m之内的数字移动终端设备的网络多是用无线通信技术，因此个人区域网更准确的含义是无线个人区域网。
无线个人区域网（WPAN）是目前发展最为迅速的领域之一。
1.3.3 广域网
广域网具有两个主要的特征：
广域网是一种公共数据网络。
广域网研究的重点是宽带 、核心交换技术。
1.3.4 城域网
早期城域网，FDDI ,光纤为传输介质，速率100Mbps，100千米范围内的局域网互联。
宽带城域网的定义：
宽带城域网是以IP协议为基础，通过计算机网络、广播电视网、电信网的三网融合，形成覆盖城市区域的网络通信平台，为语音、数据、图像、视频传输与大规模的用户接入提供高速与保证质量的服务。
宽带城域网技术的主要特征：
1.完善的光纤传输网是宽带城域网的基础。
2.传统电信、有线电视与IP业务的融合成为了宽带城域网的核心业务。
3.高端路由器和多层交换机是宽带城域网的核心设备。
4.扩大宽带接入的规模与服务质量是发展宽带城域网应用的关键。
宽带城域网技术的功能结构：
业务管理系统：接入业务，语音，视频，虚拟专用网
网络管理系统：用户认证，计费，IP地址分配，业务管理
宽带城域网网络层次构：
汇聚层：汇聚接入层用户的流量，实现IP分组的汇聚，转发，流量均衡
核心层：为汇聚层提供高速分组转发，与地区、国家主干网互联，提供诚实宽带IP数据出口
1.3.5 局域网
局域网的定义：
局域网（LAN）用于将有限范围内（例如一个实验室、 一幢大楼、 一个校园）的各种计算机、终端与外部设备互联成网。
按照采用的技术、应用范围和协议标准的不同，局域网可以分为共享局域网与交换局域网。
局域网主要技术特征：
1.局域网覆盖有限的地理范围，它适用于机关、校园、工厂等有限范围内的计算机、终端与各类信息处理设备连网的需求。
2.局域网能够提供高数据传输速率（10Mbps～100Gbps）、低误码率的高质量数据传输环境。
3.局域网一般属于一个单位所有，易于建立、维护与扩展。
4.决定局域网性能的三个因素是：拓扑、传输介质与介质访问控制方法。
5.局域网可以用于办公室、家庭个人计算机的接入，园区、企业与学校的主干网络，以及大型服务器集群、存储区域网络、云计算服务器集群的后端网络。
1.3.6 个人区域网
随着笔记本计算机、智能手机、PDA、投影仪与信息家电的广泛应用，人们逐渐提出自身附近10m范围内的个人操作空间（POS）移动数字终端设备联网的需求。
由于个人区域网络（PAN）主要是用无线通信技术实现联网设备之间的通信，因此就出现了无线个人区域网络（WPAN）的概念。
目前在无线传感器网络WSN中主要使用的无线通信技术是802.11标准的WAN、802.15.4标准的无线个人区域网技术、蓝牙技术、ZigBee技术。
WIFI和WLAN的区别
WAN所包含的协议标准有：IEEE802.11b协议、IEEE802.11a协议、IEEE802.11g协议、IEEE802.11e 协议、IEEE802.11i协议
WIFI就是WLANA(无线局域网联盟)的一个商标，WIFI 主要采用802.11b协议，因此人们逐渐习惯用WIFI来称呼802.11b协议。从包含关系上来说，WIFI是WLAN的一个标准，WIFI包含于WLAN中，属于采用WLAN协议中的一项新技术。WiFi的覆盖范围则可达300英尺左右(约合90米)。WLAN无线上网覆盖范围更宽，而WIFI无线上网比较适合比如智能手机，平板电脑等智能小型数码产品。
无线个人区域网络技术研究的现状：
1.蓝牙技术特点：
（1）开放的规范。
（2）近距离无线通信。
（3）语音和数据传输。
（4）在世界任何地方都能进行通信。
2.ZigBee技术特点：
（1）ZigBee的基础是IEEE802.15.4标准，早期的名字是HomeRF或FireFy。
（2）ZigBee是一种面向自动控制的近距离、低功耗、低速率、低成本的无线网络技术。
（3）ZigBee适应于数据采集与控制节点多、数据传输量不大、覆盖面广、造价低的应用领域。
（4）基于ZigBee的无线传感器网络已在家庭网络、安全监控、汽车自动化、消费电器、儿童玩具、医用设备控制、工业控制、无线定位等领域，特别是在家庭自动化、医疗保健与工业控制中展现出重要的应用前景，引起产业界的高度关注。
1.4 计算机网络的组成与结构
1.4.1 早期计算机网络组成与结构
从逻辑功能上看，广域网是由资源子网与通信子网等两个部分组成。
资源子网包括：主机与终端、终端控制器、联网外设、各种网络软件与数据资源。
通信子网包括：路由器、各种互联设备与通信线路。
1.4.2 ISP的层次结构
用户接入与使用各种网络服务都需要经过Internet服务提供商(ISP)来提供的。
问题：宽带城域网结构分为哪三个层次？
ISP可以分为多个层次。
1.4.3 Internet的网络结构
Internet网络结构的主要特点：
（1）大量的用户计算机与移动终端设备通过符合802.3标准的局域网、802.11标准的无线局域网、802.16标准的无线城域网、无线自组网、无线传感器网络，有线电话交换网、无线3G/4G/5G移动通信网，以及有线电视网接入本地的ISP、企业网或校园网。
（2）ISP将终端用户的计算机汇接到宽带城域网。宽带城域网通过城市宽带出口连接到国家或国际级主干网。
（3）大型主干网是由大量分布在不同地理位置、通过光纤连接的高端路由器构成，提供高带宽的传输服务。
（4）国际或国家级主干网组成Internet的主干网。国际、国家级主干网与地区主干网连接有很多服务器集群，为接入的用户提供各种Internet服务。
Internet 核心交换部分与边缘部分 的抽象方法
1.5 计算机网络拓扑结构
1.5.1 计算机网络拓扑的定义
理解网络拓扑知识需要注意的问题：
1.拓扑学是将实体抽象成与其大小、形状无关的"点" ，将连接实体的线路抽象成"线" ，进而研究"点" 、"线" 、 "面"之间的关系。
2.计算机网络拓扑是通过网中节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之间的结构关系。
3.计算机网络拓扑是指通信子网的拓扑结构。
1.5.2 计算机网络拓扑的分类与特点
基本的网络拓扑构型的结构如下图所示：
（a）星型拓扑
节点通过点-点通信线路与中心节点连接。
中心节点控制全网的通信，任何两节点之间的通信都要通过中心节点。
星形拓扑结构简单，易于实现，便于管理。
网络的中心节点是全网性能与可靠性的瓶颈，中心节点的故障可能造成全网瘫痪。
（b）环形拓扑
节点通过点-点通信线路连接成闭合环路。
环中数据将沿一个方向逐站传送。
环形拓扑结构简单，传输延时确定。
环中每个节点与连接节点之间的通信线路都会成为网络可靠性的瓶颈。环中任何一个节点出现线路故障，都可能造成网络瘫痪。
为了方便节点的加入和撤出环，控制节点数据传输顺序，保证环的正常工作，需要设计复杂的环维护协议。
（c）总线形拓扑
所有节点连接到一条作为公共传输介质的总线，以广播方式发送和接收数据。
当一个节点利用总线发送数据时，其他节点只能接收数据。
如果有两个或两个以上的节点同时发送数据时，就会出现冲突，造成传输失败。
总线形拓扑结构的优点是结构简单，缺点是必须解决多节点访问总线的介质访问控制问题。
（d）树形拓扑
节点按层次进行连接，信息交换主要在上、下节点之间进行，同层节点之间通常不进行数据交换，或数据交换量比较小。
树形拓扑可以看成是星形拓扑的一种扩展，树形拓扑网络适用于汇集信息。
（e）网状拓扑
节点之间的连接是任意的，没有规律。网状拓扑的优点是系统可靠性高。
网状拓扑结构复杂，必须采用路由选择算法、流量控制与拥塞控制方法。
1.6 分组交换技术的基本概念
1.6.1 数据交换方式的分类
1.6.2 线路交换的特点（Circuit switching）
优点：通信线路 专用，实时性强
缺点： 不适合突发通信 不具备数据存储能力和差错控制
1.6.3 分组交换的特点（Packet switching ）
存储转发交换的特点：
1.发送的数据与目的地址、源地址、控制信息一起，按照一定的格式组成一个数据单元（报文或报文分组）再发送出去。
2.路由器可以动态选择传输路径，可以平滑通信量，线路的利用率高。
3.数据单元在通过路由器时需要进行差错处理，可以提高数据传输可靠性。
4.路由器可以对不同通信速率的线路进行速率转换。
报文与报文分组的比较如下图所示：
报文交换与分组交换的比较如下图所示：
报文交换与分组交换的比较：
1.当一个路由器将一个长报文送到下一个路由器时，发送报文的副本必须保留，以备出错重发。
2.在相同误码率下，报文越长出错可能性越大。
3.每次传送的报文长度不同，需要对报文起始位和结束位进行判断和处理。
4.报文长度变化路由器每次要根据报文长度来预订存储空间，致使存储空间利用率低。
1.6.4 数据报方式与虚电路方式
数据报方式（datagram ）
虚电路方式（virtual circuit）
我们可以简单做一下数据报和虚电路的对比：
|----------|-------------------------|----------------------------|
| 对比的方面 | 虚电路 | 数据报 |
| 连接的建立 | 必须有 | 不要 |
| 目的站地址 | 仅在连接建立阶段使用，每个分组使用短的虚电路号 | 每个分组都有目的站的全地址 |
| 路由选择 | 在虚电路连接建立时进行，所有分组均按同一路由 | 每个分组独立选择路由 |
| 当路由器出故障 | 所有通过了出故障的路由器的虚电路均不能工作 | 出故障的路由器可能会丢失分组，一些路由可能会发生变化 |
| 分组的顺序 | 总是按发送顺序到达目的站 | 到达目的站时可能不按发送顺序 |
| 端到端的差错处理 | 由通信子网负责 | 由主机负责 |
| 端到端的流量控制 | 由通信子网负责 | 由主机负责 |
1.6.5 数据报交换与线路交换的比较
延时的基本概念：
延时是描述网络性能的重要参数之一。
网络延时包括发送延时、传播延时、排队延时与处理延时。
发送延时如下图所示：
传播延时如下图所示：
排队延时如下图所示：
总延时=发送延时+传播延时+排队延时+处理延时
电路交换过程的总延时组成如下图所示：
分组交换的总延时组成成如下图所示：
1.6.6 面向连接服务与无连接服务
面向连接服务：
1.面向连接服务数据传输过程必须经过连接建立、连接维护与释放连接的三个阶段。
2.面向连接服务的在数据传输过程中，各个分组不需要携带目的结点的地址。
无连接服务：
1.在无连接服务中，每个分组都携带完整的目的结点地址，各个分组在系统中是独立传送的。
2.无连接服务数据传输过程不需要经过连接建立、连接维护与释放连接等三个阶段。
3.由于无连接服务发送的分组可能经历不同路径发送到目的主机，先发送的分组不一定先到达目的主机，因此在无连接服务的数据分组传输过程中，目的主机接收的分组可能出现乱序、重复与丢失现象。
4.无连接服务的可靠性不是很好，但是由于省去了很多保证机制，它的通信协议相对简单，通信效率比较高。
确认和重传机制：
1.面向连接服务与无连接服务对数据传输的可靠性有影响，但是数据传输的可靠性一般通过确认和重传机制保证。
2.确认是指目的主机在接收到每个分组后，要求向源主机发送正确接收分组的确认信息。
3.如果发送主机在规定的时间内没有接收到确认信息，就会认为该数据分组发送失败，这时源主机会重新发送该数据分组。
4.确认和重传机制可以提高数据传输的可靠性，但是需要制定较为复杂的确认和重传协议，并且要增加网络通信负荷与占用网络带宽。