一、引入
1.网络无处不在
有线电视网络；有线电话网络；有线计算机网络；移动电话网络；无线计算机网络
2.大众熟悉的三大类网络
（1）电信网络：提供电话、电报及传真等服务
（2）有线电视网络：向用户传送各种电视节目
（3）计算机网络：使用户能在计算机之间传送数据文件
注意：发展最快的并起到核心作用的是计算机网络
现代计算机网络技术是"三网融合"
二、计算机网络的形成与发展
计算机网络从20世纪60年代开始发展至今,经历了从简单到复杂、从单机到多机、由终端与计算机之间的通信演变到计算机与计算机之间的直接通信。
1.世界上第一台电子计算机
世界上第一台电子计算机 ENIAC（埃尼阿克）。1946 年 2 月 14 日在美国宾夕法尼亚大学诞生，它占地面积约 170 平方米，重达 30 吨，由 1.8 万多个电子管、1500 多个继电器等组成，运算速度为每秒 5000 次加法运算。ENIAC 的出现，标志着电子计算机时代的到来，为现代计算机技术的发展 奠定了基础，在计算机发展史上具有里程碑式的意义。
2.发展经历的4个阶段
（1）第一阶段：远程联机阶段（简单）
1）基本介绍
20世纪60年代初期由一台中央主计算机通过通信线路连接大量的、在地理位置上处于分散的终端构成系统。这类简单的以单个主机为中心的"终端------通信线路------计算机"联机系统称为面向终端的远程联机系统
2）终端设备与计算机之间连接的方式
点-点式专线：每个终端都独占一条线路，形成一种辐射式星型结构，线路利用率很低
多点或分支连接方式：一条通信线路上串接多个终端,这样,多个终端可以共享同一条通信线路 与主机进行通信。由于主机---终端间的通信具有突发性和高带宽的特点, 所以各个终端与主机间的通信可以分时地使用同一高速通信线路。极大地提高信道的利用率
在这样的系统中，主机是网络的中心和控制者，负担较重，不仅要承担数据处理工作，还要担负起与各个终端的通信任务；而终端设备运行速度慢，操作时间长，每个用户独占一条长距离的通路，线路的利用率较低，费用高。
（2）远程联机阶段（复杂）
1）基本介绍
为了共享主机资源和信息采集以及综合处理，用一台计算机与多台用户终端相连，用户通过终端命令以交互方式使用计算机，人们把它称为远程联机系统。
2）前端处理机结构
前端处理机（FEP）用来专门负责通信工作，实现数据处理与通信控制的分工，发挥了中心计算机的数据处理能力。
3）调制解调器
由于计算机和远程终端发出的信号都是数字信号，而公用电话线路只能传输模拟信号，所以在传输 线必须把计算机或远程终端发出的数字信号转换成可在电话线上传送的模拟信号,传输后再将模信号转换成数字信号。
4）集线器结构
终端通过低速线路先汇集到集中器上，再用高速线路将集中器连到主机上。
远程联机系统：
远程联机系统特点
系统中只有一个计算机处理中心，各终端通过通信线路共享主计算机的硬件和软件资源，因此，主计算机负担过重，终端独占线路，资源利用率低。
（3）著名的面向终端的网络系统
1）1963年美国航空公司和IBM公司研究投入使用的飞机订票系统SABRAI，其中心是设在纽约的一台中央计算机，2000个售票终端遍布全国，使用多点分支线路与中央计算机相连；
2）1968年建成的美国通用电气公司的信息网络，此网络采用分层星型结构，一台主计算机连接7个中心集中器，通过它们与分布在世界上23个地点上的75个远程集中器相连。这是世界上第一个面向数据处理的商用计算机网络。
3）存在的主要问题：
计算机的负荷较重，会导致系统响应时间过长 ；单机系统的可靠性一般较低，一旦计算机发生故障，将导致整个网络系统的瘫痪
（4）第二阶段：多机互联网络阶段
1）基本介绍
随着计算机应用的发展，出现了多台计算机互连的需求， 网络用户希望通过网络实现计算机资源共享的目的；1969年9月，由于美国军方的需要，美国国防部高级研究计划局（ARPA) 的研究开始了计算机技术与通信技术相结合的尝试；
2）典型的研究成果：ARPAnet
是第一个较为完善地实现分布式资源共享的网络，是计算机网络理论与技术发展的重要里程碑
3）ARPA的主要特点
资源共享；分散控制；分组交换；采用专门的通信控制处理机；分层的网络协议。这些特点往往被认为是现代计算机网络的一般特征。
4）贡献
完成对计算机网络定义、分类的研究；提出资源子网、通信子网的网络结构概念；研究了分组交换方法；采用了层次结构的网络体系结构模型和协议体系。
（5）第一阶段与第二阶段的区别
网络中的通信双方都是具有自主处理能力的计算机； 计算机网络功能以资源共享为主，而不是以数据通信为主。
第二阶段（60年代）：计算机通信系统，特征是计算机与计算机互连
采用分组交换技术实现计算机-计算机之间的通信，使计算机网络的结构、概念都发生了变化，形成了通信子网和资源子网的网络结构
主要问题：网络对用户不是透明的
（6）第三阶段：标准化网络阶段
（7）网络互联与高速网络阶段
进入20世纪90年代,计算机技术、通信技术以及建立在互联计算机网络技术基础上的计算机网络技术得到了迅猛的发展。其特点是采用高速网络技术，综合业务数字网的实现，多媒体和智能型网络的兴起。各种网络进行互连，形成更大规模的互联网络。这就是计算机网络互联与高速网络阶段。 目前，全球以Internet为核心的高速计算机互联网络已经形成，Internet已经成人类最重要的、最大的知识宝库。网络互联和高速计算机网络就成为第四代计算机网络。
3.信息网络的融合
综合业务数字网（ISDN），俗称"一线通" 。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。
4.第四代计算机网络
特点：
（1）网络高速化可以有两个特征:网络宽频带和传输低时延(低延迟)。使用光纤等高速传输介质和高速网络技术，可实现网络的高速率；快速交换技术可保证传输的低时延。
（2）网络业务综合化是指一个网络中综合了多媒体(语音、视频 、图像、数据等)的信息，它的实现依赖于多媒体技术。
三、计算机网络的定义
1.计算机网络尚未形成严格的定义
原因: 计算机网络在不断发展，新的网络技术和网络产品不断涌现。
各种规模的计算机网络(WAN, MAN, LAN)在体系结构、拓扑结构、硬件组成和通信方式及功能上差异较大。
网络产品生产厂家出于商品利益考虑，在文字宣传上并非完全统一。
2.基本定义
计算机网络是把分布在不同地点，并具有独立功能的多个计算机系统通过通信设备和线路连接起来，在功能完善的网络软件和协议的管理下，以实现网络中资源共享为目标的系统。
3.基本内涵
（1）必须有两台或两台以上、具有独立功能的计算机系统相互连接起来，以达到共享资源为目的；
（2）计算机互相通信交换信息，必须有一条通道。这条通道的连接是物理的，由物理介质来实现（例如铜线、光纤、微波、卫星等）；
（3）计算机系统之间的信息交换，必须要遵守某种约定和规则。
4.参考定义
四、计算机网络的主要功能
1.连通性
计算机网络为计算机之间的信息交互提供连通性，不同计算机上的应用程序之间可以
交互信息，用户可以通过应用程序互相交互信息，用户也可以通过应用程序与应用程序交互信息。
是通信基础设施信息交互的平台，但与传统通信基础设施最大的不同在于：其端系统是功
能强大、具有智能的计算机！
2.主要功能
（1）资源共享
1）硬件资源：包括各种类型的计算机、大容量存储设备、 计算机外部设备，如彩色打印机、静电绘图仪等。
2）软件资源：包括各种应用软件、工具软件、系统开发所用的支撑软件、语言处理程序、数据库管理系统等。
3）数据资源：包括数据库文件、数据库、办公文档资料、 企业生产报表等。
4）信道资源：通信信道可以理解为电信号的传输介质。通信信道的共享是计算机网络中最重要的共享资源之一。
（2）网络通信
通信通道可以传输各种类型的信息,包括数据信息和图形、图像、声音、视频流等各种多媒体信息。
（3）分布处理
把要处理的任务分散到各个计算机上运行，而不是集中在一台大型计算机上。这样，不仅可以降低软件设计的复杂性，而且还可以大大提高工作效率和降低成本。
（4）集中管理
对地理位置分散的组织和部门,可通过计算机网络来实现集中管理,如数据库情报检索系统、交通运输部门的定票系统、 军事指挥系统等。
（5）均衡负荷
当网络中某台计算机的任务负荷太重时，通过网络和应用程序的控制和管理，将作业分散到网络中的其它计算机中，由多台计算机共同完成。
五、计算机网络的结构组成
一个完整的计算机网络系统是由网络硬件和网络软件所组成的。两者相互作用,共同完成网络功能。
1.计算机网络硬件系统
是由计算机(主机、客户机、终端)、 通信处理机(集线器、交换机、路由器)、通信线路(同轴电缆、双绞线、光纤)、信息变换设备(Modem，编码解码器)等构成。
2.网络软件
（1）网络管理软件：能够完成网络管理功能的网络管理系统
（2）网络操作系统：用于管理网络软、硬件资源，提供简单网络管理的系统软件
（3）网络通信软件：用于监督和控制通信工作的软件
（4）网络协议软件
（5）网络应用软件
3.因特网
（1）基本定义
因特网是网络的网络，将全球异构的网络互联起来形成的网络
（2）特点
全球信息传播，联入了分布在全球各地的计算机。信息量大，时效长 使用检索方便 灵活多样的入网方式 任何计算机只要采用TCP/IP协议与INTERNET中任何一台主机通信，就可以成为其中一员。
（3）硬件组成
1）终端系统
主机、服务器，运行网络程序
2）通信介质
双绞线、同轴电缆、光纤、无线电波、卫星
3）中间设备
路由器、交换机等
（4）软件组成
各种网络应用程序 ：IM(如QQ),浏览器,网上视频软件,网络游戏,电子邮件客户端等
TCP/IP协议族 ：HTTP,FTP,SMTP,DNS,TCP,UDP,IPv4,ICMP,RIP,OSPF,IGMP,IPv6等
（5）按工作方式组成
1）边缘部分
由所有连接在因特网上的主机组成。这部分是用户直接使用的，用来进行通信（传送数据、音频或视频）和资源共享。
2）核心部分
由大量网络和连接这些网络的路由器组成。这部分是为边缘部分提供服务的（提供连通性和交换）。
网络核心部分是因特网中最复杂的部分。网络中的核心部分要向网络边缘中的大量主机提供连通
性，使边缘部分中的任何一个主机都能够向其他主机通信（即传送或接收各种形式的数据）。在网络核心部分起特殊作用的是路由器(router)。路由器是实现分组交换(packet switching)的关键构件 ，其任务是转发收到的分组，这是网络核心部分最重要 的功能。
4.网络常见设备
（1）交换路由设备
（2）网络安全设备：防火墙
1）硬件防火墙
把防火墙程序做到芯片里面，由芯片程序执行网络安全策略、监控系统所有端口的硬件设备。个人硬件防火墙依靠植入芯片程序能进行信息包过滤、特洛伊木马过滤和脚本过滤，避免计算机受到恶意的攻击，提高了网络安全性。其体积与家庭使用的路由器大小相当，一般通过网线连接于外部网络接口与内部网络之间，无需设置便可以轻松使用。安装简单、使用方便、体积小、价格低等特点。
2）硬件防火墙和软件防火墙区别
相同点：
个人硬件防火墙和软件防火墙原理都是一样的,都是基于OSI网络层和传输层的控制和筛选；
不同点：
-
个人硬件防火墙是把软件功能集成在ASIC芯片里，完全独立于电脑系统运行。个人硬件防火墙可以减轻系统CUP的负荷。而软件防火墙是依托于电脑系统运行的。
-
个人硬件防火墙是连接到路由器之前的设备，这样就能确保进入路由器的数据已经是过滤了的安全的数据；而软件防火墙是进入电脑后进行过滤；
（3）无线网络设备
无线网卡和无线路由器等
六、计算机网络逻辑组成
计算机网络要完成数据处理与数据通信两大基本功能，因此在逻辑结构上可以将其分成两部分：资源子网和通信子网。
1.资源子网
是计算机网络的外层，它由提供资源的主机和请求资源的终端组成。资源子网的任务是负责全网的信息处理。
2.通信子网
是计算机网络的内层，它的主要任务是将各种计算机互连起来完成数据传输、交换和通信处理。
七、网络的拓扑结构
拓扑学是几何学的一个分支。拓扑学首先把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,即拓扑结构(Topology Structure)。在计算机网络中，抛开网络中的具体设备，把服务器、工作站等网络单元抽象为"点" ，把网络中的电缆、双绞线等传输介质抽象为"线" 。计算机网络的拓扑结构就是指计算机网络中的通信线路和结点相互连接的几何排列方法和模式。拓扑结构影响着整个网络的设计、功能、可靠性和通信费用等许多方面，是决定局域网性能优劣的重要因素之一。
1.总线型拓扑结构
总线型拓扑结构是指所有结点共享一根传输总线,所有的站点都通过硬件接口连接在这根传输线上。
优点：结构简单，价格低廉、安装使用方便。
缺点：故障诊断和隔离比较困难。
2.星型拓扑结构
星型拓扑结构是符合令牌协议的高速局域网络。它是以中央结点为中心，把若干外围结点连接起来的幅射式互连结构。
优点：单点故障不影响全网，结构简单。增删节点及维护管理容易；故障隔离和检测容易，延迟时间较短。
缺点：成本较高，资源利用率低；网络性能过于依赖中心节点。
3.树型拓扑结构
树型结构是星型结构的扩展，它由根结点和分支结点所构成。
优点：结构比较简单，成本低。扩充节点方便灵活。
缺点：对根的依赖性大。
4.环型拓扑结构
环型拓扑结构将所有网络结点通过点到点通信线路连接成闭合环路,数据将沿一个方向逐站传送，每个结点的地位和作用相同，且每个结点都能获得执行控制权。
环型结构的显著特点是每个节点用户都与两个相邻节点用户相连。
优点：简化路径选择控制，传输延迟固定,实时性强,可靠性高。
缺点：节点过多时,影响传输效率。环某处断开会导致整个系统的失效，节点的加入和撤出 过程复杂。
5.网状拓扑结构
网状拓扑结构中的所有结点之间的连接是任意的,没有规律。实际存在与使用的广域网基本上都采用网状拓扑结构。
优点：具有较高的可靠性。某一线路或节点有故障时，不会影响整个网络的工作。
缺点：结构复杂，需要路由选择和流控制功能，网络控制软件复杂，硬件成本较高，不易管理和维护。
八、计算机网络的分类
1.按网络交换技术分类
交换------按照某种方式动态地分配传输线路的资源，从输入线路连通输出线路。
三种网络交换技术：电路交换、报文交换、分组交换
（1）电路交换技术------电话系统
特点
分为三个阶段：
建立连接：建立一条专用的物理通路（占用通信资源）。
通话：主叫和被叫双方互相通电话（一直占用通信资源）。
释放连接：释放刚才使用的专用的物理通路（归还通信资源）。
这种必须经过"建立连接（占用通信资源）、通话（一直占用通信资源）、释放连接（归还通信资源）"三个步骤的交换方式称为电路交换。
优缺点
通信质量好、资源利用率低
（2）报文交换技术
特点
无连接服务（发信前不需要建立连接）
存储转发（信件逐站传递）
资源共享（邮筒可以同时存放多人的信件，邮筒之间的道路并不会始终被独占。）
（3）分组交换技术
计算机数据传输的特点：
突发性：计算机数据是突发性地出现在传输线路上，其余大部分时间通信线路上是空闲的。
复杂性：可能是一对一通信，但也可能是一对多通信 （不能独占资源）。
计算机网络不适合采用电路交换，否则资源利用率很低，也不适合采用报文交换。计算机网络使用分组交换技术。
核心思想：
1）分组：将所需传输的较大文件分成多个小的报文
2）存储转发：分组交换机（路由器）收到分组，先存储到缓存中，然后排队等待处理，最后选择输出链路转发出去。
3）资源共享：多个用户可以共享一段链路。一般的链路都是串行传输的，一个时刻只能一个用户占有链路，因此资源共享是宏观的。
2.按覆盖范围分类
（1）局域网
局域网的作用范围是几百到几千米，通常用于组建企业网和校园网。
其主要特点是：
1）覆盖的地理范围较小，只在一个相对独立的局部范围内联，如一座或集中的建筑群内。
2）数据传输速率高（10Mb/s～10Gb/s），通信延迟时间短，可靠性较高。局域网可以支持多种传输介质。
LAN的拓扑结构常用的是总线型和环行，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。
（2）城域网
城域网是局域网的延伸,用于局域网之间的连接,网络规模局限在一座城市范围内, 覆盖的地理范围从几十至几百公里。
（3）广域网
广域网又称远程网，是指在一个很大地理范围（从数百公里到数千公里，甚至上万公里）由许多局域网组成的网络。大型的广域网可以由各大洲的许多局域网和城域网组成。最广为人知的广域网就是Internet，它由全球成千上万的局域网和广域网组成。
广域网、城域网和局域网的划分只是一个相对的分界，而且随着计算机网络技术的发展，三者的界限已经变得模糊了。
接入网AN
九、计算机网络的性能指标
1.速率
最重要的一个性能指标。指的是数据的传送速率，也称为数据率 (data rate) 或比特率 (bit rate)。
速率往往是指额定速率或标称速率，非实际运行速率。
2.带宽
常用的带宽单位
更常用的带宽单位是：
千比每秒，即 kb/s （10^3 b/s）
兆比每秒，即 Mb/s（10^6 b/s）
吉比每秒，即 Gb/s（10^9 b/s）
太比每秒，即 Tb/s（10^12 b/s）
在计算机界，
K = 2^10 = 1024
M = 2^20
G = 2^30
T = 2^40
3.吞吐量
单位时间内通过某个网络（或信道、接口）的实际数据量。
受网络的带宽或网络的额定速率的限制。额定速率是绝对上限值。可能会远小于额定速率，甚至下降到零。
有时可用每秒传送的字节数或帧数来表示。
4.分组交换网络的时延
时延(delay或latency)是指一个报文或分组从一个网络(或一条链路)的一端传送到另一端所需的时间。
传输时延(发送时延)：发送数据时，数据块从结点进入到传输媒体所需要的时间。也就是从发送数据块的第一个比特算起，到其最后一个比特发送完毕所需的时间。
（1）处理时延
交换结点为存储转发而进行一些必要的处理所花费的时间。由转发表规模、交换结点性能决定。
（2）排队时延
分组在结点的缓存队列中排队所经历的时延。排队时延的长短往往取决于网络中当时的通信量。分组在路由器排队等待，路由器查找转发表花费的时间。
（3）传播时延
电磁波在信道中需要传播一定的距离而花费的时间。由传播介质，链路长度决定。
信号传输速率（即发送速率）和电磁波在信道上的传播速率是完全不同的概念。
（4）电磁波传播速率
自由空间的传播速率是光速 = 3.0ⅹ10^5 km/s
在铜线电缆中的传播速率约 = 2.3ⅹ10^5 km/s
在光纤中的传播速率约 = 2.0ⅹ10^5 km/s
注意：
发送时延与传播时延有本质上的不同。
发送时延发生在机器内部的发送器中，与传输信道的长度（或信号传送的距离）没有任何关系。
传播时延则发生在机器外部的传输信道媒体上，而与信号的发送速率无关。信号传送的距离越远 ，传播时延就越大。
（5）四种时延所产生的地方
（6）时延
数据经历的总时延就是发送时延、传播时延、处理时延和排队时延之和：
总时延 = 发送时延+传播时延+处理时延+排队时延
注意：
必须指出，在总时延中，究竟是哪一种时延占主导地位，必须具体分析。
一般说来，小时延的网络要优于大时延的网络。
在某些情况下，一个低速率、小时延的网络很可能要优于一个高速率但大时延的网络。
（7）容易产生的错误概念
对于高速网络链路，我们提高的仅仅是数据的发送速率，而不是比特在链路上的传播速率。提高数据的发送速率只是减小了数据的发送时延。
宽带线路：每秒有更多比特从计算机注入到线路。
宽带线路和窄带线路上比特的传播速率是一样的。
宽带和窄带线路：车速一样
宽带线路：车距缩短
5.丢包率
丢包率即分组丢失率，是指在一定的时间范围内，分组在传输过程中丢失的分组数量与总的分组数量的比率。
具体：接口丢包率、结点丢包率、链路丢包率、路径丢包率、网络丢包率等。
在现代计算机网络中网络拥塞是丢包的主要原因。因此，丢包率反映了网络的拥塞情况。
6.时延带宽积
7.往返时间RTT
例
8.利用率
信道利用率指出某信道有百分之几的时间是被利用的（有数据通过）。完全空闲的信道的利用率是零。
网络利用率则是全网络的信道利用率的加权平均值。
时延与网络利用率的关系
十、本章小结
1.计算机网络是用通信线路和通信设备将分布在不同地点的具有独立功能的多个计算机系统互相连接起来，在网络软件的支持下实现彼此之间的数据通信和资源共享的系统。
2.计算机网络的发展经历了远程联机阶段、互联网络阶段、标准化阶段、网络互联与高速网络等四个阶段。典型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部分。
3.计算机网络拓扑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，它反映出网络中各实体间的结构关系。网络拓扑对网络性能、系统可靠性与通信费用都有重大影响。
4.计算机网络的分类有多种，通常以覆盖面积来将其分为：广域网、城域网、局域网。按交换的功能分为电路交换、报文交换、分组交换网。计算机网络最主要两个性能指标是带宽和时延。