1 计算机网络的形成与发展

1.1 计算机网络的发展阶段

计算机发展可以分为以下四个阶段：

第一阶段:计算机网络技术与理论准备(20世纪50年代）

第二阶段:计算机网络的形成(20世纪60年代)

在第二阶段当中，美国国防部高级研究计划局开发了世界上第一个分组交换网——ARPANET（阿帕网），ARPANET是计算机网络发展中的一个里程碑，它是Internet（互联网）的前身。

第三阶段:网络体系结构的研究(20世纪70年代)

其中最具重要性的两个表现：ISO（国际标准化组织）制定的OSI（开放式系统互联）七层参考模型、IEEE制定的TCP/IP四层模型。

第四阶段:Internet应用、无线网络与网络安全研究的发展(20世纪90年代)

1.2 计算机网络的基本概念

1.2.1 计算机网络的定义

计算机网络是“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”

计算机网络的主要特征：

1.建立计算机网络的主要目的是实现计算机资源的共享

2.互联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”

3.联网计算机之间的通信必须遵循共同的网络协议

computer network、internet、Internet之间的区别

计算机网络（computer network）表示用通讯技术将大量独立的计算机系统互连起来的集合，例如（广域网、城域网、局域网、个人区域网）

网络互联（internet）多个计算机网络互联成大型网络系统的技术术语

因特网、互联网（Internet）专用名词，专指目前广泛应用的网际网

1.2.2 计算机网络的分类

计算机网络的分类方法最主要就是根据覆盖范围来分类，按这种方法分，可以分为以下四类：

1.广域网（WAN）

覆盖范围从几十千米到几千千米，通常覆盖一个国家、地区或横跨几个洲。研究重点：宽带核心交换技术，采用光纤作为传输介质。

2.城域网（MAN）

覆盖50~100km的城市范围，采用光纤作为传输介质，典型的技术是FDDI。FDDI支持双环结构，具备快速环自愈能力。

完整的宽带城域网主要包括业务平台，管理平台、网络平台3个平台与城市宽带出口。

业务平台：表现在用户认证与接入管理、业务管理、网络安全、计费能力、IP地址分配、QoS保证等方面

管理平台：为用户提供Internet接入业务、数据专线业务、话音业务、视频与多媒体业务、内容提供业务等

网络平台：结构分为核心交换层、边缘汇聚层与用户接入层

核心交换层：地区或国家主干网的互联，提供城市的宽带IP数据出口，提供用户所需要的路由服务

汇聚层：汇聚接入层的用户流量，实现IP分组的汇聚、转发与交换。根据接入层的用户流量，进行本地路由、过滤、流量均衡、服务质量优先级管理、安全控制、IP地址转换等处理

接入层：解决“最后一公里”问题，直接与用户相连

3.局域网（LAN）

用于有限范围内，例如一所学校、一个公司等等。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。从介质访问控制方法角度看，局域网可以分为共享介质式局域网与交换式局域网。

4.个人区域网（PAN）

主要使用无线通信技术实现联网设备之间的通信，常用的技术有蓝牙技术

1.2.3 计算机网络的拓扑结构

基本的网络拓扑有五种：星形、环形、总线型、树型、网状

非常简单明了，下面开始分别介绍这五种拓扑

1.星形拓扑

中心节点控制全网通信，任何节点之间通信都要经过中心节点。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

2.环形拓扑

闭合环路，数据沿一个方向传输，传输时延确定。任意一个节点都会成为网络可靠性的瓶颈，任意一个节点故障、都有可能造成网络瘫痪。

3.总线型拓扑

以广播方式发送和接收数据。当一个节点发送数据时，其他节点只能接收数据。

4.总线型拓扑

树型拓扑可以看成是星形拓扑的一种扩展，信息交换只要在上、下节点之间进行

5.网状拓扑

节点之间连接无规律，可靠性高、广域网一般都采用网状拓扑。必须采用路由选择算法、流量控制与拥塞控制方法

1.2.4 描述计算机网络传输特性的参数

1.数据传输速率的定义

1B（Byte字节）=8b（bit比特）

1KB=1024B
1MB=1024KB

以此类推…

2.奈奎斯特定理（没有噪声的信道中）

我们定义：

( R ) 为最大传输速率（单位：b/s）
( W ) 为信道带宽（单位：Hz）
( V ) 为每个码元的离散电平数则最大传输速率=2Wlog₂V (单位：b/s)

例：对于某带宽为4000Hz的低通（没有噪声）信道，采用16种不同的物理状态来表示数据，信道的最大传输速率是

答：理想低通信道下的极限数据传输率=2Wlog₂V ，16种不同的物理状态，即V=16。

所以最大传输速率=2✖4000✖log₂16=32000b/s=32kb/s

3.香农定理（含噪声）

( R ) 为最大传输速率（单位：b/s）
( W ) 为信道带宽（单位：Hz）
( S ) 为信号功率（单位：瓦特）
( N ) 为噪声功率（单位：瓦特）
(S/N) 为信号功率与噪声功率的比值

信噪比=10log₁₀（S/N）

我们先求出（S/N）的值，将值代入香农公式中计算出最大传输速率

最大传输速率=Wlog₂（1+S/N）

4.误码率（二进制码元在数据传输系统中被传错的概率）

误码率=传错的比特数/总的比特数

1.3 数据交换技术

1.3.1 线路交换

为通信双方建立一条专用的物理连接。在这一连接激活期间，所有的数据以稳定的速度从一个端点传输到另一个端点。在整个通信过程中，这条线路是保持占用状态的。

优点：

低延迟：一旦连接建立，通信双方可以立即开始交换数据，延迟相对较低。
稳定性：由于使用的是专用线路，传输速度和信号质量稳定，不受其他流量的干扰。
实时性：适合需要即时响应的应用，如语音通话、视频会议等。

缺点：

资源浪费：在整个连接期间，即使没有数据传输，这条专用线路也会被占用，造成资源浪费。
灵活性差：一旦连接建立，线路固定，网络配置不够灵活，无法适应动态变化的网络需求。
建立和拆除延迟：在进行通信之前，需要时间建立和拆除连接，这在某些短时间的数据传输中效率较低。

1.3.2 存储转发交换

实质：对数据包的“存储-处理-转发”

特点：

可靠性：由于数据包在转发之前先存储并检查，能够有效减小错误数据传输。
延迟高：因为数据包必须在转发之前被完整接收和处理。

其他转发方式：

直通转发（Cut-Through Switching）

定义：
直通转发技术指的是交换机在接收到数据包头部的目标地址后，立即转发数据包，而不等待整个数据包被接收。这种方式可显著减少延迟。

存储转发交换分为两类：报文交换与报文分组交换

报文交换：直接传输一个完整的数据包。报文通常具有一个头部和一个数据部分，头部包含控制信息（如源地址、目的地址、报文长度等）。

报文分组交换：完整的报文分为若干个小的报文分组（Packets）进行独立传输的技术。在传输过程中，每个分组都可以独立处理，且可以通过不同的路径到达目的地。

最大传输单元（MTU）

定义：
最大传输单元（MTU）是指网络协议中允许的单个数据包（或数据帧）的最大字节数。在网络中，MTU决定了在不需要进行分片的情况下，能够传输的最大数据块大小。

举例

如果一个网络连接的MTU值为1500字节，但将传输一个2000字节的数据包：

该数据包会被分片，因为其大小超过了MTU限制。分成两个分片：一个1500字节的分片和一个500字节的分片。

1.3.3 数据报交换与虚电路交换

1. 数据报交换（Datagram Switching）

定义：
数据报交换是一种基于分组交换的网络技术，其中每个数据单元称为数据报（Datagram），它们独立地路由到目的地，**不需要提前建立连接。**每个数据报包含目的地址信息，且在网络中可通过不同的路径传输。

工作原理：

在发送数据时，将数据划分为多个数据报。
每个数据报在发送时携带完整的目的地址信息。
数据报在网络中独立传输，可能会经过不同的节点和路径，抵达目的地后可能需要重新排序。
每个数据报都是独立的，传输过程不需要建立和维护连接。

优点：

高效利用带宽，易于适应网络变化和故障。
网络的容错能力强，若某一路径不通，其他数据报可以选择其他路径。

缺点：

数据报到达的顺序可能不同，需要接收方进行排序。
由于无需建立连接，每个数据报可能面临丢包或延迟，可能需要重传机制。

应用：

广泛应用于互联网协议（IP），可用于不需要强实时性的数据传输，如文件传输、电子邮件等。

2. 虚电路交换（Virtual Circuit Switching）

定义：
虚电路交换是一种为数据传输建立逻辑连接的交换技术，数据通过一家先前建立的通信通道进行传输。尽管物理路径是共享的，但虚电路使得用户感知到一种固定的连接。