5.计算机网络基础

1.

基本概念

1.1.

计算机网络的定义

1.1.1

将地理位置不同的、具有独立功能的多台计算机及其外部设备
通过通信设备和线路连接起来，
在网络软件的管理和协调下，
实现资源共享和数据通信的计算机系统

计算机网络的基本单元是具有独立功能的计算机

网络软件，是指运行在网络上的网络协议、操作系统、应用软件等

衡量计算机网络的性能指标

速率

网络传输数据的速度，单位为bps\Kbps\Mbps\Gbps

带宽

网路允许的传输数据的最高速度

1.2.

计算机网络的功能

1.2.1

数据传输

1.2.2

资源共享

硬件共享

软件共享

数据共享

1.2.3

分布式处理

1.3.

计算机网络的发展

1.3.1

1950+ 面向终端的第一代计算机网络

终端（Terminal），位于网络结构末端的计算机，无法独立工作，需要连接主机才能工作

主机（host）:具有较强性能的昂贵计算机，只有具有独立数据处理和存储功能

特点：实现了大量终端共享主机的计算资源。但是严格意义上说，终端没有独立处理数据的功能，因此不算真正的计算机网络。同时一旦主机受损，整个网络就会瘫痪。

案例：银行结算系统，飞机电话订票系统

1.3.2

1960+ 分组交换网为中心的第二代计算机网络

主机：连接在分组交换网络中的具有独立出具处理能力的计算机

接口报文处理机IMP：实现存储转发的专用网络设备，现代路由器、交换机的前身

特点：主机之间可以彼此通信，共享数据，实现了中心的网络结构，是真正的计算机网络

案例：ARPA网（美国冷战时期军事通信网络，现代因特网前身）；电话网络telnet

1.3.3

1981+体系结构标准化的第三代计算机网络

国际标准化组织（ISO）提出了开放系统互连参考模型（OSI），开启了网络软件（协议）标准化的进程；

同时各个厂商也在指定自己的网络软件（协议）标准，目前事实上的标准是TCP/IP

特点：体系结构标准化网络，让各个厂商都可以生产标准化的设备，为网络时代的大繁荣奠定了基础

1.3.4

以网络互连核心和第四代计算机网络

特点：将通过路由器等设备将不同网络连接在一起，从而形成可以互相范文的互联网

案例；国际互联网internet

1.4.

计算机网络的分类

1.4.1

按地域大小划分

局域网，Local Area Network, LAN

l例：企业网，校园网

城域网, Metropolitan Area Network, MAN

在实际中被广域网技术取代

广域网, Wide Area Network, WAN

例：公共电话网，公共数据网

1.5.

网络协议

1.5.1

定义：正如人类交流要采用一套语言，其中包含语法语义规则，计算机网络通信时也要使用一套类似的规则，并用软硬件实现，即网络协议

语法

通信时双方交换数据的格式

语义

数据所代表的含义

同步规则

通信时交流顺序的说明

1.5.2

协议栈：如同人类语言是一个复杂的系统，设计网络协议也是较为复杂的。为了降低复杂度，人们将系统分层（即所谓结构化设计法），划分为简单的协议，这些协议的集合成为协议栈

类比：人类发邮件的过程，可分为三层协议：用户之间，邮局之间和铁路局之间的协议。每层协议有专门的语法、语义、同步规则，而高层不需要知道底层的细节（比如用户看信，需要知道铁路是怎么运输的吗）

计算机网络协议栈：计算机网络上的数据传输也被划分为类似的数层协议。最底层是比特流，网上数据不断封装成该层协议所能理解的数据格式。高层不需要知道底层的细节。

1.6.

计算机网络体系结构

1.6.1

定义：以特定功能为目标的协议栈

1.6.2

IOS/OSI 七层协议栈

国际标准化组织ISO于1981年制定的标准，共7层，极大推动了网络发展。但并实际并未能商业推广。

1.6.3

TCP/IP 四层协议栈

当今Internet普遍采用的协议栈是TCP/IP协议栈，共4层，
从上到下分别是应用层，传输层，网际层，网络接口层。
右图标志了每层下的主要协议， 以及与OSI模型的对照关系。

2.

Internet基础

2.1.

Internet概述

2.1.1

Internet(因特网)是连接全球信息资源的巨型信息网络的名称

r

因特网是诞生于美国，最后覆盖全世界的开放性全球计算机网络系统。但是，因特网并不是全球唯一的互联网络。欧洲有欧盟网（Euronet），美国还有国际学术网（BITNET）等等。因此，INTETNET（大写）这个单词，特指美国诞生的这个计算机网络。互联网一词，则泛指大型计算机网络，包括因特网和其他大型网络。由于因特网应用的广泛性，所以有时这个词会跟互联网混淆。

历史

试验阶段（1959-1984）：因特网发源自美国冷战时期的ARPAnet

学术阶段（1985-）：美国科学基金会建立了基于TCP/IP的NSF网络主要应用于美国各大高校，进行科学研究

商业阶段（1990+）：以后信息高速公路计划推行，互联网逐渐
推广至全球，呈爆发式增长

协议栈：因特网采用了TCP/IP协议栈（1985）

层次划分

底层网：各个企业和高校的局域网

中间层：地区网络和商用网络，
例如甘肃电信，北京联通

主干网：国家或大型电信公司承建，
例如电信网、联通网、美国ANSnet

2.1.2

IP地址

概念：IP地址是IP协议提供的一种地址格式，是运行TCP/Ip协议的唯一标识。

为internet上每一个网络和每一台主机分配一个网络地址，以此来屏蔽物理地址的差异。

地址：IPv4的地址，共32位，可分为4组，每组8个二进制位；
为了记忆方便，通常这8位二进制位采用3位十进制表示

例如学校FTP：172.16.18.4

IP地址的分类

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为了更好地管理和应用IPV4地址，一个IPV4分为网络位和主机位。理论上32位的IPv4地址，可以由2的32次方即4 294 967 296个IP地址，但由于地址分类和各种保留，所以实际可用的地址远远不到这个数。而现在连接互联网的设备如此之多，而IP地址分配不均（例如美国的A类地址数目是中国的40倍），以此产生了IP地址不够用的问题。解决方案是采用IPv6(128位地址)，和采用诸如NAT盒等技术。

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理论上32位的IPv4地址，可以由2的32次方即4 294 967 296个IP地址，但由于地址分类和各种保留，所以实际可用的地址远远不到这个数。而现在连接互联网的设备如此之多，而IP地址分配不均（例如美国的A类地址数目是中国的40倍），以此产生了IP地址不够用的问题。解决方案是采用IPv6(128位地址)，和采用诸如NAT盒等技术。

子网

概念：32位IP地址表示的网络地址数有限，而网络却很多，因此需要将多个小网络通过路由器等设备组成一个大型网络，这些小网络称为大型网络的子网

子网掩码：子网掩码可以帮助IP地址找出其网络地址部分和主机地址部分

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子网掩码某位为1，表示该位所对应IP地址中的一位是网络地址部分中的一位，若某位为0，表示它对应IP地址中的一位是主机地址部分中的一位。例：IP地址202.112.0.36与掩码255.255.255.0进行“与”运算，可得到网络地址202.112.0，屏蔽IP地址中的网络部分，可得到中国教育科研网主机地址36

分支主題

2.1.3

域名

概念：由于IP地址全是数字，人类不容易记忆。因此因特网设置了域名系统（DNS）来为每台接入主机提供一个具有意义的名称。例如：www.lut.cn （兰州理工大学）

结构：诸如——主机名.机构名.顶层域名
域名的顺序如同英文地址的顺序，最大的放右边，最小的放左边。

例子；moe.edu.cn 中国教育部
moe是主机名，edu是教育机构，cn是代表中国的顶级域名

顶级域名

DNS服务器：internet从底层网络到主干网都设有域名服务器，域名服务器包含该子网的全体域名和地址信息，负责域名和IP地址的转换

最顶级的DNS服务器一共有13个，都在美国

2.1.4

统一资源定位器URL

URL：是将互联网上资源进行定位的主要方式

r

URL（Uniform Resource Locator ）用来定位资源信息及所使用的协议URL结构：协议类型//存放资源的主机域名[和资源文件名]

2.2.

Internet的接入方式

2.2.1

城市地面固定电话铜线网

ADSL

PPP拨号

远程终端拨号

2.2.2

LAN接入

2.2.3

有线电视HFC网宽带接入

2.2.4

移动通信网络接入

2.2.5

卫星通信网络接入

2.3.

Internet基本服务

2.3.1

WWW浏览

WWW万维网，简称Web，允许用户通过web客户端（通常是浏览器）访问web服务器上的资源页面。

r

万维网 是一个由许多互相链接的超文本组成的系统，通过互联网访问。在这个系统中，每个有用的事物，称为一样“资源”；并且由一个全局“统一资源标识符”（URL）标识；这些资源通过超文本传输协议（Hypertext Transfer Protocol）传送给用户，而后者通过点击链接来获得资源。万维网并不等同互联网，万维网只是互联网所能提供的服务其中之一，是靠着互联网运行的一项服务。

超链接：默认以蓝色加下划线的方式表示

浏览器

搜索引擎

2.3.2

FTP传输

FTP可以使Internet用户把远程FTP服务器上的资源下载，或是将本地资源上传过去。

2.3.3

远程登录（Telnet）

本地计算机可以链接到远程的另一台计算机上去，作为这台计算机的终端

2.3.4

电子邮件

SMTP邮件发送服务器和POP3邮件接收服务器

2.3.5

防火墙

防火墙是一组完成身份验证的软硬件系统，防止外部攻击导致的内部信息外泄

2.4.

网页制作

2.4.1

主要计算机语言

HTML超文本标记语言，负责页面主要内容

CSS层叠样式表，负责页面布局

javascript脚本语言，负责页面逻辑内容

2.4.2

网页制作软件

Dreamweaver

photoshop

webstorm

aptanastudio

...

2.4.3

web服务器设置

XP系统下简易服务器的安装

r

在Windows2000/XPProfessional环境下通过控制面板中的“添加删除组件|Windows组件向导|Internet信息服务”完成安装。当安装完成后，系统自动创建一个Web服务器，设置了一个默认的Web 站点，该站点位于C:\InetPub\wwwroot中，默认的IP地址为127.0.0.1

4.

局域网

4.1.

局域网的设备组成

4.1.1

独立计算机设备

服务器

客户机

4.1.2

接口设备

按网络类型划分

以太网卡（有线网卡）

无线网卡

2G/3G/4G网卡

按网络接口划分

RJ-45（用于双绞线）

光纤接口（使用光纤）

USB

4.1.3

传输介质

双绞线（通常网线，UTP）

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使用RJ45（水晶头）接口成本低密度高、节省空间安装容易（综合布线系统）平衡传输（高速率）抗干扰性一般，连接距离较短（<100米）

带屏蔽层的双绞线（STP）

r

用铝箔屏屏蔽外界干扰

同轴电缆

r

早期局域网常使用同轴电缆，但那时候的同轴电缆传输速率很低。现在的同轴电缆多见于有线电视网（CATV），目前常用CATV电缆的传输带宽为750MHz。

现在常见于有线电视网

光纤

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优点：高带宽，衰减小，不受电磁干扰，很细且重量轻，安全性很高缺点：新兴的、陌生的技术领域，光的传输是单向的，光纤接口的价格比电子接口贵

传输速度最快！

无线

无线电波

微波

红外线

可见光

4.1.4

互连设备

交换机（Switch）

工作在数据链路层，为接入交换机的任意两个节点提供独立的数据传输（以避免冲突发生），是网内互连设备。（但也有高档交换机可以同时做的路由器工作）

集线器（hub）

工作在物理层，集线器的功能是将信号放大并传输给所有其他端口，与交换机相比不具备减少冲突的功能，是网内互连设备

路由器（router）

工作在网络层，实现不同局域网之间的互连，是网际互连设备

无线接入点（AP）

即无线交换机，如手机可以开无线热点，就是一种无线AP

无线路由器

带路由器功能的无线AP

4.1.5

网络软件

网络协议

TCP/IP协议栈

网络操作系统

windows server

Unix

Linux

网络应用软件

浏览器

IE，chrome等

连接工具

FTP工具，迅雷等

4.2.

局域网结构

4.2.1

根据网络内计算机的工作模式划分

对等主机（peer to peer, p2p）

客户机/服务器（client/servers, C/S）

4.2.2

根据网络拓扑结构划分

总线型结构

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优点布线简单、节点增删容易、成本较低。缺点节点发送信息时要竞用总线，容易引起冲突；如果节点数过多，则会降低网络的速度；故障影响大且难以检测和排除。应用早期用于以太网，目前已经较少采用。

早期局域网的主要结构，
存在冲突问题，现已被星型结构取代

星形结构

r

优点结构简单、组网容易、控制相对简单；故障影响小且容易检测和排除。缺点电缆数量大，安装工作量可观；通信线路利用率低；中心节点是全网可靠性的瓶颈，如果中心节点出现故障，则整个网络的通信就会瘫痪。应用在以太网中得到了非常广泛的应用。

在现今局域网中应用最为普遍的结构，
但存在单点故障（即中心机故障会导致网络瘫痪）

环形结构

r

优点结构简单、实时性强。缺点增删节点操作复杂且会干扰整个网络的正常运行；故障影响大且难以检测和排除。应用早期的令牌环网和FDDI就是采用环型结构，目前环型拓扑由于其独特的优势（单向传输）主要应用于光纤网中。

早期令牌环网结构，现主要用于光纤网中
（因为单向传输的优势）

树形结构

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可以认为是星形结构的扩展。

星形结构的扩展

网状结构

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优点系统可靠性高，即：系统不受瓶颈问题和失效问题的影响。缺点结构复杂、成本高、网络协议复杂。应用军方或其它特殊用途，一般应用不使用这种结构。

系统可靠性高，成本昂贵；一般做军事用途

4.3.

常用局域网

4.3.1

有线局域网(以太网）

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以太网是由XeroxPalo Alto ResearchCenter（PARC）于1975年研制成功。以太网有两个标准：DIX Ethernet （1980）IEEE 802.3 （1983）

第一代以太网 （1975:10Mbps ）

快速以太网（1995:100Mbps）

千兆以太网（1998:1000Mbps）

万兆以太网（2002:10000Mbps）

4.3.2

无线局域网

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无线局域网（WLAN），基于IEEE 802.11标准，是20世纪90年代局域网与无线通信技术相结合的产物。它还不能完全脱离有线网络，它只是以太网的扩展和补充，而不是以太网的替代产品。6006",

无线局域网的主要标准

3.

云计算和物联网（自主学习）