计算机基础知识-第10章-计算机网络概论

一、什么是计算机网络

计算机网络是指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，通过通信线路连接起来，在网络操作系统，网络管理软件及网络通信协议的管理和协调下，实现资源共享和信息传递的计算机系统。

要注意不只是通过Wi-Fi或者网线等方法连接到一起的电脑算是计算机网络，任何属于广义计算机的设备，比如手机，平板电脑，嵌入式设备都可以，同时链接介质也可以是多种多样的，网线，光纤，Wi-Fi，蓝牙，串口，甚至是卫星都可以。只不过我们常说的计算机网络大部分时候指的都是电脑或者手机这种常见的个人设备连入的IP网络。对于一个软件工程学生来说，研究这些就足够了。但是对于做数通产品的人来说，我们研究的包括企业级网络，比如商场、大型公司内部网络，这种情况下对稳定性、带机量（能同时允许接入网络的设备数量）、带宽（速度）、权限、安全性等方面要求严格；工业级网络，一般是工厂，或者外面的交通设施，电力设施等等，这种情况下对硬件本身的稳定性要求很高，温度，湿度，对性能要求并不是很高，因为这种情况下数据量不是很大，还会有特殊要求，比如特殊的电源，3-PIN电源，还有串口等等；主干网络，比如一个城市级别的运营商（比如一级运营商移动、联通、典型、广电，二级运营商铁通、长城等等）的主干网络，这种情况下对性能和稳定性要求高。大部分情况下我们说的是IP网络，IP是一种协议（协议就是一种约定，一种规范），还有很多其他协议，比如有很多很多工业协议，以及有很多私有协议。现在只要能理解家用小型网络就可以了。

二、计算机网络历史

• 第一阶段：计算机网络萌芽阶段（1946-1969）

1946年2月14日，世界上第一台计算机ENIAC(Electronic Numerical Intgrator And calculator)在美国诞生。其后的20多年，计算机技术一直在寻找关于与通信技术相结合方面的发展，20实际50年代初，美国在本土和加拿大境内，建立了一个半自动地面防控系统，简称SAGE(赛其)系统，可以说是网络的雏形。

在此期间，范内瓦.布什 发布了《As we may think》,在这篇文章中，指出了数字化时代的到来以及搜索引擎的雏形，因此，他被成为计算机网络的教父。

• 第二阶段：计算机网络诞生阶段（20世纪70到90年代）

1969年，美国国防部高级研究计划署（ARPA）建立ARPANet。10月29日，在加州大学洛杉矶分校和斯坦福研究所进行互联实现，随后扩展为四校，加入加州大学圣巴巴分校，犹他大学。随后发展成15个站点，23台主机，1973年，ARPANet扩展成为国际互联网。

ARPA是现在互联网的雏形，这是每一个学计算机网络的人都必须熟知的。而且也正是从这里开始使用分组交换技术。

• 第三阶段：计算机网络协议标准产生与确立

ISO国际化标准组织经过十年的努力，建立了OSI开放式系统互联架构，确立了TCP/IP作为通用协议。TCP负责发现传输的问题，一有问题就发出信号，要求重新传输，直到所有数据安全正确地传输到目的地。而IP是给因特网的每一台联网设备规定一个地址。

• 第四阶段：internet国际互联

1986年，NSF建立了国家科学基金网，实现了全美互联

1987年9月14日，CANET与德国卡尔斯鲁厄大学互联，向世界发出第一封电子邮件：Accross Great wall we can reach every corner in the world（ 跨越长城，走向世界）

1993年6月，美国提出NII计划，建立信息告诉公路

1994年4月，中国正式加入信息高速公路

1997年4月，中国建设了四大网络（中国公用互联网，中国教育科研网，中国科学技术网，中国金桥网）

三、计算机网络分类

1. 按照连接范围

从地理范围划分是一种大家都认可的通用网络划分标准。按这种标准可以把各种网络类型划分为局域网、城域网、广域网和互联网四种。局域网一般来说只能是一个较小区域内，城域网是不同地区的网络互联，不过在此要说明的一点就是这里的网络划分并没有严格意义上地理范围的区分，只能是一个定性的概念。

• 局域网

（Local Area Network；LAN） 通常我们常见的“LAN”就是指局域网，这是我们最常见、应用最广的一种网络。局域网随着整个计算机网络技术的发展和提高得到充分的应用和普及，几乎每个单位都有自己的局域网，有的甚至家庭中都有自己的小型局域网。很明显，所谓局域网，那就是在局部地区范围内的网络，它所覆盖的地区范围较小。局域网在计算机数量配置上没有太多的限制，少的可以只有两台，多的可达几百台。一般来说在企业局域网中，工作站的数量在几十到两百台次左右。在网络所涉及的地理距离上一般来说可以是几米至10公里以内。局域网一般位于一个建筑物或一个单位内，不存在寻径问题，不包括网络层的应用。

这种网络的特点就是：连接范围窄、用户数少、配置容易、连接速率高。目前局域网最快的速率要算现今的10G以太网了。IEEE的802标准委员会定义了多种主要的LAN网：以太网（Ethernet）、令牌环网（Token Ring）、光纤分布式接口网络（FDDI）、异步传输模式网（ATM）以及最新的无线局域网（WLAN）。这些都将在后面详细介绍。

• 城域网

（Metropolitan Area Network；MAN） 这种网络一般来说是在一个城市，但不在同一地理小区范围内的计算机互联。这种网络的连接距离可以在10￣100公里，它采用的是IEEE802.6标准。MAN与LAN相比扩展的距离更长，连接的计算机数量更多，在地理范围上可以说是LAN网络的延伸。在一个大型城市或都市地区，一个MAN网络通常连接着多个LAN网。如连接政府机构的LAN、医院的LAN、电信的LAN、公司企业的LAN等等。由于光纤连接的引入，使MAN中高速的LAN互连成为可能。

城域网多采用ATM技术做骨干网。ATM是一个用于数据、语音、视频以及多媒体应用程序的高速网络传输方法。ATM包括一个接口和一个协议，该协议能够在一个常规的传输信道上，在比特率不变及变化的通信量之间进行切换。ATM也包括硬件、软件以及与ATM协议标准一致的介质。ATM提供一个可伸缩的主干基础设施，以便能够适应不同规模、速度以及寻址技术的网络。ATM的最大缺点就是成本太高，所以一般在政府城域网中应用，如邮政、银行、医院等。

• 广域网

（Wide Area Network，WAN） 这种网络也称为远程网，所覆盖的范围比城域网（MAN）更广，它一般是在不同城市之间的LAN或者MAN网络互联，地理范围可从几百公里到几千公里。因为距离较远，信息衰减比较严重，所以这种网络一般是要租用专线，通过IMP（接口信息处理）协议和线路连接起来，构成网状结构，解决循径问题。这种城域网因为所连接的用户多，总出口带宽有限，所以用户的终端连接速率一般较低，通常为9.6Kbps-45Mbps 如：邮电部的CHINANET，CHINAPAC，和CHINADDN网。

• 无线网

无线网特别是无线局域网有很多优点，如易于安装和使用。但无线局域网也有许多不足之处：如它的数据传输率一般比较低，远低于有线局域网；另外无线局域网的误码率也比较高，而且站点之间相互干扰比较厉害。用户无线网的实现有不同的方法。国外的某些大学在它们的校园内安装许多天线，允许学生们坐在树底下查看图书馆的资料。这种情况是通过两个计算机之间直接通过无线局域网以数字方式进行通信实现的。另一种可能的方式是利用传统的模拟调制解调器通过蜂窝电话系统进行通信。在国外的许多城市已能提供蜂窝式数字信息分组数据（ Cellular Digital Packet Data，CDPD）的业务，因而可以通过CDPD系统直接建立无线局域网。无线网络是当前国内外的研究热点，无线网络的研究是由巨大的市场需求驱动的。无线网的特点是使用户可以在任何时间、任何地点接入计算机网络，而这一特性使其具有强大的应用前景。当前已经出现了许多基于无线网络的产品，如个人通信系统（ Personal CommunicationSystem，PCS）电话、无线数据终端、便携式可视电话、个人数字助理（ PDA）等。无线网络的发展依赖于无线通信技术的支持。无线通信系统主要有：低功率的无绳电话系统、模拟蜂窝系统、数字蜂窝系统、移动卫星系统、无线LAN和无线WAN等。

常见的是Wi-Fi，也就是一般家用路由器的Wi-Fi，还有就是蜂窝网络，蜂窝网络常见的向LTE（4G及以下）、5G等等。其实无线组网还可以用蓝牙、NFC等技术，只不过一般家里用的很少。

顺便说一句，你肯定不知道Wi-Fi最初标准是谁制定的，是美国派女星海蒂·拉玛。要是感兴趣可以看她的百度百科，也挺有意思的一个人。

https://baike.baidu.com/item/%E6%B5%B7%E8%92%82%C2%B7%E6%8B%89%E7%8E%9B/10933854?fr=aladdin

2. 按照拓扑

拓扑这个词以后会经常见到，简单的说就是连接方式。

• 总线型：本质是共享带宽的方式，安装起来比较方便，成本低；如果某一站点出现问题不会影响整个网络；但是，当中传输介质出现问题会导致整个网络瘫痪；

• 环形：安装起来方便，但是他的容量是有限的；在组建好整个网络之后很难增加新的站点（现在基本上不怎么使用这种了）；

• 星形：现在使用频率较多；

• 树形：现在使用频率较多；

3. 按照传输介质

• 双绞线：也就是常说的网线，现在一般常用的有五类、超五类、六类等，就是一代代升级，速度快，准确度高，传输距离长等，一般五类线就能到千兆（1GB），有一部分超六类或者七类八类能到万兆（10GB），大部分家庭用千兆足够了，因为一般宽带进来都不到千兆，网络是一个短板效应的东西，你这一条数据链路上，传输速度取决于最慢的那个连接，家里用万兆的线，最后连接到一个十兆的服务器上，传输速度也只能有十兆。顺便说一下，双绞线英文是Twisted Pair，TP，TP-LINK正是取名于此。

• 同轴电缆：因为双绞线的发展，制作成本高等，目前很少使用。有线通目前还在使用同轴电缆，用同轴电缆组网我没见过

• 光纤：传输距离长，速率高（千兆），抗干扰强，所以是高安全网络的理想选择，光纤的原理就是初中的光反射和光折射，尽可能增大反射，减小折射，光纤一般用玻璃纤维做，所以最好不要太过于弯折

• 无线网络：采用微波，红外线传输的

这几种介质更多的物理特性你要是感兴趣可以百度查一下，程序员大部分时候不需要在意这些，这些都是物理层协议，一般都是硬件电气工程师在意的。

四、分组交换技术

在通信过程中，通信双方以分组为单位、使用存储-转发机制实现数据交互的通信方式，被称为分组交换（PS:packet switching）。

分组交换也称为包交换，它将用户通信的数据划分成多个更小的等长数据段，在每个数据段的前面加上必要的控制信息作为数据段的首部，每个带有首部的数据段就构成了一个分组。首部指明了该分组发送的地址，当交换机收到分组之后，将根据首部中的地址信息将分组转发到目的地，这个过程就是分组交换。能够进行分组交换的通信网被称为分组交换网。

分组交换的本质就是存储转发，它将所接受的分组暂时存储下来，在目的方向路由上排队，当它可以发送信息时，再将信息发送到相应的路由上，完成转发。其存储转发的过程就是分组交换的过程。

分组交换的思想来源于报文交换，报文交换也称为存储转发交换，它们交换过程的本质都是存储转发，所不同的是分组交换的最小信息单位是分组，而报文交换则是一个个报文。由于以较小的分组为单位进行传输和交换，所以分组交换比报文交换快。报文交换主要应用于公用电报网中。

分组交换的实质就是将要传输的数据按一定长度分成很多组，为了准确的传送到对方，每个组都打上标识，许多不同的数据分组在物理线路上以动态共享和复用方式进行传输，为了能够充分利用资源，当数据分组传送到交换机时，会暂存在交换机的存储器中，然后根据当前线路的忙闲程度，交换机会动态分配合适的物理线路，继续数据分组的传输，直到传送到目的地。到达目地之后的数据分组再重新组合起来，形成一条完整的数据。

分组交换提出的背景是什么呢？计算机网络出来之前主要是电话网络，以前的电话特点是你和对方的电话的时候，接线员给你把电话线接过去，你就会占用这一条线路，比如说电话局就一条电话线，那你在打电话的时候别人就没办法用了，而且你占用的不只是你这一条中间线路问题，你还把你和你打电话的对方的终端占用了，就算电话局有用不完的电话线，也不能帮你实现同时和两个人打电话的需求，不只是分出一个接口的问题，就算分出一个接口，你收到的数据是两条线上同时的，可能你打电话听声音能听出来，但对计算机都是二进制数据，他就无法分辨是哪个计算机给它发的。所以就出现了分组交换的思想。分组交换简单的说，就是所有的人都可以共用一条线路，原来是必须保证数据传输完整，你和一个人打完电话另一个人才能打，现在不是了，你说的话被分成很多小的数据段，在这一秒你可以使用这条线，那你的数据就在这条线上传输，下一秒这条线的使用权不是你的了，那你的数据被暂时存储起来，等待仲裁，什么时候这条线的使用权仲裁给你了，你再发送出去，这样大家可以共用一条线，同时也可以和多个人同时打电话，因为分组数据要求要标识数据来源和目的地（当然还要标识很多其他的东西，比如组顺序等等），所以你和多个人同时打电话也可以分清楚是谁说的话，对计算机就是知道是哪个计算机发来的，就好像你现在可以一边发微信一遍听音乐，是完全不会混乱的。这就是分组交换的意义。分组一般叫做packet，数据包。

分组传输还有别的好处，比如你一个数据包的大小是很好衡量的，运营商就可以按照这个收费，比如手机流量。当然还有其他好处，但不太重要了。

刚才说的，大家分时段用这条线，叫做时分复用（Time Division Multiplexing,，TDM），还有频分复用（Frequency Division Multiplexing，FDM），就是电气上可以有很多频率，每个人用一个频率，也不会干扰大家还能一起用。

五、计算机网络分层

计算机网络太过于复杂，我们必须对其进行分层处理，每一层规定一族（就是一个相关性强的合集）协议，这一族协议对下一层提供一定接口（或者说服务，就是可以让对方使用这一层功能的方法，比如微信给你做个APP，让你直接在APP操作，而不需要管后面的服务器怎么设计的），对上一层也会提供一定的接口。这种分层提供接口的思想在计算机科学中非常常用，叫做封装。目的就是封闭内部实现，对外提供固定的接口，任何使用者不必关心内部实现是否改变会造成影响，因为接口是固定的。封闭实现一个是为了给别人省事，我要是改了里面的技术细节，你不需要知道，只要知道接口改没改就好，一个是可能会涉及到一些机密，比如一个公司做一个模块，我们做的就不想让别的公司知道技术细节，所以只给对面一些接口调用功能就好。封装一个指的是功能、协议封装，还有事代码封装，比如几个同事写不同的模块，也需要封装自己的代码，不能一个大的系统代码全都糅合到一起，这样以后谁也不愿意接手做下一步的维护，太乱了。

国际标准组织推出的是7层模型。

七层模型，亦称OSI（Open System Interconnection）。参考模型是国际标准化组织（ISO）制定的一个用于计算机或通信系统间互联的标准体系，一般称为OSI参考模型或七层模型。

它是一个七层的、抽象的模型体，不仅包括一系列抽象的术语或概念，也包括具体的协议。

下面这张图非常壮观，看个大概其就行，只要理解协议是什么就行，协议就是通信双方约定的一种方式，比如之前讲的编码也可以作为协议来看。在网络上传输的数据流，总要有个方法识别出有意义的数据，就靠协议来实现了。

六、TCP/IP模型

OSI的七层模型只是一个理想化的，建议性质的分层模型，但实际上，现在互联网用的主要是TCP/IP模型的五层分层。

早期，阿帕网采用的是一种名为NCP的网络协议，但是随着网络的发展，以及用户对网络需求的不断提高，这种协议已经不能充分支持阿帕网。NCP协议有一个很大硬伤，它只能用于同构环境中。什么叫同构环境？意思就是使用Windows操作系统的用户，不能和MacOS操作系统的用户进行通信，也不能和Android 的用户通信。无疑这样会大大限制互联网的发展，用户使用体验也极为不好。在当时，计算机的种类五花八门，不同类型的计算机，使用的语言也不同，他们之间不能互相通信，信息的传达很不方便。当时的阿帕网设计者们，急需一种新的协议，改变这一局面。这个重任，落在当时就职于美国国防部高级研究计划局，担任信息处理技术办公室主任的罗伯特·卡恩，以及他的工作伙伴温特·瑟夫身上。

罗伯特·卡恩和温特·瑟夫后来被称为互联网之父，是现代全球互联网发展史上最著名的两个科学家。为了开发和设计新的协议。1974年，卡恩和瑟夫带着研究成果，在IEEE期刊上，发表了一篇题为《关于分组交换的网络通信协议》的论文，正式提出TCP/IP，用以实现计算机网络之间的互联。1983年，美国国防部高级研究计划局决定淘汰NCP协议，TCP/IP取而代之。从论文发表，到正式被采用，整整过去了近10年的时间。卡恩和瑟夫并没有将TCP/IP占为己有，而是很大方的免费供所有计算机厂家使用，这才造就了如今的互联网。到上世纪90年代，TCP/IP协议得以大范围推广，成为整个互联网的基石。2004年享有计算机界诺贝尔奖的“图灵奖”颁给了罗伯特·卡恩，以表彰罗伯特·卡恩对互联网的卓越贡献。看很多神人的事迹，就真的会感慨，这些都是人类群星闪耀时，没有他们，我们会滞后多少年啊。

TCP/IP使用五层分层法。

IP负责为每一个设备分配一个唯一的地址，就是IP地址。TCP（Transmission Control Protocol）数据传输协议，负责数据传输。TCP在这里先不讲了。

IP指网际互连协议，Internet Protocol的缩写，是TCP/IP体系中的网络层协议。设计IP的目的是提高网络的可扩展性：一是解决互联网问题，实现大规模、异构网络的互联互通；二是分割顶层网络应用和底层网络技术之间的耦合关系，以利于两者的独立发展。根据端到端的设计原则，IP只为主机提供一种无连接、不可靠的、尽力而为的（这些词以后都会讲的）数据包传输服务。

我们目前用的是IPV4。网际协议版本4（英语：Internet Protocol version 4，IPv4），又称互联网通信协议第四版，是网际协议开发过程中的第四个修订版本，也是此协议第一个被广泛部署的版本。IPv4是互联网的核心，也是使用最广泛的网际协议版本，其后继版本为IPv6，直到2011年，IANA IPv4位址完全用尽时，IPv6仍处在部署的初期。IPv4使用32位（4字节）地址，因此地址空间中只有4,294,967,296（2）个地址。不过，一些地址是为特殊用途所保留的，如专用网络（约1800万个地址）和多播地址（约2.7亿个地址），这减少了可在互联网上路由的地址数量。随着地址不断被分配给最终用户，IPv4地址枯竭问题也在随之产生。基于分类网络、无类别域间路由和网络地址转换的地址结构重构显著地减少了地址枯竭的速度。但在2011年2月3日，在最后5个地址块被分配给5个区域互联网注册管理机构之后，IANA的主要地址池已经用尽。

IPv4地址可被写作任何表示一个32位整数值的形式，但为了方便人类阅读和分析，它通常被写作点分十进制的形式，即四个字节被分开用十进制写出，中间用点分隔。

于一般由路由器和主机组成的互连系统，我们可以使用下列方法定义系统中的子网。为了确定网络区域，分开主机和路由器的每个接口，从而产生了若干个分离的网络岛，接口端连接了这些独立网络的端点。这些独立的网络岛叫做子网(subnet)。IP地址是以网络号和主机号来表示网络上的主机的，只有在一个网络号下的计算机之间才能“直接”互通，不同网络号的计算机要通过网关（Gateway）才能互通。但这样的划分在某些情况下显得并不十分灵活。为此IP网络还允许划分成更小的网络，称为子网（Subnet）。

子网掩码(subnet mask)又叫网络掩码、地址掩码、子网络遮罩，它用来指明一个IP地址的哪些位标识的是主机所在的子网，以及哪些位标识的是主机的位掩码。子网掩码不能单独存在，它必须结合IP地址一起使用。一个ipv4地址32位，可以使用其中前面一部分位来表示所在子网，后面一部分表示它在子网中的地址。

子网掩码是一个32位地址，是与IP地址结合使用的一种技术。它的主要作用有两个，一是用于屏蔽IP地址的一部分以区别网络标识和主机标识，并说明该IP地址是在局域网上，还是在远程网上。二是用于将一个大的IP网络划分为若干小的子网络。使用子网是为了减少IP的浪费。因为随着互联网的发展，越来越多的网络产生，有的网络多则几百台，有的只有区区几台，这样就浪费了很多IP地址，所以要划分子网。使用子网可以提高网络应用的效率。通过计算机的子网掩码判断两台计算机是否属于同一网段的方法是，将计算机十进制的IP地址和子网掩码转换为二进制的形式，然后进行二进制按位与计算（全1则得1，不全1则得0），如果得出的结果是相同的，那么这两台计算机就属于同一网段。

刚才说到，子网掩码前面一部分标识所在子网，后面一部分标识子网内地址，对应到ip地址上，前一部分叫做网络号，后一部分叫做主机号。在子网掩码中，网络号部分是全1，主机号部分是全0。所以可以直接用ip地址和子网掩码做按位与得到网络号，判断两个主机是否是同一个子网。子网掩码中网络部分有多少个1，也可以说这个子网掩码是多少位的，比如一般常用的是24位的，用斜杠加位数放在ip后面来表示，192.168.1.1/24，代表这个IP地址的网络号是192.168.1，主机号是1。

你可以先不用管图里的地址分类，这是历史问题，以后会仔细讲的。一般你在公司看到的地址都是192.168.1.1/24开头或者192.168.0.0/24开头，这都是内网地址。

八、总结

这一章主要要记住两个分层模型，虽然没有仔细讲更多东西，但要大概了解每一层是做什么的，最后对IP地址做了简单的介绍。