计算机网络一篇文章就能掌握，拓扑结构图文解析，协议详解等_网络拓扑图详细讲解

1、计算机网络的定义

计算机网络（连接分散计算机设备以实现信息传递的系统）。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。

1.1 计算机网络的基本功能

• 资源共享
• 分布式处理和负载均衡
• 实现数据信息的快速传递
• 提高可靠性
• 集中管理以及综合信息服务

1.2 计算机网络的演进

Internet的最早起源于美国国防部高级研究计划署DARPA（Defence Advanced Research Projects Agency）的前身ARPAnet，该网于1969年投入使用。由此，ARPAnet成为现代计算机网络诞生的标志。

主机互联
二十世纪60年代初期，基于主机之间的低速串行连接的联机系统是计算机的网络最初雏形。这种网络早期借助电话线路访问计算机，由于计算机发送接收的为电话数字信号，电话专线是模拟信号，这就要求在终端和主机之间加入光猫（调制解调器），进行数/模间的转换

局域网

二十世纪70年代，随着计算机体积价格的下降，出现了以个人计算机为主的商业计算模式。商业计算的复杂性要求大量终端设备的资源共享和协同操作，导致对本地大量计算机设备进行网络化连接的需求，由此局域网就此而来

互联网
二十世纪70年代后期，广域网技术逐渐发展起来，以便将分布在不同地域的局域网互联起来

因特网
二十世纪80年代到90年代是网络互联发展时期，由于网络规模不断扩大，将全球无数的公司、校园、运营商和个人用户接入intent

1.3 计算机网络的类型

• 局域网(LAN,Local Area Network)。由⽤户⾃⾏建设，使⽤私有地址组建的⽹络
  局域网基本原理：https://blog.csdn.net/Jivove/article/details/123420447
  虚拟局域网VLAN：https://blog.csdn.net/Jivove/article/details/123422887

• 城域网(MAN,Metropolitan Area Network)。由运营商或⼤规模企业建设，连接城市范围的⽹络

• 广域网(WAN,Wide Area Network)，⼜称⻣⼲⽹、核⼼⽹、传输⽹。由运营商建设，连接全国各个城域⽹的⽹络
  广域网基本原理：https://blog.csdn.net/Jivove/article/details/123421134

1.4 计算机网络的参考模型

OSI和TCP/IP网络参考模型：https://blog.csdn.net/Jivove/article/details/123419989

2、网络拓扑结构

计算机网络拓扑(Computer Network Topology)是指由计算机组成的网络之间设备的分布情况以及连接状态，把它两画在图上就成了拓扑图，一般在图上要标明设备所处的位置，设备的名称类型，以及设备间的连接介质类型，它分为物理拓扑和逻辑拓扑两种。即是指网上计算机或设备与传输媒介形成的结点与线的物理构成模式。网络的结点有两类：一类是转换和交换信息的转接结点，包括结点交换机、集线器和终端控制器等；另一类是访问结点，包括计算机主机和终端等。线则代表各种传输媒介，包括有形的和无形的。

2.1 网络拓扑结构的组成

• 结点：又称为网络单元，它是网络系统中的各种数据处理设备、数据通信控制设备和数据终端设备。常见的结点有服务器、工作站、集线路和交换机等设备。
  交换机端口安全技术：https://blog.csdn.net/Jivove/article/details/123423665

• 链路：两个结点间的连线，可分为物理链路和逻辑链路两种，前者指实际存在发通信线路，后者指在逻辑上起作用的网络通路。

• 通路：是指从发出信息的结点到接受信息的结点之间的一串结点和链路，即一系列穿越通信网络而建立起的结点到结点的链。

2.2 网络拓扑结构的选择性

拓扑结构的选择往往与传输媒体的选择及媒体访问控制方法的确定紧密相关。在选择网络拓扑结构时,应该考虑的主要因素有下列几点:

• 可靠性。尽可能提高可靠性,以保证所有数据流能准确接收;还要考虑系统的可维护性,使故障检测和故障隔离较为方便。
• 费用。建网时需考虑适合特定应用的信道费用和安装费用。
• 灵活性。需要考虑系统在今后扩展或改动时,能容易地重新配置网络拓扑结构,能方便地处理原有站点的删除和新站点的加入。
• 响应时间和吞吐量。要为用户提供尽可能短的响应时间和最大的吞吐量。

2.3 网络拓扑结构的基本类型

2.3.1 星型结构

星型拓扑是由中央节点和通过点到点通信链路接到中央节点的各个站点组成。中央节点执行集中式通信控制策略,因此中央节点相当复杂,而各个站点的通信处理负担都很小。星型网采用的交换方式有电路交换和报文交换,尤以电路交换更为普遍。这种结构一旦建立了通道连接,就可以无延迟地在连通的两个站点之间传送数据。流行的专用交换机PBX (Private Branch exchange)就是星型拓扑结构的典型实例

星型拓扑结构的优点

• 结构简单，连接方便，管理和维护都相对容易，而且扩展性强。
• 网络延迟时间较小，传输误差低。
• 在同一网段内支持多种传输介质，除非中央节点故障，否则网络不会轻易瘫痪。
• 每个节点直接连到中央节点，故障容易检测和隔离，可以很方便地排除有故障的节点。 因此，星型网络拓扑结构是应用最广泛的一种网络拓扑结构。

星型拓扑结构的缺点

• 安装和维护的费用较高
• 共享资源的能力较差
• 一条通信线路只被该线路上的中央节点和边缘节点使用，通信线路利用率不高
• 对中央节点要求相当高，一旦中央节点出现故障，则整个网络将瘫痪。 星型拓扑结构广泛应用于网络的智能集中于中央节点的场合。

从趋势看,计算机的发展已从集中的主机系统发展到大量功能很强的微型机和工作站，在这种形势下，传统的星型拓扑的使用会有所减少

2.3.2 总线型结构

树型拓扑可以认为是多级星型结构组成的，只不过这种多级星型结构自上而下呈三角形分布的，就像一颗树一样，最顶端的枝叶少些，中间的多些，而最下面的枝叶最多。树的最下端相当于网络中的边缘层，树的中间部分相当于网络中的汇聚层，而树的顶端则相当于网络中的核心层。它采用分级的集中控制方式，其传输介质可有多条分支，但不形成闭合回路，每条通信线路都必须支持双向传输。

总线拓扑结构的优点

• 总线结构所需要的电缆数量少，线缆长度短，易于布线和维护。
• 总线结构简单,又是元源工作,有较高的可靠性。传输速率高，可达1~100Mbps。
• 易于扩充,增加或减少用户比较方便，结构简单，组网容易，网络扩展方便
  -多个节点共用一条传输信道，信道利用率高。

总线拓扑结构的缺点

• 总线的传输距离有限,通信范围受到限制。
• 故障诊断和隔离较困难。
• 分布式协议不能保证信息的及时传送，不具有实时功能。站点必须是智能的，要有媒体访问控制功能,从而增加了站点的硬件和软件开销。

2.3.3 环型结构

在环型拓扑中各节点通过环路接口连在一条首尾相连的闭合环型通信线路中，环路上任何节点均可以请求发送信息。请求一旦被批准，便可以向环路发送信息。环型网中的数据可以是单向也可是双向传输。由于环线公用，一个节点发出的信息必须穿越环中所有的环路接口，信息流中目的地址与环上某节点地址相符时，信息被该节点的环路接口所接收，而后信息继续流向下一环路接口，一直流回到发送该信息的环路接口节点为止。

环型拓扑结构的优点

• 电缆长度短。环型拓扑网络所需的电缆长度和总线拓扑网络相似，但比星形拓扑网络要短得多。
• 增加或减少工作站时，仅需简单的连接操作。
• 可使用光纤。光纤的传输速率很高，十分适合于环型拓扑的单方向传输。

环型拓扑结构的缺点

• 节点的故障会引起全网故障。这是因为环上的数据传输要通过接在环上的每一个节点,一旦环中某一节点发生故障就会引起全网的故障。
• 故障检测困难。这与总线拓扑相似,因为不是集中控制,故障检测需在网上各个节点进行,因此就不很容易。
• 环型拓扑结构的媒体访问控制协议都采用令牌传递的方式,在负载很轻时,信道利用率相对来说就比较低。

2.3.4 树型结构

树型拓扑可以认为是多级星型结构组成的，只不过这种多级星型结构自上而下呈三角形分布的，就像一颗树一样，最顶端的枝叶少些，中间的多些，而最下面的枝叶最多。树的最下端相当于网络中的边缘层，树的中间部分相当于网络中的汇聚层，而树的顶端则相当于网络中的核心层。它采用分级的集中控制方式，其传输介质可有多条分支，但不形成闭合回路，每条通信线路都必须支持双向传输。

树型拓扑的优点

• 易于扩展。这种结构可以延伸出很多分支和子分支,这些新节点和新分支都能容易地加入网内。
• 故障隔离较容易。如果某一分支的节点或线路发生故障,很容易将故障分支与整个系统隔离开来。

树型拓扑的缺点

• 各个节点对根的依赖性太大，如果根发生故障，则全网不能正常工作。从这一点来看，树型拓扑结构的可靠性有点类似于星型拓扑结构。

2.3.5 网状结构

网型拓扑。又分为全网状和部分网状。这种结构在广域网中得到了广泛的应用，它的优点是不受瓶颈问题和失效问题的影响。由于节点之间有许多条路径相连，可以为数据流的传输选择适当的路由，从而绕过失效的部件或过忙的节点。这种结构虽然比较复杂，成本也比较高，提供上述功能的网络协议也较复杂，但由于它的可靠性高，仍然受到用户的欢迎。 网型拓扑的一个应用是在BGP协议中。为保证IBGP对等体之间的连通性，需要在IBGP对等体之间建立全连接关系，即网状网络。假设在一个AS内部有n台路由器，那么应该建立的IBGP连接数就为n(n-1)/2个。

网型拓扑的优点

• 节点间路径多，碰撞和阻塞减少。
• 局部故障不影响整个网络，可靠性高。

网型拓扑的缺点

• 网络关系复杂，建网较难，不易扩充。
• 网络控制机制复杂，必须采用路由算法和流量控制机制。

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3、计算机网络的参数

3.1衡量网络性能的指标

网络性能指标，是衡量网络性能的指标，包括带宽、时延。

带宽

• 定义：单位时间内能够传输的数据总量
• 单位：bps
• 带宽越大，网络质量越好

时延

• 定义：数据从一个节点到达另一个节点消耗的时间
• 单位：ms
• 延迟越低，网络质量越好

3.2 数据单位

1Gb=1024Mb
1Mb=1024Kb
1Kb=1024b
Byte：字节，一个数字或字母占用1字节，一个汉字占用2字节
bit：比特，1Byte=8bit

4、协议和标准

4.1 协议

4.1.1 协议的定义

网络协议指的是计算机网络中互相通信的对等实体之间交换信息时所必须遵守的规则的集合。

4.1.2 网络协议三要素

• 语义：语义是解释控制信息每个部分的意义。它规定了需要发出何种控制信息，以及完成的动作与做出什么样的响应。
• 语法：语法是用户数据与控制信息的结构与格式，以及数据出现的顺序。
• 时序：时序是对事件发生顺序的详细说明。（也可称为“同步”）。

人们形象地把这三个要素描述为：语义表示要做什么，语法表示要怎么做，时序表示做的顺序。

4.1.3 网络协议的分类

物理层

以太网、调制解调器、电力线通信(PLC)、SONET/SDH、G.709、光导纤维、同轴电缆、双绞线等数据链路层：Wi-Fi(IEEE802.11)、WiMAX(IEEE802.16)、ATM、DTM、令牌环、以太网、FDDI、帧中继、GPRS、EVDO、HSPA、HDLC、PPP、L2TP、PPTP、ISDN、STP、CSMA/CD等

STP生成树协议：https://blog.csdn.net/Jivove/article/details/123423136

网络层协议

IP(IPv4、IPv6)、ICMP、ICMPv6、IGMP、IS-IS、IPsec、ARP、RARP、RIP等

IP基本原理：https://blog.csdn.net/Jivove/article/details/123421229

传输层协议

TCP、UDP、TLS、DCCP、SCTP、RSVP、OSPF等

TCP/UDP原理：https://blog.csdn.net/Jivove/article/details/123421423
应用层协议

DHCP、DNS、FTP、Gopher、HTTP、IMAP4、IRC、NNTP、XMPP、POP3、SIP、SMTP、SNMP、SSH、TELNET、RPC、RTCP、RTP、RTSP、SDP、SOAP、GTP、STUN、NTP、SSDP、BGP等

DNS域名解析：https://blog.csdn.net/Jivove/article/details/123423842

4.2 标准

4.2.1 网络标准的定义

公认的，所有厂商所共同遵守的协议规则

4.2.2 标准化组织

制定定义国际公认参考标准的组织团体
常见国际标准组织

• ISO：国际标准化组织
• IOS：思科设备操作系统
• IEEE：电子电器工程师协会