1.1 计算机网络的定义和功能

1. 概念
   • 计算机网络定义：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。例如，一个公司内部的办公网络，将员工的电脑、打印机、服务器等设备连接起来，方便员工共享文件、打印机等资源，同时也能进行内部通信。
   • 功能概念
     • 数据通信：计算机之间能够互相传输数据，如发送电子邮件、即时通讯消息等。这是计算机网络最基本的功能，通过网络协议将数据从源节点发送到目的节点。
     • 资源共享：包括硬件资源（如打印机、存储设备）、软件资源（如应用程序许可证）和数据资源（如文件、数据库）的共享。例如，在学校的计算机实验室中，所有计算机可以共享一台高性能打印机。
     • 分布式处理：把一个复杂的任务分解为多个子任务，分配到网络中的不同计算机上进行处理，最后将结果汇总。例如，大型的科学计算或数据挖掘项目可以利用分布式处理来提高效率。
     • 提高可靠性：通过网络中的冗余路径和备份设备，当某个节点或链路出现故障时，网络可以自动切换到其他正常的路径或设备，保证系统的正常运行。例如，服务器集群通过备份服务器来提高系统的可靠性。
2. 过程
   • 建立连接阶段：当两台计算机需要通信时，首先要通过网络协议建立连接。比如在使用TCP协议时，发送方会发送一个同步（SYN）数据包，接收方收到后回复一个确认（ACK）和同步（SYN）数据包，发送方再回复一个确认（ACK）数据包，这样就建立了一个TCP连接。
   • 数据传输阶段：以HTTP协议为例，浏览器向Web服务器发送一个HTTP请求，请求获取网页内容。服务器接收到请求后，按照请求的内容查找对应的网页文件，并将文件内容封装成HTTP响应消息，通过网络传输回浏览器。在传输过程中，数据会被分割成一个个数据包，每个数据包都包含源地址、目的地址等信息。
   • 连接释放阶段：通信结束后，需要释放连接。在TCP协议中，双方会通过发送特定的数据包来关闭连接，以释放系统资源。
3. 原理
   • 分层原理：计算机网络采用分层结构，如OSI七层模型（物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层、应用层）和TCP/IP四层模型（网络接口层、网络层、传输层、应用层）。分层的目的是将复杂的网络功能分解为多个相对独立的层次，每个层次负责特定的功能，并且向上一层提供服务，同时利用下一层的服务。例如，在网络层，IP协议负责将数据包从源主机发送到目的主机，而不关心数据包的内容和应用场景；传输层的TCP或UDP协议则根据应用的需求提供可靠的或不可靠的传输服务。
   • 协议原理：协议是计算机网络通信的规则。不同的协议用于实现不同的功能。例如，以太网协议规定了在局域网中数据帧的格式、传输速率、介质访问控制方法等。IP协议规定了如何在互联网中进行寻址和路由选择，通过IP地址来确定数据包的发送路径。协议还规定了数据的封装和解封装过程，数据在发送端从高层到低层逐层封装，在接收端从低层到高层逐层解封装。
   • 路由原理：在网络层，路由设备（如路由器）根据路由表来确定数据包的转发路径。路由表中包含了网络地址和对应的下一跳地址等信息。当路由器收到一个数据包时，它会查看数据包的目的地址，然后在路由表中查找匹配的条目，将数据包转发到下一跳地址。路由算法有多种，如距离矢量算法（如RIP）和链路状态算法（如OSPF），它们通过不同的方式来更新和维护路由表，以适应网络拓扑的变化。
4. 实例
   • 局域网（LAN）：家庭网络是典型的局域网。通过路由器将家中的电脑、手机、智能电视等设备连接起来。这些设备可以共享家庭宽带上网，并且可以互相访问共享的文件。例如，用户可以将电脑上的电影文件共享，然后在智能电视上播放。
   • 广域网（WAN）：互联网服务提供商（ISP）构建的网络就是广域网。企业通过租用ISP的线路将分布在不同地理位置的分支机构连接起来。例如，一家跨国公司通过广域网将位于不同国家的办公室连接起来，实现数据共享和通信，各个办公室的员工可以通过企业内部的网络系统协同工作。
   • 城域网（MAN）：城域网覆盖一个城市范围，如城市的有线电视网络。它可以为城市中的用户提供高速的互联网接入、数字电视等多种服务。例如，城市中的多个小区通过城域网连接到互联网，用户可以使用各种在线服务。
5. 分类
   • 按地理范围分类
     • 局域网（LAN）：范围一般在几十米到几千米，如办公室、学校实验室、家庭等内部的网络。它的传输速率较高，误码率较低，通常采用以太网技术。
     • 城域网（MAN）：覆盖范围在一个城市左右，通常为几十千米。它可以连接多个局域网，提供更广泛的网络服务，如城市的公共交通系统网络。
     • 广域网（WAN）：覆盖范围很大，可以跨越城市、国家甚至全球。它的传输速率相对较低，误码率相对较高，如互联网就是最大的广域网。
   • 按传输介质分类
     • 有线网络：使用有形的传输介质，如双绞线、同轴电缆、光纤等。双绞线一般用于短距离的以太网连接，如家庭网络和办公室网络；光纤具有传输距离远、带宽高的特点，常用于广域网和城域网的骨干网络。
     • 无线网络：通过无线信号传输数据，如Wi - Fi、蓝牙、ZigBee等。Wi - Fi用于提供无线接入互联网的服务，在家庭、商场、机场等场所广泛应用；蓝牙主要用于短距离的数据传输，如连接手机和耳机等设备。
   • 按网络拓扑结构分类
     • 星型网络：以中央节点（如集线器或交换机）为中心，其他节点都与中央节点相连。这种结构便于管理和维护，一个节点出现故障不会影响其他节点，如常见的企业办公室网络。
     • 总线型网络：所有节点都连接在一条总线上，数据在总线上传输。这种结构简单，成本较低，但如果总线出现故障，整个网络都会受到影响，如早期的一些小型局域网。
     • 环型网络：节点连接成一个闭合的环形，数据在环中单向传输。这种结构的优点是传输速度较快，但一个节点故障可能导致整个网络瘫痪，如一些特定的工业控制网络。
     • 网状网络：每个节点都与多个其他节点相连，这种结构可靠性高，容错能力强，但成本高，管理复杂，如一些军事通信网络和大型互联网数据中心的内部网络。
6. 发展
   • 早期计算机网络（1960 - 1980年代）：起源于军事和科研需求。美国国防部高级研究计划局（DARPA）开发的ARPANET是早期计算机网络的代表，它采用分组交换技术，为现代计算机网络奠定了基础。这个时期的网络主要是大型主机之间的连接，网络规模较小，主要用于学术研究和军事通信。
   • 局域网和广域网的兴起（1980 - 1990年代）：随着个人计算机的普及，局域网技术得到了快速发展，以太网技术逐渐成为局域网的主流。同时，广域网也在不断扩展，互联网服务提供商（ISP）开始出现，为用户提供接入互联网的服务。这个时期，网络应用主要集中在文件共享、电子邮件等方面。
   • 互联网的繁荣（1990年代 - 至今）：随着万维网（WWW）的出现，互联网进入了快速发展的阶段。网络应用变得更加丰富，包括网页浏览、电子商务、在线娱乐、社交媒体等。网络技术也在不断进步，如高速宽带技术、无线网络技术的发展，使互联网能够覆盖更广泛的人群和地区。同时，网络安全和管理也变得越来越重要，以应对各种网络威胁和复杂的网络环境。
   • 未来发展趋势：未来计算机网络将朝着更高的速度（如5G、6G等高速无线网络的发展）、更低的延迟、更广泛的连接（物联网的发展将使更多的设备接入网络）、更强大的安全性（如量子加密技术的应用）等方向发展。同时，软件定义网络（SDN）和网络功能虚拟化（NFV）等新技术也将改变传统的网络架构和管理方式。

1.2 计算机网络的发展历程

概念

计算机网络是指将多台具有独立功能的计算机，通过通信设备和通信线路连接起来，在网络软件的管理和控制下，实现资源共享和数据通信的计算机集合.

发展历程

• 第一代计算机网络——面向终端的计算机网络：20世纪50年代以前，计算机主机昂贵，通信线路和设备相对便宜，为共享主机资源和进行信息综合处理，形成了以单主机为中心的联机终端系统。所有终端共享主机资源，终端到主机单独占一条线路，线路利用率低，且主机既要负责通信又要负责数据处理，效率低，可靠性差.
• 第二代计算机网络——计算机通信网络：20世纪60年代中期，多个单计算机网络相互连接形成多主机互联网络，网络结构体系由主机到终端变为主机到主机。后来主机的通信任务从主机中分离出来，由专门的通信控制处理机（CCP）来完成，形成通信子网和资源子网两层结构.
• 第三代计算机网络——计算机网络体系结构标准化：20世纪70年代，随着计算机网络技术的飞速发展，各种计算机网络的连接变得复杂，于是产生了体系结构标准化的计算机网络。1974年IBM公司公布了系统网络体系结构（SNA），之后各大计算机厂商也相继开发了自己的网络体系结构。1978年国际标准化组织（ISO）提出了开放系统互联参考模型（OSI/RM），推动了网络标准化工作.
• 第四代计算机网络——互联网时代：1969年美国国防部的国防高级研究计划署（DARPA）建立了全世界第一个分组交换网ARPANET，即Internet的前身。1983年TCP/IP协议在ARPANET上正式启用，此后Internet逐渐走向实用化和商业化，成为全球最大的、开放的计算机网络.

原理

• 分层原理：计算机网络采用分层结构，如OSI参考模型将网络分为物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层和应用层七层，每层都有特定的功能和协议，下层为上层提供服务，上层通过下层的接口使用服务，这样使得网络的设计、实现和维护更加容易.
• 数据通信原理：数据在发送端从应用层开始，自上而下逐层封装，在物理层转换为比特流通过通信介质传输到接收端，接收端则自下而上逐层解封，将数据交付给相应的应用程序。在传输过程中，各层通过协议进行控制和管理，以确保数据的正确传输.
• 协议原理：协议是计算机网络中进行数据交换而建立的规则、标准或约定。不同层次有不同的协议，如网络层的IP协议、传输层的TCP和UDP协议、应用层的HTTP、FTP等协议。协议规定了数据的格式、传输的顺序、错误处理等内容，使得不同厂商的设备能够相互通信.

示例

• 局域网：如一个公司或学校的内部网络，通过交换机等设备将多台计算机连接在一起，实现资源共享和内部通信。例如，学校的机房中，学生可以通过局域网访问教师机上的教学资源，或者相互之间共享文件.
• 广域网：如Internet，它连接了全球各地的计算机和网络，使得人们可以在不同国家和地区之间进行信息交流和资源共享。比如，用户可以通过Internet访问国外的网站，获取各种信息.
• 城域网：是在一个城市范围内建立的计算机网络，它将多个局域网连接起来，实现城市内的信息共享和通信。例如，一个城市的电子政务网络，将各个政府部门的局域网连接在一起，方便信息的传递和共享.

分类

• 按地域范围分 ：
  • 局域网（LAN）：覆盖范围较小，一般在几十米到几千米之间，如家庭、办公室、学校等场所的网络。
  • 城域网（MAN）：覆盖范围在一个城市内，通常为几十千米，用于连接城市中的多个局域网。
  • 广域网（WAN）：覆盖范围较大，可以跨越城市、国家甚至全球，如Internet。
• 按拓扑结构分 ：
  • 总线型网络：所有节点都连接在一条总线上，数据沿着总线进行传输，任何节点发送的数据都能被总线上的其他节点接收。
  • 星型网络：有一个中心节点，其他节点都与中心节点相连，数据通过中心节点进行转发。
  • 环型网络：节点通过点到点链路连接成一个闭合的环，数据在环中沿着一个方向逐站传输。
  • 网状型网络：节点之间存在多条链路相互连接，可靠性高，但成本也较高。
• 按交换方式分 ：
  • 电路交换网：在通信之前，需要先建立一条从源节点到目的节点的物理电路，通信过程中该电路被独占，直到通信结束才释放。传统的电话网络就是电路交换网。
  • 分组交换网：将要传送的报文分割成许多具有统一格式的分组，以分组为单位进行存储转发传输。它具有线路利用率高、可进行数据速率转换等优点，如Internet就是基于分组交换技术的网络。
• 按网络协议分 ：如采用TCP/IP协议的网络、采用SNA协议的网络、采用SPX/IPX协议的网络、采用AppleTalk协议的网络等。

发展趋势

• 高速化：随着人们对数据传输速度要求的不断提高，计算机网络的传输速率也在不断提升，如5G技术的出现，大大提高了无线网络的传输速度，为高清视频、虚拟现实等应用提供了更好的支持.
• 智能化：未来的计算机网络将更加智能化，能够自动感知网络的状态和用户的需求，进行自适应的调整和优化。例如，软件定义网络（SDN）可以通过软件定义的方式对网络进行集中控制和管理，实现网络的灵活配置和流量调度.
• 物联网融合：物联网的发展将使得越来越多的物理设备连接到网络中，计算机网络将与物联网深度融合，实现对各种设备的远程监控和管理，推动智能家居、智能交通等领域的发展.
• 云计算支持：云计算的普及将促使计算机网络更加注重对云计算的支持，通过优化网络架构和协议，提高云服务的性能和可靠性，为用户提供更加便捷的云计算体验.
• 网络安全强化：随着网络攻击和数据泄露事件的增多，网络安全将成为计算机网络发展的重点。未来的网络将采用更加先进的安全技术，如人工智能、区块链等，来保障网络的安全和用户数据的隐私.

1.3 计算机网络的分类

1. 概念
   • 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。简单来说，就是通过各种通信手段把计算机连接起来，让它们能够相互通信、共享资源的系统。
2. 原理
   • 数据通信原理：计算机网络的数据通信基于信号传输。在物理层，数据被转换为电信号、光信号等物理信号形式进行传输。例如，在有线网络中，计算机中的数字信号通过调制解调器转换为模拟信号在电话线上传输，接收端再将模拟信号转换回数字信号。
   • 分层原理：计算机网络采用分层结构，如常见的OSI（开放系统互连）七层模型和TCP/IP四层模型。以TCP/IP模型为例，各层有不同的功能。网络接口层负责接收和发送物理帧；互联网层主要进行IP寻址和路由选择；传输层通过TCP或UDP协议提供端到端的通信服务；应用层则支持各种网络应用，如HTTP用于网页浏览，SMTP用于邮件发送等。
   • 协议原理：协议是计算机网络通信的规则。例如，TCP协议通过三次握手建立连接。首先，客户端向服务器发送一个带有SYN（同步序列号）标志的数据包；服务器收到后，返回一个带有SYN和ACK（确认）标志的数据包；客户端再发送一个带有ACK标志的数据包，这样双方就建立了可靠的连接，之后就可以进行数据传输。
3. 过程
   • 数据传输过程：当一台计算机（源主机）要向另一台计算机（目的主机）发送数据时，数据首先在应用层产生，如用户在浏览器中输入网址请求网页。然后，数据通过各层向下传递，每层添加自己的协议头（封装）。在传输层，如果使用TCP协议，会进行分段、编号，并添加端口号等信息；在互联网层，添加目的IP地址和源IP地址；在网络接口层，将数据转换为物理信号发送到网络上。数据经过网络传输到达目的主机后，再从网络接口层开始，每层去除协议头（解封装），将数据向上传递，直到应用层，最终用户得到请求的网页。
   • 网络接入过程：对于有线接入，如通过以太网接入，计算机通过网卡连接到以太网线，配置好IP地址等网络参数后，就可以接入网络。对于无线接入，如Wi - Fi，计算机的无线网卡搜索附近的无线接入点（AP），通过输入正确的密码等认证信息后，与AP建立连接，进而接入网络。
4. 分类
   • 按地理范围分类
     • 局域网（LAN）：范围通常在几十米到几千米以内，如家庭网络、办公室网络。它具有高传输速率、低误码率的特点。例如，一个公司内部通过交换机连接多台计算机组成的网络，方便员工之间共享文件和打印机等资源。
     • 城域网（MAN）：覆盖范围一般是一个城市，距离在几十千米左右。主要用于连接城市内的多个局域网，像城市中的教育城域网，将学校的局域网连接起来，实现教育资源共享。
     • 广域网（WAN）：覆盖范围很广，可以是一个国家或全球范围。它通过多种通信线路（如光纤、卫星通信等）将不同地区的网络连接起来。例如，互联网就是一个广域网，跨国公司通过广域网连接其分布在世界各地的分支机构。
   • 按传输介质分类
     • 有线网络：使用有形的传输介质，如双绞线、同轴电缆和光纤。双绞线常用于局域网，成本较低；光纤则用于长距离、高速率的数据传输，如电信运营商的骨干网络，它可以提供高带宽、低损耗的传输。
     • 无线网络：通过无线信号传输数据，如Wi - Fi、蓝牙、ZigBee等。Wi - Fi用于提供无线接入互联网的功能，让移动设备可以方便地连接网络；蓝牙主要用于短距离设备之间的连接，如手机与无线耳机之间的连接。
   • 按网络拓扑结构分类
     • 总线型拓扑：所有节点都连接到一条总线上，数据沿着总线传输。例如，早期的一些以太网采用这种拓扑结构，其优点是结构简单、易于扩展，但缺点是一旦总线出现故障，整个网络就会瘫痪。
     • 星型拓扑：以中央节点（如交换机）为中心，其他节点都与中央节点相连。这是目前局域网中最常见的拓扑结构，如办公室网络，它的优点是便于管理和维护，一个节点出现故障不会影响其他节点，但中央节点的故障会导致网络瘫痪。
     • 环型拓扑：所有节点连接成一个闭合的环，数据在环中单向传输。令牌环网就是这种拓扑结构的代表，不过现在已经较少使用。它的优点是传输延时确定，缺点是可靠性差，环上任何一个节点或链路出现故障都会导致整个网络瘫痪。
     • 树型拓扑：是一种层次化的拓扑结构，像树一样，有根节点、分支节点和叶节点。它综合了星型拓扑和总线型拓扑的特点，常用于大型网络的构建，如校园网络，它可以在一定程度上隔离故障，并且易于扩展。
     • 网状拓扑：每个节点都与其他多个节点直接相连，具有很高的可靠性和容错性。主要用于广域网等对可靠性要求极高的网络，如军事通信网络，但它的成本高、配置复杂。
5. 实例
   • 家庭局域网实例：在一个家庭中，通过无线路由器将多台设备（如台式电脑、笔记本电脑、智能手机、智能电视等）连接起来，形成一个小型的局域网。台式电脑可以通过网线连接到路由器的LAN口，其他移动设备则通过Wi - Fi连接。在这个局域网内，用户可以共享文件，如在电脑和智能电视之间共享视频文件，还可以共享打印机，方便家庭成员打印文档。
   • 企业广域网实例：一家跨国企业在世界各地设有分支机构。总公司和各分支机构都有自己的局域网，这些局域网通过租用电信运营商的专线（如MPLS VPN）连接起来，形成一个广域网。公司员工可以通过这个广域网访问公司内部的资源，如企业资源规划（ERP）系统、文件服务器等，实现全球范围内的协同工作。
6. 发展
   • 早期阶段（20世纪60 - 70年代）：计算机网络起源于军事和科研需求。例如，美国国防部高级研究计划局（DARPA）建立的ARPANET，它是互联网的前身。最初，ARPANET只有几个节点，主要用于军事研究机构之间的数据通信和资源共享，采用分组交换技术，为计算机网络的发展奠定了基础。
   • 局域网兴起（20世纪80 - 90年代）：随着微处理器和个人计算机的普及，局域网技术得到快速发展。以太网技术诞生并逐渐成为局域网的主流技术。同时，网络操作系统也不断发展，如Novell NetWare和Windows NT Server等，使得在局域网内共享文件、打印机等资源变得更加容易。
   • 互联网普及（20世纪90年代至今）：随着万维网（WWW）的出现，互联网开始走向大众。互联网服务提供商（ISP）不断涌现，为用户提供接入服务。网络应用也日益丰富，从最初的电子邮件、文件传输，发展到现在的电子商务、在线教育、社交媒体等各种应用。无线网络技术也在这期间得到了迅猛发展，Wi - Fi技术的出现让人们可以随时随地接入互联网。同时，网络的带宽不断提高，从早期的几十kbps到现在的几百Mbps甚至几Gbps，为大数据、云计算等新兴技术提供了基础支持。