什麼是通信網絡

我們周圍無時無刻不存在一張網，如電話網、電報網、電視網、計算機網絡等；即使我們身體内部也存在許許多多的網絡系統，如神經系統、消化系統等。最為典型的代表即計算機網絡，它是計算機技術與通信技術兩個領域的結合。

計算機網絡的演進

60 基于主機架構的低速串行鍊路，X.25和IBM的SNA

計算機網絡的主要特性

• 資源共享
• 信息傳輸與集中處理
• 負載均衡與分布處理
• 綜合信息服務

局域網、城域網、廣域網定義

LAN（Local Area Network）

通常指幾千米以内的，可以通過某種介質互聯的計算機、打印機、modem或其他設備的集合

MAN（Metropolitan Area Network）

MAN覆蓋範圍為中等規模，介于局域網和廣域網之間，通常是在一個城市内的網絡連接（距離為10KM左右）

WAN（Wide Area Network）

分布距離遠，它通過各種類型的串行連接以便在更大的地理區域内實現接入

常見網絡拓撲結構

電路交換和分組交換

電路交換：基于電話網的電路交換

• 優點：延遲小、透明傳輸
• 缺點：帶寬固定，網絡資源利用率低，初始連接建立慢

分組交換：以分組為單位存儲轉發

• 優點：多路複用，網絡資源利用率高
• 缺點：延遲大，實時性差，設備功能複雜

分組交換的單位，信元，二層幀。

計算機網絡的性能标準

描述在一定時間範圍内能夠從一個節點傳送到另一個節點的數據量，通常以bps為單位，例如以太網帶寬為10Mbps，快速以太網為100Mbps

描述網絡上數據從一個節點傳送到另一個節點所經曆的時間

協議、标準

• 網絡協議是為了使網絡中的不同設備能進行數據通信而預先制定的一套通信雙方相互了解和共同遵守的格式和約定。
• 網絡協議是一系列規則和約定的規範性描述，定義了網絡設備之間如何進行信息交換。

• 事實标準：未經組織團體承認但已在應用中被廣泛使用和接受的就是事實标準（de facto standard）
• 法定标準：由官方認可的團體制定的标準稱為法定标準（de jure standard）

标準化組織

• 國際标準化組織（ISO）
• 電子電器工程師協會（IEEE）

• 美國國家标準局（ANSI）
• 電子工業協會（EIA / TIA）

• 國際電信聯盟（ITU）
• INTERNET工程任務委員會（IETF）

• 研究任務委員會IRTF
• 号碼分配委員會IANA

OSI參考模型

OSI RM：開放系統互連參考模

OSI參考模型具有以下優點

• 簡化了相關的網絡操作
• 提供設備間的兼容性和标準接口

• 促進标準化工作
• 結構上可以分隔

• 易于實現和維護

第一層到第三層成為底層（Lower Layer），又叫介質層（media ），底層負責數據在網絡中的傳送，網絡互連設備往往位于下三層，以硬件和軟件相結合的方式來實現。OSI參考模型的第五層到第七層成為高層（Upper Layer），又叫主機層（Host Layer），高層用于保障數據的正确傳輸，以軟件方式來實現。

OSI參考模型層次結構，OSI參考模型自下而上分為七層：

TCP/IP協議棧概述

TCP/IP起源于60年代末美國政府資助的一個分組交換網絡研究項目，到90年代已發展成為計算機之間最常用的組網形式。TCP/IP是一個真正的開放系統，因為其協議簇的定義及其多種實現可以免費或花費很少就可以公開地得到。TCP/IP是“全球互聯網”或“因特網”Internet的基礎。

與OSI參考模型一樣，TCP/IP對等模型也分為不同的層次，每一層負責不同的通信功能。五層對等模型是OSI和TCP/IP模型的綜合。

TCP/IP協議棧

IP協議是盡力傳輸的網絡協議，其提供的數據傳送服務是不可靠的、無連接的。IP協議不關心數據包的内容，不能保證數據包是否成功到達目的地，也不關心任何關于前後數據包的狀态信息。面向連接的的可靠服務由上層的TCP協議實現。所有的TCP、UDP、ICMP及IGMP等數據都最終封裝在IP報文中傳輸。

物理層功能

物理層主要是：規定介質類型、接口類型、信令類型 ；規範在終端系統之間激活、維護和關閉物理鍊路的電氣、機械、流程和功能等方面的要求；規範電平、數據速率、最大傳輸距離和物理接頭等特征；

同步串口可作為DCE 或者DTE，支持多種物理層協議：V.24/V.35/X.21 等協議，異步串口支持RS232 協議，最大速率為115.2kbit/s。G.703 E1/T1接口類型。

物理層介質和物理層設備

物理層介質：同軸電纜、雙絞線、光纖、無線電波；

物理層設備：中繼器、集線器；

數據鍊路層功能

MAC Sub-layer：Media Access Control Sub-Layer 介質訪問控制子層；

指定數據如何通過物理線路進行傳輸，并與物理層通信；

LLC Sub-layer：Logic Link Control Sub-layer邏輯鍊路控制子層；

識别協議類型并對數據進行封裝通過網絡進行傳輸；

數據鍊路層協議

數據鍊路層局域網、廣域網協議；

數據鍊路層設備：以太網交換機

網絡層功能與設備

功能 ：在不同的網絡之間轉發數據包

設備：路由器、三層交換機

網絡層的任務就是要選擇合适的路徑并轉發數據包，使數據包能夠正确無誤地從發送方傳遞到接收方。

網絡層的主要功能包括：

• 編址：網絡層為每個節點分配标識，這就是網絡的地址（address）。地址分配也為從源到目的的路徑選擇提供了基礎。
• 路由選擇：網絡層的一個關鍵作用是要确定從源到目的的數據傳遞應該如何選擇路由，網絡層設備在計算路由之後，按照路由信息對數據包進行轉發。執行網絡層路由選擇的設備成為路由器（router）。
• 擁塞管理：如果網絡同時傳送過多的數據包，可能會産生擁塞，導緻數據丢失或延遲，網絡層也負責對網絡上的擁塞進行控制。
• 異種網絡互聯：通信鍊路和介質類型是多種多樣的，每種鍊路都有其特殊的通信規定，網絡層必須能夠工作在多種多樣的鍊路和介質類型上，以便能夠跨越多個網段提供通信服務。

網絡層處于傳輸層和數據鍊路層之間，他它負責向傳輸層提供服務，同時負責将網絡地址翻譯成對應的物理地址。網絡層協議還能協調發送、傳輸及接收設備的處理能力的不平衡性，如網絡層可以對數據進行分段和重組，以使得數據包的長度能夠滿足該鍊路的數據鍊路層協議所支持的最大數據幀長度。

網絡層協議

當某一網絡的主機應用程序需要發送報文到位于另一個網絡的目的地時，與該主機在同一網絡上的路由器的一個接口會接收到數據幀，路由器的鍊路層檢查該幀，确定被攜帶的網絡層數據類型，去掉鍊路層幀頭，并将網絡層數據送往相應的網絡層進行處理；

網絡層檢查報文頭以決定目的地址所在網段，然後通過查找路由表以獲取相應輸出接口；

輸出接口的鍊路層為該報文加上鍊路層幀頭，封裝成數據幀并發送到下一跳；

每一個報文的轉發都要進行這一過程。在到達目的主機所在網絡時，報文被封裝成目地網絡的鍊路層數據幀，發送給相應的目的主機。目的主機接收到該報文後，經過鍊路層、網絡層的處理，去掉鍊路層幀頭、網絡層報文頭後，送給相應的協議。

路由器能支持多個相互獨立的路由協議（例如IP RIP、OSPF、IPX RIP等），能為不同的網絡協議棧（如 TCP/IP、IPX）相對應的路由協議維護各自的路由表。路由器的這種能力允許路由器能同時支持多種網絡層協議，進行報文的轉發。

傳輸層功能

最終目标是向用戶（一般指應用層的進程）提供有效、可靠的服務。傳輸層主要定義了主機應用程序間端到端的連通性，它一般包含四項基本功能。

• 分段上層數據
• 建立端到端連接

• 将數據從一端主機傳送到另一端主機
• 保證數據按序、可靠、正确傳輸

傳輸層位于OSI參考模型第四層，最終目标是向用戶— 一般指應用層的進程，提供有效、可靠的服務。

傳輸層主要定義了主機應用程序間端到端的連通性，它一般包含四項基本功能：

1. 将應用層發往網絡層的數據分段或将網絡層發往應用層的數據段合并。
2. 建立端到端的連接，主要是建立邏輯連接以傳送數據流。

3. 将數據段從一台主機發往另一台主機。在傳送過程中通過計算校驗和以及通過流控制的方式保證數據的正确性，流控制可以避免緩沖區溢出。
4. 部分傳輸層協議保證數據傳送正确性。主要是在數據傳送過程中确保同一數據既不多次傳送也不丢失。同時還要保證數據包的接收順序與發送順序一緻。

傳輸層協議主要有TCP/IP協議棧的TCP協議和UDP協議，IPX/SPX協議棧的SPX協議等。其中，TCP協議和SPX協議為應用程序提供可靠的、面向連接的服務；UDP協議提供不可靠的、無連接的服務。

傳輸層主要協議對比

應用層功能

應用層的主要功能

1. 為用戶提供接口、處理特定的應用
2. 數據加密、解密、壓縮、解壓縮

3. 定義數據表示的标準

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