计算机网络体系结构及其简单通信

Posted 2020-07-27 the_scent_of_th_soul

（一）通信的基本概念：

我们知道，通信的目的是快速、有效地传递信息。下面我们先来简单地介绍一点通信的基本知识：
现代信息的表达方式有文字、符号、声音、图像数据等多种形式。为了实现信息传递，通常以光、电等信号作为信息的载体。

信号：信息的表达形式
信道：信号传输的通道，是信号传输媒介的总称。
信源：发出信息的地方
信宿：信息传送的终点

根据传送信息的信道（信号传输媒介）不同，通信可分为有线通信和无线通信。

有线通信的信道：包括电缆、光缆、明线等可见的物理媒体。
无线通信的信道：有长波、中波、短波、超短波、微波、毫米波、红外线、可见光、X射线、宇宙射线等各种不同频率的无线电波;无线电波又称为电磁波，其传输方式有天空波、地面波、空间波、散射波。

此外，流星余迹也可以作为传输信息的通道，这种通信方式称为流星余迹通信（利用流星余迹反射无线电波而进行的远距离通信）。

（二）计算机网络通信：

计算机网络有局域网、城域网、广域网、蓝牙等多种类型，其中既有有线信道又有无线信道。通过这些有线或无线信道，用户的各种固定终端或移动终端，就可以接入各种通信网或计算机网络，获取或交换各种信息，达到通信的目的。

网络传输介质：指在网络中传输信息的载体，与上述信道含义相同。有线传输介质是指在两个通信设备之间实现的物理连接部分，它能将信号从一方传输到另一方，有线传输介质主要有双绞线、同轴电缆和光纤。双绞线和同轴电缆传输电信号，光纤传输光信号。
不同的传输介质，其特性也各不相同，它们不同的特性对网络中数据通信质量和通信速度有较大影响。

(1) 局域网：

a.局域网的定义：

局域网（Local Area Network，LAN）是在一个局部的地理范围内（如一个学校、工厂和机关内），一般是方圆几千米以内，将各种计算机，外部设备和数据库等互相联接起来组成的计算机通信网。

b.局域网的组成：

局域网由网络硬件（包括网络服务器、网络工作站、网络打印机、
网卡、网络互联设备等）和网络传输介质，以及网络软件所组成。

局域网严格意义上讲是封闭型的，可以由办公室内的两台计算机组成，也可以由一个公司内的上千台计算机组成。

c.局域网的分类：

若按网络使用的传输介质分类，局域网可分为有线网和无线网。

d.局域网的拓扑结构：

1.星状结构：星状结构网络是由中心节点（又称中央转接站，一般是集线器或交换机）和其他节点（从节点）组成的。其中每个从节点设备都以中心节点为中心，通过连接线与中心节点相连。中心节点可直接与从节点通信，而从节点与从节点之间必须通过中心节点才能通信。在星状结构的网络系统中，任意两个工作站之间的通信最多只需两步，所以传输速度快。另外，它的网络构形简单，建网容易，便于控制和管理。但是这种网络系统的网络可靠性低，网络共享能力差。

那么为什么共享能力差呢？因为这里的共享指的是，各个资源（从节点）之间的互访，又因为每个资源之间都要通过中心节点才能互访，所以肯定就会慢很多，共享能力就差了。
我们再来看看可靠性，显然，在这种结构下，只要中心节点一挂整个网络就全瘫痪了，大大大的不可靠哇！

2。总线结构：是将网络中的所有的设备通过相应的硬件接口和线缆直接连接在共同的传输介质（一条所有PC都可访问的公共通道即总线）上。
总线型拓扑结构的数据传输是广播式传输结构，结点设备能通过总线将数据发送给网络上的所有的计算机。在这里，虽然连接在总线上的任何一个节点都能接收到来自总线的数据，但是只有计算机地址与信号中的目的地址相匹配的计算机才真正接收。
总线有一定的负载能力，因此，总线长度有一定限制，一条总线也只能连接一定数量的结点。
总线结构网络简单、灵活，可扩充性能好，所以进行结点设备的插入与拆卸非常方便。另外，总线结构网络可靠性高，网络节点响应速度快，共享资源能力强，设备投入小成本低，安装使用方便，当某个工作站节点出现故障时，对整个网络系统影响小。因此总线结构网络是最普遍使用的一种网路。但是由于所有的工作站都使用一条总线，所以实时性较差。

3.环状结构：环状结构网络是网络中各个结点通过一条首尾相连的通信链路连接起来的一个闭合环状结构网。
环路上任何结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。在网络中信息设有固定方向单向流动，因为两个工作站节点之间仅有一条通路，所以系统中无信道选择问题。
由于环线公用，一个结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结点地址相符时，信息被该结点的环路接口所接收，而后信息继续流向下一环路接口，一直到流回发送该信息的环路接口结点为止。由于信息源在环路中是串行地穿过各个节点，当环中节点过多时，势必影响信息传输速率，使网络的响应时间延长；环路是封闭的，不便于扩充。
单纯的环型拓扑结构可靠性低，一个节点故障，将会造成全网瘫痪，维护难，对分支节点故障定位较难。当前的局域网几乎不使用单纯的环形拓扑结构。而环形结构的一种改变形式，也称星型环拓扑结构流行于某些类型的网络中。

4.树状结构：树状结构是天然的分级结构，又称为分级的集中式网络。

e.常用的局域网协议：

1.以太网： 是当今现有局域网采用的最通用的通信协议标准，它不是一种具体的网络，而是一种技术规范。以太网规定了包括物理层的连线、电信号和介质访问层协议的内容，在很大程度上取代了其他局域网标准。
IEEE 802.3是一种基带总线局域网，其中以无源的电缆作为数据传输的总线。
在总线结构的局域网中，任何一个终端所发送的信号都能被其他所有终端接收。由于多个终端共用一个传输信道，因此必须遵从媒质访问控制协议，确定在任意时刻，传输信道上的哪一个终端可以传输数据。
以太网络采用的媒质访问控制方法是CSMA/CD（载波监听多路访问及冲突检测）技术。在介绍CSMA/CD工作原理之前，先介绍一下冲突的概念：
若网络上有两个或两个以上的工作站同时发送数据，在总线上就会产生信号的混合，哪个工作站都辨别不出真正的数据是什么，这种情况称为数据冲突或碰撞。
CSMA/CD工作原理：终端设备在向总线发送数据之前，先监听总线是否空闲（是否有冲突）。若总线空闲，则把准备好的数据发送到总线上;若总线忙（有冲突），则不发送。但是要发送一个加强冲突的JAM信号，以便网络上所有工作站都知道网上发生了冲突。然后，等待一个预订的随机时间，且在总线为空闲时，再重新发送未发完的数据。

2.IEEE 802.4令牌总线：令牌总线是一种在总线拓扑结构中利用“令牌”（token）作为控制节点访问公共传输介质的确定型介质访问控制方法。
令牌是一种特殊的帧，在需要用到令牌概念的局域网网络上的所有节点设备中，只有得到令牌的节点才能发送帧。
令牌总线策略中使用“令牌的思想”，避免了采用令牌总线方法的局域网（令牌总线局域网）中多个节点同时访问总线引起的帧碰撞。
令牌总线局域网的主要特点，是它在物理上是一个总线网，而在逻辑上确是一个令牌网。
整个网络上只有一个令牌，逻辑上所有结点构成一个环，令牌沿逻辑循环传送，传递的顺序与站的物理位置无关。

3.令牌环：由于令牌环的思想主要用于令牌环网中，而令牌环网现几乎已经完全被以太网所取代，这里不再详细说明。

4.无线局域网：无线局域网是利用电磁波在空气中传输数据，而不需要线缆介质的局域网络环境。
无线局域网中的硬件设备：
a.无线网卡：无线网卡是无线局域网的接口，它是不通过有线连接，采用无线信号进行数据传输的终端。能够实现无线局域网各客户机间的连接与通信。
b.无线AP：无线AP就是无线局域网的接入点，相当于一个连接有线网和无线网的桥梁。其主要作用类似于有线网络中的集线器，是将各个无线网络客户端连接到一起，然后将无线网络接入以太网。
c.无线天线：当计算机与无线AP或其他计算机相距较远时，或者根本无法实现与AP或其他计算机之间通讯，此时，就必须借助于无线天线对所接收或发送的信号进行增益（放大）。

每个无线工作站网卡都由唯一的物理地址标识，该物理地址的编码方式类似于以太网物理地址，是48位。网络管理员可在无线局域网访问点（AP）中手工维护一组允许访问或不允许访问的MAC地址列表，以实现物理地址的访问过滤。

（2）Internet和广域网

a.广域网定义：

广域网是一种把更广的区域（譬如一个城市、一个国家、甚至全世界）的计算机设备联接起来的网络，通常是邮电事业部门经营和管理、超越部门和局域的向公众提供使用的远程公用信息通信网，有时也称为远程网。
广域网的通信子网主要使用分组交换技术，将分布在不同地区的局域网或计算机系统互连起来，达到资源共享的目的。

b. Internrt的定义：

Internet （因特网）是由那些互相通信的路由器和公共互联网（公共互联网由许多计算机连接形成）连接而成的全球网络（逻辑网），它是一个信息资源和资源共享的集合。

c. Interner提供的常用服务：

1.E-mail服务：
电子邮件类似于普通信件，它的收发过程和普通信件的工作原理非常相似。只不过，通过电子邮件服务传送的邮件不是具体实物，而是电信号，因此它可以传送很多普通信件无法传送的东西，例如动画。
常用的电子邮件协议：
SMTP（简单邮件传输协议）：是一组发送邮件的规则，由它来控制信件的中转方式，它帮助每台计算机在发送或中转信件时找到下一个目的地。
POP：即邮局协议，用于电子邮件的接收。主要用于支持使用客户端远程管理在服务器上的邮件。例如，它支持本地计算机上的用户代理程序连接到邮件服务器上，将用户的邮件取回到本地阅读。
IMAP(互联网消息访问协议)：一种功能更强大，也更复杂的邮件接收的协议。

2.共享远程的资源（远程登录服务Telnet）:远程登录是指允许本地用户登录到网络中的另一主机（远地系统）上成为那台主机的终端。登录成功以后，本地用户就可以像远地系统的一个用户那样操作网络主机的资源。
通过远程登录，本地计算机便能与网络上另一远程计算机取得“联系”，并进行程序交互。

3.FTP服务：
FTP既是一种控制文件传输的协议，也是一个应用程序。作为应用程序，它是文件传输的最主要工具，可以传输任何格式的数据。FTP应用程序根据FTP协议在客户机/服务器间进行文件传输。

4.WWW:
WWW（万维网或简称Web）是一个信息检索服务系统，通过互联网访问，为人们提供了一种查找和共享信息的手段。
分为Web客户端和Web服务器程序。 WWW可以让Web客户端（常用浏览器）访问浏览Web服务器上的页面。Web服务器是可以向发出请求的浏览器提供文档的程序。
从网页服务器上取回来的“文档”或“网页”由网页浏览器程序显示。
Web把Internet上现有资源统统连接起来，使用户能在Internet 上已经建立了WWW服务器的所有站点提供超文本媒体资源文档。

网络服务器是网络环境下为客户提供某种服务的专用计算机。

d. IP专用网：

本地地址：仅在本机结构内有效的IP地址。
全球地址：向因特网的管理机构申请的全球唯一的IP地址。
专用地址：只能用作本地地址，而不能用作全球地址。

由于IP地址紧缺，一个机构能够申请到的IP数往往小于本机构所拥有的主机数。在许多情况下，很多主机主要还是和本机构内的其他主机通信，显然这些计算机并不都需要和因特网相连。为了节约宝贵的全球IP资源，可以让本机构内部的计算机使用本地地址。

为了避免机构内部的主机和因特网连接时，本地地址和因特网中的某个IP地址重合，RFC1918指明了一些专用地址，这些地址只能用于一个机构内部通信，而不能用于和因特网上的主机通信。在因特网中的所有路由器，对于目的地址是专用地址的数据报一律不进行转发。

RFC1918指明的专用地址是：
10.0.0.0 - 10.255.255.255 (10/8比特前缀)
172.16.0.0 - 172.31.255.255 (172.16/12比特前缀)
192.168.0.0 - 192.168.255.255 (192.168/16比特前缀)

采用这样的专用IP地址的互联网络称为专用互联网或本地互联网，简称专用网。可能会有很多的专用网具有相同的专用IP地址，但因为这些专用地址仅在本机构内部使用，所以不会引起麻烦。专用IP地址也叫可重用地址。

专用网举例：对于高校来说，校园网或者图书馆内部的局域网及通信网络就是专用网。

好了，计算机网络通信系统庞大且复杂，我简单地介绍了一些基本概念，希望对于理解我将要介绍的下面的内容有所帮助。

（三）计算机网络体系结构：

计算机网络的基本概念中，分层次的体系结构是最基本的。

网络协议：计算机网络由多个互连的结点组成，结点之间要不断地交换数据和控制信息。要做到有条不紊地交换数据，每个结点就必须遵守一套事先约定好的规则。这些规则称为网络协议（简称协议）。组织复杂的计算机网络协议的最好方式就是采用层次模型，既逻辑上把不同的协议分在不同的网络层次上，每一层可有一个或多个协议。

网络体系结构：计算机网络的各层及其协议的集合，称为网络的体系结构。

网络服务：指利用在网络上运行的、面向服务的、基于分布式程序的软件模块儿进行的 服务方式。

开放系统互连参考模型（OSI/RM）：开放系统互连参考模型为实现开放系统互连所建立的通信功能分层模型。
OSI/RM依据网络的整个功能分成七个层次。层与层之间的联系是通过各层之间的接口来进行的，上层通过接口向下层提供服务请求，而下层通过接口向上层提供服务。

从下到上OSI/RM的各层及其主要功能如下：

物理层：物理层的主要功能是利用物理传输介质（有线介质或无线介质），在通信的两个数据终端设备间形成一条通路，以便透明地传送比特流。
数据链路层：在物理层提供比特流传输服务的基础上，在通信实体之间建立数据链路连接，传送以帧为单位的数据，采用差错控制、流量控制方法，使有差错的物理线路变成无差错的数据链路。

两台主机在进行通信时，主机1和主机2都有完整的5层协议（假设没有会话层和表示层），但路由器在转发分组时使用的协议栈只有下面三层。数据进入路由器后要先从物理层上到层，在转发表中找到下一跳的地址后，再下到物理层转发出去。因此数据从主机1传送到主机2需要在路径中的各节点的协议栈向上向下流动多次。

网络层：网络层介于传输层和数据链路层之间，它在数据链路层提供的两个相邻端点之间的数据帧的传送功能上，进一步管理网络中的数据通信。网络层的目的是实现两个端系统之间的数据透明传送（物理层是比特透明传送）。

传输层：传输层为应用进程之间提供端到端的逻辑通信。

会话层：建立、组织、协调两个互相通信的应用进程之间的交互。

表示层：主要用于处理在两个通信系统中交换信息的表示方式。通过抽象的方法来定义一种数据类型或数据结构，并通过使用这种抽象数据结构在各端系统之间实现数据类型和编码的转换。

应用层：应用层是计算机网络与最终用户之间的接口，是利用网络资源唯一向应用程序直接提供服务的层。

简单地说明了一下OSI/RM的层次结构及功能，下面我们来看一些这里面需要注意的细节问题。

a.两台计算机在通过网络进行通信时，只有物理层才有直接连接。其余层是通过各对等层的协议来进行通信，如两个对等的网络层使用网络层协议通信。只有两个物理层之间才能通过媒体进行真正的数据通信。

b.在OSI/RM中系统间的通信信息流动过程如下：`
发送端的各层从上到下逐步加上各层的控制信息，所构成的比特流传递到物理信道，通过物理信道传输到接收端的物理层，接收端从下到上逐层去掉相应层的控制信息，所得到的数据流最终传送到应用层的进程。

c.链路是从一个节点到它的相邻节点（中间没有其他节点）之间的一段物理线路，它只是一条路径的组成部分。两台计算机之间的通信路径往往要经过许多这样的链路。
在一条线路上传送数据时，除了需要这样的物理线路以外，还需要通信协议来控制数据的传输。这种加上了通信协议的的链路就是我们平时所说的数据链路。
d.从IP层（网络层）来说，通信的两端是两个主机。但是真正进行通信的实体是两个主机中的进程，两个主机进行通信就是两个主机中的应用程序进行互相通信，具体的实现方法由传输层控制。

总之，如果想要深入理解计算机网络，那么对于它的体系结构以及简单通信过程是必须要掌握的。我大致提了一些基本概念，如果是想要深入理解，建议侧重关键词看书查资料。