概述

认识计算机网络

计算机网络定义的主要观点：

• 从应用的观点：以相互共享资源方式连接起来，且各自具有独立功能的计算机系统的集合；
• 从物理的观点：在网络协议的控制下，由若干台计算机和数据传输设备组成的系统；
• 观点3：利用各种通信手段，把地理分散的计算机互联起来，能够互相通信且共享资源的系统。

计算机网络就是相互连接的自治计算机的集合。

• 自治：能独立运行，不依赖其他计算机；
• 互连：以任何可能的通信连接方式。
  • 有线方式：铜线、光纤等；
  • 无线方式：红外、无线电（微波）、卫星等。

最简单的网络就是两台计算机互连，形成简单双机互联网络。双机互联网络是世界上最小的网络，一般出现在家庭或办公室环境中，达到资源共享的目的。而随着无线局域网网络以及无线通讯技术（如Wi-Fi）的发展，使用无线局域网技术把家庭所有的智能化终端设备连接一起，形成智能化的家庭无线局域网系统。稍微复杂点的办公室网络可以实现多台计算机之间的相互连接。这种网络场景一般出现在办公室环境中，通过一台网络互联设备（交换机）把多台计算机互相连接在一起，组建一个简单网路系统，实现资源共享（如共享打印机）和互相之间通讯的目的。

计算机网络具有以下功能：

• 数据通信（Communication Medium）
  • 如文件传输、IP电话、email、视频会议、信息发布、交互式娱乐、音乐等。
• 资源共享（Resource Sharing）

由计算机网络的功能可知它能提供各种各样的应用服务，目前主要有以下几类：

• 共享资源访问
  • 如Web，FTP等。
• 远程用户通信
  • 如E-mail，IP电话，网络会议等。
• 网上事务处理
  • 如电子商务，电子政务，网上储蓄等。

计算机网络的工作模式主要有两种，对等网络模式和客户/服务器模式。

• 对等网络模式（分布式）
  • 在对等网络模式中，相连的机器之间彼此处于同等地位，没有主从之分故又称为对等网络。它们能够相互共享资源，每台计算机都能以同样方式作用于对方。
• 客户机/服务器模式（中心化式）
  • 客户机/服务器（C/S）网络是一种基于服务器的网络，与对等网络相比，基于服务器的网络提供了更好的运行性能并且可靠性也有所提高。在基于服务器的网络中，不必将工作站计算机的硬盘与他人共享。实际上，如果想与某个人共享一份文件，就必须先将文件拷贝到服务器的硬盘上（或者一开始就在服务器上生成该文件），这样别人才能访问这份文件。共享数据全部都集中存放在服务器上。

计算机网络的形成和发展

1946年世界上第一台电子数字计算机ENIAC诞生时，计算机技术与通信技术并没有直接的联系；20世纪50年代初，由于美国军方的需要，美国半自动地面防空系统（SAGE）的研究开始了计算机技术与通信技术相结合的尝试；随着计算机应用的发展，出现了多台计算机互连的需求，用户希望通过网络实现计算机资源共享的目的；典型的研究成果是ARPAnet（阿帕网，即因特网的前身）。

计算机网络是计算机技术和通信技术紧密结合的产物，它涉及到通信与计算机两个领域。它的诞生使计算机体系结构发生了巨大变化，在当今社会经济中起着非常重要的作用，它对人类社会的进步做出了巨大贡献。从某种意义上讲，计算机网络的发展水平不仅反映了一个国家的计算机科学和通信技术水平，而且已经成为衡量其国力及现代化程度的重要标志之一。

早期的计算机应用模式为单机。大、中、小型机庞大，昂贵，资源无法共享，计算机构成了一个个的信息“孤岛”。

计算机网络产生始于1950年，产生的原因：

• 资源共享的需求（计算能力、外设、软件、数据）
• 大型项目的合作（进行工程项目协作）
• 人与人之间的信息沟通（数据通信）

从体系结构来观察，计算机网络的发展可分为三个阶段（三个代际）：

1. 以主机为中心的联机终端系统：“计算机－终端”系统
   • 特征：终端（Terminal）共享主机（Host）的软硬件资源。
     • 单台主机：执行计算和通信任务
     • 多台终端：执行用户交互（终端集中器/终端服务器）
   • 连接方式：本地或远程。
   • 缺点：
     • 主机负荷重——数据处理＋通信；
     • 线路利用率低（每个终端与主机之间都有一条单独的线路）；
     • 集中控制方式，可靠性低。
   • 改进：
     • 终端集中器
     • 前端处理机（Front End Processor, FEP），通信任务分离
2. 以通信子网为中心的主机互连：“计算机－计算机”网络
   • 特征：
     • 多个终端联机系统互联，形成了多主机互联网络；
     • 网络结构从“主机－终端”转变为“主机－主机”。
   • 演变阶段1：
     • 通信任务从主机中分离，由通信控制处理机（CCP）完成。由CCP组成的传输网络——通信子网，提供信息传输服务；建立在通信子网基础上的主机集合——资源子网，提供计算资源。在通信子网上可有多个资源子网，共享通信子网的服务。
     • CCP：处理主机之间通信任务的专用计算机
   • 演变阶段2：
     • 通信子网规模逐渐扩大（私有→社会公用）
     • 公用数据通信网：
       • PSTN
       • X.25
     • 优点：
       • 降低用户系统建设成本
       • 提高通信线路利用率
       • 兼容性好
3. 体系结构标准化网络：层次化结构，并对每层进行了精确定义
   • 这里以阿帕网为例进行分析：
     • 美苏冷战时期由美国军方建立的实验性网络；
     • 最初4个节点→70年代的60多个节点；
     • 地域跨越美洲、欧洲；
     • 具有现代网络的许多特征，例如：
       • 分组交换
       • 分层次的网络体系
       • 较为完善的通信协议

为什么需要标准化？

• 不同网络设备之间的兼容性是推动网络体系结构标准化的原动力；
• 标准化的目的是为网络硬件、软件、协议、存取控制和拓扑提供统一的标准；
• 各厂商、研究机构、大学在网络技术、方法、理论等方面的研究日趋成熟是体系结构标准化的基础。

为了实现各类网络的互联、适应更大范围的资源共享、促进网络的开放性及标准化程度，国际标准化组织（ISO）于20世纪70年代后期开始制定一系列国际标准，并于1981年正式公布了开放系统互连参考模型 （OSI—Open System Interconnection Basic Reference Model) ，从而确立了计算机网络的体系结构。按照标准化的体系结构建立的计算机网络称为第三代网络。

网络体系结构标准化过程的演变：

• 厂商标准 IBM-SNA、DEC-DNA 等
  • 缺点：适用范围窄（兼容性差）；技术垄断（恶性竞争）；标准不统一。
• 国际标准 ISO OSI/RM
  • OSI参考模型是一种概念上的网络模型，规定了网络体系结构的框架：7个层次。但它只说明了做什么（What to do）而未规定怎样做（How to do）。并且构造太复杂，几乎没有与之完全符合的网络。
• 事实上的标准 TCP/IP
  • 从体系结构上看，它是OSI参考模型的简化（只含OSI参考模型中的4层）。

20世纪90年代，随着美国信息高速公路计划的执行，全球网络技术进入宽带综合业务数字网阶段。宽带网络技术发展成为主流，人们更加注重网络通讯质量和网络带宽，注重网络的交互性，Internet技术成为连接全球计算机之间的网络系统。因特网的出现标志着现代网络时代的到来。

一句话总结发展过程：终端网络→局域网→广域网→因特网

计算机网络的分类

计算机网络的分类方法主要有以下几种：

• 根据网络所使用的传输技术分类；
  • 通信信道的类型有两类：广播通信信道和点－点通信信道，相应的计算机网络也可以分为两类：广播式网络（Broadcast networks）和点－点式网络（Point-to-point networks）。局域网络通常使用广播方式，广域网络通常使用点对点方式。
  • 广播式网络：一台计算机发送的信息可被网络上所有的计算机接收。
  • 点－点式网络：由一对对机器间的多条传输链路构成。信源与信宿之间的通信需经过一台和多台中间设备进行传输。
• 根据网络的覆盖范围与规模分类；
  • 局域网（Local Area Network，LAN）
    • 范围：小，＜10kM
    • 传输技术：基带，10-1000Mbps，延迟低，出错率低（10^-11^失误率）
    • 拓扑结构：总线，环
  • 城域网（Metropolitan Area Network，MAN）
    • 范围：中等，介于10kM-100kM
    • 传输技术：宽带/基带
    • 拓扑结构：总线 IEEE专门为MAN定义了一个标准 IEEE 802.6，称为分布式队列双总线（DQDB），但并未得到预期的应用。
  • 广域网（Wide Area Network，WAN）
    • 范围：大，＞100KM
    • 传输技术：宽带，延迟高，出错率高
    • 拓扑结构：不规则，点到点 广域网只是连接范围很大的计算机网路，单单是说连接起来可以通信而已。广域网常常使用电信运营商提供的通讯设备，作为信息传输平台，达到资源共享的目的。
• 按拓扑结构分类；
  • 星形：有一个中心节点，其它节点与其构成点到点连接；
  • 树形：一个根结点、多个中间分支节点和叶子节点构成；
  • 总线：所有节点挂接到一条总线上，广播式信道。需要有介质访问控制规程以防止冲突；
  • 环形：所有节点连接成一个闭合的环，结点之间为点到点连接；
  • 全连接：点到点全连接，连接数随节点数的增长迅速增长，使建造成本大大提高，只适用于节点数很少的广域网中；
  • 不规则（网状）：点到点部分连接，多用于广域网，由于连接的不完全性，需要有交换节点。
• 按其他的方法分类。
  • 按局域网的标准协议分类；
    • 根据网络所使用的局域网标准协议分类，可以把计算机网络分为以太网（IEEE 802.3）、快速以太网（IEEE 802.3u）、千兆以太网（IEEE 802.3z和IEEE 802.3ab）、万兆以太网（IEEE 802.3ae）和令牌环网（IEEE 802.5）等。
  • 按使用的传输介质分类；
    • 传输介质是指数据传输系统中发送装置和接收装置间的物理媒体，按其物理形态可以划分为有线和无线两大类。
  • 按网络应用领域分类。
    • 计算机网络按照应用领域的不同可以将分为公用网和专用网。其中公用网一般由国家机关或行政部门组建，它的应用领域是对全社会公众开放。专用网一般由某个单位或公司组建，专门为自己服务的网络，这类网络可以只是一个局域网的规模，也可以是一个城域网乃至广域网的规模。它通常不对社会公众开放，即使开放也有很大的限度。

互联网是由若干个物理网络，包括 LAN、MAN和WAN等由路由器（或称网关）的网络设备连接在一起的，互联网是互连在一起的物理网络的集合，是网络的网络。对互联网，现在则多理解为不单单是连接，还有各种应用。

计算机网络的组成

计算机网络主要由计算机系统（包括计算机和终端）、网络节点（通信处理机）和通信链路（通信线路和网络 设备）等网络单元组成。从功能上可以将计算机网络分为资源子网和通信子网。

• 资源子网：负责数据处理的主计算机与终端等；
• 通信子网：负责数据通信处理的通信控制处理机与通信线路等。

资源子网的概念：

• 资源子网的组成
  • 主机、终端、终端控制器
  • 外设、软件资源、信息资源
• 主机（Host）
  • 大型机、中型机、小型机、工作站或微机
• 终端（Terminal）
  • 用户访问网络的界面;
  • 终端可以是简单的输入、输出终端，也可以是带有微处理机的智能终端;
  • 终端可以通过主机连入网内，也可以通过通信控制处理机连入网内。

通信子网的概念：

• 早期的ARPAnet中，承担通信控制处理机功能的设备是接口报文处理机（IMP），也就是现在广泛使用的路由器；IMP将主机和终端连入网内；IMP完成分组接收、校验、存储、转发功能。

现代网络结构的变化：

• 随着微型计算机的广泛应用，大量的微型计算机是通过局域网连入广域网，而局域网与广域网、广域网与广域网的互连是通过路由器实现的；在Internet中，用户计算机需要通过校园网、企业网或ISP联入地区主干网，地区主干网通过国家主干网联入国家间的高速主干网，这样就形成一种由路由器互联的大型、层次结构的网际网的Internet网络结构。

从软件和硬件的角度描述计算机网络系统的组成是：

• 硬件
  • 网络节点
    • 端节点：计算机
    • 中间节点：交换机、集中器、复用器、路由器、中继器
  • 通信链路：信息传输的通道
    • 物理：传输介质
    • 逻辑：信道 两者类比——电视信号电缆和电视频道之间的关系
• 软件
  • 通信软件（网络协议软件）
  • 网络操作系统
  • 网络管理/安全控制软件、网络应用软件

计算机网络领域发展新技术

物联网

物联网概念最早出现于比尔·盖茨1995年出版的《未来之路》一书。2005年，ITU正式提出了物联网（IOT, Internet Of Things）的概念。ITU指出：无所不在的“物联网”时代即将来临，世界上所有物体，都可以通过互联网进行交换。随着物联网的发展，RFID（射频识别）技术、传感器技术、纳米技术、智能嵌入技术等，将得到更加广泛的应用。

目前国内对物联网还没有一个统一的定义，早期（1999年）物联网的定义是：将物品通过射频识别设备、传感设备与互联网连接起来，实现物品的智能化识别和管理。

物联网的三个基本特征：

• 互联网特征，联网的物品能够实现互联互通；
• 识别与通信特征，物体具备自动识别与物物通信功能；
• 智能化特征，网络系统具有自动化，自我反馈与智能控制的特点。

物联网中的“物”要满足以下条件：

• 有相应信息的接收器；
• 有数据传输通路；
• 有一定的存储功能；
• 有专门的应用程序；
• 有数据发送器；
• 遵循物联网的通信协议；
• 在网络中有被识别的唯一编码等。

**物联网就是物物相连的互联网。**其整体结构可以分为3个层次：

• 感知层
  • 包括传感器等数据采集设备，以及数据接入到网关之前的传感器网络。感知层的主要任务是对各种信息进行标记，并通过传感等手段，将这些标记的信息和现实世界的物理信息进行采集，将其转化为可供处理的数字化信息。信息采集层涉及的典型技术包括RFID（射频识别）、各种传感器等。感知层一般包括数据采集和数据短距离传输两部分，即首先通过传感器、摄像头等设备采集外部物理世界的数据，通过蓝牙、红外、Zig Bee、工业现场总线等短距离有线或无线传输技术进行协同工作或者传递数据到网关设备。
• 传送层（网络层）
  • 通过各种电信网络与互联网的融合，将物体的信息实时准确地传递。
• 应用层
  • 利用经过分析处理的感知数据，为用户提供丰富的特定服务。物联网的应用可分为：监控型（物流监控、污染监控等）应用、查询型（智能检索、远程抄表等）应用、控制型（智能交通、智能家居等）应用、扫描型（手机钱包、不停车收费等）应用。应用层的发展，将会推动物联网的普及，也将给整个物联网产业带来利润。

物联网目前可分为下面4种:

• 私有物联网（Private IOT）
• 公有物联网（Public IOT）
• 社区物联网（Community IOT）
• 混合物联网（Hybrid IOT）

物联网面对消费级用户存在的问题：

• 安全问题
  • 传感器植入在芯片中，可能被任何人感知。如何做到信息为用户所用，不被别人所用，这需要建立一套强大的安全体系。
• 隐私问题
  • 在日常生活物品中，物品的拥有者不一定觉察该物品已预先嵌入了电子标签，这可能会导致人们自身不受控制地被扫描，定位和追踪。

技术标准问题：

• 互联网的成功是因全球都采用了标准化的TCP/IP协议，使每一台计算机连接到互联网中。物联网发展过程中，传感、传输、应用各个层面会有大量的技术出现，可能会采用不同的技术方案。如果企业各行其是，相互无法互连，就不能形成规模经济，也不能形成整合的商业模式。

云计算

全球IT产业正经历着一场声势浩大的云计算浪潮，人类已经进入以服务为中心的时代，“云”成为IT业界关注的焦点。云计算是一种计算模式。这种计算模式中，所有服务器、网络、应用程序以及与数据中心有关的其他部分，都通过网络提供给IT部门和最终用户，IT部门只需购买所需特定类型和数量的计算服务。云计算最核心本质，是把一切都作为服务来交付和使用。

云计算通过虚拟化技术将资源进行整合，将网络上分布的计算、存储、服务构件、网络软件等资源集中起来，形成庞大的计算与存储网络，以基于资源虚拟化的方式，为用户提供方便快捷的服务。**虚拟化最主要的意义是用更少的资源做更多的事。**用户只需要用一台接入网络的终端，即可用相对低廉的价格获得所需资源和服务，无需考虑来源。未来发展趋势，一切事物均以一种“服务”形态展现在人们面前，一切都可以作为服务交付给客户使用。

把“云”视为一个虚拟化的存储与计算资源池，则云计算是这个资源池基于网络平台为用户提供的数据存储和网络计算服务。Internet是最大的一片“云”，其上各种计算机资源共同组成若干个庞大的数据中心及计算中心。狭义的云计算是一种资源交付和使用模式，指通过网络获得应用所需的资源（硬件、平台、软件）。提供资源的网络称为“云”。“云”中的资源在使用者看来可以无限扩展，可以随时获取。广义的云计算是指服务的交付和使用模式，即用户通过网络以按需、易扩展的方式获得所需的IT基础设施或服务等。

无论狭义、广义，云计算的核心理念是“按需服务”，就像使用水、电、天然气等资源的方式一样，按需购买和使用。云计算是一种商业计算模型，将计算任务分布在大量计算机构成的资源池，使各种应用能够根据需要获取计算、存储空间和各种软件服务。

根据使用范围，云计算分为私有云和公有云两种。

• 私有云是所有企业或机构内部使用的云；
• 公有云是对外部企业、社会及公共用户提供服务的云。

从提供服务的类型看，云计算分为三个层次：IaaS、PaaS和SaaS。

• IaaS：“基础设施即服务”，消费者通过Internet从完善的计算机基础设施获得服务；（如：亚马逊、VMware和华为云等是提供IaaS服务商）
• PaaS：“平台即服务”，实际指将软件研发平台作为一种服务，以SaaS的模式提交给用户；
• SaaS：“软件即服务”，通过Internet提供软件的模式，用户无需购买软件，而是向提供商租用基于Web的软件管理企业经营活动。

**物联网与云计算结合是必然趋势。**物联网与云计算结合存在多种模式。目前建设的和物联网相关的云计算中心、云计算平台，主要是IaaS模式在物联网领域的应用。实际上，PaaS模式、SaaS模式也可以与物联网很好地结合起来。

**云计算助力移动互联网发展。**移动互联网是指以宽带IP为技术核心，可同时提供语音、数据、多媒体等业务服务的开放式基础电信网络。云计算的出现，加速了移动互联网的发展，带来更多新的机遇，也将催生新型的项目。

**云安全从“云计算”演变而来。**策略构想：使用者越多，每个使用者越安全。庞大的用户群足以覆盖网络的每个角落，只要某个网站被挂马或某个新木马病毒出现，立刻被截获。“云安全”通过网状的大量客户端对网络中软件行为的异常进行监测，获取网络中木马、恶意程序的最新信息，推送到服务端进行自动分析和处理，再把病毒和木马的解决方案分发到每一个客户端。

**云计算在当下最广泛的运用就是云存储。**云计算概念上延伸和发展的新概念，指通过集群应用、网格技术或分布式文件系统等，将网络中大量不同类型的存储设备通过应用软件集合起来协同工作，共同对外提供数据存储和业务访问功能的系统。云计算系统运算和处理核心是大量数据的存储和管理，系统中需要配置大量存储设备，云计算系统转变为云存储系统。云存储是一个以数据存储和管理为核心的云计算系统。

**云游戏产业也基于云计算快速发展。**以云计算为基础，所有游戏都在服务器端运行，并将渲染后的游戏画面压缩后通过网络传送给用户。用户游戏设备不需要任何高端处理器和显卡，只需要基本的视频解压能力即可以了。

云计算将逐渐获得企业用户的认同，未来几年保持较快的增长速度。可以预期，在现有的SaaS、PaaS和IaaS基础上还将不断产生新的云计算商业模式。技术创新将使云计算更安全、更可靠、更高效。云计算以统一化的IT基础资源为用户提供个性化的服务，是标准化与差异化的完美结合。市场预测，未来几年云计算将保持较高的增长速度，市场规模不断扩大。