第1章绪论.docx
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第1章绪论
1计算机网络与工程概述
21世纪，在快速地进入信息化社会，信息化社会的典型特征是数字化和网络化。
计算机网络已成为给排水网、电网、电话网、电视网和交通网之后新的社会基础设施，人们的工作、学习和生活与计算机网络已密不可分，并将越来越依赖于计算机网络。
我国现阶段社会发展的特点是工业化与信息化并进，强调社会的和谐和可持续发展。
计算机网络在产业结构调整、民意畅通、城乡统筹、教育资源共享、社会治安、能源节约和环境保护等方面发挥着不可替代的作用。
计算机网络的规划与设计是计算机网络工程的首要和关键环节。
正确理解计算机网络的基本概念、掌握计算机网络的基本知识，是进行计算机网络规划与设计的必要条件。
本章简要说明计算机网络的定义、功能、性能、要素、类别、体系结构、技术和设备，以及计算机网络工程和计算机网络工程规划与设计的基本知识。
1.1计算机网络概述
什么是计算机网络？
《计算机科学技术百科全书》的定义是：
计算机网络是指地理上分散的多台独立自主的计算机通过软、硬件设备互连，以实现信息交换和资源共享的系统。
计算机网络由若干结点和连接这些结点的链路组成。
其中，结点可以是PC、笔记本、PDA、服务器、集线器、交换机或路由器等数字化设备，链路可以是有线或无线介质，电路或光路。
计算机网络是一种数据通信网络。
数据通信是指数字终端之间的通信，信道可以是数字信道或模拟信道。
数字通信是指信道为数字信道的通信。
为简便计，本书中的“网络”代指计算机网络，“网络工程”代指计算机网络工程。
1.1.1网络功能
计算机网络功能涉及基本功能、支撑功能和应用功能。
网络基本功能——网络的最主要功能。
网络支撑功能——那些能支撑网络基本功能得以实现的功能。
网络应用功能——面向不同应用需求在网络平台上实现的功能。
例如网站、电子邮件、电子商务、网络游戏等。
1）网络基本功能
无论哪一种计算机网络，都具有二种基本功能：
（1）信息交换
计算机网络可以在网络结点之间进行信息交换。
网络中交换的信息是用二进制编码形式表示的，其在网络体系结构不同层上的数据包格式是由该层上的网络协议规定的。
与电信网络传输语音信号、电视网络传输视频信号不同，计算机网络传输的是二进制编码的数据文件。
（2）资源共享
通过计算机网络共享各种资源，包括（多媒体）信息资源、软件资源和硬件资源。
在计算机网络平台上可提供的网络应用功能已经很多，随着Internet和Intranet的普及将极大丰富。
2）网络支撑功能
联网计算机之间信息交换和资源共享的实现，要求网络具有以下支撑功能：
（1）信号传输
数据通信首先必须在结点之间有电信号、光信号或电磁波的传输，信号可以是数字或模拟的，信号是通过信道（电缆、光缆或大气）进行传输的。
采用复用技术（频分复用、时分复用和码分复用），可以在一个信道上同时传输多路信号。
（2）帧传输
在点到点（相邻结点）信道，实际上是将传输的数据文件分割后封装成若干帧（数据帧）进行传输的。
帧是数据链路层的协议数据单元（PDU）。
（3）网络寻址
如何能保证把数据文件（数据帧）传输给网络中指定的计算机，这需要给联网的每个计算机编址。
每个计算机都使用网卡实现联网，可以使用网卡上全球唯一的MAC地址（一种数据链路层地址）来标识各计算机，但只是在一个独立的网络或使用集线器、交换机（L2交换机）互联的网络范围内可用。
实际上，大量的网络是互联网，而网络之间的互联主要是通过网络层协议（例如IP协议）实现的，因此在互联网或国际互联网（因特网）中，通常使用网络层地址（如TCP/IP中的IP地址）来标识互联网中的计算机。
（4）网络路由
在互联网中，从发送端到接收端的传输路径可能有多条。
网络路由功能就是要在多条传输路径中选择一条最佳路径进行传输。
IP协议支持网络路由功能。
（5）差错控制
有些网络应用（如电子邮件）需要可靠的网络传输来保证传输的数据文件百分百正确。
传统的数据通信网络（如X.25）是在数据链路层使用CRC（循环冗余校验码）进行差错控制，发现差错帧后重传。
而在以太网中，当接收端用CRC查出帧有差错后直接丢弃，其他什么也不做。
差错帧是否需重传由网络高层（如TCP/IP的传输层）决定。
传输层若采用TCP协议则要求重传，若采用UDP协议则不要求重传。
（6）流量控制
如果发送端数据发送速率过快，接收端来不及接收，会导致数据丢失。
流量控制就是设法让发送端的发送速率不要太快，以便让接收端来得及接收。
（7）拥塞控制
若在某个时间段内，对网络中的某种资源（如信道带宽，交换机或路由器中的缓存或处理机的处理能力）的需求超过该资源所能提供的可用部分，网络的传输性能就要变坏，这种情况叫拥塞。
拥塞控制就是防止过多的数据加载到网络中，以使对网络资源的需求不致超额。
1.1.2网络要素
计算机网络由以下要素构成：
（1）网络主机
联网的计算机设备称为网络主机（简称主机）。
联网的PC、服务器、笔记本电脑、打印机、PDA、PLC（可编程逻辑控制器）、DDC（直接数字控制器）、智能家电等都是主机。
（2）网络设备
网络设备是指在网络中需用到的设备，包括连网设备、网络互联设备及网络配套设备。
连网设备是指把主机连接到计算机网络的设备，主要有网卡、中继器和集线器。
网络互联设备是指在不同网络（同构或异构网络）之间实现互联的设备，主要有交换机、路由器、L3交换机、网关等。
网络配套设备是指那些根据专门的网络需求而配置的网络设备，例如防火墙、密码机、网管工作站、电子配线架等。
（3）传输介质
在网络设备之间、主机与网络设备之间实现信号传输的媒介称为网络传输介质（又称通信介质、传输介质），例如光纤、铜线、空气。
（4）拓扑结构
一个计算机网络中，网络设备、主机之间的连接型式（结构形式）称为网络拓扑结构。
基本网络拓扑结构有总线型、星型和环型。
扩展型拓扑结构有树型、网状型和全连通型。
实际网络中也常见混合型拓扑结构。
（5）通信协议
计算机网络中的通信规则就是网络通信协议，这很类似于交通网络中的交通规则。
网络通信协议是分层的，例如IP协议是网络层的通信协议，TCP协议是传输层的通信协议，HTTP是应用层的通信协议。
（6）网络软件
计算机网络是一个系统，由网络硬件和网络软件构成。
此处所指网络软件是指构成计算机网络系统的系统软件，不包括网络应用软件。
常用的网络软件有：
网络操作系统，网络通信协议软件，网络管理软件和网络安全软件等。
1.1.3网络性能
计算机网络的性能可用几个重要的指标来衡量。
此外，还有一些非性能特征也对计算机网络性能有较大影响。
1）计算机网络的主要性能指标
（1）速率
网络上的主机在信道上传送数据的速率，称为数据率或比特率。
速率是计算机网络中最重要的一个性能指标,基本单位是bit/s（b/s，bps）。
（2）带宽
带宽有两种不同的含义:
①带宽本来是指某个信号具有的频带宽度。
信号的带宽是指该信号所包含的各种不同频率成份所占据的频率范围，其单位是Hz。
例如，在传统的通信线路上传送的电话信号的标准带宽是3.1kHz（300Hz～3.4kHz）。
在过去很长的一段时间，通信的主干线路传送的是模拟信号（即连续变化的信号）。
因此，表示通信线路允许通过的信号频带范围就称为线路的带宽（或通频带）。
②在计算机网络中，带宽用来表示网络的通信线路或信道所能传送数据的能力，即网络带宽表示在单位时间内从网络中的某一点到另一点所能通过的"最高数据率"，基本单位是bit/s（b/s，bps）。
（3）吞吐量
吞吐量表示在单位时间内通过某个网络（或信道、接口）的数据量。
吞吐量更经常地用于对现实网络的一种测量，以便知道实际上到底有多少数据量能够通过网络。
显然，吞吐量受网络带宽的限制。
例如，对于一个100Mb/s的以太网，其额定速率是100Mb/s，那么这个数值也是该以太网的吞吐量的绝对上限值。
因此，对100Mb/s的以太网，其典型的吞吐量可能也只有70Mb/s。
吞吐量还可用每秒传送的字节数（B/s）或数据包数（PPS）来表示。
（4）时延
时延是指数据（一个报文或分组，甚至比特）从网络（或链路）的一端传送到另一端所需的时间。
时延是个很重要的性能指标，也称为延迟或迟延。
一般说来，小时延的网络要优于大时延的网络。
在某些情况下，一个低速率、小时延的网络很可能要优于一个高速率但大时延的网络。
网络总时延是四种不同时延之和:
发送时延、传播时延、处理时延和排队时延。
①发送时延
发送时延是主机或路由器发送数据帧所需要的时间，也就是从发送数据帧的第一个比特算起，到该帧的最后一个比特发送完毕所需的时间。
对于一定的网络，发送时延并非固定不变，而是与发送的帧长成正比，与信道带宽成反比。
②传播时延
传播时延是电磁波在信道中传播一定的距离需要花费的时间。
电磁波在自由空间的传播速率是光速3.0x105km/s。
电磁波在铜线电缆中的传播速率约为2.3x105km/s，在光纤中的传播速率约为2.0x105km/s。
③处理时延
主机或路由器在收到分组时要花费一定的时间进行处理，例如分析分组的首部、从分组中提取数据部分、进行差错检验或查找适当的路由等等，这就产生了处理时延。
④排队时延
分组在经过网络传输时，要经过许多的路由器。
但分组在进入路由器后要先在输入队列中排队等待处理。
在路由器确定了转发接口后，还要在输出队列中排队等待转发。
这就产生了排队时延。
排队时延的长短往往取决于网络当时的通信量。
当网络的通信量很大时会发生队列溢出，使分组丢失，这相当于排队时延为无穷大。
（5）时延抖动
时延抖动是指时延的变化。
抖动大多起源于网络中的队列或缓冲，尤其是在低速链路时。
电子邮件等数据业务对时延抖动不敏感，而语音、视频等多媒体业务对时延抖动敏感。
（6）时延带宽积
把网络性能的两个度量一一传播时延和带宽相乘，就得到另一个很有用的度量——时延带宽积。
构造高性能网络时知道时延带宽积是很重要的，因为它相当于第一个比特到达接收方之前，发送方最多发送的比特数。
如果发送方希望接收方给出比特已经开始到达的信号，而且这个信号发回到发送方需要经过另一信道时延，那么发送方在接放到到达信号之前能够发完2倍时延带宽积的数据。
另一方面，如果发送方停下来等待到达信号，那么发送方就不能充分利用网络。
（7）误码率
在数字通信中是用脉冲信号携带信息的。
由于噪声、串音、码间干扰以及其他突发因素的影响，当干扰幅度超过脉冲信号再生判决的某一门限值时，将会造成误判而成为误码。
误码用误码率来表征，它指在一定统计时间内，数字信号在传输过程中发生错误的位数与传输的总位数之比。
IEEE802.3标准为1000Base-T网络制定的可接受的最高误码率为10-10。
（8）利用率
利用率有信道利用率和网络利用率两种。
信道利用率是指某信道有百分之几的时间是被利用的（有数据通过）。
完全空闲的信道利用率是零。
网络利用率则是全网络的信道利用率的加权平均值。
信道利用率并非越高越好。
这是因为，根据排队论的理论，当某信道的
利用率增大时，该信道引起的时延也就迅速增加。
当网络的通信量很少时，网络产生的时延并不大。
但在网络通信量不断增大时，由于分组在网络结点（路由器或结点交换机）进行处理时需要排队等候，因此网络引起的时延就会增大。
当网络的利用率达到其容量的1/2时，时延就要加倍。
特别值得注意的是，当网络利用率接近最大值1时，网络的时延就趋于无穷大。
也就是说，信道或网络利用率过高会产生非常大的时延。
当信道利用率超过50%，就需要提升信道的带宽。
（9）效率
网络的效率具体是指发送数据需要多少开销，开销可能是由碰撞、错误报告、重新路由、确认、帧头、不好的网络设计等引起。
帧的头部是导致低效率的原因之一。
对于带宽不足的网络来说，使用MAC层允许的最大数据帧，以减少帧头的比特数。
使用巨帧，可使用于帧头的带宽开销很少，从而提高了网络带宽资源的有效利用率，提高了网络的效率。
（10）往返时间
往返时间也是计算机网络的一个重要性能指标，它表示从发送方发送数据开始，到发送方收到来自接收方的确认（接收方收到数据后便立即发送确认），总共经历的时间。
在互联网中，往返时间包括了各中间结点的处理时延、排队时延以及转发数据时的发送时延。
显然，往返时间与所发送的分组长度有关。
发送长数据块的往返时间，应当比发送短数据块的往返时间要多些。
当使用卫星通信时，往返时间相对较长，是卫星通信的一个重要性能指标。
（11）响应时间
响应时间是用户最关心的网络性能目标，是指用户等待网络系统做出响应的时间，若响应时间过长，用户会感到烦躁，并影响工作效率。
2）计算机网络的非性能特征
计算机网络还有一些非性能特征也很重要，这些非性能特征与上述计算机网络性能指标有很大关系。
（1）安全性
计算机网络的安全性，即网络安全，对于计算机网络能否正常运行的影响越来越大。
网络安全是指网络系统的硬件、软件及其系统中的数据受到保护，不因偶然的或恶意的原因而受到破坏、更改、泄漏，系统连续正常地运行，网络服务不中断。
网络安全包括联网主机安全，网络互联安全（包括网络互联设备、通信链路、网络软件、网络协议的安全），网络应用和服务安全。
网络安全具有三个基本属性：
机密性、完整性和（授权）可用性。
①机密性
机密性是指保证信息与信息系统不被非授权者所获取与使用，主要防范措施是密码技术。
在网络系统的各个层次上有不同的机密性及相应的防范措施。
在物理层，要保证系统实体不以电磁的方式（电磁辐射、电磁泄漏）向外泄漏信息，主要的防范措施是电磁屏蔽技术、加密干扰技术等。
在运行层面，要保障系统依据授权提供服务，使系统任何时候不被非授权人所使用，对黑客入侵、口令攻击、用户权限非法提升、资源非法使用等采取漏洞扫描、隔离、防火墙、访问控制、入侵检测、审计取证等防范措施，这类属性有时也称为可控性。
在数据处理、传输层面，要保证数据在传输、存储过程中不被非法获取、解析，主要防范措施是数据加密技术。
②完整性
完整性是指信息是真实可信的，其发布者不被冒充，来源不被伪造，内容不被篡改，主要防范措施是校验与认证技术。
在运行层面，要保证数据在传输、存储等过程中不被非法修改，防范措施是对数据的截获、篡改与再送采取完整性标识的生成与检验技术。
要保证数据的发送源头不被伪造，对冒充信息发布者的身份、虚假信息发布来源采取身份认证技术、路由认证技术，这类属性也可称为真实性。
③（授权）可用性
（授权）可用性是指保证信息与信息系统可被授权人正常使用，主要防范措施是确保信息与信息系统处于一个可靠的运行状态之下。
在物理层，要保证信息系统在恶劣的工作环境下能正常运行，主要防范措施是对电磁炸弹、信号插入采取抗干扰技术、加固技术等。
在运行层面，要保证系统时刻能为授权人提供服务，对网络被阻塞、系统资源超负荷消耗、病毒、黑客等导致系统崩溃或者机等情况采取过载保护、防范拒绝服务攻击、生存技术等防范措施。
保证系统的可用性，使得发布者无法否认所发布的信息内容，接收者无法否认所接收的信息内容，对数据抵赖采取数字签名防范措施，这类属性也称为抗否认性。
从上述可以看出，维护信息载体的安全与维护信息自身的安全两个方面都含有机密性、完整性、可用性这些重要属性。
未经用户授权便干扰或破坏计算机系统/网络的程序或代码被称之为恶意软件或恶意代码。
恶意代码的种类很多，主要有：
计算机病毒、网络蠕虫、特洛伊木马、后门、DoS/DDoS程序、僵尸程序、Rootkit、黑客攻击工具、间谍软件、广告软件、垃圾邮件和弹出窗体程序等。
恶意代码具有如下共同特征。
①具有恶意的目的。
②自身是计算程序。
③通过执行发生作用。
（2）可管性
网络的可管性是指网络的非人工、行政管理，即网络管理。
网络管理,简称网管，包括对硬件、软件和人力的使用、综合与协调，以便对网络资源进行监视、测试、配置、分析、评价和控制，这样就能以合理的价格满足网络的一些需求，如实时运行性能、服务质量等。
网络管理系统的主要构件包括管理站、被管设备和网管协议。
管理站上的管理程序通过访问被管设备上的网络管理代理程序（简称代理程序），而代理程序则提取所在被管设备上的MIB数据库中的被管对象参数，并返回给管理站，从而实现网络的动态的自动化管理。
在被管网络中有很多的被管设备，包括主机、路由器、打印机、交换机、服务器或调制解调器等。
在每一个被管设备中可能有许多被管对象。
被管对象可以是被管设备中的某个硬件（例如，一块网络接口卡），也可以是某些硬件或软件（例如，路由选择协议〉的配置参数的集合。
网络管理协议，简称为网管协议。
常用的网管协议是简单网络管理协议SNMP。
SNMP中的管理程序和代理程序分别按客户/服务器方式工作。
在被管对象上运行的SNMP服务器程序不停地监听来自管理站的SNMP客户程序请求（或命令）。
一旦发现了，就立即返回管理站所需的信息，或执行某个动作（例如把某个参数的设置进行更新）。
在网管系统中，往往是一个（或少数几个）客户程序与很多的服务器程序进行交互。
关于网络管理有一个基本原理:
若要管理某个对象，就必然会给该对象添加一些软件或硬件，但这种"添加"必须尽量减少对原有对象的影响。
SNMP正是按照这样的基本原理来设计的。
SNMP发布于1988年。
OSI虽然在这之前就己制定出许多的网络管理标准，但当时（到现在也很少）却没有符合OSI网管标准的产品。
SNMP最重要的指导思想就是要尽可能简单。
SNMP的基本功能包括监视网络性能、检测分析网络差错和配置网络设备等。
在网络正常工作时，SNMP可实现统计、配置和测试等功能。
当网络出故障时，可实现各种差错检测和恢复功能。
经过近二十年的使用，SNMP不断修订完善，现在的版本是SNMPv3。
现在SNMPv3己成为因特网的正式标准。
SNMPv3最大的改进就是安全特性，即只有被授权的人员才有资格执行网络管理的功能（如关闭某-条链路）和读取有关网络管理的信息（如读取一个配置文件的内容）。
基于SNMP的网络管理由三个部分组成，即SNMP本身、管理信息结构SMI（StructureofManagementInformation）和管理信息库MIB（ManagementInformationBase）。
SNMP定义了管理站和代理之间所交换的分组格式。
SMI定义了命名对象和定义对象类型（包括范围和长度）的通用规则，以及把对象和对象的值进行编码的规则。
MIB在被管设备中创建了命名对象，并规定了其类型。
（3）可用性
可用性是指用户可以正常利用网络的时间，通常是网络设计客户的一个重要目标。
可用性可用每年、每月、每天或者每小时内正常工作的时间占该时期总时间的百分率来表示，例如99.999%的可用性。
可用性与可靠性紧密相连，但是比可靠性的含义更为特殊：
有时，网络工程师将容量看成可用性的一部分。
因为即使网络没有故障，但如果没有足够的网络容量（带宽）去发送用户流量，那么对用户而言就是不可用的。
可用性也与冗余相关。
冗余是高可用性的解决方案，它指的是增加网络链路或者设备，以避免或缩短网络停止工作的时间。
出现大的故障或者灾难后要想保证业务连续性，为客户设计含有冗余的网络拓扑就变得十分重要。
可用性也与网络领域里的"弹性"相联系。
弹性是指一个网络可以承受多大的压力，以及网络多久能从故障中恢复，这些问题包括安全违规、自然和非自然的灾难、人为的错误和灾难性的软件或者硬件失效。
"弹性"好的网络，可用性一般也比较好。
（4）可扩展性
可扩展性指的是支持多大程度的网络规模扩展和技术更新。
许多快速发展的公司需要大量增加用户、应用、额外站点以及同外部网络的连接，所以网络规划设计应该考虑在可预见的未来网络使用规模、范围变化和技术发展的情况。
（5）费用
多数网络项目建设单位通过项目预算进行成本控制。
一般说来，网络的功能越多、性能越高，网络建设和运行维护的费用也越高。
网络项目的预算费用，包括网络工程建设费用、网络用户培训费用和网络运行维护费用。
网络工程建设费用包括网络项目设计费、设备购置费、安装调试费等，网络用户培训费用包括网络管理人员、系统运维人员和系统终端用户等。
网络运行维护费用包括公共链路租用费、维修费、零部件费和网管、运维人员工资等。
费用的确定实际上存在多种情形。
有时是在建设方给定预算的情况下，设计人员提出最好的技术解决方案；有时，是在用户提出明确的性能要求之后，设计出能满足用户需求的最低成本技术解决方案；有时，由双方边商量边制定技术解决方案和费用。
1.1.4网络类别
可从不同角度对计算机网络进行分类。
下面是从网络基本功能、网络覆盖距离、网络传输介质、数据交换方式、网络使用权管理权角度进行的分类。
1）按网络基本功能分类
（1）通信子网
网络设备和传输介质的集合构成通信子网。
通信子网实现网络结点之间的相互通信。
（2）资源子网
联网主机的集合构成资源子网。
资源子网提供共享的网络资源，包括各种软硬件资源和数据资源。
2）按覆盖距离分类
按计算机网络能够覆盖的范围可分为局域网、广域网、城域网和个域网。
（1）局域网LAN（LocalAreaNetwork）
美国电气与电子工程师协会（IEEE）曾经给局域网下过一个定义：
局域网是一个数据通信系统，它在一个适中的地理范围内，通过物理通信信道，以适中的数据速率，使若干独立设备彼此进行直接通信。
LAN所覆盖的范围通常在几米至几公里，一般是在一栋建筑物内或一个单位范围内的计算机网络。
常见的局域网有：
Ethernet（以太网）、Token-Ring（令牌环）、Token-Bus（令牌总线）和FDDI光纤局域网等。
（2）广域网WAN（WideAreaNetwork）
广域网是利用公共远程通信设施（如公用数据通信网、公用电话网、卫星通信网等），为用户提供对远程资源的访问，或者提供用户之间的快速信息交换。
它是地区或国家甚至国际范围内的计算机网络。
国际计算机互联网Internet（因特网）是广域网的例子。
（3）城域网MAN（MetropolitanAreaNetwork）
城域网覆盖的范围在WAN与LAN之间，它的技术原理与LAN类似，但距离可以到30到50公里。
MAM正好可以弥补LAN与WAN之间的空隙。
（4）个域网
个域网PAN（个人区域网，PersonalAreaNetwork）,是指在个人工作区域内（10m左右）利用无线通信技术将多种数字终端或网络设备互联的网络,因此也称为无线个人区域网（WPAN:
WirelessPAN）。
3）按传输介质分类
按网络通信线路所使用的介质可分为有线网和无线网。
（1）有线网
有线网使用同轴电缆、双绞线、光纤等传输介质来传送数据。
同轴电缆又分粗缆（75Ω）和细缆（50Ω）。
双绞线分为屏蔽双绞线（STP:
ShieldedTwistedPair）和非屏蔽双绞线（UTP:
UnshieldedTwistedPair）两种。
光纤分为单模光纤和多模光纤。
（2）无线网
在移动通信中，无线传输显然是唯一的选择。
即使在非移动通信中，为了克服地形地貌上的阻隔，降低线路的建造与维护费用，人们也必须采用微波干线或卫星通信。
4）按数据交换方式分类
⑴共享型网络
在当前使用的低速LAN中，如10Base2、10Base5、10BaseT以太网、令牌网及光纤FDDI网，都是采用竞争共享的数据传输方式，即：
网络上的每台计算机必须争得传输通道的使用权后才能传送数据，当两个用户正在互相传送数据时，其它用户就不能传送数据。
这种争用型网络在用户大量增加时其效能将会大大降低。
⑵交换型网络
LAN和WAN一般都采用分组交换技术的数据传输方式。
交换型
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