1.1 计算机网络概述#

1. 数据通信#

数据通信是计算机网络最基本且最重要的功能，用来实现联网计算机之间各种信息的传输。例如，文件传输、电子邮件等应用，离开了计算机网络将无法实现。

2. 资源共享#

资源共享可以是软件、数据或硬件的共享。它使得网络中的资源能够互通有无、分工协作，从而显著提高硬件资源、软件资源和数据资源的利用率。

3. 分布式处理#

当网络中的某个计算机系统负荷过重时，可将其处理的某个复杂任务分配给网络中的其他计算机系统，利用空闲资源来提高整个系统的利用率。

4. 提高可靠性#

计算机网络中的各台计算机可以通过网络互为备份。

5. 负载均衡#

将工作任务均衡地分配给网络中的各台计算机，避免某些计算机过载而其他计算机闲置。

除了上述主要功能外，计算机网络还支持电子化办公与服务、远程教育、娱乐等功能，满足了社会的多样化需求，方便了人们的学习、工作和生活，并带来了巨大的经济效益。

1. 电路交换#

最典型的电路交换网络是传统电话网。从通信资源分配的角度看，交换是指按照某种方式动态分配传输线路资源。电路交换分为三个阶段：建立连接(占用通信资源)、传输数据(持续占用通信资源)和释放连接(归还通信资源)。在数据传输前，通信双方必须先建立一条专用的端到端物理通路，该通路由沿途的交换设备和链路逐段连接而成。在通信过程中，这条通路始终被双方独占，直至通信结束才释放。

电路建立后，除源节点和目的节点外，中间节点仅提供端到端物理通路，比特流连续地从源端直达目的端，如同通过管道传输。因此，电路交换适用于低频次、连续且大量的数据传输。

电路交换技术的优点：

1. 通信时延小。通信线路为双方专用，数据直达，传输效率高。
2. 有序传输。数据按发送顺序传送，不存在失序问题。
3. 没有冲突。不同通信对使用独立信道，不会争用物理信道。
4. 实时性强。物理通路一旦建立，双方即可随时通信。

电路交换技术的缺点：

1. 建立连接时间长。平均建立连接的时间对计算机通信而言过长。
2. 线路利用率低。物理通路被通信双方独占，即使空闲也无法供其他用户使用。
3. 灵活性差。通路中任一节点或链路发生故障，都需重新建立新连接。
4. 难以实现差错控制。中间节点不具备存储和检错能力，无法发现或纠正传输错误。

由于计算机之间的通信通常是突发式(高频、少量)的，若采用电路交换，已被占用的通信线路在大部分时间内处于空闲状态，其利用率往往不足10%，甚至低于1%。

2. 报文交换#

用户数据附加源地址、目的地址等控制信息后，被封装成报文(Message)。报文交换采用存储转发技术：整个报文先传送到相邻节点，被完整接收并存储后，节点根据转发表将其转发至下一跳，如此逐跳转发，直至到达目的端。每个报文可独立选择通往目的端的路径。

报文交换技术的优点：

1. 无建立和释放连接的时延。通信前无须建立连接，用户可随时发送报文。
2. 线路分配灵活。交换节点在存储完整报文后，可选择当前最优空闲链路进行转发；若某条路径发生故障，该节点可动态切换至其他路径。
3. 线路利用率高。报文仅在一段链路上传输时才占用这段链路的资源。
4. 支持差错控制。交换节点可对缓存中的报文进行差错检验。

报文交换技术的缺点：

1. 存储转发时延高。节点必须完整接收整个报文后，才能开始转发。
2. 缓存开销大。由于报文大小没有限制，这就要求交换节点配备大容量缓存。
3. 错误处理低效。报文越长，出错概率相对更大，重传整个报文的代价较大。

3. 分组交换#

分组交换同样采用存储转发技术，但有效解决了报文交换中因报文过长带来的问题。报文过长时，不仅对交换节点的缓存容量要求较高，差错处理的效率也会降低。源主机在发送前，先将较长的报文划分为若干较小的等长数据段，并在每个数据段前面添加由必要控制信息(如源地址、目的地址、分组编号等)组成的首部，构成分组(Packet)。

源主机将分组发送到分组交换网，网络中的分组交换机(如路由器)收到一个分组后，先将其缓存，然后从首部提取目的地址，据此查找转发表，并将分组转发给下一个分组交换机。经过多个分组交换机的存储转发，分组最终到达目的主机。

分组交换不仅继承了报文交换的诸多优点，还具有以下优势：

1. 便于存储管理，转发开销小。由于分组长度固定，缓冲区大小可预设，管理更高效。
2. 传输效率高。分组可逐个发送，实现流水线操作，即后一个分组的接收可与前一个分组的转发并行，从而减少整体传输时间。
3. 降低出错概率与重传代价。由于分组较短，出错概率也必然减小，重传数据量大幅减少，既提高了可靠性，又降低了传输时延。

分组交换技术的缺点：

1. 存在存储转发时延。尽管比报文交换的传输时延小，但相比于电路交换仍存在存储转发时延，且要求节点交换机具备更强的处理能力。
2. 需要传输额外的信息量。每个数据段都需附加控制信息以构成分组，使得传送的信息量增大约5%～10%，从而增加了控制复杂度，降低了通信效率。
3. 分组可能失序、丢失或重复。当采用数据报服务时，分组可能经不同路径到达，需在目的主机按编号重排序，处理较为复杂。若采用虚电路服务，虽可避免失序，但需经历建立连接、数据传输和释放连接三个阶段。

三种交换方式的比较。当需连续传输大量数据，并且传输时间远大于连接建立时间时，采用电路交换更为合适。但从提升网络整体信道利用率角度看，报文交换和分组交换优于电路交换。其中，分组交换时延更小、更灵活，尤其适合突发式数据通信。

本书配套视频对三种交换方式的性能进行了详尽分析，其中分组交换网的性能分析是统考高频考点，强烈建议结合视频学习。表1.1总结了三种交换方式的特性对比。

1. 按分布范围分类#

1. 广域网(WAN)。广域网用于长距离通信，覆盖范围通常为几十至数千千米，常用于构建互联网的骨干部分，其节点交换机间通过高速链路互联，通信容量大。
2. 城域网(MAN)。城域网的覆盖范围可跨越几个街区乃至整个城市，直径约为5～50km。目前城域网大多采用以太网技术，因此有时也被归入局域网的讨论范畴。
3. 局域网(LAN)。局域网通常将主机通过高速线路互连，覆盖范围较小，一般为几十米到几千米。传统上，局域网采用广播技术，而广域网则采用交换技术。
4. 个人区域网(PAN)。个人区域网是指在个人工作或活动区域内，利用无线技术将消费电子设备(如平板电脑、智能手机等)互联而成的网络，也称无线个人区域网(WPAN)。

2. 按传输技术分类#

1. 广播式网络。所有联网计算机共享一个公共通信信道。当一台计算机通过该信道发送报文分组时，所有其他计算机都能“收听”到该分组，并通过检查目的地址决定是否接收。局域网普遍采用广播式通信；此外，广域网中的无线和卫星通信网络也属于广播式网络。
2. 点对点网络。每条物理线路连接一对计算机。若两台主机之间无直接连接，则分组需通过中间节点进行存储转发，直至到达目的主机。

3. 按拓扑结构分类#

网络拓扑结构是指网络中节点(如路由器、主机等)与通信线路之间的几何排列关系，主要描述通信子网的结构。常见的拓扑结构包括总线形、星形、环形和网状网络。其中，总线形、星形和环形多用于局域网，网状结构则多用于广域网。

1. 总线形网络。使用单根传输线连接所有计算机。优点是建网容易、增减节点方便、节省线路；缺点是重负载下通信效率低，并且总线任意一处故障都会影响全网。
2. 星形网络。各终端或计算机通过独立线路连接到中央设备(通常为交换机或路由器)。优点是便于集中控制与管理；缺点是成本较高，且中央设备对故障敏感。
3. 环形网络。所有计算机接口设备连接成一个闭合环路，信号沿路环单向传输。典型的例子是令牌环局域网。环可以是单环或双环，以提高可靠性。
4. 网状网络。一般情况下，每个节点至少有两条路径与其他节点相连，广泛应用于广域网。优点是可靠性高、容错能力强；缺点是控制复杂、线路成本高。

上述四种基本拓扑结构可相互组合，构成更复杂的混合网络。

4. 按使用者分类#

1. 公用网(Public Network)。由电信运营商出资建设，面向公众开放。任何愿意遵守规定并缴纳费用的用户均可接入使用。
2. 专用网(Private Network)。由特定单位为满足自身业务需求而建设，仅限内部使用，不对外提供服务。例如铁路、电力、军队等部门的专用网络。

5. 按传输介质分类#

传输介质分为有线和无线两大类，相应地，网络可分为有线网络和无线网络。有线网络包括双绞线网络、同轴电缆网络、光纤网络等；无线网络包括蓝牙、Wi-Fi、微波、无线电等类型。