系统架构设计师教程 第二章 计算机系统基础知识-2.5 计算机网络

2.5 计算机网络

   计算机网络利用通信线路将分散的计算机系统和通信设备连接起来，通过网络软件和通信协议实现资源共享和信息传递。技术涵盖通信、网络、组网和网络工程。

2.5.1 网络的基本概念

2.5.1.1 计算机网络的发展

   纵观计算机网络发展，其大致经历了诞生、形成、互联互通和高速发展等4个阶段。
   (1) 诞生阶段
   20世纪60年代中期之前的第一代计算机网络是以单个计算机为中心的远程联机系统，典型应用是由一台计算机和全美范围内2000多个终端组成的飞机订票系统，终端是一台计算机的外围设备，包括显示器和键盘，无CPU和内存。随着远程终端的增多，在主机之前增加了前端机（FEP）。当时，人们把计算机网络定义为“以传输信息为目的而连接起来，实现远程信息处理或资源共享的系统”，这样的通信系统已具备网络的雏形。
   (2) 形成阶段
   20世纪60年代中期至70年代的第二代计算机网络，是以多个主机通过通信线路互联起来为用户提供服务。主机之间不是直接用线路相连，而是由接口报文处理机（IMP）转接后互联的。IMP和它们之间互联的通信线路一起负责主机间的通信任务，构成了通信子网。通信子网互联的主机负责运行程序，提供资源共享，组成资源子网。这个时期的网络概念为“以能够相互共享资源为目的的互联起来的具有独立功能的计算机之集合体”，形成了计算机网络的基本概念。
   (3) 互联互通阶段
   20世纪70年代末至90年代的第三代计算机网络是具有统一的网络体系结构并遵守国际标准的开放式和标准化网络。由此产生了两种国际通用的最重要的体系结构，即TCP/IP体系结构和国际化标准组织的OSI体系结构。
   (4) 高速发展阶段
   20世纪90年代至今的第四代计算机网络，由于局域网技术发展成熟，出现光钎及高速网络技术，整个网络就像一个对用户透明的庞大的计算机系统，发展为以因特网（Internet）为代表的互联网。

2.5.1.2 计算机网络的功能

   (1) 数据通信
   数据通信是计算机网络最主要的功能之一。
   数据通信是依照一定的通信协议，利用数据传输技术在两个通信结点之间传递信息的一种通信方式。它可以实现计算机和计算机、计算机和终端以及终端与终端之间的数据信息传递，是继电报、电话业务之后的第3种最大的通信业务。
   数据通信中传递的信息均以二进制数据形式表示。数据通信的另一个特点是，它通常与远程信息处理相联系，是包括科学计算、过程控制、信息检索等内容的广义的信息处理。
   (2) 资源共享
   资源共享是人们建立计算机网络的主要目的之一。
   计算机资源包括硬件资源、软件资源和数据资源。硬件资源的共享可以提高设备的利用率，避免设备的重复投资，如利用计算机网络建立网络打印机、计算资源池等，供网络上的用户或应用来共享；软件资源和数据资源的共享可以充分利用已有的信息资源，比如可减少软件开发过程中的重复劳动，也可避免大型数据库的重复建设等。
   (3) 管理集中化
通过管理信息系统、办公自动化系统可以实现日常工作的集中管理，提高工作效率，增加经济效益。
   (4) 实现分布式处理
   对于大型的课题，可以分为许许多多小题目，由不同的计算机分别完成，然后再集中来解决问题。
   (5) 负荷均衡
   负载均衡是指工作负荷（Workload）被均匀地分配给网络上各台计算机系统。网络控制中心负责分配和检测，当某台计算机负载过重时，系统会自动转移负荷到较轻的计算机系统来处理。

2.5.1.3 网络的有关指标

   计算机网络性能是衡量网络服务质量的重要体现，除了性能指标外，还有一些非性能特征，它们对计算机网络的性能也有很大影响。
   (1) 性能指标
   速率：指的是连接在计算机网络上的主机或通信设备在数字信道上传送数据的速率。
   带宽：在计算机网络中，带宽用来表示网络的通信线路传送数据的能力。
   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。吞吐量受网络的带宽或网络额定速率所限制。
   时延：指数据（一个报文、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。
   往返时间：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总共经历的时间。
   利用率：
   信道利用率：信道利用率指信道被利用的概率(即有数据通过)，通常以百分数表示
   网络利用率：全网络的信道利用率的加权平均值

   (2) 非性能指标
   费用：构建网络的费用（网络价格）包括设计和实现费用。网络的性能与其价格密切相关，一般来说，网络速率越高，其价格也越高。
   质量：取决于网络中所有构件的质量以及由它们构建网络的方式。
   标准化：
   采用方式：通用的国际标准，特定的专用网络标准
   标准化优点：具有更好的互操作性，更易于升级换代和维护，更容易得到技术上的支持。

   可靠性：可靠性与网络的质量和性能都有密切关系。速率更高的网络，其可靠性不一定会更差。但速率更高的网络要可靠地运行，则往往更加困难，同时所需费用也会更高。
   可扩展性和可升级性：网络在构造时就应当考虑到日后可能需要的扩展（即规模扩大）和升级（即性能和版本的提高）。网络性能越好，其扩展和升级的难度与费用往往越高。
   易管理和维护性。

2.5.2 通信技术

   概念：计算机网络是利用通信技术将数据从一个结点传送到另一结点的过程。

数据：指的是模拟信号和数字信号，它们通过信道来传输。
信道
    物理信道：
        组成：传输介质、设备
        分类：根据传输介质的不同分为无线信道和有线信道
    逻辑信道：在数据发送端和接收端之间存在的一条虚拟线路，可以是有连接的或无连接的。逻辑信道以物理信道为载体。

2.5.2.1 信道

   信息传输就是信源和信宿通过信道收发信息的过程。信源发出信息，发信机负责将信息转换成适合在信道上传输的信号，收信机将信号转化成信息发送给信宿。

2.5.2.1.1 信息传递过程

信息传输概念：信源和信宿通过信道收发信息的过程
信息传递过程：信源---->发信机 —> 收信机 —> 信宿

信道：是信息的传输通道。
发信机：接收信源发送的信息，通过信号处理将信息转化成适合在信道上传输的信号，发送到信道上
收信机：从信道上接收信号，将信息恢复出来发送给信宿。

信道带宽：可以通过信道的频率范围大小是信道的带宽

2.5.2.1.2 香农公式

   信道容量：信道的最大传输速率
   香农公式：也被称为香农定理，是在通信工程学中由信息论的创始人香农提出的一个公式，用于计算在有高斯白噪声干扰的信道中，最大信息传送速率C。
   C=B log2(1+S/N)

    C代表信道容量，单位是 b/s
    B代表信号带宽，单位是 Hz
    S代表信号平均功率，单位是 W
    N代表噪声平均功率，单位是 W
    S/N代表信噪比，单位是 dB (分贝)

提升信道容量：可以使用比较大的带宽，降低信噪比；使用比较小的带宽，升高信噪比