计算机网络

1.计算机网络基本概念

    在计算机领域中，网络就是用物理链路将各个孤立的工作站或主机相连在一起，组成数据链路，从而达到资源共享和通信的目的。凡将地理位置不同，并具有独立功能的多个计算机系统通过通信设备和线路连接起来，且以功能完善的网络软件(网络协议、信息交换方式及网络操作系统等)实现网络资源共享的系统，均可称为计算机网络。

2.计算机网络的分类

    从网络的作用范围可将网络类别划分为个人局域网(Personal Area Network，PAN)、局域网(Local Area Network，LAN)、城域网(Metropolitan Area Network,MAN)、广域网(Wide Area Network,WAN)、公用网(Public Network)、专用网(PrivateNetwork)。
  (1)**局域网**(Local AreaNetwork，LAN):就是在局部地区范围内的网络，它所覆盖的地区范围较小。局域网在计算机数量配置上没有太多的限制，少的可以只有两台，多的可达几百台。一般来说在企业局域网中，工作站的数量在几十到两百台次左右。在网络所涉及的地理距离上一般来说可以是几米至10公里以内。局域网一般位于一个建筑物或一个单位内，不存在寻径问题，不包括网络层的应用。
   (2)**城域网**(Metropolitan Area Network，MAN):这种网络一般来说是在一个城市，但不在同一地理小区范围内的计算机互联。这种网络的连接距离可以在10~100公里。在一个大型城市或都市地区，一个MAN网络通常连接着多个LAN 网。如连接政府机构的 LAN、医院的LAN、电信的LAN、公司企业的LAN等。由于光纤连接的引入，使MAN中高速的LAN互连成为可能。
   (3)**广域网**(Wide Area Network，WAN):也称为远程网，是在不同城市之间的LAN或者MAN网络互联，地理范围可从几百公里到几千公里。这种城域网因为所连接的用户多，总出口带宽有限，所以用户的终端连接速率一般较低，通常为9.6Kbps~45Mbps,如:邮电部的CHINANET、CHINAPAC和CHINADDN 网。

3.计算机网络拓扑结构

      网络拓扑(Topology)结构是指用传输介质互连各种设备的物理布局，指构成网络的成员之间特定的物理的即真实的或者逻辑的即虚拟的排列方式。如果两个网络的连接结构相同，我们就说它们的网络拓扑相同，尽管它们各自内部的物理接线、结点之间距离可能会有不同。常见的网络拓扑结构如图1.8所示，主要有星型、环型、总线型、树型和网状等几种。

 （1）星型拓扑:在星型拓扑结构中，网络中的各结点通过点到点的方式连接到一个中央结点(一般是集线器或交换机)上，由该中央结点向目的结点传送信息。中央结点执行集中式通信控制策略，在星型网中任何两个结点要进行通信都必须经过中央结点控制，因此中央结点相当复杂，负担比各结点重得多，容易形成“瓶颈”，一旦发生故障，则全网受影响。总的来说星型拓扑结构相对简单，便于管理，建网容易。计算机网络的分类
 （2）环型拓扑:环型拓扑结构是使用公共电缆组成一个封闭的环，各结点直接连到环上，信息沿着环按一定方向从一个结点传送到另一个结点。优点是所有站点都能公平访问网络的其他部分，网络性能稳定。但是因为数据传输需要通过环上的每一个结点，如某一结点故障，则引起全网故障。
 （3）总线型拓扑:总线型拓扑是采用单根传输作为共用的传输介质，将网络中所有的计算机通过相应的硬件接口和电缆直接连接到这根共享的总线上。优点是结点加入和退出比较简单。总线上某个结点故障不会影响其他结点之间的通信，不会造成网络瘫痪，可靠性较高，是局域网普遍采用的拓扑形式。
 （4）树型拓扑:树型拓扑是结点按照层次进行连接，像树一样，有分支、根结点、叶子结点等，信息交换主要在上下结点之间进行，可以看作是星型拓扑结构的一种扩展。
 （5）网状拓扑:这种拓扑结构主要指各结点通过传输线互相连接起来，并且每一个结点至少与其他两个结点相连。网状拓扑结构具有较高的可靠性，但其结构复杂，实现起来费用较高，不易管理和维护，不常用于局域网。

4.Internet 基础

  Internet 也称为国际互联网，始于1968年美国国防部高级研究计划局(ARPA)提出并资助的ARPANET网络计划，其目的是将各地不同的主机以一种对等的通信方式连接起来，最初只有四台主机。此后，大量的主机和用户接入这个网络，形成了现在的国际互联网。
   我国于1994年4月正式接入Internet，从此中国的网络建设进入了快速发展的阶段。经过多年发展，我国的互联网主干网络已经发展到了8个，中国公用计算机互联网(Chi- naNet)、网通宽带中国China169网、中国科技网(CSTNET)、中国教育和科研计算机网计算机网络拓扑结构(CERNET)、中国移动互联网(CMNET)、中国联通互联网(UNINET)、中国铁通互联网(CRNET)和中国国际经济贸易互联网(CIETNET)。
   网络协议是为计算机网络中进行数据交换而建立的规则、标准或约定的集合。网络协议由三个要素组成，分别是语义、语法和时序。语义是解释控制信息每个部分的含义，它规定了需要发出何种控制信息，完成的动作以及做出什么样的响应;语法是用户数据与控制信息的结构与格式，以及数据出现的顺序;时序是对事件发生顺序的详细说明。人们形象地将这三个要素描述为:语义表示要做什么，语法表示要怎么做，时序表示做的顺序。
   1)OSI
   国际标准化组织(ISO)和国际电报电话咨询委员会(CCITT)联合制定的开放系统互连参考模型(Open System Interconnect，OSI)，其目的是为异种计算机互连提供一个共同的基础和标准框架，并为保持相关标准的一致性和兼容性提供共同的参考。OSI采用了分层的结构化技术，从下到上共分物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层和应用层。
  广域网协议是在OSI参考模型的最下面三层操作，定义了在不同的广域网介质上的通信。广域网协议主要包括:PPP点对点协议、ISDN综合业务数字网、xDSL(DSL数字用户线路的统称:HDSL、SDSL、MVL、ADSL)、DDN数字专线、x.25、FR帧中继、ATM异步传输模式。
  2)IEEE 802协议族
   IEEE802规范定义了网卡如何访问传输介质(如光缆、双绞线、无线等)，以及如何在传输介质上传输数据的方法，还定义了传输信息的网络设备之间连接的建立、维护和拆除的途径。遵循IEEE802标准的产品包括网卡、桥接器、路由器以及其他一些用来建立局域网络的组件。 IEEE 802 规范包括:802.1(802协议概论)、802.2(逻辑链路控制层LLC协议)、802.3(以太网的CSMA/CD载波监听多路访问/冲突检测协议)、802.4(令牌总线TokenBus协议)、802.5(令牌环Token Ring协议)、802.6(城域网MAN协议)、802.7(FDDI宽带技术协议)、802.8(光纤技术协议)、802.9(局域网上的语音/数据集成规范)、802.10(局域网安全互操作标准)、802.11(无线局域网WLAN标准协议)。
  3)TCP/IP
   Internet是一个包括成千上万相互协作的组织和网络的集合体。TCP/IP是Internet的核心。传输控制协议/因特网互联协议(TransmissionControl Protocol/Internet Protocol，TCP/ IP)，又名网络通信协议，是Internet最基本的协议，是Internet的基础。TCP/IP协议不是 TCP和IP这两个协议的合称，而是指因特网整个TCP/IP协议族。TCP/IP定义了电子设备如何连入因特网，以及数据如何在它们之间传输的标准。**通俗而言，TCP负责发现传输的问题，一旦有问题就发出信号，要求重新传输，直到所有数据安全正确地传输到目的地。**而IP是给因特网的每一台电脑规定一个地址。TCP/IP在一定程度上参考了OSI，它将OSI的七层简化为四层:①应用层、表示层、会话层三个层次提供的服务相差不是很大，所以在TCP/IP中，它们被合并为应用层一个层次。②由于传输层和网络层在网络协议中的地位十分重要，所以在TCP/IP中它们被作为独立的两个层次。③因为数据链路层和物理层的内容相差不多，所以在TCP/IP中它们被归并在网络接口层一个层次里。
   在**应用层**中，定义了很多面向应用的协议，应用程序通过本层协议利用网络完成数据交互的任务。这些协议主要有**FTP(File Transfer Protocol，文件传输协议)、TFTP(Trivial File Transfer Protocol，简单文件传输协议)、HTTP(Hypertext Transfer Protocol，超文本传输协议)、 SMTP (Simple Mail Transfer Protocol，简单邮件传输协议)、DHCP(Dynamic Host Configuration Protocol，动态主机配置协议)、Telnet(远程登录协议)、DNS(Domain Name System，域名系统)、 SNMP (Simple Network Management Protocol，简单网络管理协议)等。**
    **传输层**主要有两个传输协议，分别是**TCP和UDP(User Datagram Protocol，用户数据报协议)**，这些协议负责提供流量控制、错误校验和排序服务。
    **网络层**中的协议主要有**IP、ICMP(Internet Control Message Protocol，网际控制报文协议)、IGMP(Internet Group Management Protocol，网际组管理协议)、ARP(Address Resolution Protocol，地址解析协议)和RARP(Reverse Address Resolution Protocol**，反向地址解析协议)等，这些协议处理信息的路由和主机地址解析。
    由于网络接口层兼并了物理层和数据链路层，所以网络接口层既是传输数据的物理媒介，也可以为网络层提供一条准确无误的线路。  
   4)IP地址
   IP协议中还有一个非常重要的内容，那就是给因特网上的每台计算机和其他设备都规定了一个唯一的地址，叫作“IP地址”。网络地址是因特网协会的ICANN(the Internet Cor- poration for Assigned Namesand Numbers)分配的，下有负责北美地区的InterNIC、负责欧洲地区的 RIPENIC和负责亚太地区的APNIC，目的是为了保证网络地址的全球唯一性。主机地址是由各个网络的系统管理员分配。因此，网络地址的唯一性与网络内主机地址的唯一性确保了IP地址的全球唯一性。由于有这种唯一的地址，才保证了用户在联网的计算机上操作时，能够高效而且方便地从千千万万台计算机中选出自己所需的对象来。
   按照TCP/IP协议规定，IP地址用二进制来表示，每个IP地址长32bit，比特换算成字节，就是4个字节。例如一个采用二进制形式的IP地址是一串很长的数字，人们处理起来也太费劲了。为了方便人们的使用，IP地址经常被写成十进制的形式，中间使用符号“.”分开不同的字节。于是，上面的IP地址可以表示为“10.0.0.1”。IP地址的这种表示法叫作“点分十进制表示法”，这显然比1和0容易记忆得多。
   5)域名系统
    IP地址是Internet主机的作为路由寻址用的数字型标识，不容易记忆。因而产生了域名(DomainName)这一种字符型标识。
    域名系统(Domain Name System，DNS)是因特网的一项核心服务，它作为可以将域名和IP地址相互映射的一个分布式数据库，能够使人更方便地访问互联网，而不用去记住能够被机器直接读取的IP数串。
    域名系统是一个树型结构，其形式有:COM(企业)、NET(网络运行服务机构)、GOV(政府机构)、ORG(非营利性组织)、EDU(教育)，其注册、运行工作由Network Solution公司负责。域名可分为不同级别，包括顶级域名、二级域名等。顶级域名分为两类:一是国家顶级域名，200多个国家都按照ISO3166国家代码分配了顶级域名，例如中国是CN，美国是US，日本是JP等;二是国际顶级域名，例如表示工商企业的COM，表示网络提供商的NET，表示非营利组织的ORG等。大多数域名争议都发生在COM的顶级域名下，因为多数公司上网的目的都是为了营利。为加强域名管理，解决域名资源的紧张，Internet协会、Internet分址机构及世界知识产权组织(WIPO)等国际组织经过广泛协商，在原来三个国际通用顶级域名的基础上，新增加了7个国际通用顶级域名:FIRM(公司企业)、STORE(销售公司或企业)、WEB(突出WWW活动的单位)、 ARTS(突出文化、娱乐活动的单位)、REC(突出消遣、娱乐活动的单位)、INFO(提供信息服务的单位)、NOM(个人)，并在世界范围内选择新的注册机构来受理域名注册申请。二级域名是指顶级域名之下的域名，在国际顶级域名下，它是指域名注册人的网上名称，例如IBM、Yahoo、Microsoft等;在国家顶级域名下，它是表示注册企业类别的符号，例如COM、EDU、GOV、NET等。
   中国在国际互联网络信息中心(InterNIC)正式注册并运行的顶级域名是CN，这也是中国的一级域名。在顶级域名之下，中国的二级域名又分为类别域名和行政区域名两类。类别域名共6个，包括用于科研机构的AC;用于工商金融企业的COM;用于教育机构的 EDU;用于政府部门的GOV;用于互联网络信息中心和运行中心的NET;用于非营利组织的ORG。而行政区域名有34个，分别对应于中国各省、自治区和直辖市。
   6)Internet 应用
    Internet 的应用方式随着时代的发展不断地创新，但是最常用的依然是万维网、电子邮件等。
     (1)万维网(wwW)
     WWW(World Wide Web)是中文称为万维网、环球网等，简称为Web。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。WWW提供丰富的文本和图形、音频、视频等多媒体信息，并将这些内容集合在一起，并提供导航功能，使得用户可以方便地在各个页面之间进行浏览。由于WWW内容丰富，浏览方便，目前已经成为互联网最重要的服务。
     万维网是一个资料空间。在这个空间里中:一样有用的事物，称为一种“资源”;并且由一个全域“统一资源标识符”(URL)标识。这些资源通过超文本传输协议HTTP(Hy- pertext Transfer Protocol)传送给使用者，而后者通过点击链接来获得资源。
     万维网常被当成因特网的同义词，但万维网与因特网有着本质的差别。因特网指的是一个硬件的网络，全球的所有电脑通过网络连接后便形成了因特网。而万维网更倾向于一种浏览网页的功能。
      (2)电子邮件(E-mail)
     电子邮件(E-mail)，是一种用电子手段提供信息交换的通信方式，是互联网应用最广的服务。通过网络的电子邮件系统，用户可以以非常低廉的价格、非常快速的方式与世界上任何一个角落的网络用户联系。
     电子邮件在Internet上发送和接收的原理可以形象地用我们日常生活中邮寄包裹来形容:当我们要寄一个包裹时，我们首先要找到一个有这项业务的邮局，在填写完收件人姓名、地址等之后，包裹就寄出并到了收件人所在地的邮局，那么对方取包裹的时候就必须去这个邮局才能取出。同样，当我们发送电子邮件时，这封邮件是由邮件发送服务器(任何一个都可以)发出，并根据收信人的地址判断对方的邮件接收服务器，而将这封信发送到该服务器上，收信人要收取邮件，也只能访问这个服务器才能完成。
     电子邮件地址的格式由三部分组成:用户名@电子邮件服务器名。
     第一部分用户名代表用户信箱的账号，对于同一个邮件接收服务器来说，这个账号必须是唯一的;第二部分“@”是分隔符;第三部分是用户信箱的邮件接收服务器域名，用以标志其所在的位置。
      7)软件定义网络
      软件定义网络(SoftwareDefinedNetwork，SDN)是一种新型网络创新架构，是网络虚拟化的一种实现方式，它可通过软件编程的形式定义和控制网络，其通过将网络设备的控制面与数据面分离开来，从而实现了网络流量的灵活控制，使网络变得更加智能，为核心网络及应用的创新提供了良好的平台。
      利用分层的思想，**SDN将数据与控制相分离**。在控制层，包括具有逻辑中心化和可编程的控制器，可掌握全局网络信息，方便运营商和科研人员管理配置网络和部署新协议等。在数据层，包括哑交换机(与传统的二层交换机不同，专指用于转发数据的设备)，仅提供简单的数据转发功能，可以快速处理匹配的数据包，适应流量日益增长的需求。两层之间采用开放的统一接口(如OpenFlow等)进行交互。控制器通过标准接口向交换机下发统一标准规则，交换机仅需按照这些规则执行相应的动作即可。SDN打破了传统网络设备的封闭性。此外，南北向和东西向的开放接口及可编程性，也使得网络管理变得更加简单、动态和灵活。
      SDN的整体架构由下到上(由南到北)分为数据平面、控制平面和应用平面，具体如下图所示。其中，数据平面由交换机等网络通用硬件组成，各个网络设备之间通过不同规则形成的SDN数据通路连接;控制平面包含了逻辑上为中心的SDN控制器，它掌握着全局网络信息，负责各种转发规则的控制;应用平面包含着各种基于SDN的网络应用，用户无须关心底层细节就可以编程、部署新应用。
      控制平面与数据平面之间通过SDN控制数据平面接口(Control-Data-Plane Interface，CDPI)进行通信，它具有统一的通信标准，主要负责将控制器中的转发规则下发至转发设备，最主要应用的是OpenFlow协议。控制平面与应用平面之间通过SDN北向接口(NorthBound Interface, NBI)进行通信，而NBI并非统一标准，它允许用户根据自身需求定制开发各种网络管理应用。
     SDN中的接口具有开放性，以控制器为逻辑中心，南向接口负责与数据平面进行通信，北向接口负责与应用平面进行通信，东西向接口负责多控制器之间的通信。最主流的南向接口 CDPI采用的是OpenFlow协议。OpenFlow最基本的特点是基于流(Flow)的概念来匹配转发规则，每一个交换机都维护一个流表(FlowTable)，依据流表中的转发规则进行转发，而流表的建立、维护和下发都是由控制器完成的。针对北向接口，应用程序通过北向接口编程来调用所需的各种网络资源，实现对网络的快速配置和部署。东西向接口使控制器具有可扩展性，为负载均衡和性能提升提供了技术保障。