一、计算机网络发展与分类

1、计算机网络形成和发展

1）计算机网络的形成

计算机网络：计算机技术与通信技术的结合。
ICT = 信息技术(IT) + 通信技术(CT)

• ICT：ICT（信息与通信技术）是Information and Communication Technology的缩写，指用于信息处理、传输和存储的各种技术手段。
• 应用：在华为认证中，ICT工程师是未来发展的趋势，融合了IT和CT的技术

2）计算机网络的发展

1. 阶段一：早期网络
   • 时间：1951-1969年
   • 应用：主要在军事和特定领域使用，如SAGE美国空军半自动化地面防空系统、SABRE-I飞机订票系统等等。
   • 典型例子：美国国防部ARPAnet，作为互联网的前身。
2. 阶段二：厂商独立发展阶段
   • 1974年IBM提出系统网络体系结构（SNA）
   • 1975年DEC发布自己的数字网络体系结构（DNA）
   • 1976年UNIVAC宣布了该公司分布式通信体系结构
3. 阶段三：标准化阶段
   • 1977年ISO制定OSI/RM参考模型
   • 1984年TCP/IP正式标准
   • 1985年正式商用

3）我国互联网发展

• 1987年9月20日，钱天白教授通过意大利公用分组交换网ITAPAC设在北京的PAD发出我国的 第一封电子邮件。
• 1989年9月，国家计委组织建立中关村地区 教育与科研示范网络（NCFC）。立项的只要目标是在 北京大学、清华大学和中国科学院3个单位间建设高速互联网络，于1992年建设完成。
• 1994年1月4日，NCFC工程通过美国Sprint公司连入Internet的64k国际专线开通。
• 1997年6月3日，中国科学院网络信息中心组建了中国互联网络信息中心（CNNIC）。
• 截止2023年6月：
  • 我国网民规模达10.79亿人
  • 域名总数为3024万个
  • IPv6地址数量为68055块/32
  • IPv6活跃用户数达7.67亿
  • 互联网宽带接入端口数量达11.1亿个
  • 光缆线路总长度达6196万公里
  • 移动电话基站总数达1129万个，其中累计建成开通5G基站293.7万个，活跃App数量达260万款，物联网终端用户21.23亿户。

2、计算机网络分类

1）通信子网和资源子网

• 通信子网：通信节点（集线器、交换机、路由器等）和通信链路（电话线、同轴电缆、无线电线路、卫星线路、微波中继线路和光纤缆线）。[负责中间传递信息]
• 用户资源子网：PC、服务器等。[负责存储和访问资源]
  

2）PAN、LAN、MAN、WAN

• 按照覆盖范围可以把网络分为：
  • 个人网（PAN）
  • 局域网（LAN）
  • 城域网（MAN）
  • 广域网（WAN）
    

3）其他分类方式

• 按照交换技术分类：
  • 电路交换网络：类似电信的传统电话，独占资源。比如：PBX支持1000路电话，在前面用户没断之前，第1001个人肯定不能接通。
  • 报文交换网络：类似快递，将完整数据一条一条进行传送
  • 分组交换网络：
        1. 将原始数据进行拆散，一条一条进行传送
        2. 虚电路（X.25、FR、ATM）传送数据之前先建立虚电路，以后数据都通过虚电路进行传送，路径保持一致
        3. 数据报（IP）传送之前不用建立虚电路，数据到目的地可走多条路径
• 按采用协议分类：
  • IP网
  • IPX网（已被淘汰）
• 按传输介质分类：
  • 无线网：如WiFi、蓝牙等
  • 有线网：可分为双绞线网络、同轴电缆和光纤网络等
• 按用途分类：
  • 教育网络
  • 科研网络
  • 商业网络以及企业网络

3、计算机网络应用

1）信息浏览和发布：

• 万维网
• 谷歌、百度等搜索引擎
• 博客、微博

2）通信和交流

• 电子邮件、网络电话
• QQ、Skype
• 微信、Meta（Facebook）、Twitter

3）休闲和娱乐

• 网络电视
• Bilibili、YouTube等视频网站
• 互动网络游戏

4）资源共享

• 远程文件共享
• P2P文件共享
• 云计算

5） 电子商务

• 网上购物
• 网上购票
• 网上转账

6）远程协作

• 远程教育
• 远程医疗

7）网上办公

• 政府部门的电子政务
• 校园网上办公系统

4、即学即练

试题一

试题二

试题三

• 问题：若接入的IPC采用1080P的图像传输质量传输数据，Switch C、Switch A选用百兆交换机是否满足带宽要求，请说明理由。
• 解析：
  

5、本节知识小结

1.计算机网络

计算机网络就是是计算机技术与通信技术的结合。（ICT=IT+CT）

• ICT：（信息与通信技术）
• IT：(信息技术)
• CT：(通信技术)

2.计算机网络经历了三个阶段

• 早期网络（1951-1969年）：美国国防部ARPAnet最为典型
• 厂商独立发展阶段（1974-1976年）：各个厂商分别提出和发布了网络体系
• 标准化阶段：1977年ISO制定OSI/RM参考模型；1984年TCP/IP正式标准；1985年正式商用。

3.我国互联网发展

• 从1987年9月20日我国发出第一封电子邮件，到1989年在中关村建设教育与科研示范网络（NCFC）于1992年建设完成，随后一直到2023年6月我国网民规模达到了10.79亿人，累计建成5G基站293.7万个，物联网终端用户达到21.23亿户。

4.计算机分类

• 通信子网：通信节点和通信链路
• 用户资源子网：PC、服务器等
• 个人网（PAN）、局域网（LAN）、城域网（MAN）和广域网（WAN）
• 其他分类方式：
  • 按照交换技术：电路交换网络、报文交换网络和分组交换网络。
  • 按采用协议分类：IP网、IPX网（已被淘汰）
  • 按传输协议分类：无线网和有线网
  • 按用途分类：教育网络、科研网络、商业网络以及企业网络

5.计算机网络应用

• 信息浏览和发布
• 通信和交流
• 休闲和娱乐
• 资源共享
• 电子商务
• 远程协作
• 网上办公

二、OSI和TCP/IP参考模型

• TCP/IP来源于OSI参考模型
• OSI未实际使用

1、为什么要进行网络分层？

1）早期计算机：

• 封闭系统，所有部件同一厂商
• IBM全家桶：PowerCPU、AIX、DB2
  • 优点：安全性高，性能强
  • 缺点：兼容性差，更新周期慢

2）如今PC生态：

• 兼容机
• 软硬分离
• 各司其职

2、OSI模型：CPU/内存/硬盘/显卡/主板等标准化

• 某一层所做的改动不会影响到其他的层，利于设计、开发和故障排除。
• 通过定义在模型的每一层实现功能，鼓励产业的标准化。
• 通过网络组件的标准化，允许多个供应商协同进行开发。
• 允许各种类型的网络硬件和软件互相通信，无缝融合。
• 促进网络技术快速迭代，降低成本。

3、OSI参考模型

OSI模型将网络通信的功能划分为七个层次，从下到上依次为：

• 物理层：负责处理武力介质上的信号传输，包括电缆、光纤、无线等介质的特性，以及信号的编码、调制和解调等。
• 数据链路层：将物理层接收到的信号转换为数据帧，并进行差错检测和纠正，同时负责将数据帧从一个节点传输到下一个节点。
• 网络层：负责将数据从源节点传输到目标节点，通过路由选择算法确定数据的传输路径，并进行数据包的分片和重组。
• 传输层：为应用程序提供端到端的通信服务，确保数据的可靠传输，主要协议有TCP和UDP。
• 会话层：负责建立、维护和管理会话，提供会话的同步和恢复功能。
• 表示层：对数据进行转换、加密和解密、压缩和解压缩等处理，确保数据在不同系统之间的正确表示。
• 应用层：为用户提供各种网络应用服务，如HTTP、FTP、SMTP等。
• OSI参考模型各层功能如下：
  

4、TCP/IP模型

1）TCP/IP参考模型师互联网采用的网络体系结构模型，它由四个层次组成，从下到上依次为：

• 网络接口层/网际接入层：分钟将数据帧发送到物理网络上，并从物理网络上接收数据帧，它包含了OSI参考模型中的物理层和数据链路层的功能。
• 网络层/网际层：负责将数据包从源节点传输到目标节点，通过IP协议实现地址分配、路由选择和数据包的分片和重组等功能。
• 传输层：于OSI参考模型中的传输层功能类似，为应用程序提供端到端的通信服务，主要协议有TCP和UDP。
• 应用层：包含了各种应用层协议，如HTTP、FTP、SMTP、DNS等，为用用户提供各种网络应用服务。
  
  
  

2）两者比较

• 相同点：
  • 都分层，且各层的功能大致相似，如都有网络层、传输层和应用层等。
  • 都是基于协议栈的概念，协议栈是一系列协议的集合，用于实现网络通信。
• 不同点：
  • OSI参考模型有七层，而TCP/IP参考模型有四层，OSI参考模型的会话层和表示层在TCP/IP参考模型中被合并到应用层中。
  • OSI参考模型先有模型，后有协议，而TCP/IP参考模型是先有协议，后有模型。
  • OSI 参考模型的网络层支持无连接和面向连接的通信，而 TCP/IP 参考模型的网际层只支持无连接的通信。
  • OSI 参考模型的传输层只支持面向连接的通信，而 TCP/IP 参考模型的传输层支持面向连接和无连接的通信。
    

5、即学即练

试题一

试题二

试题三

三、数据封装与解封

1、数据封装

        OSI 数据封装是指在 OSI 参考模型中，数据在从应用层传输到物理层的过程中，每一层都会给数据添加特定的头部（有时还包括尾部）信息，形成不同的协议数据单元（PDU），具体过程如下：

• 应用层：用户的原始数据首先进入应用层。应用层会根据具体的应用协议对数据进行处理，例如添加一些与应用相关的标识信息等，但此时数据还没有被封装成特定的网络格式，通常被称为消息（Message）。
• 表示层：表示层会对应用层传来的消息进行处理，如加密、解密、压缩、解压缩以及数据格式转换等操作，使数据能够以适合网络传输的格式进行传输。处理后的数据依然被称为消息。
• 会话层：会话层负责建立、维护和管理会话。它会在消息中添加一些与会话相关的控制信息，如会话标识、会话状态等，以确保通信双方能够正确地进行会话管理。经过会话层处理后的数据还是称为消息。
• 传输层：传输层主要负责端到端的可靠数据传输。它会将上层传来的消息分割成合适大小的数据段/报（Segment），并添加传输层的头部信息，如 TCP 协议中的源端口、目的端口、序列号、确认号等（TCP报头），或 UDP 协议中的源端口、目的端口等信息。这些信息用于实现数据的可靠传输、流量控制和差错检测等功能。
• 网络层：网络层将传输层传来的数据段封装成数据包/分组（Packet）。它会在数据段的基础上添加网络层的头部信息（IP报头），主要包括源 IP 地址、目的 IP 地址等，这些信息用于在网络中进行路由选择，确保数据包能够从源节点正确地传输到目的节点。
• 数据链路层：数据链路层把网络层传来的数据包进一步封装成数据帧（Frame）。它会在数据包的前后分别添加数据链路层的头部和尾部信息，头部通常包含源 MAC 地址、目的 MAC 地址等（以太网报头），尾部一般包含用于差错检测的帧校验序列（FCS）等信息。数据帧是数据在局域网中传输的基本单位。
• 物理层：物理层将数据帧转换为比特流（Bit），通过物理介质（如电缆、光纤、无线等）进行传输。在传输过程中，物理层会根据物理介质的特性对比特流进行编码、调制等处理，以便在物理介质上正确地传输数据
  

2、数据解封

        解封过程是封装的逆过程，数据从物理层到应用层，每一层会去掉对应层添加的头部（或尾部）信息，将数据还原为上一层的格式。

3、即学即练

试题一

试题二

试题三