一、计算机网络概念

        计算机网络是计算机技术与通信技术相结合的产物，它实现了远程通信、远程信息处理和资源共享。

        计算机网络的功能：数据通信、资源共享、管理集中化、实现分布式处理、负载均衡。

跟网络有关的指标分为：

• 性能指标：从速率、带宽、吞吐量和时延等不同方面来度量计算机网络的性能。

• 非性能指标：从费用、质量、标准化、可靠性、可扩展性、可升级性、易管理性和可维护性等来度量。

二、通信技术

        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。

        通信技术是计算机网络的基础信道可分为物理信道和逻辑信道。

• 物理信道由传输介质和设备组成，根据传输介质的不同，分为无线信道和有线信道。

• 逻辑信道是指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。

        发信机进行的信号处理包括信源编码、信道编码、交织、脉冲成形和调制。相反地，收信机进行的信号处理包括解调、采样判决、去交织、信道译码和信源译码。

如果同时传递多路数据就需要复用技术和多址技术。

• 复用技术是指在一条信道上同时传输多路数据的技术，如 TDM 时分复用、FDM 频分复用和 CDM 码分复用等。即一条路上行驶多辆货车。

• 多址技术是指在一条线上同时传输多个用户数据的技术，在接收端把多个用户的数据分离(TDMA时分多址、FDMA 频分多址和CDMA 码分多址)。即一辆车上的货物属于不同用户。

作为新一代的移动通信技术，5G 特征体现在以下方面。

• 1.基于OFDM优化的波形和多址接入

• 2.实现可扩展的OFDM 间隔参数配直

• 3.OFDM 加窗提高多路传输效率

• 4.灵活框架设计

• 5.大规模MIMO:最多256根天线

• 6.毫米波:频率大于24GHz以上的频段

• 7.频谱共享

• 8.先进的信道编码设计

5G网络的主要特征：服务化架构、网络切片。

三、网络技术

        网络通常按照网络的覆盖区域和通信介质等特征来分类，可分为局域网 (LAN)、 无线局域网(WLAN)、 城域网(MAN)、 广域网(WAN)和移动通信网等。

3.1 局域网(LAN)

3.1.1 局域网拓扑结构

局域网有总线型、星型、树型、环型、网状(分布式)五种拓扑结构：

• 总线型(利用率低、干扰大、价格低)

• 星型(交换机形成的局域网、中央单元负荷大)

• 环型(流动方向固定、效率低扩充难)

• 树型(总线型的扩充、分级结构)

• 网状(分布式)(任意节点连接管理难成本高)

3.1.2 局域网协议

        以太网（Ethernet）：是一种计算机局域网组网技术，由 IEEE 802.3 定义。以太网数据帧的最小长度必须不小于 64 字节，最大长度一般是 1518 字节。设置最小帧长是为了避免冲突，最小帧长是根据网络中检测冲突的最长时间来定的。以太网规范IEEE 802.3是重要的局域网协议，包括:

3.2 无线局域网(WLAN)

        无线局域网（WLAN）：利用无线技术在空中传输数据、话音和视频信号。WLAN 采用IEEE 802.11标准，WLAN 采用 IEEE 802.11 标准，有 a、b、g、n、ac 等子标准，802.11n 传输速率可达 200Mb/s，802.11ac 则可达 1Gb/s。WLAN 拓扑结构有点对点型、Hub 型和完全分布型。

• 点对点型用于网络互联和延长；

• HUB 型用于终端接入；

• 完全分布型则处于理论探讨阶段无具体应用。

        上图依次为：目的MAC地址、源MAC地址、长度/类型、数据填充、校验。

        最小帧长：64字节。

3.3 广域网(WAN)

        广域网（WAN） ：是一种将分布于更广区域的计算机设备联接起来的网络，需要使用路由器和网关设备。广域网由通信子网与资源子网组成。广域网可以分为公共传输网络、专用传输网络和无线传输网络 3 类。广域网相关技术有同步光网络（SONET）、同步数字体系（SDH）、数字数据网（DDN）、帧中继（FR）和异步传输技术（ATM）。

3.4 城域网（MAN)

        城域网（Metropolitan Area Network，MAN）：是在单个城市范围内所建立的计算机通信网，采用 IEEE 802.6 标准。通常分为 3 个层次：核心层、汇聚层和接入层。

3.5 移动通信网

        移动通信网：其发展经历了 1G 模拟信号传输、2G 数字通信技术、3G 扩展频谱、4G 快速发展繁荣、5G 多业务、多技术融合等 5 代。5G 网络的主要特征为服务化架构和网络切片。

• 1.服务化架构（Service-Based Architecture，SBA）可以实现网络功能的灵活定制和按需组合，以及软件快速迭代和升级。

• 2.网络切片技术可以在单个物理网络中切分出多个分离的逻辑网络用于不同业务。5G 还引入了基于灵活以太网（Flexible Ethernet，FlexE）的硬切片技术。

四、组网技术

4.1 OSI七层模型

4.1.1 交换机

        数据在网络中转发通常离不开交换机。人们日常使用的计算机通常就是通过交换机接入网络的。

交换机功能包括：

• 集线功能：提供大量可供线缆连接的端口达到部署星状拓扑网络的目的。

• 中继功能：在转发帧时重新产生不失真的电信号。

• 桥接功能：在内置的端口上使用相同的转发和过滤逻辑。

• 隔离冲突域功能：将部署好的局域网分为多个冲突域，而每个冲突域都有自己独立的带宽，以提高交换机整体宽带利用效率。

交换机需要实现的功能如下所述：

• 1.转发路径学习。根据收到数据帧中的源MAC 地址建立该地址同交换机端口的映射，写入MAC地址表中。

• 2.数据转发。如果交换机根据数据帧中的目的MAC 地址在建立好的MAC 地址表中查询到了就向对应端口进行转发。

• 3.数据泛洪。如果数据帧中的目的MAC 地址不在MAC 地址表中，则向所有端口转发，也就是泛洪。广播帧和组播帧向所有端口(不包括源端口)进行转发。

• 4.链路地址更新。MAC 地址表会每隔一定时间(如300s)更新一次。

4.1.2 路由器

        路由功能由路由器（Router）来提供，包括异种网络互连、子网协议转换、数据路由、速率适配、隔离网络、报文分片和重组、备份和流量控制。

• 1.异种网络互连，比如具有异种子网协议的网络互连；

• 2.子网协议转换，不同子网间包括局域网和广域网之间的协议转换；

• 3.数据路由，即将数据从一个网络依据路由规则转发到另一个网络；

• 4.速率适配，利用缓存和流控协议进行适配；

• 5.隔离网络，防止广播风暴，实现防火墙;

• 6.报文分片和重组，超过接口的MTU 报文被分片，到达目的地之后的报文被重组；

• 7.备份、流量控制，如主备线路的切换和复杂流量控制等。

        路由器工作在0SI七层协议中的第 3 层，即网络层。其主要任务是接收来源于一个网络接口的数据包，通常根据此数据包的目地址决定待转发的下一个地址(即下一跳地址)。路由器中维持着数据转发所需的路由表，所有数据包的发送或转发都通过查找路由表来实现。这个路由表可以静态配置，也可以通过动态路由协议自动生成。

路由器协议主要有：

• 1.内部网关协议（Interior Gateway Protocol，IGP）：指在一个自治系统（Autonomous System，AS）内运行的路由协议。

• 2.外部网关协议（Exterior Gateway Protocol，EGP）：指在 AS 之间的路由协议。EGP 是为简单的树型拓扑结构设计的。

• 3.边界网关协议（Border Gateway Protocol，BGP）：Internet 的网络规模庞大，网络情况复杂，EGP 已不适用，在 EGP 的经验之上制定了新的网关协议即 BGP，也是 Internet 上唯一的网关协议。

4.2 TCP/IP协议

网络协议三要素：语法、语义、时序。其中：

• 语法部分规定传输数据的格式；

• 语义部分规定所要完成的功能；

• 时序部分规定执行各种操作的条件、顺序关系等。

4.2.1 应用层协议

• 文件传输协议（File Transport Protocol，FTP）：建立在 TC 之上，可靠的文件传输协议，用于因特网上的控制文件的双向传输。FTP 在客户机和服务器之间需建立两条 TCP 连接，

  • 一条用于传送控制信息（使用 21 号端口）;

  • 一条用于传送文件内容（使用 20 号端口）。

• 简单文件传输协议（Trivial File Transfer Protocol，TFTP）：TFTP 建立在 UDP 之上，不可靠的、开销不大的小文件传输协议。使用 69号端口。

• 超文本传输协议（Hypertext Transfer Protocol，HTTP）：是用于从 WWW 服务器传输超文本到本地浏览器的传送协议。HTTP 建立在 TCP 之上，使用 80 号端口。

• 安全超文本传输协议（Hypertext Transfer Protocol Secure，HTTPS）：是以安全为目标的HTTP 通道，在 HTTP 的基础上通过传输加密和身份认证保证了传输过程的安全性。HTTPS = HTTP+ 安全套接层（Secure Socket Layer，SSL）或 TLS，HTTPS 使用的 443 号端口。

• 动态主机配置协议（Dynamic Host Configuration Protocol，DHCP）：通常被应用在大型的局域网络环境中，主要作用是集中地管理、分配 IP 地址。在网络范围内可能存在多个 DHCP服务器，各自负责不同的网段，也可能由同一个 DHCP 服务器，负责多个不同网段的地址分配。如果网络中有多个 DHCP 服务器发送 OFFER 报文，客户端只根据第一个收到的 OFFER 报文，返回 REQUEST 报文。DHCP服务端使用 67 号端口号，DHCP客户端使用 68 号端口号。

• 域名系统（Domain Name System，DNS）：DNS 把主机域名解析为 IP 地址的系统，而 PTR（Pointer Record）负责将 IP 地址映射到域名的解析。DNS 使用 53 端口号。DNS 查询过程有两种方法：

  • 迭代查询：查询得到的是其他服务器的引用，本地服务器就要访问被引用的服务器，做进一步的查询。

  • 递归查询：查询方式要求服务器彻底地进行名字解析，并返回最后的结果。

• 简单邮件传输协议（SMTP）：是一组用于由源地址到目的地址传送邮件的规则，邮件报文采用ASCI1格式表示。使用 25 端口号。

• 邮件接收服务器（POP3）：使用 110 端口号。

• 远程连接协议（Telnet）：是因特网远程登录服务的标准协议和主要方式。使用 23 端口号。

• 简单网络管理协议（SNMP）：由一组网络管理的标准协议，包含一个应用层协议、数据库模型和一组资源对象。轮询 使用 161 端口号，陷阱 使用 162 端口号。

4.2.2 传输层协议

• 传输控制协议（Transmission Control Protocol，TCP）：是可靠的、面向连接的网络协议。具有差错校验和重传、流量控制、拥塞控制等功能。适用于数据量比较少，且对可靠性要求高的场合。

• 用户数据报协议（User Datagram Protocol，UDP）：是不可靠的、无连接的网络协议。UDP 适合数据量大，对可靠性要求不是很高，但要求速度快的场合。

4.2.3 网络层协议

• IP：网络层最重要的核心协议，在源地址和目的地址之间传送数据报，无连接、不可靠。

• ICMP：因特网控制报文协议，用于在IP主机、路由器之间传递控制消息。控制消息是指网络通不通、主机是否可达、路由是否可用等网络本身的消息。

• ARP和RARP：地址解析协议，ARP是将IP地址转换为物理地址，RARP是将物理地址转换为IP地址。

• IGMP：网络组管理协议，允许因特网中的计算机参加多播，是计算机用做向相邻多目路由器报告多目组成员的协议，支持组播。

4.2.4 协议端口号对照表