第1章 网络技术基础

单选题 1~5 多选题1题

1.1 计算机网络的形成与发展

1. 计算机网络的发展阶段

   • 第一阶段（理论阶段）
     • 数据通信技术成熟
     • 分组交换概念的踢出
   • 第二阶段（实施阶段）
     • ARPANET 的成功运行
     • TCP/IP协议的广泛应用
   • 第三阶段（标准化的提出）
     • OSI参考模型的研究
     • TCP/IP协议推动了Internet发展
   • 第四阶段
     • Internet应用、无线网络与网络安全技术研究的发展

2. ARPANET（阿帕网络）

   • 部分网络设备或通信线路遭到破坏时，网络系统仍能利用剩余的网络设备与通信线路继续工作——可生存系统
   • 采用分组交换的思想，分为通信子网与资源子网两个部分
   • 通信子网的转发节点用小型机实现，称为接口报文处理器（IMP）
   • 主要贡献
     1. 开展对计算机网络定义与分类方法的研究
     2. 提出资源子网与通信子网的二级结构概念
     3. 研究分组交换协议与实现技术
     4. 研究层次型网络体系结构的模型与协议体系
     5. 开展TCP/IP协议与网络互联技术的研究

3. 宽带城域网与三网融合技术的发展

   • 宽带城域网一般可以分为核心层、汇聚层、接入层
   • 宽带城域网建设导致了计算机网络、电信网、电视网“三网融合”局面的出现

4. 物联网技术的形成与发展

   物联网是在Internet技术的基础上，利用射频标签、无线传感与光学传感等感知技术，自动获取物理世界的各种信息，通过三网融合形成的下一代网络系统，构建一个覆盖世界上人与人、人与物、物与物的智能信息系统（IPv6）

   • 物联网是Internet的接入方式的延伸与功能扩展
   • 物联网实现物理世界与信息世界的无缝连接
   • 物联网预示着网络技术将会在更大范围、更深层次应用的发展趋势
   • 物联网提出了很多新的研究课题

   对于物联网与Internet关系问题的认识，有两种基本思路：

   1. 一种思路是将物联网应用系统直接接入当前的Internet中
   2. 另一种思路是设计一种与TCP/IP不同的通信模型，设计一种未来的网络，以适应物联网不同的应用环境、流量约束与资源限制的需求

5. 网络操作系统的发展

   (1) Windows操作系统

   • 典型的带有网络功能的操作系统
   • Windows 3.1操作系统是Microsoft早期推出的操作系统
   • Windows for Workgroup，这是一种对等式结构的操作系统
   • Windows NT 3.1
     • 采用NT内核的32位的操作系统
     • 提供全面的网络服务
   • Windows NT 3.5
     • 在性能、安全性与网络管理有所提高
     • 降低了对微型机的配置的要求
   • Windows NT 4.0
     • Windows NT 3.5的改进的版本
     • 采用客户机/服务器的工作模式
   • Windows 2000
     • 提供文件与打印、Web等服务，具有功能强大、配置容易、安全性好等特点
   • Windows XP
     • 具备安全性、可靠性与管理功能以及Windows 98的即插即用、界面简单等优点
   • Windows 2003
     • 主要包括4个版本：Web、Standard、Enterprise、Datacenter
     • 主要用于服务器端的操作系统
   • Windows 7
     • 2009年推出Win7操作系统
     • 支持触控技术的桌面操作系统
   • Windows 8
     • 2012年推出Win8操作系统
     • 采用Modem模式的用户界面，提供屏幕支持
   • Windows 10
     • 2015年推出Win10操作系统
     • 该系统仍沿用Windows8的设计思路

   (2) Unix操作系统

   • Unix是一种典型的操作系统，包括不同公司和研究机构推出的不同版本
   • AT&T公司用汇编语言编写了Unix的第一个版本V1
   • 目的是为开发软件的程序员提供一个工具
   • IBM公司的AIX系统、Sun公司的So-laris系统、HP公司的HP-UX系统等

   (3) Linux操作系统

   • Unix是一种典型的操作系统，包括不同公司和研究机构推出的不同版本
   • 常见的Linux发行版主要包括RedHat、TurboLinux、Debian、Ubuntu、蓝点、红旗Linux、Slackware、SUSE、Caldear、Mandrake
   • 特点：价格低、源代码开放、安装配置简单

1.2 计算机网络的基本概念

1. 计算机网络定义的要点

   (1) 计算机网络是“以能够相互共享资源的方式互连起来的自治计算机系统的集合”

   • 特征1：建立计算机网络的主要目的是实现计算机资源的共享

     网络用户可以使用本地计算机资源，也可以通过网络访问联网的远程计算机资源，还可以调用网中其他计算机协同完成一项任务

   • 特征2：互联的计算机分布在不同地理位置的多台独立的“自治计算机”

     互联的计算机之间没有明确的主从关系，每台计算机可以联网或脱网工作

   • 特征3：联网计算机之间的通信必须遵循共同的网络协议

   (2) 不同术语之间的区别与联系

   • Computer network：表示计算机网络，有广域网、城城网、局域网或个人趣遇网等类型
   • internet：表示网络互联，是将多个计算机网络互联成大型网络系统
   • Internet：表示因特网、互联网，是由很多种网络互联器来的网际网
   • intranet：表示内部的专用网络系统

2. 计算机网络的分类

   (1) 广域网技术(WAN)

   • 广域网又称远程网，覆盖的地理范围从几十千米到几千千米
   • 广域网覆盖与一个国家、地区或横跨几个洲，形成远程性的远程计算机网络
   • 将分布在不同地区的计算机系统、城域网、局域网互联起来，实现资源共享的目的
   • 广域网是一种公共数据网络，其研究的重点是宽带核心交换技术，采用光纤作为传输介质

   (2) 城域网技术(MAN)

   城域网技术以光纤为传输介质，能够提供45~150Mbps的高传输速率，支持数据、语音与视频综合业务的数据传输，可以覆盖50~100km的城市范围，实现高速数据传输

   特征：

   • 完善的光纤传输网是宽带城域网的挤不出
   • 传统电信、有线电视与IP业务的融合成了宽带城域网的核心业务
   • 高端路由器和多层交换机是宽带城域网的核心设备
   • 扩大宽带接入的规模与服务质量是发展宽带城域网应用的关键

   作用：

   • 管理平台的作用主要表现在用户认证与接入管理、业务管理、网络安全、计费能力、IP地址分配与QoS保证等方面
   • 业务平台可以为用户提供Internet接入业务、数据专线业务、语音业务、视频与多媒体业务、内容提供业务等
   • 宽带城域网的网络平台结构是由核心交换层、边缘汇聚层与用户接入层组成的

   (3) 局域网技术(LAN)

   • 局域网用于将有限范围内的各种计算机、终端与外部设备互联成网
   • 按照采用的技术、应用范围和协议标准的不同，局域网可以分为共享局域网与交换局域网

   特征：

   • 局域网覆盖范围有限，能够提供高传输速率，低误码率的高质量数据传输环境，一般属于一个单位所有，易于建立、维护与扩展
   • 决定局域网性能的3个因素是：拓扑、传输介质与介质访问控制方法

   (4) 个人区域网(PAN)

   • 无线个人区域网络(WPAN)主要是用无线通信技术实现联网设备之间的通信，覆盖距离在10米范围内
   • 无线传感网使用的无线通信技术主要包括IEEE 802.11标准的WLAN、IEEE 802.15.4标准的无线个人区域网(6LoWPAN)技术、蓝牙(Bluetooth)技术、ZigBee技术

   特征：

   • 蓝牙技术的设计的原因：
     • 解决10m以内的近距离通信问题
     • 低功耗，以适用于使用电池的小型便携式个人设备的要求
   • ZigBee一种面向自动控制的近距离、低功耗、低速率、低成本的无线网络技术
   • ZigBee适用于数据采集与控制节点多、数据传输量不大、覆盖面广、造价低的应用领域

3. 计算机网络的拓扑结构

   基本的网络拓扑有五种：星形、环形、总线型、树形与网状

   • 星形拓扑结构
     • 节点通过点-点通信线路与中心节点连接
     • 中心节点控制全网的通信，任何两节点之间的通信都要通过中心节点
     • 星形拓扑结构简单，易于实现，便于管理
     • 网络的中心节点是全网性能与可靠性的瓶颈，中心节点的故障可能造成全网瘫痪（单点故障）
   • 环形拓扑节点
     • 节点通过点-点通信线路连接成闭合环路
     • 环形拓扑结构简单，传输延时确定数据，环中将沿一个方向逐站传送
     • 环中每个节点与连接节点之间的通信线路都会成为网络可靠性的瓶颈。环中任何一个节点出现线路故障，都可能造成网络瘫痪
     • 为了方便节点的加入和撤出，控制节点数据传输顺序，保证环的正常工作，需要设计复杂的换维护协议
   • 总线型拓扑
     • 所有节点连接到一条作为公共传输介质的总线，以广播方式发送和接受数据
     • 当一个节点利用总线发送数据时，其他节点只能接收数据
     • 如果有两个或两个以上的节点同时发送数据时，就会出现冲突，造成传输失败
     • 总线型拓扑结构的优点是结构简单，缺点是必须解决多节点访问总线的介质访问控制问题
   • 树形拓扑
     • 节点按层次进行连接，信息交换主要在上、下节点之间进行，相邻及同层节点之间通常不进行数据交互，或数据交换量比较小
     • 树形拓扑可以看成是星型拓扑的一种扩展，树形拓扑网络适用于汇集信息
   • 网状拓扑
     • 节点之间的连接是任意的，没有规律，因此它又被称为无规则型
     • 网状拓扑的优点是系统可靠性高，广域网一般都采用网状拓扑
     • 网状拓扑结构复杂，必须采用路由选择算法、流量控制与拥塞控制方法

4. 描述计算机网络传输特性的参数

   (1) 数据传输速率的定义

   数据传输速率是每秒钟传输构成数据的二进制比特数，单位为比特/秒(b/s)，记作bps。对于二进制数据，数据传输速率为： S = 1 / T (bps)

   其中，T为发送1比特所需的时间。常用数据传输单位有kbps、Mbps、Gbps、Tbps

   (2) 误码率

   误码率是指二进制码元在数据传输系统中被传错的概率，它在数值上近似等于：

   P_e = N_e / N 其中N为传输的二进制码元总数，N_e为被传错的码元数

   • 误码率是衡量数据传输系统在正常工作状态下的传输可靠性的参数
   • 对于实际的数据传输系统，不能笼统地说误码率越低越好，需要根据实际情况提出误码率要求。在数据传输速率确定后，误码率越低，传输系统设备越复杂、造价越高
   • 对于实际的数据传输系统，如果传输的不是二进制码元，需要折合成二进制码元来计算

1.3 数据报交换与虚电路交换

1. 数据报方式

   • 数据报是报文分组存储转发的一种形式。在数据报方式中，分组传输前不需要在源主机与目的主机之间预先建立“线路连接”
   • 源主机发送的每个分组都可以独立选择一条传输路径，每个分组在通信子网中可能通过不同路径到达目的主机

   特征：

   • 同一报文的不同分组可以经过不同的传输路径通过通信子网
   • 同一报文的不同分组到达目的主机时可能出现乱序、重复与丢失现象
   • 每个分组在传输过程中，都必须带有目的地址与源地址
   • 数据包方式的传输延迟较大，适用于突发性通信，不适用于长报文、会话式通信

2. 虚电路方式

   • 虚电路方式试图将数据报与线路交换相结合，在发送分组之前，发送方和接收方需要建立一条逻辑连接的虚电路

   特征：

   • 在每次传输分组之前，在源主机与目的主机,之间建立一条虚电路
   • 所有分组都通过虚电路顺序传输，分组中不必携带目的地址、源地址等信息。分组到达目的主机时不会出现乱序、重复与丢失现象
   • 分组通过虚电路上的每个路由器时，路由器只需要进行差错检测，而不需要进行路由选择
   • 路由器可以与多个主机之间通信建立多条虚电路

1.4 网络体系结构与网络协议

1. 网络体系结构的概念

   (1) 网络协议的概念

   • 语法，即用户数据与控制信息的结构和格式，以及数据出现的顺序
   • 语义，即解释控制信息每个部分的意义，它规定了需要发送何种控制信息，以及完成的动作与所作的响应
   • 时序，即对事件发生顺序的详细说明

   (2) 网络体系结构的概念

   • 网络层次结构模型与各层协议的集合
   • 对计算机网络应该实现的功能进行精确定义
   • 是抽象的，而实现网络协议的技术是具体的

   (3) 采用层次结构的优点

   • 各层之间相互独立
   • 灵活性好
   • 易于实现和标准化

2. ISO/OSI参考模型

   (1) OSI参考模型的概念

   • 开放系统互联(OSI)参考模型定义了网络互联的七层架构，详细规定每层的功能，以实现开放系统环境中的互联性、互操作性与应用的可移植性
   • 应用层、表示层、会话层、传输层、网络层、数据链路层、物理层
   • 网中各主机都具有相同的层次
   • 不同主机的同等层具有相同的功能
   • 同一主机内相邻层之间通过接口通信
   • 每层可以使用下层提供的服务，并向其上层提供服务
   • 不同主机的同等层通过协议来实现同等层之间的通信

   (2) OSI各层的主要功能

   • 物理层

     OSI参考模型的最底层，利用传输介质为通信的网络主机之间建立、管理和释放物理连接，实现比特流的透明传输，为数据链路层提供数据传输服务，其数据传输单元是比特

   • 数据链路层

     在物理层提供比特流传输的基础上，通过建立数据链路连接，采用差错控制与流量控制方法，使有差错的物理线路变成无差错的数据链路。 其数据传输单位是帧

   • 网络层

     通过路由选择算法为分组通过通信子网选择最适当的传输路径，实现流量控制、拥塞控制与网络互联的功能，其数据传输单元是分组或数据包(Packet)

   • 传输层

     为分布在不同地理位置的计算机的进程通信提供可靠的端一端(end-to-end)连接与数据传输服务，其数据传输单元是报文(Message)

   • 会话层负责维护两个会话主机之间连接的建立、管理和终止，以及数据的交换

   • 表示层负责通信系统之间的数据格式转换、数据加密与解密、数据压缩与恢复

   • 应用层实现协同工作的应用程序之间的通信过程控制

3. TCP/IP参考模型与协议

   (1) TCP/IP参考模型

   TCP/IP协议规定了计算机通信所使用的协议数据单元、格式、报头与相应的动作

   主要特点：

   • 开放的协议标准
   • 独立于特定的计算机硬件与操作系统
   • 独立于特定的网络硬件，可以运行在局域网、广域网，更适用于Internet
   • 统一的网络地址分配方案，所有网络设备在Internet中都有唯一的IP地址
   • 标准化的应用层协议,可以提供多种拥有大量用户的网络服务

   (2) TCP/IP各层的功能

   • 网际接口层（主机-网络层）：采取开放的策略，允许使用广域网、局域网与城域网的各种协议，负责通过网络发送和接受IP分组
   • 网络层（互联层）
     • 处理来自传输层的数据发送请求
     • 处理接受的分组
     • 处理网络的路由选择、流量控制与拥塞控制
   • 传输层
     • 负责在会话进程之间建立和维护端-端连接，实现网络环境中分布式进程通信
     • 传输控制协议(TCP)与用户数据报协议(UDP)
   • 应用层
     • 远程登录协议(Telnet)
     • 文件传输协议(FTP)
     • 简单邮件传输协议(SMTP)
     • 超文本传输协议(HTTP)
     • 域名服务(DNS)
     • 简单网络管理协议(SNMP)
     • 动态主机配置协议(DHCP)