网络规划设计师(一)

导语

本系列文章是在网络规划设计师教程书籍的基础上进行撰写的，前期是对网络规划设计师教程书籍知识点的总结，归纳，和教程中的知识点相差不多，因为网络规划设计师考试设计的知识点不限于教程中的内容，有些知识点也是不够详细的，因此，在总结归纳教程的知识点的同时，将对教程中讲得较为简单的知识点进行补充，在总结过程中，如发现新知识点，会及时在原文章基础上添加，后期也会对近年来，出现的新技术进行讲述，因为作者也是在学习中，如发现不足，请及时反馈，感谢大家，希望大家在这能学到网络相关的知识，顺利通过网络规划设计师的考试，共同学习，共同进步，谢谢。

1 计算机网络原理

1.1 计算机网络概论

1.1.1 计算机网络概念

1.1.1.1 计算机网络的定义

计算机网络是一个将分散的、具有独立功能的计算机系统，通过通信设备与线路连接起来，由功能完善的软件实现资源共享的系统。

对计算机网络的理解主要有以下三种观点：

1. 广义观点：只要能实现远程信息处理的系统或进一步能达到资源共享的系统都可以成为计算机网络。
2. 资源共享观点：计算机网络必须是由具有独立功能的计算机组成的、能够实现资源共享的系统。
3. 用户透明观点：计算机网络就是一台超级计算机，资源丰富、功能强大，其使用方式对用户透明，用户使用网络就像使用单一计算机一样，无需了解网络的存在、资源的位置等信息。

常见的计算机应用方向：

• 对分散的信息进行集中、实时处理。例如：航空订票系统、工业控制系统、军事系统等。
• 共享资源，实现对各类资源的共享，包括信息资源、硬件资源、软件资源。
• 电子化办公与服务。例如电子政务、电子商务、电子银行、电子海关等借助计算机网络实现的现代化办公、商务应用。
• 通信。例如电子邮件、即时通信系统的通信功能。
• 远程教育。利用网络提供远程教育平台，借助知识管理系统，学生可以更加方便地自学，提高学习效率。
• 娱乐。利用网络提供各种各样的娱乐内容。

1.1.1.2 计算机网络与通信、网络的关系

通信就是信息的传递，是指由一地向另一地进行信息的传输与交换，其目的是传输消息。实现通信功能的系统称为通信系统。在各种各样的通信方式中，利用"电"来传递消息的通信方法称为电信，其特点是：迅速、准确、可靠，且几乎不受时间、地点、空间、距离的限制。以不同的目的对通信系统进行分类，如下：

• 以语音通信为主要目的建立的通信系统称为电话网络或电信网络；
• 以发送电视信号为目的建立的通信系统称为电视网络；
• 以数据通信为目的建立的网络称为数据通信网络。

计算机网络是计算机技术、通信技术相结合的产物，可实现数据的传输、收集、分配、处理、存储、消费。

1.1.2 计算机网络组成

1.1.2.1 计算机网络物理组成

计算机网络物理组成包括：硬件、软件、协议。

1.1.2.1.1 硬件

• 两台以上的计算机及终端设备，统称为主机(host)，其中部分主机充当服务器，部分主机充当客户机。
• 前端处理机(FEP)或通信处理机或通信控制处理机(CCP)，负责发送、接收数据，最简单的CCP是网卡。
• 路由器、交换机等连接设备，交换机将计算机连接成网络，路由器将网络互联组成更大的网络。
• 通信线路，具体完成将信号从一个地方传送到另外一个地方，包括有线线路和无线线路。

1.1.2.1.2 软件

主要有实现资源共享的软件、方便用户使用的各种工具软件。

1.1.2.1.3 协议

协议由语法、语义和时序构成，其各部分作用如下：

• 语法：规定传输数据的格式；
• 语义：规定所要完成的功能；
• 时序：规定执行各种操作的条件、顺序关系等。

协议是计算机网络的核心，一个完整的协议需要完成的功能如下：

• 线路管理；
• 寻址；
• 差错控制；
• 流量控制；
• 路由选择；
• 同步控制；
• 数据分段与装配；
• 排序；
• 数据转换；
• 安全管理；
• 计费管理。

1.1.2.2 计算机网络功能组成

从功能上，计算机网络由资源子网和通信子网组成，两者关系如下图所示，其功能如下所述：

• 资源子网：完成数据的处理、存储，相当于计算机系统；
• 通信子网：完成数据的传输，是为了连网而附加的通信设备、通信线路。
  
  从工作方式上，计算机网络由边缘部分和核心部分组成，两者关系如下图所示，其功能如下所述：
• 边缘部分：用户直接使用的主机；
• 核心部分：由大量的网路和路由器组成，为边缘部分提供连通性和交换服务。
  

1.1.2.3 计算机网络要素组成

组成要素上看，计算机网络包括计算机、路由器、交换机、网卡、通信线路、调制解调器等，其各要素作用如下：

• 计算机：包括客户机和服务器；
• 网卡：附在计算机里面，也有外接的如USB接口网卡，负责和通信线路相连，完成收发工作；
• 交换机：用于把小范围的计算机连接成网络；
• 路由器：用于互联多个网络组成更大的网络；
• 调制解调器：将孤立的计算机连接到网络上，有音频调制解调器、ADSL调制解调器、卫星调制解调器等。

1.1.3 计算机网络分类

1.1.3.1 按分布范围分类

按分布范围可将计算机网络分为广域网、城域网、局域网和个域网，其说明如下：

• 广域网(WAN)：一般分布在数十公里以上区域。
• 城域网(MAN)：一般分布在一个城区，一般使用广域网的技术，可一个看成一个较小的广域网。
• 局域网(LAN)：一般分布在几十米到几千米范围，传统上，广域网使用交换技术，局域网使用广播技术。
• 个域网(PAN)：一般指家庭内甚至是个人随身携带的网络，一般分布在几米范围内，用于将家用电器、消费电子设备、少量计算机设备连接成一个小型的网络，以采用无线通信方式为主。

1.1.3.2 按拓扑结构分类

按拓扑结构可以将计算机网络分为总线型网络、星型网络、环形网络、树型网络、网格型网络等基本形式，网络拓扑结构图如下图所示，具体说明如下所述：

1. 总线型网络：用单总线把各计算机连接起来。
   其优点是：建网容易，增减节点方便，节省线路。
   其缺点是：重负载时通信效率不高。
2. 星型网络：每个终端或计算机都以单独的线路与中央设备相连，中央设备一般是交换机或路由器。
   其优点是：结构简单，建网容易，延迟小，便于管理。
   其缺点是：成本高，中心节点对故障敏感。
3. 环型网络：所有计算机环接口设备连接成一个环，可以是单环，可以是双环，环中的信号是单向传输的，双环网络中两个环上信号的传输方向相反，具备自愈功能。
4. 树型网络：节点组织成树状结构，具有层次性。
5. 网格型网络：一般情况下，每个节点至少有两条路径与其他节点相连。
   网格型网络分为有规则型和非规则型。
   其优点是：可靠性高。
   其缺点是：控制复杂，线路成本高。

1.1.3.3 按交换技术分类

按交换技术可将网络分为线路交换网络、报文交换网络、分组交换网络。

1. 线路交换网络：在源节点和目的节点之间建立一条专用的通路用于数据传送，包括建立连接、传输数据、断开连接三个阶段，典型的线路交换网络是电话网络。
   其优点是：数据直接传送，延迟小。
   其缺点是：线路利用率低，不能充分利用线路容量，不便于进行差错控制。
2. 报文交换网络：将用户数据加上源地址、目的地址、长度、检验码等辅助信息封装成报文，发送给下一个节点。下一个节点收到后先暂存报文，待输出线路空闲时再转发给下一个节点，重复这个过程，直到到达目的节点，这类网络也称为存储-转发网络。
   其优点是：
   ① 可以充分利用线路容量(可以利用多路复用技术，利用空闲时间)；
   ② 可以实现不同链路之间不同数据率的转换；
   ③ 可以实现一对多、多对一的访问；
   ④ 可以实现差错控制；
   ⑤ 可以实现格式转换。
   其缺点是：
   ① 增加资源开销，例如辅助信息导致时间和存储资源开销；
   ② 增加缓冲延迟；
   ③ 多个报文的顺序可能发生错误，需要额外的顺序控制机制；
   ④ 缓冲区难于管理，因为报文的大小不确定，接收方在接收到报文之前不能预知报文的大小。
3. 分组交换网络：也称为包交换网络，其原理是将数据分成较短的固定长度的数据块，在每个数据块中加上目的地址、源地址等辅助信息组成分组，按存储转发方式传输。
   其优点：
   ① 可以充分利用线路容量(可以利用多路复用技术，利用空闲时间)；
   ② 可以实现不同链路之间不同数据率的转换；
   ③ 可以实现一对多、多对一的访问；
   ④ 可以实现差错控制；
   ⑤ 可以实现格式转换；
   ⑥ 缓冲区易于管理；
   ⑦ 包的平均延迟更小，网络中占用的平均缓冲区更少；
   ⑧ 更易标准化；
   ⑨ 更适合应用。

1.1.3.4 按采用协议分类

按网络层的关键协议可以分为：IP网、IPX网等；无线网络可以分为Wi-Fi网络、蓝牙网络。

1.1.3.5 按使用传输介质分类

按传输介质分为两大类：有线网络和无线网络。
有线网络分类如下：

1. 双绞线网络；
2. 同轴电缆网络；
3. 光纤网络；
4. 光纤同轴混合网络。

无线网络分类如下：

1. 无线电；
2. 微波；
3. 红外。

1.1.3.6 按用户与网络的关联程度分类

按用户与网络关联程度可以将计算机网络分为骨干网、接入网和驻地网。

1.1.4 网络体系结构

1.1.4.1 分层与体系结构

网络体系结构是指构成计算机网络的各组成部分及计算机网络本身所必须实现的功能的精确定义。网络非常复杂，为便于研究和发现，需要按体系结构的方式进行建模，而体系结构通常具有分层的特征，分层的基本原则如下：

• 各层之间界面清晰自然，易于理解，相互交流尽可能少；
• 各层功能的定义独立于具体实现的方法；
• 保持下层对上层的独立性，单向使用下层提供的服务。

1.1.4.2 接口、协议与服务

• 接口是指同一系统内部两个相邻层次之间的交往规则。
• 协议是指通信双方实现相同功能的相应层之间的交往规则。协议由语法、语义和时序组成。
  ① 语法：规定传输数据的格式；
  ② 语义：规定所要完成的功能；
  ③ 时序：规定执行各种操作的条件、顺序关系等。
  
• 服务是指为紧相邻的上层提供的功能调用，每层只能调用紧相邻的下层提供的服务，服务通过服务访问点(SAP)提供的。计算机网络提供的服务分为三类，如下：
  
  ① 面向连接的服务与无连接的服务；
  面向连接服务：指在通信之前，双方建立连接，然后才能开始传送数据，传送完成后需要释放连接，比如：打电话；
  无连接服务：指双方通信前不先建立连接，需要发送数据时，直接发送，比如：写信由邮局投递。
  ② 有应答服务与无应答服务；
  有应答服务：指接收方在收到数据后向发送方给出相应的应答，该应答由传输系统内部自动实现，而不是由用户实现，比如：文件传输服务；
  无应答服务：指接收方在收到数据后不自动给出应答，若需应答，由高层实现，比如：WWW服务。
  ③ 可靠服务与不可靠服务。
  可靠服务：指网络具有检错、纠错、应答机制，能保证数据正确、可靠地传送到目的地；
  不可靠服务：指网络不能保证数据正确、可靠地传送到目的地，网络只是尽量正确、可靠，是一种尽力而为的服务。

1.1.4.3 数据传送单位

• 服务数据单元SDU：为完成用户所要求的功能而应传送的数据，第N层的服务数据单元记为N-SDU；
• 协议控制信息PCI：控制协议操作的信息，第N层的协议控制信息记为N-PCI；
• 协议数据单元PDU：协议交换的数据单位，第N层的协议数据单元记为N-PDU。

三者的关系：N-SDU+N-PCI=N-PDU=(N-1)SDU。

1.1.4.4 OSI/ISO与TCP/IP体系结构模型

OSI结构模型和TCP/IP体系结构模型关系如下图所示：

1.1.4.4.1 OSI模型

国际标准化组织(International Standardization Organization，ISO)于1978年提出一个网络体系结构模型，称为开放系统互联参考模型(OSI)。OSI有7层，从低到高：物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层、应用层，OSI模型层次结构如下图，每层的功能如下：

• 物理层：在链路上透明地传输位。需要完成的工作包括：线路配置、确定数据传输模式、确定信号形式、对信号进行编码、连接传输介质。
• 数据链路层：把不可靠的信道变为可靠的信道，将比特组成帧，在链路上提供点到点的帧传输，并进行差错控制、流量控制。
• 网络层：在源节点-目的节点之间进行路由选择、拥塞控制、顺序控制、传送包，保证报文的正确性，网络层控制通信子网的运行，因而又被称为通信子网层。
• 传输层：提供端-端间可靠的、透明的数据传输，保证报文顺序的正确性、数据的完整性。
• 会话层：建立通信进程的逻辑名字与物理名字之间的联系，提供进程之间建立、管理和终止会话的方法，处理同步与恢复问题。
• 表示层：实现数据转换，提供标准的应用接口、公用的通信服务、公共数据表示方法。
• 应用层：对用户不透明的各种服务，如:E-mail。

1.1.4.4.2 TCP/IP模型

美国国防部高级研究计划局(DOD-ARPA)1969年研究ARPANET时提出了TCP/IP模型，从低到高：网络接口层、互联网层、传输层、应用层，TCP/IP结构模型如下图所示，各层的主要协议如下：

• 应用层：DNS，HTTP，SMTP，POP3，FTP，TELNET，SNMP；
• 传输层：TCP，UDP；
• 互联网层：IP，ICMP，ARP，RARP。