HCNA --- 计算机网络基础

数据是指以任何格式表示的信息，数据的格式需要信息的创建者和接收者提前达成共识。比如一幅图片可以抽象成由无数个像素组合在一起，再用其它方式表示一个像素，这样就能实现把一幅图片存储在存储介质上。常用的信息有文本、数字、图像、音频和视频等形式。

数据通信是指两台设备之间通过线缆、传输设备等形式的传输介质进行数据交换的过程。

一个完整的数据通信系统应该由报文、发送方、接收方、介质和协议五个部分组成。
报文（message）：报文是指通讯中的数据块。文本、数字、图片、声音、视频等信息被编码后，以报文的形式被传送。
发送方（sender）：发送方是指发送数据报文的设备。它可以是计算机、工作站、服务器、手机等。
接收方（receiver）：接受方是指接收报文的设备。它可以是计算机、工作站、服务器、手机、电视等。
介质（medium）：传输介质：是指信号传送的载体。局域网中常见的传输介质有光纤、同轴电缆、双绞线等。
协议（protocol）：协议是指管理数据通讯的一组规则。它表示通讯设备之间的一组约定。如果没有协议，即使两台设备可能在物理上是连通的，也不能通讯。比如一个只能说汉语的人就无法被一个只能说英语的理解。

单工：在单工模式（simplex mode）下，通讯是单方向的。两台设备只有一台能够发送，另一台则只能接收。键盘和显示器都是单工通讯设备。键盘只能用来输入，显示器只能接收输出。
半双工：在半双工模式（half-duplex mode）下，每台设备都能发送和接收，但不能同时进行，当一台设备发送时，另一台只能接收，反之亦然。对讲机是半双工系统的典型例子。
全双工：在全双工模式（full-duplex mode）下，通讯双方都能同时接收和发送数据。电话网络是典型的全双工例子。

网络（network）是一个复杂的人或物的互连系统。生活中无时无刻不存在一张网。例如电话网、电报网等；即使在人体内部也存在着许许多多的网络系统，如神经系统、消化系统等等。从发展的角度来看，在计算机网络出现的前期，计算机都是独立的设备，每台计算机独立工作，互不联系。以至于信息不能共享、消息不能互通、一切都是独立的。而当计算机与通信技术相结合后，对计算机系统的组织方式产生了深远的影响，使计算机之间的相互访问成为可能。不同种类的计算机通过同种类型的通信协议（protocol）相互通信，产生了计算机网络（computernetwork）。

计算机网络近年来获得了飞速的发展。计算机通信网络以及Internet已成为社会结构的一个基本组成部分。网络被应用于工商业的各个方面，包括电子银行、电子商务、现代化的企业管理、信息服务业等都以计算机网络系统为基础。从学校远程教育到政府日常办公乃至现在的电子社区，很多方面都离不开网络技术。可以不夸张地说，网络在当今世界无处不在。

计算机网络起始于六十年代，当时网络的概念主要是基于主机（host）架构的低速串行（serial）联接，提供应用程序执行、远程
打印和数据服务功能。 IBM 的 SNA（System NetworkArchitecture，系统网络架构）与非 IBM 公司的 X.25 公用数据网络是这种网络的典型例子。当时，由美国国防部资助，建立了一个名为ARPANET（即为阿帕网）的基于分组交换（packetswitching）的网络，这个阿帕网就是今天的Internet最早的雏形。

七十年代，出现了以个人电脑为主的商业计算模式。最初，个人电脑是独立的设备，由于认识到商业计算的复杂性，要求大量终端设备的协同操作，局域网（LAN， Local Area Network）产生了。局域网的出现，大大降低了商业用户打印机和磁盘昂贵的费用。八十年代至九十年代，网络互联的需求不断地增加，迫使计算机界开发出多种标准化网络协议（包括TCP/IP协议、 IPX/SPX协议），满足不同计算方式下远程连接的需求，互联网快速发展起来，TCP/IP协议得到了广泛应用，成为互联网的事实协议。

拓扑（topology）结构定义了组织网络设备的方法。 LAN有总线（bus）型、星型（star）等多种拓扑结构。
WAN常见的网络拓扑结构有星型、树型、全网状（Full meshed）、半网状等等。

互联网是由大大小小的网络、设备连接起来的大网络。而网络类型可以根据覆盖的地理范围，划分成局域网和广域网，以及介于
局域网和广域网之间的城域网（MAN， Metropolitan AreaNetwork）。
局域网-LAN（Local Area Network）局域网是将小区域内的各种通信设备互连在一起所形成的网络，覆盖范围一般局限在房间、大楼或园区内。局域网一般指分布于几公里范围内的网络，几公里以内的，通过某种介质互联的计算机、打印机、 modem或其他设备的集合。
广域网-WAN（Wide Area Network）WAN连接地理范围较大，常常是一个国家或是一个洲。在大范围区域内提供数据通信服务，主要用于互连局域网。在我国“中国公用分组交换网（CHINAPAC）、中国公用数字数据网（CHINADDN），国家教育和科研网（CERnet）， CHINANET以及在建的CNGI（China Next Generation Internet）”都属于广域网。 WAN的目的是为了让分布较远的各局域网互连。

局域网的特点是：距离短、延迟小、传输速率高、传输可靠。

目前常见的局域网类型包括：以太网（Ethernet）、异步传输模式（ATM、 Asynchronous Transfer Mode）等，它们在拓扑结构、传输介质、传输速度、数据格式等方面都有许多的不同，其中应用最广泛的当属以太网。

局域网络建设时常用网络设备有：

线缆（cable）：局域网的距离扩展通常需要通过线缆来实现，不同的局域网有不同连接线缆，如光纤（fiber）、双绞线（twistedpair）、同轴电缆等。

网卡（NIC， Network Interface Card）：插在计算机主板插槽中，负责将用户要传递的数据转换为网络上其它设备能够识别的格式，通过网络介质传输。

集线器（Hub）：是单一总线共享式设备，提供很多网络接口，负责将网络中多个计算机连在一起。所谓共享是指集线器所有端口共用一条数据总线，同一时刻只能有一个用户传输数据，因此平均每用户（端口）传递的数据量、速率等受活动用户（端口）总数量的限制。

交换机（Switch）：也称交换式集线器（Switched Hub）。它同样具备许多接口，提供多个网络节点互连。但它的性能却较共享集线器（Shared Hub）大为提高：相当于拥有多条总线，使各端口设备能独立地进行数据传递而不受其它设备影响，表现在用户面前即是各端口有独立、固定的带宽。此外，交换机还具备集线器欠缺的功能，如数据过滤、网络分段、广播控制等。

路由器（Router）：路由器是一种用于实现不同网络互连的设备，它工作在 OSI 参考模型的第三层（网络层），为不同网络之间的报文选择路径并存储转发。通常路由器还会支持两种以上的网络协议以支持异种网络互联，一般的路由器还会运行一些动态路由协议以实现动态路由选择。

WAN连接地理范围较大，常常是一个国家或是一个洲。中国公用分组交换网（CHINAPAC）、中国公用数字数据网（CHINADDN）、国家教育和科研网（CERnet）、 CHINANET以及在建的CNGI（China Next Generation Internet）都属于广域网。WAN的目的是为了让分布较远的各局域网互连，所以它的结构又分为末端系统（end system ，两端的用户集合）和通信系统（中间链路）两部分。通信系统是广域网的关键，它主要有以下几种：
综合业务数字网：即ISDN（Integrated Service Digital Network），是一种拨号连接方式。 ISDN BRI提供的是2B+D的数据通道，每个B通道速率为64Kbps，其速率最高可达到128kbps。 ISDNPRI有两种标准：欧洲标准（30B＋D）和北美标准（23B＋D）。ISDN为数字传输方式，具有连接迅速、传输可靠等特点，并支持对方号码识别。 ISDN 话费较普通电话略高，但它的双通道使其能同时支持两路独立的应用，是一项对个人或小型办公室较适合的网络接入方式。

专线：即Leased Line，在中国称为DDN，是一种点到点的连接方式，速度一般选择64kbps～2.048Mbps。专线的好处是数据传递有较好的保障，带宽恒定；但价格昂贵，而且点到点的结构不够灵活。
X.25网：是一种出现较早且依然应用广泛的广域网方式，速度为9600bps～2Mbps；有冗余纠错功能，可靠性高，但由此带来的
副效应是速度慢，延迟大。

帧中继：即Frame Relay，是在X.25基础上发展起来的较新技术，速度一般为64kbps～2.048Mbps。帧中继的特点是灵活、弹性：可实现一点对多点的连接，并且在数据量大时可超越约定速率（CIR： Committed Information Rate）传送数据，允许用户在传输数据时有一定的突发量，是一种较好的商业用户连接选择。
异步传输模式：即ATM（Asynchronous Transfer Mode），是一种信元交换网络，最大特点的速率高、延迟小、传输质量有保
障。 ATM大多采用光纤作为连接介质，速率可高达上千兆，但成本也很高。 ATM也可以称作广域网协议。

广域网在超过局域网的地理范围内运行，它通过各种类型的串行连接以便在更大的地理区域内实现接入。通常，企业网往往通过
广域网线路接入到当地ISP。广域网可以提供全部时间和部分时间的连接，允许通过串行接口在不同的速率工作。广域网常用设备有：
路由器（Router）：根据地址来寻找到达目的地的路径，这个过程称为路由（Routing）。路由器负责在各段广域网和局域网间根据地址信息建立路由，将数据送到最终目的地。

调制解调器（Modem）：作为末端系统和通信系统之间信号转换的设备，是广域网中必不可少的设备之一。 Modem分为同步和异步两种，分别用来与路由器的同步和异步串口相连接，同步可用于专线、帧中继、 X.25等，异步用于PSTN的连接。

ARPAnet解决的主要问题是要实现网络的健壮性，任何设备和链路故障，只要两点之间存在物理上的任何通路，业务信息的传递
就要保证。网络高度自愈，这是满足战争需求的网络。 DARPA（Defence Advanced Research Projects Agency）1985年，美国国家科学基金会NSF（National ScienceFoundation ）建立 NSFnet。 NSF在全美国建立了按地区划分的计算机广域网并将这些地区网络和超级计算机中心互联起来。NSFnet于1990年6月彻底取代了ARPAnet而成为Internet的主干网。 NSFnet对Internet的最大贡献是使Internet向全社会开放，而不象以前的那样仅供计算机研究人员和政府机构使用。互联网第二次飞跃归功于90年代初的商业化，商业机构一踏入Internet这一陌生世界，很快发现了它在通信、资料检索、客户服务等方面的巨大潜力。于是世界各地的无数企业纷纷涌入Internet，带来了Internet发展史上的一个新的飞跃。而到了1995年， NSFNET也结束了它的历史使命，由一个新的、由多个私营公司分摊经营的Internet骨干网络所取代。

当今的Internet不是简单的层次结构，而是由连接设备和交换设备连接起来的众多广域网和局域网组成。终端用户使用ISP（Internet Service Provider）提供的服务连接到Internet。 ISP可分为：国际服务提供商、国家服务提供商、区域性Internet服务提供商和本地Internet服务提供商。
国际服务提供商（international service provider）：负责将不同国家的网络连接起来。
国家服务提供商（National Service Provider， NSP）：国家服务提供商是由专门公司创建和维护的主干网络。为了提供终端用户之间的连接，这些主干网络由复杂的交换设备（通常由第三方运营）连接。这些交换设备被称为网络访问点（networkaccess point， NAP）。 NSP通常运行在很高的数据速率。
区域性Internet服务提供商（regional ISP）：区域性Internet服务提供商是一个连接到一个或者多个NSP的小型ISP。区域性ISP运行在较低的数据速率。
本地Internet服务提供商（local ISP）：本地Internet服务提供商（local ISP）提供到终端用户的直接服务。本地ISP可以连接到区域性ISP或直接连接到NSP。大多数终端用户连接到本地ISP。网络访问点（NAP）：提供主干网络之间的连接，连接设备是复杂的交换工作站，通常由第三方运营。

网络协议是为了使计算机网络中的不同设备能进行数据通信而预先制定一整套通信双方相互了解和共同遵守的格式和约定。网络协议是一系列规则和约定的规范性描述，定义了网络设备之间如何进行信息交换。网络协议是计算机网络的基础。只有遵从相应协议的网络设备之间才能够通信（即各种网络互连终端设备的法律）。如果任何一台设备不支持用于网络互连的协议，它就不能与其他设备通信。

协议（protocol）是什么？拿电报来做比较，在拍电报时，必须首先规定好报文的传输格式，什么表示启动，什么又表示结束，出了错误怎么办，怎样表示发报人的名字和地址等，这种预先定好的格式及约定就是协议。网络协议多种多样，主要有TCP/IP（Transfer ControlProtocol/Internet Protocol）协议、 Novell IPX/SPX（InternetworkPacket eXchange/Sequenced Packet eXchange）协议、 IBMSNA（Syetem Network Architecture）等等。目前最为流行的是TCP/IP协议栈，它已经成为Internet的标准协议。

标准（standard）是广泛使用的、或者由官方规定的一套规则和程序。标准描述了协议的规定，设定了保障网络通信的最简性能集。 IEEE 802.X标准是当今居于主导地位的LAN标准。

在计算机网络的发展过程中有许多国际标准化组织做出了重大的贡献，他们统一了网络的标准，使各个网络产品厂家生产的产品可以相互连通。目前为网络的发展做出贡献的标准化组织主要有：国际标准化组织（ISO， International Organization forStandardization）该组织负责制定大型网络的标准，包括与Internet相关的标准。 ISO提出了OSI参考模型。 OSI参考模型描述了网络的工作机理，为计算机网络构建了一个易于理解的、清晰的层次模型。
电子电器工程师协会（IEEE， Institute of Electrical andElectronics Engineers）：提供了网络硬件上的标准，使各种不同网络硬件厂商生产的硬件设备相互连通。 IEEE LAN标准是当今居于主导地位的LAN标准。它主要定义了802.X协议族，其中802.3为以太网标准协议簇、 802.4为令牌总线网（Toking Bus）标准、802.5为令牌环网（Toking Ring）标准、 802.11为无线局域网（WLAN）标准。美国国家标准局（ANSI， American National Standards Institute） ANSI是由公司、政府和其他组织成员组成的自愿组织，主要定义了光纤分布式数据接口（FDDI）的标准。
电子工业协会（EIA/TIA， Electronic Industries Association/Telecomm Industries Association）：在电信方面主要定义了调制解调器与计算机之间的串行接口,物理层规范了连接器及相关电缆、电气方面特性。
国际电信联盟（ITU， International Telecomm Union）：定义了作为广域连接的电信网络的标准，如X.25、 Frame Relay等。
INTERNET工程任务委员会（IETF： Internet Engineering TaskForce ， IETF）： Internet工程任务委员会成立于1985年底, 其主要任务是负责互联网相关技术规范的研发和制定。已成为全球互联网界最具权威的大型技术研究组织。

IETF产生两种文件，一个叫做Internet Draft，即“互联网草案”，第二个是叫RFC。
作为标准的RFC又分为三种：第一种是提议性的，就是说建议采用这个作为一个方案而列出。第二种就是完全被认可的标准，这种是大家都在用，而且是不应该改变的。第三种就是现在的最佳实践法，它相当于一种介绍。IETF 标准一般称之为RFC， RFC是IETF发布的一系列文件。 RFC过去常常代表 “请求给予评论”（Request for Comments ），RFC现在只是一个名字，不再有特殊的含义。 RFC现在是比较正式的文件，而以前比较随便。现在大约有 5000个左右RFC，第一个RFC是1969年4月7日， RFC 1 Host Software 。跟Internet相关的许多重要协议都是有RFC定义的。如IP协议、OSPF、 BGP、 MPLS等。

一个完整的IP网络分为：骨干网、城域网和接入网。
骨干网：通常是不同国家间、不同城市间互连组成的网络。
城域网：介于骨干网和接入网中间的部分，互连城市不同区域的网络。城域网一般可分为核心层、汇聚层和接入层。
接入网：业务接入控制点以下的二层接入网络，负责终端用户的接入。用户可以通过xDSL、以太网等方式接入到Internet。
IP城域网网络结构包括：
IP城域网业务接入控制点（BRAS和业务路由器）及其之上由路由器组成的三层路由网络；
IP城域网可以划分为：核心层、汇聚层和业务接入控制层。
宽带接入网业务接入控制点（BRAS和业务路由器）以下的二层接入网络；网络层次分为二层汇聚网络和最后一公里接入网络；
业务平面逻辑上可分为公众接入网络平面和大客户接入网络平面

城域网是介于骨干网和接入网中间的部分，互连城市不同区域的网络。
城域网提供的业务：终端用户Internet接入，根据接入方式不同分为拨号接入和专线接入。
拨号接入方式中每个用户具有不同的业务属性。专线接入方式中一组用户使用相同的业务属性。在Internet接入业务中广泛使用了ADSL和LAN两种技术。 ADSL和LAN同时支持拨号接入和专线接入两种接入方式。
VPN业务：随着企业用户业务需求的不断升级，近年来产生了另一热门业务。VPN(Virtual Private Network虚拟专用网络)。 VPN是依靠Internet服务提供商(Internet Service Provider)ISP和网络服务提供商NSP(Network Service Provider)，在公共网络中建立的虚拟专用通信网络。
VPN按实现层次可分为L2VPN（二层VPN）、 L3VPN（三层VPN）、 VPDN（利用公共网络的拨号功能及接入网，为企业、小型ISP移动办公人员提供的接入服务。）

常见的Internet接入方式有ADSL接入、以太网接入和专线接入。家庭用户一般选择ADSL接入方式；小区用户通过以太网接入方式；集团用户以专线方式接入。接入网多使用宽带接入DLASM、以太网交换机等二层设备接入终端用户。接入网不对用户做任何控制，只是简单建立二层连接将用户信息透传给上层设备。接入网即所有的接入层设备。
接入层使用BRAS(Broadband Remote Access Server)宽带远程接入服务器管理用户。汇聚层一般使用汇聚路由器或交换机。将BRAS节点汇接到城域网设备并实现路由转发。终端用户接入Internet流程如下：
1、用户发起上网请求，接入网二层设备为用户建立二层连接并将请求透传给上层BRAS设备；
2、 BRAS负责用户身份的认证、授权并为用户分配IP地址。
3、用户认证成功后BRAS将用户报文路由到上行设备即汇聚层设备。汇聚层设备完成路由转发。用户能够访问外部网络。

VPN业务可以分为L3VPN和L2VPN以及VPDN，这里介绍城域网最常见的L3VPN。 L3VPN包括多种类型，例如IPSec VPN、 GREVPN、 BGP/MPLS VPN等。BGP/MPLS VPN模型由三部分组成： CE、 PE和P。
CE(Customer Edge)：用户网络边缘设备，有接口直接与服务提供商网络相连。CE可以是路由器或交换机，也可以是一台主机。
PE(Provider Edge)：服务提供商边缘路由器，与CE直接相连。在MPLS网络中，对VPN的所有处理都发生的PE上。
P(Provider)：服务提供商网络中的骨干路由器，不与CE直接相连。 P设备处理基本MPLS转发。不维护VPN信息。
本图中通过BGP/MPLS VPN网络，集团专线用户A、 B、 C可以实现局域网互通。

一般说来，通过下面这些因素来衡量骨干网络的性能：
高可靠性：骨干网络设备的稳定运行是整网稳定运行的关键，在网络设计的过程中，应合理设计网络架构，制定可靠的网络备份策略，保证网络有故障自愈能力。
灵活性和可扩展性：根据未来网络业务发展的要求，能够进行平滑的扩容和升级，最大程度的减少网络架构和设备调整带来的影响。
扁平化：尽量减少网络层次，减少跳数，方便网络的管理。
QoS合理规划：当前IP网络承载的任务已经不是单纯的Internet上网业务，还包括VoIP、视频、大客户等等，这些业务对服务质量有较高的要求，所以对QoS的支持是IP网络向电信网转变的必要条件，而对QOS的合理规划则是重中之重。
可运营可管理：对网络实现集中监测、分权管理，统一分配带宽资源，使整个网络在可管理的范围之内。

平面分层结构：平面分层型网络，在早期的骨干网中很常见。目前国内大多数运营商多采用这种方式，多分为核心骨干、核心汇聚、核心接入三个层次。核心骨干层按照地域进行大区制划分，大区之间进行全连接或者部分全连接，增加网络的健壮性。核心汇聚层则采用双归属的组网，双上行到本大区或者两个大区的不同核心骨干设备。
平面＋空间分层结构：平面＋空间分层结构则是在分层的同时划分了平面，不同的平面承载不同的业务。正常情况下两个平面之间的业务不会相互影响，在某个平面出现故障时，另一个平面则起到一个备份的作用。在网络设计时，一般会将每个平面设计为能够承载所有业务量。平面＋分层的网络模型在当前需要承载多种业务的需求下，则显出其结构清晰、备份能力好、安全性高的特点。

1、数据通信系统由那几部分组成？
数据通信系统需要五个部分组成：报文、发送方、接收方、介质、协议。
2、网络通常被分为哪几类？
网络通常被分为三种类型：局域网、城域网和广域网。一个网络具体归属于哪一种类型取决于网络的规模、拥有者、覆盖的范
围以及物理体系结构等。
3、列出几个常见的标准化组织？
常见的标准化组织有： ISO、 ITU-T、 IETF、 IEEE等。
4、典型的IP网络可分为那几部分？
一个完整的IP网络分为：骨干网、城域网和接入网。