了解三大主要网络类型：电信、有线电视与计算机网络的全面解析

hwyzw

    一 最主要的三种网络

    电信网络（电话网）承担着话音通信的任务，具体而言就是进行打电话以及接听电话的操作。

    （2）有线电视网络，主要提供视频服务。

    计算机网络主要提供数据传输服务，也就是实现资源共享。其主要的服务是因特网。三种网络在各自的通信协议下传输信息，从而为用户提供通信服务。

    二 计算机网络背景

    20 世纪 40 年代起，人们怀有一个梦想，那就是拥有一个世界性的信息库。在这个信息库中，信息能够被全球的人们进行存取操作。同时，信息还能够轻松地与其他地方的信息建立链接。这样一来，用户就可以便捷快速地获取到重要的信息。基于此，互联网便随之产生了。

    互联网泛着其身影；其中有一种被称为因特网，但因特网并非全球唯一的互联网络。比如在欧洲，存在跨国的互联网络，像“欧盟网”（）、“欧洲学术与研究网”（EARN）、“欧洲信息网”（EIN）等；在美国有“国际学术网”（）；在世界范围则有“飞多网”（全球性的 BBS 系统）等。

    主要提供的服务包含万维网（WWW），还有文件传输（FTP），以及电子邮件（E-mail），同时有远程登录（），另外还有手机（3GHZ）等。其中万维网联盟被称作 W3C。

    万维网常被简称为 Web。它分为 Web 客户端和 Web 服务器程序。Web 客户端（浏览器）能够按照超文本传输协议（HTTP）来访问并浏览 Web 服务器上的页面。万维网是一个由众多互相链接的超文本构成的系统，这些超文本可通过互联网进行访问。在这个系统里，有每个有用的事物，它被称作一样“资源”；同时，它由一个全局的“统一资源标识符”（URI）来进行标识；这些资源借助超文本传输协议（  ）传递给用户，而用户则通过点击链接来获取这些资源。

    三 因特网组成

    因特网主要由两部分构成，一是核心部分，二是边缘部分。网络的核心部分是因特网中最为复杂的部分。核心部分需向边缘部分的大量主机提供连通性，这样一来，边缘部分的任何一台主机都能够与其他主机进行通信，也就是能够传送或接收各种形式的数据。

    因特网的核心部分由许多网络以及将它们相互连接起来的路由器构成。主机处于因特网的边缘部分。在因特网核心部分的路由器之间通常是用高速链路进行连接的。而在网络边缘的主机接入到核心部分时，一般是以相对较低速率的链路相连接的。

    在网络边缘的端系统中运行的程序之间的通信方式，通常可划分成两大类别。一类是客户服务器方式（C/S 方式），另一类是对等方式（P2P 方式）。此外，还有一种浏览器服务器方式（B/S 方式），它是 C/S 方式的一种特殊情况。

    四 因特网中节点间信息传递方式

    1 电路交换

    电路交换首先要在发送端与接收端之间建立连接，接着把报文传输过去，最后再释放连接。电路交换存在三个阶段，分别是建立连接、进行通信以及释放连接。在电路交换过程中，是通过交换机来实现两个节点之间的通信的。电信网络（电话网）所使用的就是电路交换。

    2 报文交换

    在通信过程里，通信的双方是以报文作为单位的，并且通过使用存储 - 转发机制来实现数据交互的，这样的一种通信方式被称作报文交换。发送电报所使用的就是这种报文交换。

    3 分组交换

    分组交换使用存储 - 转发机制，和报文交换一样。它把报文分成多个分组，以分组为单位来实现数据交互。在发送端，会先把较长的报文划分成较短的、固定长度的数据段，然后在每一个数据段前面添加上首部，构成分组，接着将各个分组依次发送到接收端。接收端接收到分组后，剥去首部，把它们组装起来，还原成报文。计算机网络使用的分组交换。

    五 路由选择协议

    报文被拆分成分组后，从发送端开始。它经过多个路由器，最终到达接收端。这些路由器会根据一定的路由选择协议，依据分组的头部地址，将分组转发到相应的端口。路由选择协议是非常重要的。

    1 关于“最佳路由”

    （1.1）不存在一种绝对的最佳路由算法。

    所谓“最佳”只是在某一种特定要求之下所得到的相对较为合理的一种选择罢了。

    （1.3）实际的路由选择算法，应尽可能接近于理想的算法。

   

    （1.4）路由选择是个非常复杂的问题

    （1.4.1）它是网络中的所有结点共同协调工作的结果。

    路由选择所处的环境常常处于不断的变化之中，并且这种变化有时候是无法在事先就被知晓的。

    2 从路由算法的自适应性考虑：

    静态路由选择策略属于非自适应路由选择。它具有简单的特点，并且开销较小。然而，它不能及时地适应网络状态的变化。

    动态路由选择策略也就是自适应路由选择。它的特点在于能够较好地适应网络状态的变化。不过，这种策略实现起来较为复杂，并且开销也比较大。

    3 因特网中的两大类路由选择协议：

    内部网关协议 IGP 指的是在一个自治系统内部使用的路由选择协议。目前这类路由选择协议被广泛使用，其具体的协议有多种，例如 RIP 和 OSPF 协议。RIP 是路由信息协议。RIP 协议有三个要点：其一，仅与相邻路由器交换信息。（c）会按照固定的时间间隔来交换路由信息，举例来说，每隔 30 秒就会进行一次交换；OSPF 指的是 Open Path First，即开放最短路径优先。

    外部网关协议 EGP ，若源站与目的站处于不同的自治系统内，当数据报抵达一个自治系统的边界时，就需借助一种协议把路由选择信息传递至另一个自治系统中。这样的协议即为外部网关协议 EGP。在外部网关协议当中，目前运用最为广泛的是 BGP-4。BGP 指的是边界网关协议。BGP 是用于不同自治系统的路由器之间交换路由信息的协议。边界网关协议 BGP 只是力求找到一条能够到达目的网络且比较好的路由，不会兜圈子，而不是要寻找一条最佳路由。

    六 网络协议

    为在网络中进行数据交换而设立的规则、标准或约定被称作网络协议，网络协议又简称为协议。它主要由以下三个要素构成：其一，语法，也就是数据与控制信息的结构或格式；其二，语义，即需要发出何种控制信息，要完成何种动作以及会做出何种响应；其三，同步，即对事件实现顺序的详细阐述。

    可见，网络协议是计算机网络不可或缺的部分。若要让连接在网络上的另一台计算机做事，就需要有协议。对于复杂的计算机网络协议，其结构应为层次式。我们把计算机网络的各层及其协议的集合称作网络的体系结构。体系结构是抽象的，而实体是具体的，是真正在运行的计算机硬件和软件。

    七 计算机网络的体系结构

    计算机网络的体系结构包含两种。其一为 OSI 的七层协议体系结构，此结构概念清晰且理论完备，然而它存在复杂且不实用的特点。其二是 TCP/IP 四层体系结构，该结构得到了广泛的应用。但实质上，TCP/IP 仅有最上面的三层，原因是最下面的网络接口层并无具体内容。所以在学习计算机网络原理时，采取了折中的方式。也就是将 OSI 和 TCP/IP 的优点进行综合，采用了一种仅有五层协议的体系结构。

    假定网络中存在两个相连的主机，这两个主机之间要传输数据。在这个过程中，应用进程的数据在各层之间进行传递，而它所经历的变化如下图所示。

    实体指的是任何能够发送或接收信息的硬件或软件进程；协议是控制两个对等实体（或者多个实体）进行通信的规则的集合；在协议的管控下，两个对等实体之间的通信能够让本层为上一层提供服务；要达成本层协议，还需要借助下面一层所提供的服务；由此可以看出，协议是水平方向的，而服务是垂直方向的。

    通常所说的 TCP/IP 协议指的是 TCP/IP 协议族，也就是 TCP/IP 四层的所有协议的集合。TCP/IP 协议族有这样的特点：上下两头比较大而中间相对较小。应用层有多种协议，网络接口层也有多种协议，然而中间的 IP 层数量较少，上层的各种协议都向下汇聚到一个 IP 协议当中。折中类似于沙漏计时器形状的 TCP/IP 协议族。它表明 TCP/IP 协议能够为各种不同的应用提供服务，并且也允许 IP 协议在由各种各样的网络构成的互联网上运行。由此可以看出，IP 协议在网络接入中起着核心作用。

    八 计算机网络的五层结构

    1物理层

    一个数据通信系统可划分为三大部分，分别是源系统，其中包含源点与发送器；传输系统；目的系统，包含接收器与终点。信息的变化过程为：电脑中的文字会转化为数字比特流（数字信号），接着通过调制解调器转变为模拟信号，然后把模拟信号发送至接收端，接收端再将模拟信号转化为数字比特流（数字信号），之后又转化为文字，最后在电脑中显示出来。具体流程如图：

    通信的目的在于传送消息。话音是一种消息，文字是一种消息，图像也是一种消息。数据是用来运送消息的实体。信号是数据以电气或电磁形式的表现。信号根据代表消息的参数的取值方式不同，可分为模拟信号和数字信号。模拟信号（即连续信号），其代表消息的参数的取值是连续的。数字信号（即离散信号），其代表消息的参数的取值是离散的。在使用时间域的波形表示数字信号时，代表不同离散数值的基本波形被称为码元。使用二进制编码时，存在两种不同的码元。一种码元代表 0 ，另一种码元代表 1 状态。

    在计算机网络中会用到“信道”这个名词，信道和电路是不一样的，通常情况下信道指的是向某一个特定方向传送消息的媒体。所以，一条通信电路通常包含一条用于发送的信道以及一条用于接收的信道。从通信双方进行信息交互的方式来考量，存在以下三种方式：其一，单工通信，这种通信方式只能有一个方向的通信，而不存在反方向的交互，像无线电广播、有线电广播以及电视广播都属于这类；其二；其三。（2）半双工通信中，通信的双方都具备发送消息的能力，但无法同时进行发送。其通信方式是一方先发送，另一方接收，过一段时间后再反过来。（3）全双工通信时，通信的双方能够同时发送和接收信息。单工通信仅需一条信道，而半双工通信和全双工通信则需要两条信道。显而易见，双向同时进行通信的传输效率是最高的。

    2数据链路层

    数据链路层处于计算机网络的底层。它所使用的信道有两种类型：其一，点对点信道，这种信道采用一对一的点对点通信方式。在通信质量较差的年代，使用点对点协议 PPP。在数据链路层使用可开传输协议曾是好办法，所以能实现可靠传输的高级数据链路控制 HDLC 成为当时较流行的数据链路层协议。但如今 HDLC 很少被使用，对于点对点的链路，简单得多的点对点协议 PPP 则是目前使用最广泛的数据链路层协议，PPP 协议就是用户计算机和 ISP 进行通信时所使用的数据链路层协议。广播信道采用一对多的广播通信方式，所以过程较为复杂。广播信道上连接着众多主机，必须借助专用的共享信道协议来对这些主机的数据发送进行协调。

    局域网使用的是广播信道。局域网的特点是网络为一个单位所拥有，并且地理位置和站点数目都有限。局域网具有以下优点：其一，具有广播功能，能够从一个站点方便地访问全网，局域网上的主机可以共享连接在局域网上的各种硬件和软件资源；其二，便于系统的扩展和逐渐地演变，各设备的位置可以灵活调整和改变。（3）提高了系统的可靠性、可用性和生存性。

    局域网的拓扑结构有星形网、环形网、总线网、树形网。集线器出现后，双绞线大量用于局域网中，星形网因此获得了广泛应用，星形以太网以及多级星形结构的以太网也获得了广泛应用；环形网中，最典型的是令牌环形网，简称令牌环；在总线网中，各站直接连在总线上，总线两端的匹配电阻会吸收在总线上传播的电磁波信号的能量，这样就能避免在总线上产生有害的电磁波反射。总线网有两种协议。一种是以太网，另一种是令牌传递总线网，这种网在物理上是总线网，但在逻辑上是令牌环形网。以太网已演进为星形网，而令牌传递总线网已退出市场。使用以太网规范的局域网被称为以太网，使用令牌网规范的局域网被称为令牌环网。如今，大部分局域网都是以太网。

   

    在局域网上，通常一条传输介质会连接多台计算机，像总线型和环型局域网就是这样。这意味着大家共同使用同一传输介质。然而，一条传输介质在某一特定时间内只能被一台计算机使用。那么在某一时刻，到底哪一台计算机能够使用或访问传输介质呢？这就需要有一个大家都共同遵守的准则来对各个计算机对传输介质的同时访问进行控制和协调，这种准则就是协议，也可以称为媒体访问控制方法。据此可以将局域网分为以太网、令牌环网等。

    以太网是由 Xerox 公司创建且由 Xerox、Intel 和 DEC 公司联合开发的基带局域网规范。它是当今现有局域网采用的最通用的通信协议标准。以太网络使用 CSMA/CD（载波监听多路访问及冲突检测）技术，以 10M/S 的速率在多种类型的电缆上运行。以太网与.3 系列标准相类似。

    3网络层

    网际协议 IP 是 TCP/IP 体系中两个非常主要的协议之一，同时也是极为重要的因特网标准协议之一。有四个协议与 IP 协议配套使用，分别是：地址解析协议 ARP，它能依据 IP 地址获取其物理地址；逆地址解析协议 RARP，可根据物理地址获取其 IP 地址；网际控制报文协议 ICMP；网际组管理协议 IGMP。IP 协议和其配套协议的关系呈现如下情况

    4传输层

    从通信和信息处理的角度来看，传输层会向其上面的应用层提供通信服务。它属于面向通信部分的最高层，同时也是用户功能中的最底层。当网络边缘部分的主机利用网络核心部分的功能来进行端到端的通信时，只有主机的协议栈才具备传输层。而网络核心部分中的路由器在转发分组时，仅仅用到了下三层的功能。

    传输层主要有两个协议，它们都是因特网的正式标准。其中一个协议是用户数据报协议 UDP[RFC 768]；另一个协议是传输控制协议 TCP[RFC 793]。TCP/IP 体系中的运输层协议具体如下：

    - 应用层和相关协议所主要使用的运输层协议包含 TCP。

    传输层的端口号分为以下两大类：一是服务器端使用的端口号，其中又分为两类，最重要的一类被称作熟知端口号或系统端口号，其数值在 0 到 1023 之间；二是其他类型的端口号。FTP 端口号为 21，23 是端口号，SMTP 端口号是 25，DNS 端口号是 53，TFTP 端口号是 69，HTTP 端口号为 80，SNMP 端口号是 161，SNMP(trap)端口号是 162。还有一类是登记端口号，其数值在 1024 到 49151 之间，这类端口号是供没有熟知端口号的应用程序使用的。客户端使用的端口号，其数值处于 49152 到 65535 之间。因为这类端口号只是在客户进程运行的时候才会被动态地选择，所以它又被称作短暂端口号。

    用户数据报协议 UDP 具有这样的特点：它仅在 IP 协议的数据报服务上增添了些许功能，其中包括复用和分用的功能以及差错检测的功能。UDP 的主要特性如下：其一，UDP 是无连接的，这意味着在发送数据之前无需建立连接，并且在发送数据结束后也不存在需要释放的连接，正因如此，它减少了开销以及发送数据之前的延迟。（3）UDP 是面向报文的。发送方的 UDP 对于应用程序交付下来的报文，在添加了首部之后，就会将其向下交付给 IP 层。并且，UDP 对于应用层交付下来的报文，既不会进行合并，也不会进行拆分，而是会保留这些报文的边界。应用层交给 UDP 的报文长度是多少，UDP 就按此长度发送。所以应用层需要选择合适大小的报文，否则会降低 IP 层的效率。

    而 UDP 恰好能够满足这种要求。当很多源主机同时向网络发送高速率的实时视频流时，网络有可能出现拥塞情况，所以 UDP 有引发网络严重拥塞问题的可能。（2）UDP 能够支持一对一的交互通信，也能够支持一对多的交互通信，还能够支持多对一的交互通信以及多对多的交互通信。（3）UDP 的首部开销比较小，仅仅有 8 字节，而 TCP 的首部有 20 字节，UDP 的首部比 TCP 的首部要短。

    传输控制协议 TCP 较为复杂。TCP 主要有以下特点：其一，TCP 属于面向连接的运输层协议，应用层在使用它之前，必须先搭建起 TCP 连接，传送结束后，还得释放已建立的 TCP 连接；其二，每一条 TCP 连接仅能有两个端点，且每一条 TCP 连接只能是点对点的（一对一）。（5）TCP 是面向字节流的，其中的“流”指的是流入到进程或者从进程流出的字节序列。“面向字节流”的含义在于：应用程序与 TCP 进行交互时，是以一次一个数据块的方式进行的，这些数据块的大小并不相同。然而，发送方的 TCP 会将发送方应用程序交付下来的数据视为一连串没有结构的字节流。发送方 TCP 不了解传送的字节流的含义，也无法保证接收方应用程序所收到的数据块与应用程序发出的数据块之间存在对应大小的关系。例如，发送方应用程序将 10 个数据块交给发送方 TCP，然而接收方 TCP 可能仅用 4 个数据块就将收到的字节流交付给了上层的应用程序。接收方应用程序所接收到的字节流，应当与发送方应用程序所发出的字节流保持一致。

    TCP 在发送报文时采用的方式与 UDP 不同。TCP 不关心应用进程一次将多长的报文发送到其缓存中。TCP 会依据对方给出的窗口值以及当前网络的拥塞程度，来决定一个报文段应包含的字节数。而 UDP 发送的报文长度是由应用进程给出的。如果应用进程传送到 TCP 缓存的数据块比较长，那么 TCP 能够将其划分得短一些然后进行传送。如果应用进程每次只发送一个字节，TCP 就可以等待积累到足够多的字节之后，再把这些字节构成报文段发送出去。

    TCP 的可靠传输很重要，TCP 的流量控制也很重要，TCP 的拥塞控制同样重要，并且 TCP 的运输连接管理也很重要。TCP 是面向连接的协议，运输连接的作用是传送 TCP 报文。在每一次面向连接的通信中，TCP 运输连接的建立和释放都是必不可少的过程。所以，运输连接分为三个阶段，分别是连接建立、数据传送和连接释放。

    TCP 进行连接建立时会有三次握手。从图中可以看出，假设主机 A 运行的是 TCP 客户程序，而主机 B 运行的是 TCP 服务器程序。最开始，两端的 TCP 进程都处于关闭状态。接着，A 主动开启连接，B 则是被动地开启连接。

    B 的 TCP 服务器进程首先创建传输控制块 TCB，以准备接收客户进程的连接请求。接着，服务器进程处于一种（等待状态），在等待客户的连接请求。一旦有连接请求到来，它就会做出相应的处理。

    A 的 TCP 客户进程首先创建传输控制模块 TCB。接着，它向 B 发出连接请求报文段，此报文段首部中的同部位 SYN 等于 1，并且同时选择一个初始序号 seq 为 x。TCP 规定，SYN 报文段（也就是 SYN = 1 的报文段）不能携带数据，不过要消耗掉一个序号。在这种情况下，TCP 客户进程进入 SYN-SENT（同步已发送）状态。

    B 收到连接请求报文段后，若同意建立连接，就会向 A 发送确认。确认报文段中需将 SYN 位和 ACK 位都设为 1，确认号是 ack=x+1，同时为自身选定一个初始序号 seq=y。需注意，此报文段不能携带数据，不过同样会消耗一个序号。此时 TCP 服务器进程进入 SYN-RCVD（同步收到）状态。

    TCP的连接释放是四次握手。过程如下所示：

    5应用层

    应用层可实现应用进程跨网络的通信。