计算机网络

计算机网络（computer network），通常也简称网络，是指容许节点分享资源的数码电信网络。在电脑网络，电脑设备会透过节点之间的连接（数据链路）互相交换数据，即收发（接收和发放）网络资讯。传输媒介可分为有线及无线两类——有线的可用到双绞线、光纤电缆等媒介；无线则可用到Wi-Fi、NFC和Bluetooth等。

用于建立、路由及终止数据传输的电脑网络设备即为网络节点。节点包括像个人电脑、电话、服务器般的主机及其他网络硬件（如闸道器及路由器）。它们一般以网络位址作识别码。当一个设备能够与另一设备交换资讯时，便可视它们俩已连接成网络，不论它们是否直连。专用通信协定在大多数分层中位于其他更通用的通信协定之上。要维持网络的可靠性，便需要有一定的网络管理技能。

电脑网络为海量应用程序及服务背后的基础。比如存取互联网、数字视频、数位音讯；共享打印机；收发电子邮件及即时通讯讯息。电脑网络可依照传输介质、传输协议、网络大小、拓扑、流量控制机制、建立目的等因素区分。世界上最大的电脑网络为互联网。

## 历史

电脑网络发展的里程碑包括：

- 1950年代后期，美军开始使用指挥系统——贤者系统，其为早期的电脑网络。
- 1959年，托利·伊万诺维奇·基洛夫向苏联共产党中央委员会提出一个详细的计划——其目标是建立全国性的网络中心OGAS，以重整对苏联武装力量及经济的控制。
- 1959年，贝尔实验室的穆罕默德·阿塔拉及姜大元成功研发出金属氧化物半导体场效晶体管。它于后来成为了电脑网络建设的基础元件，比如收发器、基站组件、路由器、射频功率放大器、微处理器、内存芯片、电信电路。
- 1960年，商业航空预订系统——SABRE上线，其连接了两台大型计算机。
- 1963年，J·C·R·利克莱德向他的同事发送了一份备忘录，于当中探讨“星系间计算网络”这一概念，即可用于一般用户通讯的电脑网络。
- 1964年，达特茅斯学院的研究者开发出达特茅斯分时系统，以使大型电脑系统的用户分流。同年麻省理工学院的一队研究团队在得到贝尔实验室及通用电气的支持下，成功以一台电脑来路由及管理电话连接。
- 在1960年代间，保罗·巴兰及唐纳德·戴维斯各自提出了分组交换的概念，以把资讯透过网络在电脑之间传输。戴维斯率先把NPL网络的概念在现实中实现。它是一个位于英国国家物理实验室，线路速度为768kbit/s的局域网。
- 1965年，西方电器向市面推出了第一个得到广泛应用的电话交换机，其由电脑所控制。
- 1966年，托马斯·马里尔及劳伦斯·罗伯茨发表了一篇论文，其内容有关一个用于电脑分时的试验性广域网。
- 1969年，ARPANET的首四个节点经已用电路连接，其速度为50kbit/s，在加利福尼亚大学洛杉矶分校、斯坦福大学研究中心、加利福尼亚大学圣塔芭芭拉分校、犹他大学这四个地点之间建立网络。在分组交换网络的理论中做出许多杰出贡献的伦纳德·克莱因罗克协助了ARPANET的研发。1970年代后期，他与其学生法鲁克·卡莫恩针对分层路由的理论性研究对当下互联网的实际运行仍有一定重要性。
- 1972年，使用X.25的商业服务经已投入运作，其于后来成为了TCP/IP网络的基础。
- 1973年，法国的CYCLADES网络为第一个使主机可靠地传递数据的网络。
- 1974年，文顿·瑟夫等人写出了首个TCP的规格675（Internet传输控制程序的规范），他们在当中首次把“Internet”视作互联网络的简写。
- 1976年，Datapoint Corporation的约翰·墨菲开发了ARCNET，第一个用于共享储存设备的令牌传递网络。
- 1977年，GTE开发了首个遥距光纤网络。
- 1977年，罗伯特·梅特卡夫和尤根·达拉尔开发出施乐网络系统。
- 1979年，罗伯特·梅特卡夫致力使以太网成为开放标准。
- 1980年，罗恩·克兰等人开发出一种新的以太网协定，使其速度从2.94Mbit/s升级至10Mbit/s。
- 1995年，以太网的传输速度从10Mbit/s升至100Mbit/s。从1998年起，以太网支援1Gb/s的传输速度。以太网的可扩展性是其得以继续应用的重要因素。

## 应用

电脑网络有着不同的应用，包括分享应用程序、浏览新闻、收发电子邮件、传递即时讯息、拨接网络电话、影音分享。用户可透过网络共用周边装置，例如共用网络打印机。用户亦可透过网络分享档案给同一网络上的其他电脑。

攻击者可利用网络散播电脑病毒或蠕虫至网络上的其他节点，或实行阻断服务攻击，占据网络的带宽。

## IP封包

由于网络的最大传输单位会因技术而异，故在过程中IP封包可能需要切割成较小的封包，然后在目的地重组。此一方式的传输效率高，但也容易发生壅塞。

IP封包分为两部分：表头及承载资料。表头包含了目的及来源位址、上层协定、存活时间等资讯。

## 网络拓扑

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网络拓扑是网络的几何形状分类。除了影响网络的容错度、管理方式、资讯如何流通外，它还会影响网络的可靠性和架设成本，比如总线拓扑较容易发生单点失败。一般而言线路愈多愈可靠，但相对地布线成本亦会提升。

常见的网络拓扑有：

- 总线拓扑：所有节点共享一个介质，以此连接其他节点。早期的以太网10BASE5及10BASE2会应用此一拓扑。
- 星状拓扑：所有节点集中连接至一个特殊的装置，例如交换器、集线器。
- 环状拓扑：所有节点以形成一个环状的方式连接，节点间需以顺序的方式传送资讯。应用此一拓扑的有IBM Token Ring、IEEE 802.5 Token Ring。
- 网状拓扑：所有节点连接至一个以上的节点。
- 树状拓扑：所有节点一层一层地以分支形式连接。
- 混合式拓扑：将上述拓扑混合使用。在布置网络时，一般会混合多种拓扑。

### 覆盖网络

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覆盖网络是指建立在其他网络之上的网络。覆盖网络内的节点会透过虚拟或逻辑链路连接。每个链路对应于基础网络中一条或多条的路径。覆盖网络的拓扑一般会跟基础网络的不同。比如很多对等网络皆属覆盖网络。对等网络内的节点运行在互联网之上，并组织成一个虚拟链接系统。

早期互联网本身就是覆盖网络的一个例子。它建立在电话网络之上。

## 网络连接

传输媒介是指传送资料时所用到的媒体介质，其包括电缆、光纤、电磁波。它们属OSI模型的第一层（实体层）及第二层（资料链接层）。

以太网是局域网的主流传输媒介技术。以太网的标准行业规格为IEEE 802.3。以太网可以铜线或光纤电缆传输数据。无线局域网则一般会以无线电作传输媒介，不过也有以红外线作传输媒介的。电力线网络以既有电力线来传输数据。

### 有线技术

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计算机网络会用到的有线技术如下：

- 同轴电缆是一种广泛应用于有线电视系统及早期局域网的传输媒介。以标准10Base2及10Base5来计，其最高速度为10Mbps。
- 国际电信联盟电信标准化部门的G.hn技术能利用既有的家庭布线（同轴电缆、电话线、电源线）来架设高速的局域网。
- 双绞线是一种得到广泛应用的传输媒介。它一般由四对铜线所组成，并可用于传输语音及数据。双线缠绕的目的在于减少串扰及杂音的情况。其速度从2Mbps到40Gbps不等。双绞线可分为两类—— 遮蔽式双纽线及无遮蔽式双纽线。

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- 光纤是一种玻璃纤维或塑胶。其以光为传递的介质。它的好处为速度快、信号难以衰减。其传输速度可超过2Gbps；AT&T曾制作一条速度为400Gbps，横跨12.07008公里的光纤电缆。其可在保有很高的数据传输率的情况下，拥有很远的传输距离，因此可用于作为海底电缆的传输媒介。光纤大致分为两种——单模光纤与多模光纤。单模光纤适合长距离传输（数十至一百公里）；多模光纤相对较便宜，但其传输距离仅限于几百米的距离，甚至只有几十米。

### 无线技术

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利用无线电等电子通信手段也可连接至网络。

- 陆上微波通讯会以地上发送站来把微波传送至类似卫星的天线接收器。陆上微波的频谱在千兆赫以内——因此所有通信限制在无阻碍的情况下才能顺利进行。基站最高可分开约40公里。
- 通讯卫星通讯亦会透过微波来实现通讯。该些卫星位于太空，一般距离地球地面约36000公里。其可传送语音、GPS、视像等资讯。
- 蜂窝网络利用了好几种的无线电通讯技术。该网络以蜂巢状的形式规划，每一个区域的中心为一个基地台。
- 无线电与扩频技术——利用了功率较低的无线电技术的无线局域网。使用了扩频技术的无线局域网可使之间距离不远的设备互相沟通。IEEE 802.11定义了一种十分盛行的无线电技术的开放式标准——Wi-Fi。
- 自由空间光通信以可见光或不可见光来作通讯。

### 其他特别的技术

- 以鸟类为载体的网际协议原是一个带幽默色彩的愚人节请求意见稿，其以的名义发布。到了2001年，它在现实中得以实现。
- 星际互联网——以无线电波将互联网扩展至星际。

## 网络节点

除了物理传输介质之外，要建立一个网络还需要一些相关设备，比如网卡、中继器、集线器、桥接器、网络交换器、路由器、调制解调器、防火墙。

### 网络界面

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网卡是电脑硬件的一种，它使得电脑能够存取传输媒介上的资料。网卡可能会有连接适当线材的接口，拥有接收无线讯号的接收器。两者皆会配合适合的电路板。

网卡会依据网络地址来决定是否对流量回应。在以太网中，装置所安装的每一片网卡都拥有一个独一无二的MAC地址。为了避免网卡之间的地址有所冲突，电气电子工程师学会及厂商会共同确保网卡的地址为独一无二的。一个以太网MAC地址的长度有6Bytes。前3Bytes为厂商向学会登记而得来。后3Bytes则为厂商自行赋予。

### 中继器及集线器

中继器是用于增强讯号的网络设备。这一设备可使因距离问题而出现衰减的讯号再生，令其能传送得更远。对于大多双纽线而言，若总长度超过100米，便需要安放一台中继器。光纤则要有几公里的总长度才需安放一台。

拥有多个端口的中继器即为集线器。在OSI模型中，集线器为第一层设备。“5-4-3”规则是指在10Mbps以太网中，网络不能有超过5个区段的总长度，最多使用4个集线器，最多以3个区段连接电脑。

由于交换器的功能相对较佳，价格亦相近，故上述两者皆已被交换器所取代。

### 桥接器

桥接器连接两个独立的网段及过滤之间的流量，它在OSI模型的数据链路层中运作。它可分割网络的碰撞域，但同时仍会进行群播。分割网络的碰撞域能增加网络的效率。

桥接器有三大类：

- 局域桥接器——直接连接不同的局域网。
- 远程桥接器——连接在不同区域的局域网。
- 无线桥接器——连接两个或多个有线局域网。

### 交换器

交换器是一种依据MAC地址，来在端口之间转发和过滤数据链路层的帧的设备。交换器仅将帧转发到通讯所涉及的物理端口，与只进行群播的集线器不同。可视它为拥有多个端口的桥接器。它透过进入物理端口的帧来学习来源的MAC地址。若交换器不能从MAC表中找到与帧对应的MAC地址，它就会把帧群播。

### 路由器

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路由器是一款互连网络设备，兼具了中继器、桥接器、集线器的功能。其依照封包内的讯息及路由表中的资讯来选择封包传递的路径。它必须拥有IP地址才可正常运作。

### 调制解调器

调制解调器把节点的讯号转换成其他非专用线路能够传送的讯号。当中载波混入数字信号调变，成为模拟信号，以便其他非专用线路携载。早期的电话线拨接网络需搭配调制解调器使用。

### 防火墙

防火墙是一种控制网络安全和访问规则的网络系统。它按特定规则来充许或阻止资料通过。

## 分类

计算机网络除了可以按照右方的覆盖范围分类之外计算机网络应用可按照不同节点之间的功能关系分为：

- 客户－服务器参看B/S模式和C/S模式
- 多层结构
- 对等参看P2P模式

## 网络基础理论

- 服务质量
- 网络拥塞
- 网络恢复能力

## 网络协议

存在多种不同的网络协议，传输媒介由此也构成多种不同的计算机网络

- ARCNET
- DECNET
- 以太网
- IPSEC
- Appletalk
- TCP/IP协议栈
- 传输控制协议
- 互联网通讯协议
- 令牌环
- IPX
- 光纤传输数据接口
- HIPPI
- Myrinet
- 异步传输模式
- RS-232
- IEEE-488
- USB
- IEEE 1394
- X.25
- 帧中继
- 蓝牙
- ZigBee
- IEEE 802.11
- 系统网络结构

## 相关的机构与厂商

- 机构
- 美国国家标准组织ANSI
- 电子工业联盟EIA
- 电子和电气工程师协会IEEE
- 国际标准化组织ISO
- 厂商
- CISCO
- HP
- 中兴通讯
- 华为
- 锐捷
- IBM
- 北电网络
- 港湾
- D-Link
- TP-Link

## 参考文献

### 来源

书籍

- Andrew S. Tanenbaum. 《计算机网络》（Computer Networks, ISBN 0-13-349945-6）
- William Stallings. 《数据与计算机通信》（DATA & COMPUTER COMMUNICATIONS, 6th Ed., ISBN 7-04-010043-6）