网络基本认知（1）--网络基础知识

1. 理解和掌握有关网络的概念、分类、组成等基本知识。
2. 通过使用网络，了解a网络的基本功能。
3. 网络性能对网络使用者来说至关重要，理解影响网络的使用有关因素。
4. 通过对互联网的认知，从某一方面探讨对《互联网⁺》中的“+”理解，并谈一谈您的想法。

理

论

基

1.        简述网络的定义、功能、分类、组成等概念。

答：

定义：一般认为计算机网络就是利用通信线路和通信设备将地理上分散的、具有独立功能的多个计算机系统按不同的形式连接起来，以功能完善的网络软件及通信协议实现资源共享和信息传递的系统。更简单地说，计算机网络就是以传输信息为基本目的，用通信线路和通信设备将多个计算机连接起来的计算机系统的集合。用一条通信线路将两台计算机直接连接起来就可以构成一个最简单的计算机网络。

功能：

（1）数据通信

数据通信是计算机网络最基本和最重要的功能，实现联网计算机之间的各种信息传输，并将分散在不同地理位置的计算机联系起来，进行统一的调配、控制和管理

（2）资源共享

资源共享可以是软件共享、数据共享和硬件共享

计算机网络中的资源互通有无，分工协作，从而极大地提高硬件资源、软件资源和数据资源的利用率

（3）分布式处理

当计算机网络中的某个计算机系统负荷过重时，可以将其处理的某个复杂任务分配给网络中的其它计算机系统，让它帮你处理，从而利用空闲计算机资源以提高整个系统的利用率

（4）提高可靠性

计算机网络中的各台计算机可以通过网络互为替代机，当一台计算机崩了，可以让另一台计算机来完成它的工作

（5）负载均衡

将工作任务均衡的分配给计算机网络中的各台计算机

（6）其它

计算机网络还可以实现电子化办公与服务、远程教育、娱乐等功能

分类：

（一）按网络的覆盖范围进行分类

（1）局域网

局域网（Local Arca Network，LAN）用于连接有限范围内（如一个实验室、一幢楼或一个校园）的各种计算机、终端与外部设备。局域网通常由某个单位单独拥有、使用和维护。按照所使用的传输媒体的不同，局域网又可分为有线局域网和无线局域网。局域网技术发展非常迅速并且被广泛应用、是计算机网络中最为活跃的领域之一。本书将在3.3节至3.7节详细讨论局域网。

（2）城域网

城域网（Metropolitan Area Network，MAN）的覆盖范围可跨越几个街区甚至整个城市，其作用距离为5~50km。城域网通常作为城市骨干网，连接大量企业、机构和校园局域网。近几年，城域网已成为现代城市的信息服务基础设施，为大量用户提供接入和各种信息服务，并逐渐将传统的电信服务、有线电视服务和互联网服务融为一体。

（3）广域网

广域网（Wide Area Network，WAN）的覆盖范围通常为几十千米到几千千米，可以覆盖-个国家、地区，甚至横跨几个洲，因而广域网有时也称为远程网（Long Haul Network）。广域网是互联网的核心部分，其任务是为核心路由器提供远距离（如跨越不同的国家）高速连接，互连分布在不同地区的城域网和局域网。

（4）个人区域网

个人区域网（PersonalArea Network，PAN）不同于以上网络，它不是用来连接普通计算机的，而是在个人工作的地方把个人使用的电子设备（如便携式计算机、打印机、鼠标、键盘、耳机等）用无线技术（取代传统导线）连接起来的网络，因此也常称为无线个人区域网（Wireless PAN，WPAN），其作用距离通常在10 m以内。

（二）按网络的使用者进行分类

（1）公用网

公用网（Public Network）是指电信公司（国有或私有）出资建造的大型网络。“公用”的意思就是所有愿意按电信公司的规定交纳费用的人都可以使用这种网络。因此公用网也可称为公众网

（2）专用网

专用网（Private Network）是某个部门为本单位的特殊业务工作的需要而建造的网络。这种网络不向本单位以外的人提供服务。例如，军队、铁路、电力等系统均有本系统的专用网。

组成：

计算机网络（简称为网络）由若干结点（node）和连接这些结点的链路（link）组成。网络中的结点可以是计算机、集线器、交换机或路由器等（在后续的两章我们将会介绍集线器、交换机和路由器等设备的作用）。图1-1(a)给出了一个具有四个结点和三条链路的网络。我们看到，有三台计算机通过三条链路连接到一个集线器上，构成了一个简单的计算机网络（简称为网络）。在很多情况下，我们可以用一朵云表示一个网络。这样做的好处是可以不去关心网络中的相当复杂的细节问题，因而可以集中精力研究涉及到与网络互连有关的一些问题。

互联网的拓扑结构虽然非常复杂，并且在地理上覆盖了全球，但从其工作方式上看可以划分为以下两大块：

①边缘部分  由所有连接在互联网上的主机组成。这部分是用户直接使用的，用来进行通信（传送数据、音频或视频）和资源共享。

②核心部分  由大量网络和连接这些网络的路由器组成。这部分是为边缘部分提供服务的（提供连通性和交换）。

2.        简述网络性能的衡量指标。

答：

（1）速率

我们知道，计算机发送出的信号都是数字形式的。比特（bit）来源于 binary digit，意思是一个“二进制数字”，因此一个比特就是二进制数字中的一个1或0。比特也是信息论中使用的信息量的单位。网络技术中的速率指的是数据的传送速率，它也称为数据率（datarate）或比特率（bit rate）。速率是计算机网络中最重要的一个性能指标。速率的单位是bit/s（比特每秒）（或b/s，有时也写为bps，即bit per second）。当数据率较高时，就常常在 bit/s 的前面加上一个字母。例如，k（kilo）=10³=千，M（Mega）=10⁶=兆，G（Giga）=10⁹=吉，T（Tera）=10¹²=太，P（Peta）=10¹⁵=拍，E（Exa）=10¹⁸=艾，Z（Zetta）=10²¹=泽，Y（Yotta）=10²⁴=尧。这样，4×10¹⁰bits的数据率就记为40Gbits。现在人们在谈到网络速率时，常省略了速率单位中应有的 bits，而使用不太正确的说法，如“40G的速率”。另外要注意的是，当提到网络的速率时，往往指的是额定速率或标称速率，而并非网络实际上运行的速率。

（2）带宽

“带宽”（bandwidth）有以下两种不同的意义：

①带宽本来是指某个信号具有的频带宽度。信号的带宽是指该信号所包含的各种不同频率成分所占据的频率范围。例如，在传统的通信线路上传送的电话信号的标准带宽是3.1kHz（从300Hz到3.4kHz，即话音的主要成分的频率范围）。这种意义的带宽的单位是赫（或千赫、兆赫、吉赫等）。在过去很长的一段时间，通信的主干线路传送的是模拟信号（即连续变化的信号）。因此，表示某信道允许通过的信号频带范围就称为该信道的带宽（或通频带）。

②在计算机网络中，带宽用来表示网络中某通道传送数据的能力，因此网络带宽表示在单位时间内网络中的某信道所能通过的“最高数据率”。在本书中提到“带宽”时，主要是指这个意思。这种意义的带宽的单位就是数据率的单位bit/s，是“比特每秒”。在“带宽”的上述两种表述中，前者为频域称谓，而后者为时域称谓，其本质是相同的。也就是说，一条通信链路的“带宽”越宽，其所能传输的“最高数据率”也越高。

（3）吞吐量

吞吐量（throughput）表示在单位时间内通过某个网络（或信道、接口）的实际的数据量。吞吐量更经常地用于对现实世界中的网络的一种测量，以便知道实际上到底有多少数据量能够通过网络。显然，吞吐量受网络的带宽或网络的额定速率的限制。例如，对于一个Gbits的以太网，就是说其额定速率是1Gbits，那么这个数值也是该以太网的吞吐量的绝对上限值。因此，对1Gbits的以太网，其实际的吞吐量可能也只有100Mbits，或其至更低，并没有达到其额定速率。请注意，有时吞吐量还可用每秒传送的字节数或帧数来表示。

（4）时延

时延（delay或latency）是指数据（一个报文或分组，甚至比特）从网络（或链路）的一端传送到另一端所需的时间。时延是个很重要的性能指标，它有时也称为延迟或迟延。

需要注意的是，网络中的时延是由以下几个不同的部分组成的：

①发送时延

发送时延（transmission delay）是主机或路由器发送数据帧所需要的时间，也就是从发送数据帧的第一个比特算起，到该帧的最后一个比特发送完毕所需的时间。因此发送时延也叫做传输时延（我们尽量不采用传输时延这个名词，因为它很容易和下面要讲到的传播时延弄混）。发送时延的计算公式是：

由此可见，对于一定的网络，发送时延并非固定不变，而是与发送的帧长（单位是比特）成正比，与发送速率成反比。

②传播时延

传播时延（propagation delay）是电磁波在信道中传播一定的距离需要花费的时间。传播时延的计算公式是：

电磁波在自由空间的传播速率是光速，即3.0×10⁵km/s。电磁波在网络传输媒体中的传播速率比在自由空间要略低一些:在铜线电缆中的传播速率约为2.3×10⁵km/s，在光纤中的传播速率约为2.0×10⁵km/s。例如，1000km长的光纤线路产生的传播时延大约为5ms。

以上两种时延有本质上的不同。发送时延发生在机器内部的发送器中，与传输信道的长度（或信号传送的距离）没有任何关系。但传播时延则发生在机器外部的传输信道媒体上，而与信号的发送速率无关。信号传送的距离越远，传播时延就越大。可以用一个简单的比喻来说明。假定有10辆车按顺序从公路收费站入口出发到相距50公里的目的地。再假定每一辆车过收费站要花费6秒钟，而车速是每小时100公里。现在可以算出这10辆车从收费站到目的地总共要花费的时间:发车时间共需60秒（相当于网络中的发送时延），在公路上的行车时间需要30分钟（相当于网络中的传播时延）。因此从第一辆车到收费站开始计算，到最后一辆车到达目的地为止，总共花费的时间是二者之和，即31分钟。

③处理时延

主机或路由器在收到分组时要花费一定的时间进行处理，例如分析分组的首部、从分组中提取数据部分、进行差错检验或查找适当的路由等，这就产生了处理时延。

④排队时延

分组在经过网络传输时，要经过许多路由器。但分组在进入路由器后要先在输入队列中排队等待处理。在路由器确定了转发接口后，还要在输出队列中排队等待转发。这就产生了排队时延。排队时延的长短往往取决于网络当时的通信量。当网络的通信量很大时会发生队列溢出，使分组丢失，这相当于排队时延为无穷大。这样，数据在网络中经历的总时延就是以上四种时延之和：

一般说来，小时延的网络要优于大时延的网络。在某些情况下，一个低速率、小时延的网络很可能要优于一个高速率但大时延的网络。

（5）丢包率

丢包率即分组丢失率，是指在一定的时间范围内，分组在传输过程中丢失的分组数量与总的分组数量的比率。丢包率具体可分为接口丢包率、结点丢包率、链路丢包率、路径丢包率网络丢包率等。

在计算机网络中，分组丢失主要有两种情况。一种情况是分组在传输过程出现了比特级差错，被结点丢弃。另一种情况就是当分组到达一台队列已满的分组交换机时，由于没有空间来存储这些分组，分组交换机就会将到达的分组或已经排队的分组丢弃。由于分组交换不像电路交换那样通过建立连接来保证通信时所需的各种资源，因而无法确保通信时端到端所需的带宽，在通信量较大时就可能造成网络机寒，导致分组交换机的队列溢出和分组丢失。这是现代计算机网络中分组丢失最主要的原因。

因此，丢包率反映了网络的拥塞情况。一般无拥塞时路径丢包率为0，轻度拥塞时丢包率为1%~4%，严重拥塞时丢包率为5%~15%。具有较高丢包率的网络通常无法使网络应用正常工作。

丢包率是网络运维人员非常关心的一个网络性能指标，但普通用户往往并不关心这个指标，因为他们通常感觉不到网络丢包。大多数网络应用底层所使用的通信软件会为用户提供可靠的传输服务，它们会自动重传丢失的分组并自动调整发送速率进行网络拥塞控制。在网络拥塞，丢包率较高时，用户感觉到的往往是网络时延变大，“网速”变慢，而不是信息的丢失。

（6）时延带宽积

把以上讨论的网络性能的两个度量——传播时延和带宽——相乘，就得到另一个很有用的度量：传播时延带宽积，即

我们可以用图1-15的示意图来表示时延带宽积。这是一个代表链路的圆柱形管道，管道的长度是链路的传播时延，而管道的截面积是链路的带宽。因此时延带宽积就表示这个管道的体积，表示这样的链路可容纳多少个比特。例如，设某段链路的传播时延为20ms，带宽为10Mbit/s。算出

这就表明，若发送端连续发送数据，则在发送的第一个比特即将达到终点时，发送端就已经发送了20万个比特，而这20万个比特都正在链路上向前移动。因此，链路的时延带宽积又称为以比特为单位的链路长度。

（7）往返时间RTT

在计算机网络中，往返时间RTT（Round-Trip Time）也是一个重要的性能指标。这是因为在许多情况下，互联网上的信息不仅仅单方向传输而是双向交互的。因此，我们有时很需要知道双向交互一次所需的时间。例如，A向B发送数据。如果数据长度是100MB，发送速率是100Mbit/s，那么

如果B正确收完100MB的数据后，就立即向A发送确认。再假定A只有在收到B的确认信息后，才能继续向B发送数据。显然，这需要等待一个往返时间RTT（这里假定确认信息很短，可忽略B发送确认的时间）。如果RRT=2s，那么可以算出A向B发送数据的有效数据率

bit/sMbit/s

比原来的数据率100Mbit/s小不少。

在互联网中，往返时间还包括各中间结点的处理时延、排队时延以及转发数据时的发送时延。当使用卫星通信时，往返时间RTT相对较长，是很重要的一个性能指标。

（8）利用率

利用率有信道利用率和网络利用率两种。信道利用率指出某信道有百分之几的时间是被利用的（有数据通过）。完全空闲的信道的利用率是零。网络利用率则是全网络的信道利用率的加权平均值。信道利用率并非越高越好。这是因为，根据排队论的理论，当某信道的利用率增大时，该信道引起的时延也就迅速增加。这和高速公路的情况有些相似。当高速公路上的车流量很大时，由于在公路上的某些地方会出现堵塞，因此行车所需的时间就会变长。网络也有类似的情况。当网络的通信量很少时，网络产生的时延并不大。但在网络通信量不断增大的情况下，由于分组在网络结点（路由器或结点交换机）进行处理时需要排队等候，因此网络引起的时延就会增大。如果令D表示网络空闲时的时延，D表示网络当前的时延，那么在适当的假定条件下，可以用下面的简单公式来表示D，D和利用率U之间的关系

这里U是网络的利用率，数值在0到1之间。当网络的利用率达到其容量的1/2时，时延就要加倍。特别值得注意的就是：当网络的利用率接近最大值1时，网络的时延就趋于无穷大。因此我们必须有这样的概念：信道或网络的利用率过高会产生非常大的时延。图1-16给出了上述概念的示意图。因此一些拥有较大主干网的ISP通常控制信道利用率不超过50%。如果超过了就要准备扩容，增大线路的带宽。

3.        列举您感兴趣的有关课程的话题。

答：

计算机网络基础：网络体系结构、协议栈、网络拓扑等基础知识。

网络安全：网络安全威胁、安全协议、防火墙和入侵检测系统等。

网络协议：TCP/IP协议栈、路由协议、网络管理协议等。

网络性能：网络延迟、带宽、拥塞控制等性能指标和优化技术。

云计算网络：云计算网络架构、虚拟化技术、软件定义网络等。

物联网网络：物联网网络协议、传感器网络、工业物联网等。

移动网络：蜂窝网络技术、移动IP、5G网络等。

网络仿真和建模：网络仿真工具、网络建模技术等。

软件定义网络（SDN）：SDN架构、控制器技术、OpenFlow协议等。

网络可编程：网络编程语言、可编程交换机和路由器等。

区块链网络：区块链技术在网络中的应用、分布式账本技术等。

验

内

容

和

步

--有关网络硬件：设备、接口、介质

交换机（Switch）：连接教室内的所有设备，形成一个局域网（LAN），并转发数据包到正确的目的地。

路由器（Router）：连接教室内的局域网和外部网络（如互联网），并根据路由表决定数据包的最佳传输路径。

无线接入点（WAP）：提供无线网络连接，允许学生和教师在教室内使用笔记本电脑、平板电脑和智能手机等设备连接网络。

网关（Gateway）：连接不同类型的网络，如教室内的LAN和学校的广域网（WAN），并转换数据格式以实现通信。

防火墙：保护教室内的网络免受未经授权的访问和网络攻击，并控制进出网络的数据流量。

网络服务器：存储和提供文件、应用程序和其他资源，供教室内的设备访问。例如，文件服务器用于存储和共享课程资料，而打印服务器用于管理打印机。

网络管理系统（NMS）：监控和管理教室内的网络设备，提供网络性能和安全性的实时视图，并允许管理员远程配置和维护网络。

网络接口是指网络设备与网络介质（如电缆或光纤）连接的物理端口或插槽。常见的网络接口类型包括：以太网接口（RJ45）、光纤接口（SFP、SFP+）、无线接口（Wi-Fi、蓝牙）、串行接口（RS-232、USB）

网络介质是指用于在网络设备之间传输数据的物理路径。常见的网络介质类型包括：双绞线（Cat5、Cat6）、光纤（单模、多模）、无线电波（Wi-Fi、蓝牙）

2、通过网络，学习双绞线的制作过程，特别指出关键步骤。

--准备：工具/原料：双绞线、RJ-45水晶头、双绞线压线钳、双绞线测试仪。

制作平行线时，网线的两端均采用EIA/TIA568B标准进行，即线序颜色从左到右依次为：橙白、橙、绿白、蓝、蓝白、绿、棕白、棕。

--过程：

(一) 用双绞网线钳（也可以用其他剪线工具）垂直裁剪一段符合要求长度的双绞线（建议先适当剪长些），然后把一端插入到双绞网线钳用于剥线的刀口中（注意网线不能弯），直插进去，直到顶住网线钳后面的挡位。

(二) 记得把双绞线的灰色保护层剥掉，压下网线钳，用另一只手拉住网线慢慢稍微用力旋转一圈（无须担心会损坏网线里面芯线的包皮，因为剥线的两刀片之间留有一定距离），然后松开网线钳，把切断开的网线保护塑料包皮拔下来，可以看出有4对、8条网线芯线，每队颜色不同，每队缠绕的两根芯线是由一种染有相应颜色加上一条只染有少许颜色的白色相间芯线组成。

(三) 把4对芯线按照规定一字并排排列，然后再把每对芯线中的两条芯线相邻排列分开。注意不要跨线排列，并建议按统一的排列顺序，如左边统一为全色芯线，右边统一为相应颜色的花白芯线。因为4条花白相间的网线染有颜色较少，弄乱后很难分清是与哪条全色芯线配对的。最后用网线钳或其他剪线工具剪齐（不要剪太长，只需剪齐即可）。

(四) 左手水平握住水晶头（塑料扣的一面斜向下，开口向右），右手将剪齐的8条芯线紧密排列，捏住这8条芯线对准水晶头开口水平插入水晶头中，使各条芯线都插到水晶头的底部，水晶头有塑料弹簧片的朝下，记住不能使得芯线弯曲，可以从水晶的底部检查，看看是否每一组缆线都在末端。

(五) 确认所有芯线都插到水晶头底部后，即可将插入网线的水晶头直接放入网线钳压线槽中，此时要注意，压线槽结构与水晶头结构一样，一定要正确放入才能正确压制水晶头。

(六) 确认水晶头放好后即可使劲压下网线钳手柄，使水晶头的插针都能插入到网线芯线之中，与之接触良好。然后再用手轻轻拉一下网线与水晶头，看是否压紧，最好稍稍调一下水晶头在网线钳压线槽中的位置，再压一次。

(七) 最后用专用的网线测试仪，测试一下所制作的网线是否通畅。

--测试：在把水晶头的两端都做好后即可用网线测试仪进行测试，如果测试仪上8个指示灯都依次为绿色闪过，证明网线制作成功。如果出现任何一个灯为红灯或黄灯，都证明存在断路或者接触不良现象，此时最好先对两端水晶头再用网线钳压一次，再测，如果故障依旧，再检查一下两端芯线的排列顺序是否一样，如果不一样，随剪掉一端重新按另一端芯线排列顺序制做水晶头。如果芯线顺序一样，但测试仪在重测后仍显示红色灯或黄色灯，则表明其中肯定存在对应芯线接触不好。此时没办法了，只好先剪掉一端按另一端芯线顺序重做一个水晶头了，再测，如果故障消失，则不必重做另一端水晶头，否则还得把原来的另一端水晶头也剪掉重做。直到测试全为绿色指示灯闪过为止。

3、通过对互联网的认知，从某一方面探讨对《互联网⁺》中的“+”理解，并谈一谈您的想法。

互联网+是国家战略性部署的新一代信息技术与传统产业相融合，催生新的发展业态、新模式、新产品、新服务的新业态。其中的“+”号，代表着互联网与不同产业间的连接与赋能，为各行各业带来了革命性的变革。

连接：跨界融合，打破边界

“+”意味着打破行业壁垒，建立起互联网与不同领域的无缝连接。通过API接口、云平台和数据共享，互联网技术得以嵌入各行各业的生产经营环节，从而催生出跨界融合的新业态。例如，“互联网+制造”将互联网技术引入传统制造业，实现了智能化、定制化生产；“互联网+医疗”则打破了时空限制，让患者足不出户即可享受便捷的医疗服务。

赋能：科技加持，创造价值

“+”还意味着赋能，即互联网技术为传统产业带来了新的工具、能力和价值。大数据、云计算和人工智能等技术，帮助企业优化业务流程、提高运营效率、降低成本。传感器、自动化和物联网设备则使企业能够实现对生产、物流和销售等环节的实时监控和智能化管理，大幅提升生产效率和产品质量。

“+”的思考：创新与融合之道

互联网+中的“+”号，启示我们创新与融合的深远意义：

开放创新：打破传统产业的思维定式，拥抱新技术和新理念，积极寻求跨界合作。

协同发展：互联网技术不是孤立存在，而是与各行业深度融合，共同创造新的价值链和生态系统。

持续赋能：互联网技术的发展日新月异，企业需不断更新自身技术能力，保持竞争优势。

展望未来：无限可能

互联网+中的“+”号，承载着无限的可能和想象。随着技术的不断进步，互联网与各行业的连接与赋能将变得更加深入广泛，催生出更多创新业态和服务模式。我们期待，在“+”的推动下，社会经济将迈入一个更加智能、高效、美好的未来。