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计算机网络

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计算机网络(英语:computer network),通常也简称网络,是指容许节点分享资源的数字电信网络[1]:1-3。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。传输介质可分为有线无线两类——有线的可用到双绞线光纤电缆等介质[1]:1-4;无线则可用到Wi-Fi、NFC[2]:4-32

用于创建、路由及终止数据传输的电脑网络设备即为网络节点[3]。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(如网关路由器[1]:2-15。它们一般以网络地址作标识符[1]:2-15。当一个设备能够与另一设备交换信息时,便可视它们俩已连接成网络,不论它们是否直连[1]:1-3。专用通信协议在大多数分层中位于其他更通用的通信协议之上。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。比如访问互联网数字视频数字音频[1]:4-p.21-29;共享打印机[2]:1-3;收发电子邮件即时通信消息[1]:4-p.21-29。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、创建目的等因素区分。世界上最大的电脑网络为互联网[2]:1-5

历史[编辑]

电脑网络发展的里程碑包括:

应用[编辑]

电脑网络有着不同的应用,包括分享应用程序[2]:1-3、浏览新闻、收发电子邮件、传递即时消息、拨接网络电话、影音分享[1]:4-p.21-29。用户可透过网络共享周边设备,例如共享网络打印机[2]:1-3。用户亦可透过网络分享文件给同一网络上的其他电脑[1]:1-6

攻击者可利用网络散播电脑病毒蠕虫至网络上的其他节点[1]:16-p.7-8,或实行拒绝服务攻击,占据网络的带宽[1]:16-p.7-8

IP数据包[编辑]

由于网络的最大传输单位会因技术而异,故在过程中IP数据包可能需要切割成较小的数据包,然后在目的地重组[2]:7-6[1]:9-3。此一方式的传输效率高,但也容易发生壅塞[1]:6-6

IP数据包分为两部分:表头及承载资料[2]:7-6。表头包含了目的及来源地址、上层协议、存活时间等信息[2]:7-7

网络拓扑[编辑]

常见的网络拓扑

网络拓扑是网络的几何形状分类[2]:1-18。除了影响网络的容错度、管理方式、信息如何流通外,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[2]:1-19[1]:4-15、16。一般而言线路愈多愈可靠,但相对地布线成本亦会提升[2]:1-23

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[2]:1-18、19。早期的以太网10BASE5及10BASE2会应用此一拓扑[1]:4-15
  • 星状拓扑:所有节点集中连接至一个特殊的设备,例如交换器集线器[1]:4-15[2]:1-20
  • 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发送信息。应用此一拓扑的有IBM Token Ring、IEEE 802.5 Token Ring。[2]:1-22[1]:4-17
  • 网状拓扑:所有节点连接至一个以上的节点[1]:4-20
  • 树状拓扑:所有节点一层一层地以分支形式连接[1]:4-20
  • 混合式拓扑:将上述拓扑混合使用[1]:4-21。在布置网络时,一般会混合多种拓扑[2]:1-24

覆盖网络[编辑]

一个覆盖网络的例子

覆盖网络是指创建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。比如很多点对点网络皆属覆盖网络。点对点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。[27]

早期互联网本身就是覆盖网络的一个例子。它创建在电话网络英语telephone network之上[27]

网络连接[编辑]

传输介质是指发送资料时所用到的媒体介质[1]:4-3,其包括电缆光纤电磁波[28]:182-183[2]:2-23。它们属OSI模型的第一层(物理层)及第二层(数据链接层)[2]:2-20、4-2

以太网局域网的主流传输介质技术[1]:5-1。以太网的标准行业规格为IEEE 802.3[2]:3-11。以太网可以铜线或光纤电缆传输数据[2]:3-15无线局域网则一般会以无线电作传输介质[1]:8-5,不过也有以红外线作传输介质的[1]:7-7电力线网络以既有电力线来传输数据[29]

有线技术[编辑]

一束两端发光的玻璃丝
光纤可用于从一个节点传递光线至另一个节点

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介质[2]:2-20[28]:183。以标准10Base2及10Base5来计,其最高速度为10Mbps[28]:183
  • 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[30]
  • 双绞线是一种得到广泛应用的传输介质[2]:2-20[1]:4-5。它一般由四对铜线所组成[1]:4-9[28]:184,并可用于传输语音及数据[1]:4-6。双线缠绕的目的在于减少串扰及杂音的情况[1]:4-4[28]:184。其速度从2Mbps到40Gbps不等[1]:4-6[31]。双绞线可分为两类—— 遮蔽式双纽线及无遮蔽式双纽线[2]:2-p.20-21
拥有红蓝双线的世界地图
显示世上海底光织电缆分布的地图(以2007年的数据来计)
  • 光纤是一种玻璃纤维或塑胶[2]:2-23。其以光为传递的介质[1]:4-13。它的好处为速度快、信号难以衰减[1]:4-13。其传输速度可超过2Gbps[2]:2-23AT&T曾制作一条速度为400Gbps,横跨12.07008公里的光纤电缆[28]:186。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[1]:4-14,因此可用于作为海底电缆的传输介质。光纤大致分为两种——单模光纤多模光纤。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[32]

无线技术[编辑]

一台黑色笔记本电脑与一台放在后面的无线路由器
电脑经常透过无线链路连接至网络

利用无线电等电子通信手段也可连接至网络。

  • 陆上微波通信会以地上发送站来把微波发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[1]:7-5。基站最高可分开约40公里。
  • 通信卫星通信亦会透过微波来实现通信。该些卫星位于太空,一般距离地球地面约36000公里。其可发送语音、GPS、视频等信息[1]:7-5
  • 蜂窝网络利用了好几种的无线电通信技术。该网络以蜂嵌套的形式规划,每一个区域的中心为一个基地台。[2]:6-p.2-3
  • 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[2]:6-p.2-7
  • 自由空间光通信英语Free-space optical communication以可见光或不可见光来作通信[33]

其他特别的技术[编辑]

网络节点[编辑]

除了物理传输介质之外,要创建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[36]:12-p.22-25、15-20[1]:4-p.21-33

网络接口[编辑]

一个拥有ATM端口的网络接口电路
一张连接着ATM端口的网卡。

网卡电脑硬件的一种,它使得电脑能够访问传输介质上的资料[1]:4-21。网卡可能会有连接适当线材的接口,拥有接收无线信号的接收器。两者皆会配合适合的电路板。[1]:4-22、7-10

网卡会依据网络地址来决定是否对流量回应。在以太网中,设备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。[2]:3-12

中继器及集线器[编辑]

中继器是用于增强信号的网络设备[28]:202。这一设备可使因距离问题而出现衰减的信号再生,令其能发送得更远[36]:12-23。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[28]:202。光纤则要有几公里的总长度才需安放一台[1]:4-13

拥有多个端口的中继器即为集线器[28]:202。在OSI模型中,集线器为第一层设备[1]:4-24。“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[1]:4-25

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[1]:4-26[36]:12-23

桥接器[编辑]

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[36]:12-24。它可分割网络的碰撞域,但同时仍会进行群播[28]:203-204。 分割网络的碰撞域能增加网络的效率[2]:3-8

桥接器有三大类:

  • 局域桥接器——直接连接不同的局域网[37]
  • 远程桥接器——连接在不同区域的局域网[37]
  • 无线桥接器——连接两个或多个有线局域网[38]

交换器[编辑]

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设备[39]。交换器仅将帧转发到通信所涉及的物理端口,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[40]。它透过进入物理端口的帧来学习来源的MAC地址[28]:207。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[28]:247

路由器[编辑]

一个家用或小型办公室用的路由器,图中可见它有ADSL电话线及以太网端

路由器是一款互连网络英语Internetworking设备,兼具了中继器、桥接器、集线器的功能[36]:12-25。其依照数据包内的消息及路由表中的信息来选择数据包传递的路径[28]:209。它必须拥有IP地址才可正常运作[36]:12-25

调制解调器[编辑]

调制解调器把节点的信号转换成其他非专用线路能够发送的信号。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。[1]:4-31

防火墙[编辑]

防火墙是一种控制网络安全和访问规则的网络系统[36]:15-p.20-21。它按特定规则来充许或阻止资料通过[1]:16-14

分类[编辑]

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:

网络基础理论[编辑]

网络协议[编辑]

存在多种不同的网络协议,传输介质由此也构成多种不同的计算机网络

相关的机构与厂商[编辑]

参见[编辑]

参考文献[编辑]

引用[编辑]

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来源[编辑]

书籍
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外部链接[编辑]