网络工程导论

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4.计算机网络基础

4.1.计算机网络的用户类型和目标

• 个人与家庭用户
• 军事网络
• 移动办公
• 城市管理
• 位置服务
• 增强现实
• ......

4.2.计算机网络的发展阶段

1. 1950s：面向终端的第一代计算机网络——基于分时技术
2. 1960s：以分组交换网为中心的第二代计算机网络(ARPA网络)
3. 1970s~1980s：结构体系标准化的第三代计算机网络
4. 1990s：以网络互联为核心的第四代计算机网络

4.3.计算机网络的定义

凡将地理位置不同，具有独立功能的多个计算机系统(资源子网)通过通信设备和线路(通信子网)连接起来，以功能完善的网络软件（即网络的通信协议、信息交换方式及网络操作系统等)实现网络中计算机之间的数据通信和资源共享的系统，称之为计算机网络。

• 硬件：资源子网(计算机系统)，通信子网(数据通信系统)
• 软件：网络操作系统，计算机网络的通信协议

4.4.计算机网络的功能

1. 资源共享(核心)
2. 均衡负载及分布处理
3. 信息快速传递和集中处理
4. 综合信息服务
5. 提高系统的性能性价比，维护方便，拓展灵活

4.4.计算机网络的组成

4.4.1.网络硬件

1. 服务器(服务提供者)
2. 工作站
3. 网络接口卡(具有独一无二的mac地址)
4. 通信介质
   • 双绞线(通信距离不超过100m)(连接器为RJ-45)(价格便宜，常常使用)
   • 同轴电缆(比双绞线有更好的抗干扰能力，但是成本更高)
   • 光缆(高带宽，低衰减，安全性高，不易干扰腐蚀)(弯曲易折，接口成本高)
5. 中继器/集线器(仅放大信号)
6. 交换机：基于mac地址在同一网段内转发数据帧
7. 路由器：根据IP地址和路由表选择最佳路径转发数据包，实现NAT，将私有IP映射为公有IP
8. 网关：在不兼容的协议之间进行信息转换

4.4.2.网络软件

1. 网络操作系统
2. 网络协议软件

4.5.计算机网络的拓扑结构

1. 星型拓扑结构：(以一个节点为中心的信息处理系统，局域网拓扑结构)
   • 可靠性高，方便服务，故障诊断容易
   • 安装费用高，扩展困难，对中央节点的依赖性强
2. 总线形拓扑结构
   • 布线容易，电缆用量小，可靠性高，易于扩充，易于安装
   • 故障诊断困难，需要配置中继器
3. 环型拓扑结构(适用于光纤)
   • 电缆长度短，适用于光纤，无差错传输
   • 可靠性差，故障诊断困难，调整网络困难
4. 树型拓扑结构(互联网拓扑结构)
   • 结构简单，成本低，网络中任意两个节点之间不产生回路，每个链路都支持双向传输，扩充方便灵活
   • 任何一个故障都会影响整个系统，对根的依赖性太大

4.6.计算机网络的通信技术

1. 网络广播(多播)
2. 点到点网络(单播)

3. 一对多(组播/多播)

4. 小的网络采用广播，大的网络采用点到点

4.7.计算机网络的交换方式

1. 电路交换(主要应用于电话通信网中，通过建立预留的物理线路实现电话交换)
   • 独占性，实时性，可靠性
   • 建立连接慢，资源利用率低，兼容性差
2. 报文交换(在交换结点采用储存转发的传输方式)
   • 无连接建立时延，可切换路径，兼容性好，提供多目标服务，允许建立数据传输的优先级，提高了通信线路的利用率
   • 转发时延长，缓冲需求大，实时性差，错误开销大，容错率低
3. 分组交换(仍采用储存转发传输方式，将一个长报文先分割为若干个较短的分组，然后把这些分组逐个地发送给出去，互联网采用)
   • 分组的转发和储存并行，提高速度，简化了储存管理，提高容错率，减少重发数据量
   • 仍存在转发时延，增加了5%~10%的冗余信息，需要额外的时序，丢失和重复分组处理

4.8.计算机网络的体系结构

1. 计算机网络的分层结构
   • 用层次结构构建复杂系统——服务
   • 垂直调用和逐层封装——接口
   • 两端每一层之间有相应的约定——协议
2. 分层的优点
   • 各层之间是独立的
   • 灵活性好
   • 结构上可分割开
   • 易于实现和维护
   • 能促进标准化工作
3. 分层体系结构
   • (\(\text{De}\ \text{jure}\))ISO发布(OSI/RM)参考模型：应用层，表示层，会话层，传输层，网络层，数据链路层，物理层——7层
   • (\(\text{De}\ \text{facto}\))TCP/IP体系结构：应用层，传输层，网际层，网络接口层——4层

OSI参考模型	TCP/IP体系结构	TCP/IP协议集
应用层	应用层	Telnet、FTP、SMTP、DNS、HTTP等
表示层
会话层
传输层	传输层	TCP、UDP等
网络层	网际层	TP、ARP、RARP、DCMP等
数据链路层	网络接口层	各种通信网络接口（以太网、令牌环、帧中继、ATM等）
物理层

4.9.局域网基础

1. 局域网特点：
   • 共享传输信道
   • 范围有限，覆盖范围一般在几公里范围内
   • 传输速率高
   • 工作可靠，误码率低
2. 局域网的拓扑结构：常用星型，环型，总线型。星型拓扑结构在局域网被广泛采用
3. 局域网的体系结构
   • 使用一系列IEEE 802标准
   • IEEE 802.3(有线局域网，以太网)，IEEE 802.11(无线局域网)，IEEE 802.15(蓝牙)，IEEE 802.16(无线城域网)
   • 体系结构由物理层，介质层，逻辑链路控制子层组成
4. 介质访问控制技术(Media Access Control——MAC)
   • 载波侦听多路访问/冲突避免(Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance)
     1. 侦听信道(Carrier Sense)：在发送数据之前，设备首先会侦听信道，检测是否有其他设备正在发送数据。如果信道被占用，设备将等待一段时间再次尝试
     2. 随机等待时间：如果信道忙碌，设备会等待一段随机生成的时间。这个随机等待时间的目的是避免多个设备同时尝试发送数据，从而减少碰撞的可能性。每个设备会选择不同的等待时间，以增加公平性
     3. 清空信道：一旦设备完成了随机等待时间，它会再次侦听信道。如果信道仍然忙碌，设备将继续等待和随机等待。如果信道变为空闲，设备将发送数据
     4. 数据发送：一旦设备确定信道空闲，它将发送数据。其他设备在接收到数据之前会继续侦听信道，以确保不会发生碰撞
     5. 确认和重传：接收设备会发送确认信号来确认接收到的数据。如果发送设备没有收到确认，它将认为数据丢失，并尝试重新发送
   • 作用：用于局域网、无线局域网及其它网络中。它通过侦听信道、随机等待时间和数据发送等步骤，确保多个设备之间的公平竞争和数据传输的可靠性，保证每个节点能够将信息发送到介质上去

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5.Internet基础

5.1.Internet地址

1. Internet为联网的每个网络和每台主机分配了唯一一个逻辑地址，称为IP地址

2. IP地址反应拓扑结构，由Internet机构管理。mac地址由设备厂商确定，不宜用于反应网络结构

3. IP地址

   1. 格式：网络地址+主机地址
   2. 记法：采用32位点分十进制，可容纳约40亿台计算机同时上网
   3. 类型：
      1. A类：前8位网络号，001.x.y.z~126.x.y.z
      2. B类：前16位网络号，128.x.y.z~191.x.y.z
      3. C类：前24位网络号，192.x.y.z~223.x.y.z

4. IP分配指南

   1. 网络号不能为127，该标识号被保留作回路及诊断功能
   2. 不能将网络号和主机号的各位均置1或0
   3. 对于本网络来说主机号应该是唯一的

5. IPv6地址

   • IPv6使用128位IP编址方案，共有\(2^{128}\)个IP地址，采用冒号十六进制表示

5.2.Internet基本服务

1. WWW：浏览器＋Web服务器＋HTTP协议(不是普通意义上的物理网络，是一种信息服务器的集合标准，是Internet的基础服务)(提供网页浏览的分布式应用系统)
2. 电子邮件：SMTP(发送协议)，POP3(接收协议)，IMAP(接收协议)

5.2.1.http协议

1. http(Browser/Server架构)(应用层协议)客户端(浏览器)与web服务器的http端口(80)建立tcp连接
2. 发送请求报文
   • 数据组成：请求行，请求头部，空行，请求数据
   • 数据内容：请求方法，URL，协议版本，请求头部，请求数据
3. 服务器接受请求并返回http响应
   • 响应：状态行，响应头部，空行，响应数据
4. 释放tcp连接

5. 客户端浏览器解析html内容

6. 无状态协议：http协议自身不对请求和响应之间的通信状态进行保存

7. 无连接协议：http协议限制每次连接只能处理一个请求

8. http状态码(响应——状态行)

   1. 1xx：接收的请求正在处理
   2. 2xx：请求正常处理完成
   3. 3xx：重定向
   4. 4xx：请求错误
   5. 5xx：服务器错误

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6.HTML、CSS、JS

6.1.HTML

1. head元素(不会显示在浏览器的文档窗口)
   • title: 定义HTML文档的标题
   • meta: 标记搜索引擎显示的关键词，标记文档的作者，标记页面的解码方式，自动刷新网页
2. body元素
   • bgcolor: 标志HTML文档的背景颜色
   • background: 标志HTML文档的背景图片
   • bgproperties=fixed: 使背景图片成水印效果，不随滚动条的滚动而滚动
   • text: 标志HTML文档的正文文字颜色
   • leftmargin和topmargin: 设置主题内容距离左端和顶端的距离
3. 文字属性标志
   • 文字颜色
   • 文字字体
   • 文字大小
   • 文字标题: h#, /h#
4. 文字布局
   • 段落: p, \p
   • 空白占位符: &nbsp
   • 换行: br
5. 超链接: a
6. 表格: table
   • 定义行: tr
   • 定义表头: th
   • 定义单元格：td
   • 单元格宽: width
   • 单元格高: height
   • 表格边缘粗细: border
   • 对齐: valign -> top, middle, bottom, baseline
7. 表单: form
   • 按钮: submit, reset
   • 复选框: checkbox
   • 单选框: radio
   • 下拉列表: select
8. 框架: frameset
   • 行: cols
   • 列: rows

6.2.CSS

CSS：层叠样式表，定义如何显示HTML元素，解决了内容与表现分离的问题。多个样式定义可层叠为一个。

• 组成：

  • 选择器：需要改变样式的HTML元素
  • 多条声明：属性，值

• 选择器——2种

  • id选择器：可以为标有特定id的HTML元素指定特定的样式
  • class选择器：可以在多个元素中使用

• 插入方式——3种

  1. 外部样式
  2. 内部样式
  3. 内联样式

6.3.JavaScript

• JavaScript：是一种轻量级的解释型编程语言，可插入HTML页面，可由所有的现代浏览器执行。

• 输出流函数：document.write()

• 对事件的反应：alert()
• 改变HTML内容：getElementByld()，element.src.match()

6.4.动态网页

• 使用HEML+ASP，HTML+PHP，HTML+JSP来实现
• 需要web应用服务器支持其编译运行，将编译结果提交给浏览器来显示
• 动态网页以数据库技术为基础，大大降低来网站维护的工作量
• 采用动态网页技术的网站可以实现更多的功能，如用户注册，登录，搜索等。

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7.语义网基础

7.1.智能的定义

• AI的两条途径

  1. 基于符号表示的途径
  2. 基于统计表示的途径

• 符号主义：智能即符号计算(慢速思考)

  • 计划制定，推理，语言生成
  • 数据越多性能越差，少量数据即可工作，可解释，易干扰
• 连接主义：智能即神经元连接(快速思考——深度学习)
  • 模式识别，深度学习，神经网络，肢体动作，语音生成
  • 数据越多性能越好，依赖大量数据，不可解释，抗干扰
• 行为主义：智能即行为反应

Web 1.0(HTTP, HTML, URL)——(静态页面)\(\to\)Web 2.0(CGI, ASP, JSP, PHP)——(用户生成式内容)\(\to\)Web 3.0(语义网，发明者：Tim Berners-Lee)(RDF, RDFS, OWL)

7.2.知识描述语言

• RDF(不具备推理能力)：使用三元组描述语义空间

  • 命名资源(I)，未命名资源(B)，自解释资源(数据)(L)
  • 主语(I, B)+谓语(I)\(\to\)(I, B, L)
  • W3C标准：RDF是一个(拥有XML语法，能表达语义的)图形化的表示，使用RDF statement把资源描述成(属性，值)集合，以三元组形式表示，包含主谓宾(S, P, O)

• RDFS(具有类型推理能力)：扩展了RDF，来表示资源的类型，以及类型的属性，为模型添加了约束，拥有额外的推导规则

  • 表达能力依然有限：没有定义域和值域的条件化限制，没有存在/基数限制，没有完整的逻辑运算符，没有传递性，自反或者对称性属性描述。

• OWL(具有属性推理能力)：用于高级概念表达的语言组件，有基于数量的表示(全称/存在两次)，有表达限制和约束的公理。

  • 查询语言与协议：SPARQL

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9.无线网络概述

9.1.无线网络分类

• 覆盖范围

  1. 无线个域网
  2. 无线局域网(WLAN，IEEE 802.11)
  3. 无线城域网(WiMax，IEEE 802.16)
  4. 卫星网络

• 应用类型

9.2.无线通信

• 无线电频谱特点

  1. 有限性
  2. 排它性
  3. 复用性
  4. 非耗尽性
  5. 传播性
  6. 易干扰性

• 无线频谱划分

  • 国际上将无线电波频谱分为12个频段，通常的无线电通信只使用其中第4－12频段
  • ITU规定ISM(Industrial Scientific Medical，工业科学医疗)频段开放给三类机构使用，无需许可证授权，可免费使用
  • ISM频段：美国(908－928MHz，2.4－2.4835GHz，5.725－5.850GHz)，欧洲(868MHz，433MHz)，2.4GHz为各国通用。使用需遵守一定发射功率(<1W)，不能干扰其它频段。许多无线网络工作于ISM频段
  • 300MHz－300GHz频段，1m－1mm波长(分米波，厘米波，毫米波)为微波

• 无线信号的损耗: [主要]衰减(有线介质衰减，无线介质衰减——放大器或中继器)和衰减失真(放大器放大高频部分)，自由空间损耗，噪声，大气吸收，多径，折射。（其它损耗）

9.3.无线传输介质和方式

• 无线传输空间：地球大气层和外层空间

• 无线传输介质

  • 导向传输介质：有线通信
  • 非导向传输介质：无线电波，微波，红外线

• 微波通信

  • 频率高，波长短，视距通信，频率范围2～40GHz
  • 衰减慢：微波损耗随距离平方而变化。而双绞线和同轴电缆损耗随距离呈指数变化。微波系统中继器或放大器可彼此相距很远
  • 容量大，质量好，可沿直线传至很远距离，易受电磁干扰
  • 主要损耗来源于衰减
  • 地面微波天线：更长距离需要使用多个中继站，微波链路两两串联
  • 卫星微波通信：范围大，距离远，不受地面灾害影响，易广播，多址通信，信号传输时延

• 红外线通信：收发器距离均不能超过视线范围，不易发现和截获，保密性强，几乎不受电磁和人为干扰，抗干扰性强，不易发现和截获，保密性强，传播易受天气影响

• 蓝牙技术

• 近场通信(NFC)

• 信号的调制：将输入信息变换为适于信道传输形式

  • 信号源信息：基带信号→已调信号
  • 常用调制方式：模拟，数字，脉冲

• 信号的扩频

  • 利用传输信息无关的码对被传输信号扩展频谱，使之占有远远超过被传送信息所必须的最小带宽
  • 对各种类型噪声和多径失真具有免疫性
  • 隐藏和加密信号。接收方必须知道扩展代码，才可恢复原始信息

• 复用和多址(复用是实现多址的前提)

  • 信道复用：两点间信道中同时传输互不干扰的多个信号
  • 多址接入：多点间实现互不干扰多边通信
  • 复用方式：频分复用，时分复用，码分复用，空分复用，极化复用，波分复用
  • 多址复用：频分多址，时分多址，码分多址，空分多址

• 时分复用多址：给定频带最高数据传输速率，传递时间划分为若干个时隙，各用户使用某一时隙，突发脉冲序列方式接受和发送信号

• 频分复用多址：传输频带划分为若干较窄且互不重叠子频带，各用户分配一个固定子频带
• 码分复用多址
• 空分复用多址：利用空间特征区分不同用户

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10.名词解释

• TCP: Transmisson Control Protocol 传输控制协议
• IP: Internet Protocol 网际协议
• UDP: User Datagram Protocol 用户数据包协议
• WWW: World Wide Web 万维网
• HTTP: Hyper Text Transfer Protocol 超文本传输协议
• FTP: File Transfer Protocol 文件传输协议
• DNS: Domain Name System 域名系统
• MAC: Media Access Control 媒介访问控制
• CSMA/CA: Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance 载波侦听多路访问/冲突检测协议
• P2P: Point to Point 点对点
• NAT: Network Address Translation 网络地址转换
• LAN: Local Area Network 局域网
• WAN: Wide Area Network 广域网
• WLAN: Wireless Local Area Network 无线局域网
• ISO: International Standard Organization 国际标准化组织

网站的设计流程：

• 确定内容
• 确定表现形式
• 确定设计方案

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