计算机网络技术在《数字新媒体概论》中的应用

3.3.2　计算机网络技术

计算机网络是现代通信技术和计算机技术相结合的产物。通信网络为计算机之间的数据传递和交换提供了必要的手段，而数字计算技术的发展渗透到通信技术，同时也提高了通信网络的各种性能。计算机网络的定义是利用通信线路将地理上分散的、具有独立功能的计算机系统和通信设备按照不同的形式连接起来，以功能完善的网络软件实现资源共享和信息传递的系统。也就是说，计算机网络是由计算机设备、通信设备、终端设备等网络硬件和网络软件组成的大型计算机系统。互联网是在世界范围内基于TCP/IP协议的一个巨大的网际网，或者说是网络的网络。它把无数个局域网和广域网通过互联设备连接起来，形成一个全球性的大网，故也称国际互联网。

1.计算机网络组成与体系结构

计算机网络由网络硬件和软件组成。网络硬件是计算机网络系统的物质基础，主要的网络硬件有服务器、工作站、连接设备、传输介质等。网络软件是实现网络功能所不可缺少的软环境，通常包括网络操作系统和网络协议软件等。网络操作系统是运行在网络硬件基础之上，为网络用户提供共享资源管理服务、基本通信服务、网络系统安全服务及其他网络服务的软件系统。网络操作系统是网络的核心，其他应用软件都需要网络操作系统的支持才能运行。连入网络的计算机依靠网络协议实现相互的通信，而网络协议需依靠具体的网络协议软件的运行支持才能工作。也就是说，连入计算机网络的服务器和工作站上都需要运行相应的网络协议软件。

计算机网络主要完成网络通信和资源共享两种功能。计算机网络中实现网络通信功能的设备及软件的集合称为网络的通信子网，其主要任务是将计算机连接起来，完成数据之间的交换和通信处理，主要包括通信线路、网络连接设备、网络通信协议、通信控制软件等，即通信子网负责整个网络的数据通信部分。而网络中实现资源共享的设备和软件的集合称为资源子网，负责全网面向应用的数据处理工作，向用户提供数据处理、数据存储、数据管理等，即资源子网是各种网络资源的集合。

计算机网络按覆盖范围可分为局域网、城域网、广域网。局域网(LAN)是一种在小区域范围内是各种计算机和数据通信设备互联在一起的计算机网络。局域网的数据传输率高可达1 000 Mbps，价格便宜，误码率低，但地理覆盖范围有限。常见局域网的拓扑结构有星型、环型、总线型和树型。城域网(MAN)是一种大型的LAN，通常使用与LAN相似的技术，它可能覆盖一个城市，可以是专用的也可以是公用的。广域网(WAN)是一种地域跨越大的网络，可能覆盖一个国家或大的行政区域。

网络体系结构是计算机网络的分层、各层协议和层间接口的集合。不同的计算机网络具有不同的体系结构，其层的数量、各层的名字、内容和功能以及各相邻层之间的接口都不一样。然而，在任何网络中，每一层都是为了向它邻接的上层(即相邻高层)提供一定的服务而设置的，而且，每一层都有对上层屏蔽如何实现协议的具体细节。这样，网络体系结构就能做到与具体的物理实现无关，连接到网络中的型号和性能各不相同的主机和终端，只要所遵循的协议相同，就可以实现互相通信和互相操作。

2.网络互联协议

TCP/IP协议是为互联的各类计算机提供透明通信和可互操作性服务的一组软件，它受到各类计算机硬件和操作系统的普遍支持。互联网体系结构是以TCP/ IP协议为核心的，其中的IP协议用来给各种不同的通信子网或局域网提供一个统一的互联平台，TCP协议则用来为应用程序提供端到端的通信和控制功能。基于TCP/IP协议的网络体系结构分为四层，即网络接口层、网际层、传输层、应用层。

网络接口层由物理层和网络接入层组成，是TCP/IP网络模型的最低层，包括网络接口协议和物理网协议，负责数据帧的发送和接收。该层中所使用的协议为各通信子网本身固有的协议，例如以太网的802.3协议、令牌环网的802.5协议、无线局域网的802.11协议，以及分组交换网的X.25协议等。

网际层用于解决计算机到计算机之间的通信，IP协议是网际层最主要协议。常用的四个网络层协议是网间协议(IP)、地址解析协议(ARP)、网际控制报文协议(ICMP)和互联网组管理协议(IGMP)。IP主要负责在主机和网络之间寻址和路由数据包;ARP获得同一物理网络中的硬件主机地址; ICMP发送消息，并报告有关数据包的传送错误;IGMP用于在多路广播路由器和各IP主机间传送多路广播路由器要求的主机组成员报告，该报告包括本地各IP主机是哪个主机组的成员的信息。

传输层用于解决计算机程序到计算机程序之间的通信问题，为应用程序提供端到端通信功能，主要负责处理可靠性、流量控制和重传等。主要协议有传输控制协议(TCP)和用户数据协议(UDP)。

应用层是最高层，应用程序通过该层访问网络。这层有许多标准的TCP/IP工具与服务，比如简单报文传送协议(SMTP)、文件传输协议(FTP)、域名服务(DNS)、简单网络管理协议(SNMP)、远程登录(Telnet)等。

IP是互联网络协议的简称。互联网通过IP实现了不同物理网络的统一，使得互联网实现了真正意义上的网络互联，并得以广泛应用。现有的IP协议为IPv4，但由于互联网地址空间的不足和新的应用需要，如实时多媒体通信、应用服务QoS、网络安全性等需求，又提出了IPv6，对IPv4做出了简单的、向前兼容的改进。IPv6为互联网换上一个简捷、高效的引擎，不仅可以解决IPv4目前的地址短缺难题，而且可以使国际互联网摆脱日益复杂、难以管理和控制的局面，变得更加稳定、可靠、高效和安全。现有几乎所有的网络及其连接设备都支持IPv4，因此，IPv6必须能够支持和处理IPv4体系的遗留问题，彼此间必须具有互操作性，提供平稳的转换机制，把对现有使用者的影响降至最小。(www.xing528.com)

TCP协议是TCP/IP网络体系结构中的另外一个具有代表性的协议，TCP与IP协议并列成为TCP/IP的核心。在发送数据之前，须建立有效连接，TCP是面向连接的协议，可以提供可靠的全双工数据传输服务。TCP具有面向数据流、虚电路连接、有缓冲的传送、无结构的数据流和全双工连接等五个特征。IP只提供一种将数据报传送到目标主机的方法，但不能解决数据报丢失和乱序递交等传输的可靠性问题。面向连接的TCP协议则解决IP未解决的问题。因此，两者相结合的TCP/IP提供了在互联网上可靠传输数据的方法。

UDP(用户数据协议)是无连接的、不可靠的传输协议。UDP提供进程到进程的通信，以及非常有限的差错控制。UDP相对于IP协议来说，唯一增加的功能是提供了对协议端口的管理，以保证应用进程间进行正常的通信。它与对等的UDP实体再传输时不建立端到端的连接，只是简单地向网络上发送数据或从网络上接收数据。其他的常用协议还有: HTTP(超文本传输协议)是万维网(WWW)客户端进程与服务端进程交互遵循的协议，属应用层协议，使用TCP连接进行可靠的传输，它是万维网上资源传送的规则，是万维网正常运行的基础保障;FTP(文件传输协议)是一个基于TCP的应用层协议，主要提供文件传送服务，客户端可以通过服务器享受文件传送服务;SMTP(简单邮件传输协议)是用于收发电子邮件的协议，而POP3(第三版邮局协议)是用于邮件下载的协议; DNS(域名系统)是基于UDP的协议，提供将机器的名字空间和IP地址绑定的服务，比IP地址容易记忆;PPP(点对点协议)是一个数据链路层协议，多用于用户接入互联网，等等。

3. IP技术

IP技术的核心是支持网络互联的TCP/IP协议，它通过IP数据包和IP地址将物理网络细节屏蔽起来，向用户提供统一的网络服务。TCP/IP协议最初是为提供非实时数据业务而设计的，因此传统的IP网传送实时音频和视频的能力较差。随着互联网业务的增多和技术的成熟，IP技术自身也在不断变化。这些变化使互联网不但可收发电子邮件、浏览主页，还可进行实时通话和观看视频点播。IP技术将是综合业务的最好方案，它把计算机网、有线电视网和电信网融合为统一的宽带数据网或互联网。

(1) IP地址技术

地址是系统中某个对象的标识符。在物理网络中，各站点都有一个机器可以识别的地址，该地址称为物理地址(也叫硬件地址或MAC地址)。在互联网中，统一通过上层软件(IP层)提供一种通用的地址格式，在统一管理下进行分配，确保一个地址对应一台主机。这样，全网的物理地址差异就被IP层屏蔽，通称IP层所用的地址为互联网地址，或IP地址。互联网上的每个器件必须申请一个唯一的IP地址，并与其MAC地址相对应。

(2) IP路由选择与IP交换

数据通信网主要由分布在一定范围的数据通信节点和连接它们的数据链路构成。交换是当一个通信节点存在多方向和多个连接链路时，为指定的信源和信宿选择合适的路由并建立物理的或虚拟的连接，以完成数据包的交互。路由选择是从向一个网络发送数据包的多条路由中选择其一的过程。IP的路由选择是由路由器依靠软件在网络层来实现的。为了确定分组数据包在IP网络中的传送路径，IETF定义了多个路由选择协议，包括网关到网关协议(GGP)、外部网关协议(EGP)、内部网关协议(IGP)、路由信息协议(RIP)、开放最短路径优先协议(OSPF)以及边界网关协议(BGP)等。

随着互联网内的数据流量与日俱增，靠路由器一个个包地逐个地址解析、逐跳寻址和过滤，处理速率较慢已成为IP网发展的“瓶颈”，此外逐跳寻址使端到端的时延大和时延抖动大，同一目的地的IP包可能走不同的路由，不适合实时应用，为此提出了IP交换的概念。ATM+ IP交换是在ATM网络上传送IP分组数据的技术，是流的交换。一个流是从ATM交换机端口输入的一系列有先后关系的IP包，它将由IP控制器的路由软件来处理。通过通用交换机管理协议(GSMP)协议，使得IP控制器能对ATM交换机进行控制，完成直接交换。ATM+ IP交换机是ATM和互联网两种技术的结合，利用ATM网络为IP用户提供高速直达数据链路，既可以使ATM网络运营部门充分利用网络资源，发展ATM网上的IP用户业务，又可以解决互联网网络发展中遇到的瓶颈问题。

当互联网络中存在巨大的数据流量时，即使采用高档的干线路由器也难以应付。路由器和交换机各有优缺点，两者相互取长补短，从而引出第三层交换的概念。第三层交换机是一种综合交换机速度和路由器流量控制功能于一体的新的网络互联设备。它只在介质访问层处理数据包，主要是检查目的介质访问层(MAC)地址。第三层交换机的体系结构不仅对提高局域网的性能有重大的贡献，而且也将影响未来局域网路由设备的设计思路。

(3) IP传输技术

IP传输主要有IP over ATM(POA)、IP over SDH(POS)和IP over Optical等方式。IP over ATM从传输的角度看是IP网与ATM交换的结合。IP over SDH是将IP包通过点对点协议(PPP)映射到SDH传输帧(STM-N)中，其最大的优点是封装开销和运行费用低，实现和网络结构简单等特点，适合组建互联网骨干网，解决带宽瓶颈问题，但不适于多业务网络和有QoS要求的业务; IP over Optical是IP直接与光网络相连，目前主要是IP overWDM或IP Over DWDM，现有IP overWDM所采用的帧结构主要有SDH的帧结构和千兆比以太网的帧结构两种，均在实际的IP网络中得到了应用。

目前，以Web业务为主的互联网网络提供商主要使用IP Over SDH技术;传统电信运营商为支持实时性要求高的业务，多选择IP Over ATM，而IP Over Optical技术将综合两者的优点，克服其缺点。这三种技术将会在较长一段时间内共存，在宽带通信网络中发挥各自的作用。随着IP成为事实上的网络标准，交换将逐步采用IP光交换，传输最终将主要采用IP over Optical。