Problem Detail - CSP初赛计算机网络

ID: 4259

Type: Objective

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初赛

网络的定义

计算机网络就是利用通信线程和设备，把分布在不同地理位置上的多台计算机连接起来，在功能完善的网络软件（网络协议、网络操作系统等）的支持下，实现计算机之间数据通信和资源共享的系统。计算机网络是计算机技术与通信技术相结合的产物。网络中计算机与计算机之间的通信依靠协议进行。协议是计算机收、发数据的规划。主要包括 IP 和 TCP 协议。

面向终端的第一代计算机网络

以单个主机为中心的远程联机系统，实现了地理位置分散的大量终端与主机之间的连接和通信，各终端通过通信线路共享昂贵的中心主机的硬件和软件资源。

以分组交换网为中心的第二代计算机网络

以分组交换网络为中心，主机都处在网络的外围。用户通过分组交换网可共享连接在网络上的许多硬件和各种丰富的软件资源。

以网络互联为核心的第三代计算机网络

通常将网络之间的连接称为“网络互连”，最常见的网络互连的方式就是通过“路由器”等互联设备将不同的网络连接到一起形成可以互相访问的“互联网”。著名的Internet就是目前世界上最大的一个国际互联网。

网络的主要功能

通信功能；
资源共享；
提高系统性能 ( 主要是可靠性和可用性 ) ；
实现数据的传输和集中管理；
匀衡负载 ( 即分布式控制和分担负荷 ) ，提高计算机的处理能力。

网络的分类

按网络的地理范围进行分类：局域网（LAN）、城域网（MAN）和广域网（WAN）。

局域网（Local Area Network）

局域网是指地理范围在几米到十几公里内的计算机及外围设备通过高速通信线路相连的专用网络。现在局域网已非常广泛地使用，一个学校或企业大多拥有许多个互连的局域网，这样的网络常称为校园网或企业网。

局域网的特点：

传输距离有限：一般在几米到十几公里范围。
传输速率高：一般在 10Mbps～10Gbps。
传输可靠性高：误码率通常在 10-7～10-12（误码率指每传送 n 个位，可能发生一个位的传输差错）。
结构简单，协议简单，容易实现，具有较好的灵活性

城域网（Metropolitan Area Network）

城域网是在一个城市范围内建立的计算机通信网。城域网通常使用与局域网相似的技术，传输媒体主要采用光缆。实际上城域网技术并没能在世界各国迅速地推广，而在实际中被广域网技术所取代。

广域网（Wide Area Network）

广域网一般是在不同城市和不同国家之间的 LAN 或者 MAN 网络互联，地理范围通常为几十公里到几千公里，它的通信传输装置和媒体一般由电信部门提供。

广域网的特点：

覆盖范围大：通信距离通常为几十公里到几千公里。
传输速率低，传输误码率也较高，这主要由于广域网常常借用传统的公共传输网（如电话网）进行通信，但随着新的光纤标准和能够提供更快传输率的全球光纤通信网络的引入，广域网的速度和可靠性也将大大提高。
通信子网通常由电信部门负责建设，或借用现成的公共通信网络，不像局域网那样需要用户自己建设
结构复杂，协议复杂，投资大，实现周期长

网络拓扑结构

计算机网络的物理拓扑结构是描述计算机网络中通信子网的终点与通信线路间的几何关系。它对网络的性能、网络协议的实现、网络的可靠性以及网络通讯成本都有重要影响。

主要分为以下几种结构：

星形
总线形
环形
树形
网状形

星形

存在一个中心节点，每个节点通过点到点的链路与中心节点连接，所有通信都通过中心节点进行。交换局域网是一种典型的星型拓扑结构。

特点与应用：

优点
- 结构简单、组网容易、控制相对简单；
- 故障影响小且容易检测和排除。
缺点
- 电缆数量大，安装工作量可观；
- 通信线路利用率低；
- 中心节点是全网可靠性的瓶颈，如果中心节点出现故障，则整个网络的通信就会瘫痪。
应用：
- 在以太网中得到了非常广泛的应用。

总线形

所有节点都连接到一条作为公共传输媒体的总线上，信息的传输以广播方式进行。

特点与应用：

优点
- 布线简单、节点增删容易、成本较低。
缺点
- 结点发送信息时要竞用总线，容易引起冲突；
- 如果节点数过多，则会降低网络的速度；
- 故障影响大且难以检测和排除。
应用
- 早期用于以太网，目前已经较少采用。

环形

以共享媒体方式进行数据传输。每个节点都与两个相邻节点相连，节点之间采用点到点链路，网络中所有节点构成一个闭合的环。环中数据沿着一个方向绕环逐站传输。

特点与应用：

优点
- 结构简单、实时性强。
缺点
- 增删节点操作复杂且会干扰整个网络的正常运行；
- 故障影响大且难以检测和排除。
应用
- 早期的令牌环网和FDDI就是采用环型结构，目前环型拓扑由于其独特的优势（单向传输）主要应用于光纤网中。

树形

树型拓扑可以看作是星形拓扑的扩展。

特点与应用：

优点
- 可扩展性好。
缺点
- 各个节点对根节点的依赖性太大。
应用
- 在以太网中得到了非常广泛的应用。

网状形

结点之间的连接是任意的，没有规律。有一种特殊的网状就是全连接，任何两个结点间都有连接。

特点与应用：

优点：系统可靠性高，即：系统不受瓶颈问题和失效问题的影响。
缺点：结构复杂、成本高、网络协议复杂。
应用：军方或其它特殊用途，一般应用不使用这种结构。

网络协议

网络协议（Network Protocol），简称为协议，是为进行网络中的数据交换而建立的规则、标准或约定的集合。协议主要由三个要素组成：

语法：通信时双方交换数据和控制信息的格式。
语义：每部分控制信息和数据所代表的含义。
同步：事件实现顺序的详细说明。
- 例如：通信如何发起；在收到一个数据后，下一步要做什么。

人类协议和网络协议

协议分层设计

概念上可以认为通信是水平的，但是事实上水平通信要依赖垂直通信来实现。

网络协议被分解成若干相互有联系的简单协议，这些简单协议的集合称为协议栈。

类比：信件的寄送过程

网络体系结构

定义：网络体系结构（architecture）是计算机网络的各层及其协议的集合，即：这个计算机网络及其部件所应完成的功能的精确定义。
例子
- ISO/OSI 参考模型
- TCP/IP 体系结构

ISO/OSI 参考模型：

OSI 参考模型（开放系统互联参考模型）由 ISO 组织提出，目的是实现异种机互连。“开放”表示任何两个遵守 OSI 标准的系统可以互连。“系统”指计算机、终端或外部设备等。

OSI 参考模型相关的协议已经很少使用，但是该模型本身是非常通用的，并且仍然有效，在每一层上讨论到的特性也仍然非常重要。

TCP/IP 体系结构：

TCP/IP 体系结构是 Internet 所使用的体系结构，目的是用于网络互连，是事实上的工业标准（从这个意义上说，ISO/OSI 参考模型可以说是法律上的国际标准）。

TCP/IP 体系结构的模型本身并不非常有用，但是协议却被广泛使用开了，TCP 和 IP 协议是其中最重要的两个协议。

IP地址

IP 地址就是每个计算机的一个独一无二的身份证，但是这个身份证是可变的，重启计算机或者将计算机移动到其他地区，身份证会动态变化。

计算机还有一个永远不变的身份证就是 MAC 地址，一般计算机厂商在生产时直接烧录在网卡 EPROM 上，理论上是独一无二的，但是，这个硬件地址可以人为修改，我们一般不考虑这个因素。 MAC 地址在数据链路层，IP 在网络层。比如蓝牙通信就是靠 MAC 地址识别，手机播放音乐，只有和手机进行配对的蓝牙耳机才可以接收，其他人的蓝牙耳机就不可以接收到我的手机音乐。

我的电脑 IP 地址为 IPv4 类型，192.168.1.2。是点分十进制。我们目前大多使用 IPv4，共 32 位。但是用 32 个 0 或 1 表示，可读性很差，因此 8 个一组，分为 4 组，每组的数值都在 0~255 之间，这就是我们目前的IP地址表现形式。但是 IPv4 的总数很少 4294967296，大概 43 亿。因此为了弥补 IPv4 的数量不足问题，发明了 IPv6 地址，长度为 128 位，这个数量对于人类来说永远无法用尽。

随堂检测

1.广域网的英文缩写是（）。

2.以下不属于无线通信技术的是（）。

蓝牙
WiFi
GPRS
以太网

3.下列选项是正确的 IP 地址的有（）。

202.300.12.4
192.168.0.3
100:128:35:91
111-120-35-21

4.下列几个 32 位 IP 地址中，书写错误的是（）。

162.105.142.27
192.168.0.1
256.256.129.1
10.0.0.1

5.IPv4 协议使用 32 位地址，随着其不断被分配，地址资源日趋枯竭。因此，它正逐渐被使用（）位地址的 IPv6 协议所取代。

6.关于互联网，下面的说法哪一个是正确的（）。

新一代互联网使用的IPv6标准是IPv5标准的升级与补充
互联网的入网主机如果有了域名就不再需要IP地址
互联网的基础协议为TCP/IP协议
互联网上所有可下载的软件及数据资源都是可以合法免费使用的

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