计算机网络

电脑网路类型
（顺序按覆盖范围）
Data Networks classification by spatial scope.svg

电脑网路（英语：computer network），通常也简称网路，是指容许节点分享资源的数位电信网路。在电脑网路，电脑装置会透过节点之间的连接（资料链路）互相交换数据。传输媒介可分为有线及无线两类——有线的可用到双绞线、光纤电缆等媒介；无线则可用到Wi-Fi、NFC。

用于建立、路由及终止数据传输的电脑网路装置即为网路节点[3]。节点包括像个人电脑、电话、伺服器般的主机及其他网路硬体（如闸道器及路由器）[1]:2-15。它们一般以网路位址作识别码[1]:2-15。当一个装置能够与另一装置交换资讯时，便可视它们俩已连接成网路，不论它们是否直连[1]:1-3。专用通信协定在大多数分层中位于其他更通用的通信协定之上。要维持网路的可靠性，便需要有一定的网路管理技能。

电脑网路为海量应用程式及服务背后的基础。比如存取网际网路、数位影片、数位音讯[1]:4-p.21-29；共享列印机[2]:1-3；收发电子邮件及即时通讯讯息[1]:4-p.21-29。电脑网路可依照传输媒介、传输协定、 网路大小、拓扑、流量控制机制、建立目的等因素区分。世界上最大的电脑网路为网际网路[2]:1-5。

历史

参见：网际网路历史

电脑网路发展的里程碑包括：

  • 1950年代后期，美军开始使用指挥系统——贤者系统，其为早期的电脑网路。
  • 1959年，托利·伊万诺维奇·基洛夫向苏联共产党中央委员会提出一个详细的计划——其目标是建立全国性的网路中心OGAS，以重整对苏联武装力量及经济的控制[4]。
  • 1959年，贝尔实验室的穆罕默德·阿塔拉及姜大元成功研发出金属氧化物半导体场效电晶体[5]。它于后来成为了电脑网路建设的基础元件[6][7][8][9][10][11]，比如收发器、基站组件、路由器、射频功率放大器[12]、微处理器、记忆体晶片、电信电路[13]。
  • 1960年，商业航空预订系统——SABRE上线，其连接了两台大型电脑。
  • 1963年，J·C·R·利克莱德向他的同事发送了一份备忘录，于当中探讨「星系间计算网路」这一概念，即可用于一般使用者通讯的电脑网路。
  • 1964年，达特茅斯学院的研究者开发出达特茅斯分时系统，以使大型电脑系统的使用者分流。同年麻省理工学院的一队研究团队在得到贝尔实验室及奇异的支援下，成功以一台电脑来路由及管理电话连接。
  • 在1960年代间，保罗·巴兰及唐纳德·戴维斯各自提出了封包交换的概念，以把资讯透过网路在电脑之间传输。戴维斯率先把NPL网路的概念在现实中实现。它是一个位于英国国家物理实验室，线路速度为768kbit/s的区域网路[14][15][16]。
  • 1965年，西方电器向市面推出了第一个得到广泛应用的电话交换机，其由电脑所控制。
  • 1966年，托马斯·马里尔及劳伦斯·罗伯茨发表了一篇论文，其内容有关一个用于电脑分时的试验性广域网路[17]。
  • 1969年，ARPANET的首四个节点经已用电路连接，其速度为50kbit/s，在加利福尼亚大学洛杉矶分校、斯坦福大学研究中心、加利福尼亚大学圣塔芭芭拉分校、犹他大学这四个地点之间建立网路[18]。在封包交换网路的理论中做出许多杰出贡献的伦纳德·克莱因罗克协助了ARPANET的研发[19][20]。1970年代后期，他与其学生法鲁克·卡莫恩针对分层路由的理论性研究对当下网际网路的实际运行仍有一定重要性。
  • 1972年，使用X.25的商业服务经已投入运作，其于后来成为了TCP/IP网路的基础。
  • 1973年，法国的CYCLADES网路为第一个使主机可靠地传递数据的网路[21]。
  • 1974年，文顿·瑟夫等人写出了首个TCP的规格RFC 675（Internet传输控制程式的规范），他们在当中首次把「Internet」视作网际网路的简写[22]。
  • 1976年，Datapoint Corporation的约翰·墨菲开发了ARCNET，第一个用于共享储存装置的权杖传递网路。
  • 1977年，GTE开发了首个遥距光纤网路。
  • 1977年，罗伯特·梅特卡夫和尤根·达拉尔开发出全录网路系统[23]。
  • 1979年，罗伯特·梅特卡夫致力使以太网成为开放标准[24]。
  • 1980年，罗恩·克兰等人开发出一种新的乙太网路协定，使其速度从2.94Mbit/s升级至10Mbit/s[25][26]。
  • 1995年，乙太网路的传输速度从10Mbit/s升至100Mbit/s。从1998年起， 乙太网路支援1Gb/s的传输速度。以太网的可扩展性是其得以继续应用的重要因素[24]。

应用

电脑网路有着不同的应用，包括分享应用程式[2]:1-3、浏览新闻、收发电子邮件、传递即时讯息、拨接网路电话、影音分享[1]:4-p.21-29。使用者可透过网路共享周边装置，例如共享网路印表机[2]:1-3。使用者亦可透过网路分享档案给同一网路上的其他电脑[1]:1-6。

攻击者可利用网路散播电脑病毒或蠕虫至网路上的其他节点[1]:16-p.7-8，或实行阻断服务攻击，占据网路的频宽[1]:16-p.7-8。

IP封包

主条目：网路封包

由于网路的最大传输单位会因技术而异，故在过程中IP封包可能需要切割成较小的封包，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封包分为两部分：表头及承载资料[2]:7-6。表头包含了目的及来源位址、上层协定、存活时间等资讯[2]:7-7。

网路拓扑

常见的网路拓扑
主条目：网路拓扑

网路拓扑是网路的几何形状分类[2]:1-18。除了影响网路的容错度、管理方式、资讯如何流通外，它还会影响网路的可靠性和架设成本，比如汇流排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。

常见的网路拓扑有：

  • 汇流排拓扑：所有节点共享一个介质，以此连接其他节点[2]:1-18、19。早期的乙太网路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装置，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传送资讯。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。在布置网路时，一般会混合多种拓扑[2]:1-24。

覆盖网路

一个覆盖网路的例子

覆盖网路是指建立在其他网路之上的网路。覆盖网路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路中一条或多条的路径。覆盖网路的拓扑一般会跟基础网路的不同。比如很多对等网路皆属覆盖网路。对等网路内的节点运行在网际网路之上，并组织成一个虚拟链结系统。[27]

早期网际网路本身就是覆盖网路的一个例子。它建立在电话网路之上[27]。

网路连接

更多资讯：资料传输

传输媒介是指传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（实体层）及第二层（资料链结层）[2]:2-20、4-2。

乙太网路是区域网路的主流传输媒介技术[1]:5-1。乙太网路的标准行业规格为IEEE 802.3[2]:3-11。乙太网路可以铜线或光纤电缆传输数据[2]:3-15。无线区域网路则一般会以无线电作传输媒介[1]:8-5，不过也有以红外线作传输媒介的[1]:7-7。电力线网路以既有电力线来传输数据[29]。

有线技术

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

电脑网路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区域网路的传输媒介[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）来架设高速的区域网路[30]。
  • 双绞线是一种得到广泛应用的传输媒介[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、讯号难以衰减[1]:4-13。其传输速度可超过2Gbps[2]:2-23；AT&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媒介。光纤大致分为两种——单模光纤与多模光纤。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

一台黑色笔记型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路
主条目：无线网路

利用无线电等电子通信手段也可连接至网路。

  • 陆上微波通讯会以地上发送站来把微波传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。
  • 通讯卫星通讯亦会透过微波来实现通讯。该些卫星位于太空，一般距离地球地面约36000公里。其可传送语音、GPS、视讯等资讯[1]:7-5。
  • 蜂巢式网路利用了好几种的无线电通讯技术。该网路以蜂巢状的形式规划，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区域网路。使用了扩频技术的无线区域网路可使之间距离不远的装置互相沟通。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。
  • 自由空间光通信以可见光或不可见光来作通讯[33]。

其他特别的技术

网路节点

主条目：节点_(电信网路)

除了物理传输介质之外，要建立一个网路还需要一些相关装置，比如网卡、中继器、集线器、桥接器、网路交换器、路由器、数据机、防火墙[36]:12-p.22-25、15-20[1]:4-p.21-33。

网路介面

一个拥有ATM埠的网路介面电路
一张连接着ATM埠的网卡。

网卡是电脑硬体的一种，它使得电脑能够存取传输媒介上的资料[1]:4-21。网卡可能会有连接适当线材的介面，拥有接收无线讯号的接收器。两者皆会配合适合的电路板。[1]:4-22、7-10

网卡会依据网路位址来决定是否对流量回应。在乙太网路中，装置所安装的每一片网卡都拥有一个独一无二的MAC位址。为了避免网卡之间的位址有所冲突，电气电子工程师学会及厂商会共同确保网卡的位址为独一无二的。一个乙太网路MAC位址的长度有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

中继器是用于增强讯号的网路装置[28]:202。这一装置可使因距离问题而出现衰减的讯号再生，令其能传送得更远[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。

拥有多个埠的中继器即为集线器[28]:202。在OSI模型中，集线器为第一层装置[1]:4-24。「5-4-3」规则是指在10Mbps以太网中，网路不能有超过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

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。它可分割网路的碰撞域，但同时仍会进行群播[28]:203-204。 分割网路的碰撞域能增加网路的效率[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

交换器是一种依据MAC位址，来在埠之间转发和过滤资料链路层的影格的装置[39]。交换器仅将影格转发到通讯所涉及的物理埠，与只进行群播的集线器不同。可视它为拥有多个埠的桥接器[40]。它透过进入物理埠的影格来学习来源的MAC位址[28]:207。若交换器不能从MAC表中找到与影格对应的MAC位址，它就会把影格群播[28]:247。

路由器

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路装置，兼具了中继器、桥接器、集线器的功能[36]:12-25。其依照封包内的讯息及路由表中的资讯来选择封包传递的路径[28]:209。它必须拥有IP位址才可正常运作[36]:12-25。

数据机

数据机把节点的讯号转换成其他非专用线路能够传送的讯号。当中载波混入数位讯号调变，成为类比讯号，以便其他非专用线路携载。早期的电话线拨接网路需搭配数据机使用。[1]:4-31

防火墙

防火墙是一种控制网路安全和存取规则的网路系统[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

电脑网路除了可以按照右方的覆盖范围分类之外电脑网路应用可按照不同节点之间的功能关系分为：

  • 客户－伺服器参看B/S模式和C/S模式
  • 多层结构
  • 对等参看P2P模式

网路基础理论

网路协定

存在多种不同的网路协定，传输媒介由此也构成多种不同的电脑网路

相关的机构与厂商

参见

参考文献

参照

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来源

书籍
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外部连结