OS(二十四)：网络操作系统
计算机网络是指通过数据通信系统把地理上分散的自主计算机系统连接起来，以达到数据通信和资源共享目的的一种计算机系统。
自主计算机，是指具有独立处理能力的计算机。
在计算机网络上配置网络操作系统NOS(Network Operating System)，是为了管理网络中的共享资源，实现用户通信以及向用户提供多种有效服务。
NOS是网络用户与网络系统之间的接口。
1、计算机网络概述
1.1、拓扑结构
常见的拓扑结构：星形、树形、总线形、环形和网状形五种。
1.1.1、星形拓扑结构
每一个中心结点通过点一点方式与若干个远程结点相连，使网络的拓扑结构呈现放射状的星形，各远程结点之前因无连接而不能直接通信。。
星形拓扑结构的主要特点：处理和控制功能高度集中，整个网络对信息的功能和对网络的控制功能都集中在中心结点上。
一旦中心结点发生故障，整个网络会瘫痪；随着远程结点的增加和频繁访问，易形成瓶颈。
1.1.2、树形网络拓扑
星形网络不适用构建大型网络，为弥补这一缺陷，将多级星形重新按层次排列，形成树形网络。
树形网络是对星形网络的改进，在中间层各节点上的处理机都具有控制和处理的能力，即使中央处理机瘫痪，其他节点处理机认可维持网络的局部运行。
1.1.3、总线形拓扑结构
将若干个节点分别通过一个连接器，连接到一条高速公用总线上所形成的网络拓扑结构。
多个节点共享一条传输总线，网络的物理结构简单，信道利用率高，广播的通信方式。
总线上任一节点发出的信息，能被总线上的其他所有节点接收。
该拓扑结构，受总线长度的限制，覆盖范围有局限。适用于局部网。
1.1.4、环形网络拓扑结构
通过点 - 点 的连接方式，将所有的转发器连接成一个环形，其中的每个转发器可用于连接一个网络工作站，站上的信息通过转发器传送到环路上，信息在环路上只做单向流动。
多个节点共享一条传输总线，网络物理结构简单，广播通信方式。适用于局部网。
1.1.5、网状形网络拓扑结构
广域网中最广泛采用的是网状形拓扑结构，通过点 - 点的连接方式，将分布在不同地点的、用于实现数据通信的分组交换设备PSE(Packet Switch Equipment)连接在一起，形成一个不规则的网状形网络。
该网络用于实现数据通信，被称为通信子网。
由通信子网之外的所有主机构成了数据处理子网，被称为资源子网。
凡是要入网的主机都应连接到网络的一个PSE上，任何两主机之间的通信都必须通过该通信子网。
网状网络在逻辑上可分为 通信子网 和 资源子网。
网络拓扑结构的主要特点是它具有分布性，在通信子网的PSE可分布在不同的地址位置。
1.2、广域网络
按计算机网络覆盖地理范围的大小，计算及网络可被分为 广域网 和 局域网。
广域网是基于某种交换方式来实现信息的传递，可以按交换方式将广域网分为 分组交换网、帧中继网和 ATM网。
1.2.1、分组交换网
1、报文交换方式
报文交换方式基于 存储 - 转发 方式进行报文交换，数字式报文交换中心先将各用户发来的电报接收下来，存储在报文缓冲区，经过适当的处理后，为该报文选择一条转发路由，并将它送至该路由的输出队列中排队，在一次将该队列中各报文转发出去。
报文交换方式适用于传输数字信号。
2、分组交换方式
分组交换方式，基于 存储 - 转发 方式来传输信息，为提高传输效率，将不定长的报文分解成定长的分组，以分组为单位进行传输。
简化了对缓冲区的管理，加速了对信息的传输，减少了传输出错率。
3、分组交换网
分组交换网以 分组 作为传输的基本单位，一个分组由 分组头 和 正文 两部分组成。
正文是用户要传送的信息，分组头是用于控制该分组在网络中传输所必需的信息。
要发送一份报文时，先将报文分解成若干定长信息的正文段，并为每个正文段配上分组头，形成若干个分组，然后逐个发送分组。
网络中的中继节点先将各分组接收，存储在定长的多个分组缓冲区中，对所接收的信息进行差错检测，若无错，再为每个分组选择一条适当的传输路由，将分组转发出去。
1.2.2、帧中继网
帧交换方式的帧中继网：帧交换方式传输的基本单位是 帧，长度可变，采用 存储 - 转发的 方式。帧交换器每收到一个新到的帧时，先将帧送至帧缓冲区中排队，然后按照帧中的目标地址，将该帧转发给相应路径上的下一个帧交换器。
信元交换的帧中继网：信元交换的基本单位是 固定长度的"信元"，当源帧交换器收到帧后，将其分割为多个定长的心愿，在整个帧中继网中传输和交换时，以信元为单位，直到它们到达目标帧交换器，才被重新组装成帧。
1.2.3、ATM网
异步传输模式(AMT Asynchronous Transfer Mode)。
AMT是以信元(Cell)为基本传输单位的，信元由 信头 和 信息段 组成。ATM通过信头来识别信元，信元的发送无固定周期，所以这种传输方式被称为异步传输方式。
1.3、局部网络
实现各微机之间的通信和资源共享，可以把微机互连起来，形成局域网。
1.3.1、基本局域网
以太网(Ethernet)：采用公用总线型网络拓扑结构，以太网中带有冲突检测的载波侦听多重访问控制规程。
令牌环网(Token-Ring)：采用环形拓扑结构，优先机制保证重要和紧急的信息优先传送。
1.3.2、快速局域网
以太网和令牌环网，网上所有的站点共享一条公用信道，带宽与网络上的站点数相关。
FDDI光纤环网：采用两个光纤环，一个作为主环，一个作为副环，主要作用域局域网的主干网。通过提高局域网传输速率的方法来扩展网段上每个站点的平均带宽。
1.3.3、交换式LAN
通过减少每个局域网段上的站点数目，增加站点的平均带宽。
1.4、网络互连
实现网络互连的设备，常用的有 网桥、路由器、网关。
1.4.1、网桥
所有用于连接复合IEEE802标准网络的互连设备，称为网桥。
网桥是用于连接同构LAN的网络互连设备，所实现的概念属于MAC子层和物理层。
网桥具有如下功能：
1、帧的发送和接收
从连接的LAN端口接收无差错帧，从帧中获得目标站点地址名字，判断目标站是否被本网桥连接，若是，接收该帧，并做下一步处理；否则，抛弃帧。
2、缓冲管理
网桥中有两类缓冲区：接收缓冲区，暂存从端口收到的、要发往下一个LAN的帧；发送缓冲区，用于暂存已经过协议转换处理、要发往相邻LAN的帧。
3、协议转换
将源LAN中所采用的帧格式和物理层规程，转换为目标LAN中采用的帧格式和物理层规程。
1.4.2、路由器
路由器在网络层上实现互连，能识别不同的网络层协议。
路由器的功能涉及 物理层、数据链路层 和 网络层，主要功能如下:
1、拆包和打包
路由器在接收任何一种数据包后，都将去掉数据链路层所加上的控制信息；根据网络层加上的控制信息中的目标地址，为数据包选择一条最佳传输路径，然后在数据前加上新选择的路由信息，形成新的数据包。
2、路由选择功能
路由选择功能是按照某种策略(如数据包在网中传输的时延最小、传输路由最短、传输费用最低等)，为须转发的数据包选择一条最佳传输路由。
3、进行协议转换
路由器实现将一个网络所用的数据链路层和网络协议转为另一个网络中的相应协议。
4、分段和重新组装
不同网络中采用的数据包大小可能不同，若源站所用数据报大于目标站的数据包，使目标站无法接收，将源站发出的数据分成若干段，再分别封装后发往目标站所在的网络。
反之，路由器可把属于同一报文的多个数据包按序号组成一个大的数据包后传送，以提高传输效率。
1.4.3、网关
网关用于互连异构型网络。互连异构型网络指不同类型的网络，在网关中至少要进行网络层、数据链路层及物理层的协议转换。
2、网络体系结构
2.1、基本概念
网络体系结构：计算机网络的层次及其协议的集合，是关于计算机网络应设置哪几层，每个层次有应提供哪些协议的精确定义。
2.1.1、开放系统互连参考模型OSI/RM
开放系统(OSI)，是指在与其他系统通信和相互合作方面，遵循OSI标准的、能对信息进行处理或传送的自治整体。
1、OSI主要涉及的方面
开放系统之间的信息交换；
开放系统之间相互合作去完成一项共同任务。
2、OSI/RM的组成
开放系统；
应用实体，应用进程；
连接，两个或多个实体之间进行信息交换，所建立起来的一种连接；
物理介质，用于在开放系统之间进行链接。
2.1.2、分层
分层是OSI/RM中采用的基本结构技术，每个系统可被看成是由有序的一组子系统所组成。
2.1.3、网路协议
实体之间的合作，受一个或几个协议支配的。协议规定了实体如何利用服务协同工作去实现功能。
协议：一组局部于层的规则和格式，决定实体在执行功能时的通信行为。
语义规定协议元素的类型，通信双方要表达的内容；语法规定内容的表达形式；规则是指通信过程中双方的应答规则。
2.1.4、数据单元
OSI把对等实体之间所传送的信息称为协议数据单元 - PDU，由两部分组成：
协议控制信息 - PCI，协调两个实体间的连接操作；
服务数据单元 - SDU，存放由实体提供的数据、
2.1.5、OSI七层模型
OSI/RM共分七层，如下所示：
低三层是：物理层、数据链路层和网络层，用于实现通信子网中的信息传输，是面向通信的。
最高三层：应用层、标识层和会晤层项应用进程提供资源子网功能的服务，是面向应用的；
中间层：传输层，在高三层和低三层之间起桥梁的作用。
2.2、OSI/RM中的低三层
2.2.1、物理层(Physical Layer)
物理层是OSI的最底层，建立在通信介质的基础上实现系统和通信介质的接口功能，微数据链路实体之间透明的传输比特流提供服务。
提供如下功能：
1、物理链接的建立和拆除，两个数据链实体通信前，先由物理层在它们之间建立物理连接，通信完后拆除该物理链接；
2、物理服务数据单元传输，物理层既可采用同步传输方式，也可采用异步传输方式传输物理服务数据单元，需要在系统中设置同步适配器或异步适配器来完成数据的发送和接收；
3、物理层管理，管理本层的某些事务。
2.2.2、数据链路层(Data-Link Layer)
数据链路层：在相邻两系统的网络实体之间建立、维持和释放数据链路连接，以及正确无误的传输数据链路服务数据单元。
提供如下功能：
1、数据链路连接的建立和释放：在两个相邻系统的网络实体之间，提供一条或多条数据链路连接，该连接动态的建立和释放。
2、数据链路协议数据单元的形成：将数据链路服务单元数据配上数据链路协议控制信息，形成数据链路协议单元。
3、定界和同步：识别出在物理链接上传输的数据链路服务数据单元的开始和结束
4、顺序和流量控制，控制数据单元的传输顺序和流量；
5、差错的检测和恢复
2.2.3、网路层(NetWork Layer)
网络层主要涉及通信子网及与主机的接口。网络层提供建立、维持和释放网络连接的手段，以实现两个端系统中传输实体间的通信。
1、网络层提供的功能
1、网络连接服务，利用数据链路连接构成源和目标两个传输实体间的网络连接；
2、路径选择：在两个网路地址之间选择一条适当的传输路径；
3、网络连接多路复用
4、分组与阻断，数据单元过程可将它们分段；反之，将较短的数据单元组成一个较大的数据单元一起传输；
5、有序传送和流量控制
6、差错检测和恢复。
2、网络层提供的数据传输服务
1、数据报服务，在数据报传送方式中，发方网络层从传输层接收报文，再为它配上完整的目标地址后，作为一个独立的信息单位传送出去。
2、续电路服务，通信前先由源主机发送呼叫报文分组，其中包含源和目标主机的全网地址。
2.3、OSI/OM中的高四层
2.3.1、传输层(Transport Layer)
在低三层和高三层起桥梁作用，该层消除了OSI高层所要求的服务与各类网络层所提供的服务之间的差异：
传输出错率和建立连接的失败率
数据传输速率、吞吐量和传输时延
分段和组段功能
2.3.2、会晤层
会晤层：对基本传输连接服务进行"增值"，基于如下应用要求：
半双工通信；
更有效的差错纠正机制；
允许暂停发送信息
2.3.3、表示层
对不同系统的表示方法进行转换，消除网内各应用实体之间的语言差异，以实现不同系统之间的数据交换。
2.3.4、应用层
为进程访问OSI环境提供手段，直接为应用进行服务，其他各层都通过应用层向应用进程提供服务。
2.4、TCP/IP网络体系结构
2.4.1、TCP/IP模型
网络互连协议IP 和 传输控制协议TCP，构成的TCP/IP协议，是Internet网络的核心协议。TCP/IP模型分为四层，详情如下：
1、网络访问层
在源主机系统，网络访问层接收由网络互连层送下来的IP数据报，并对它做些处理后，将它发送给选定的网络，后者将它传送给目标主机。
该层关注的是两个端系统之间的数据通信，以及两个端系统借以通信的网络类型。
2、网络互连层
网络互联层是是TCP/IP模型中最重要的层次，IP协议主要用于异构型网络之间的相互连接和路由选择。
IP提供的是面向无连接的，不可靠的传输服务。
3、传输层
传输层中最主要的协议是传输控制协议 TCP(Transmission Control Protocol)，提供的是面向连接的，可靠的 端 - 端 通信机制。
TCP协议是建立在网络层的基础上的。
4、应用层
应用层处于TCP/IP模型的最高层，提供了用于支持各种应用程序的网络服务。
2.4.2、互联网协议 IP V4 和 IP V6
1、IP V4
网络互连协议，用来实现网络互连。
IP V4主要解决如下三个问题：寻址、分段和重新组装、路由选择。
1.1、寻址
分级地址结构，网络号、主机号和信口号组成。
平面地址结构，用若干个字节的一个整数来表示一个对象。
1.2、分段和重新组装
可以对帧进行分段，将每个分段重新配置一个帧头，形成一系列新的帧；
分段后的帧，可通过从新组装恢复。
1.3、路由选择
完全路由选择：在IP数据报中记录下它所应经历的全部路由；
部分路由选择：在IP数据报中记录它所经历的部分路由。
2、IP V6
对IP V4进行拓展。
扩大了地址空间；
增设安全机制；
提高路由转发效率；
增强了协议的可扩充性。
2.4.3、传输层协议 TCP 和 UDP
1、传输层协议TCP
针对IP协议是提供面向无连接的、不可靠的数据报的服务；TCP提供了面向连接的、可靠的端 - 端 通信机制。
面向连接：端系统传送数据前，先进行端 - 端之间的连接；在数据传送完后，拆除连接。
可靠：若网络层出现差错，TCP协议仍能正确的控制连接的建立、数据的传输和连接的适当。
为确保数据传输的可靠，在TCP中采用了确认和重发机制。即接收方每收到一个正确的数据段时，都应根据数据段的发送序号，给发送方回送一个用于确认的ACK字段；若接收的数据有错，则要求对方重发。
2、用户数据报协议UDP
TCP协议提供了可靠的数据传输服务，降低了传输效率。
UDP是一种无连接的、不可靠的协议。以一种简单的方式传输数据。
2.5、IP地址和域名
2.5.1、IP地址
IP地址是在Internet中主机的地址标识，该地址在整个Internet中是唯一的。
IP地址共有32位二进制数，分为4个字节，每个字节表示一个十进制整数。
每个IP地址都是由 网络标识 和 主机标识 两部分组成。
A类IP地址用第1个字节作为网络标识，后三个字节作为主机标识；B类IP地址用前两个字节作为网络标识，后两个字节作为主机标识；C类IP地址用前三个字节作为网络标识，后一个字节作为主机标识。
2.5.2、域名
IP地址是面向网络的主机标识符，适合于网络识别和处理；域名是面向用户的主机标识符。
IP地址和域名是一一对应的，每个主机都有IP地址和域名两个标识符。
每个域名通常由几个部分(段)组成，域名中每个段被称为一个子域，各域之间用小数点分隔开。放在域名最后的子域称为最高级子域，或称为一级域。
2.6、超文本传输协议HTTP
HTTP是一个通用的，面向对象的客户/服务器协议。
该协议包含的内容涉及到一般语法和标识符的约定，定义了协议中所用的字符集、编码方式等参数。
该协议属于TCP/IP协议族中的应用层通信协议，建立在TCP协议的基础上，依赖于TCP协议确保传输的正确性。
5、网络操作系统的功能
5.1、数据通信功能
为实现不同计算机之间实现数据传输，网络OS应具有如下功能：
连接的建立与拆除
报文的分解与组装
传送控制
流量控制
差错检测与纠正
5.2、资源共享功能
硬盘共享：虚拟软盘方式、文件从服务方式
网络打印
分布式文件系统DFS
5.3、应用互操作功能
信息的"互通性"
信息的"互用性"
5.4、网络管理功能
配置管理：定义、收集、监视和控制以及使用配置数据；
故障管理：为网络操作员提供快速发现和修复故障的手段；
性能管理：通过收集网络各部分使用情况的统计数据，分析网络的运行情况；
安全管理。
