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第一章计算机网络基础知识第一部分 1 内容 1 1计算机网络概述1 2计算机网络的定义与分类1 3网络的拓扑结构1 4数据通信基础1 5计算机网络的常见的性能指标1 6计算机网络的组成参考 教材 实用计算机网络技术 第二版 第1章 1 1 1 4节 2 1 1计算机网络概述 21世纪的一些重要特征就是数字化 网络化和信息化 它是一个以网络为核心的信息时代 网络现已成为信息社会的命脉和发展知识经济的重要基础 网络是指 三网 即电信网络 有线广播电视网络和计算机网络 发展最快的并起到核心作用的是计算机网络 3 1 1 1计算机网络向用户提供的最重要的功能 连通性 计算机网络使上网用户之间都可以交换信息 好像这些用户的计算机都可以彼此直接连通一样 共享 即资源共享 可以是信息共享 软件共享 也可以是硬件共享 计算机网络有时也被称为数据传输网络 4 1 1 2计算机网络的主要发展阶段 1 早期的计算机网络20世纪50年代到70年代中期早期的 计算机网络 称为单计算机系统 其功能仅限于远程终端与终端主机通信 计算机的主要任务是批处理 5 2 计算机网络大发展时期现代意义上的计算机网络是从1969年美国国防部高级研究规划署的一项研究计划 即建成ARPANET实验网开始的 1969年 美国国防部的ARPANET网正式开通 实现四台主机的相互通信 1970年 世界第一台微型计算机问世 加速了计算机网络的发展 这一时期的网络被称为第二代网络 以远程大规模互联为其主要特点 6 第二代计算机网络由多台主计算机通过通信线路互连起来为用户提供服务 计算机网络是非常复杂的系统 相互通信的两个计算机系统必须高度协调工作 必须要建立共同遵守的通信协议 ISO 国际标准化组织 在1981年提出了OSI RM OpenSystemInterconnectionReferenceModel 开放系统互联参考模型 7 3 计算机网络逐步规范化的时期在这一时期使不同的小网络融合到一起 即网络间的互联 4 计算机网络互联时期计算机网络向互联 高速 智能和全球化发展 目前世界上发展最快的 也是最热门的就是Internet 因特网 世界上最大的互联网 随着智能手机的普及 无线互联网发展迅速 使得网络的终端不仅仅限制在个人计算机 而是包括了手机 手机上越来越多的应用程序连接入互联网 让我们享受更多便捷的服务 8 计算机 云 这个词我们已经不陌生 在云端集约了海量的硬件资源和软件资源 只要接入 云 就可享受这些资源 未来的计算机只要有一个显示器 一套键盘鼠标 一个网络模块接口 其它的东西都可在网上操作 目前 流行的网络硬盘就是云技术的一种应用 9 计算机网络是利用通信线路连接起来的相互独立的计算机的集合 通信线路 通信传输介质 相互独立 各计算机地位平等 互不依赖 计算机的集合 具有数据处理和运算能力 1 2计算机网络的定义与分类 1 2 1计算机网络的定义 10 使用路由器可以把不同的计算机网络互连起来 互连网 互联网 由许多网络通过路由器互连而成互连网 互联网 是 网络的网络 11 1 2 2计算机网络的覆盖范围及分类 按照联网的计算机之间的距离和网络覆盖面的不同 计算机网络可分为三类 局域网LAN LocalAreaNetwork 地理范围 小 20KM传输速度 10 1000Mbps 延迟低 出错率低连接介质 电缆 同轴电缆 500米 双绞线 100米 光纤 2 10公里 城域网MAN MetropolitanAreaNetwork 地理范围 中等 100KM传输速度 几Kbps Mbps连接介质 光纤 微波 公共通信网 广域网WAN WideAreaNetwork 地理范围 大 100KM传输速度 Kbps连接介质 光纤 卫星 公共通信网 12 1 2 3广域网 WAN 的发展 从时间顺序上说 广域网 WAN 最早出现 它的发展很大程度上取决于电话网络的发展 在广域网的发展过程中 人们提出并实现了许多对现代计算机网络起基础作用的想法 如 通信协议的多层次结构 如OSI协议 分组交换技术 包交换 异构网络中的分组路由 虽然广域网早期使用的是电话网络 继承了其中的许多特性 但它最具创新性的特征是放弃了电路交换的原理 13 1 2 4局域网 LAN 的发展 随着计算机部件制造技术发展 越来越多的公司和个人有可能拥有计算机 用户不再满足于在一台计算机上独立的工作 他们需要与办公室其他同事交换计算机数据 于是局域网出现了 个人电脑在局域网上非常流行 不但是作为客户端 而且可以存储数据 完成一些处理中心的功能 通常局域网提供一系列的在线服务 14 服务器型局域网 server centricLAN 因特网的兴起带来了C S工作模式的广泛应用 由于其资源利用更加合理 也在局域网中得到了推广 现在流行的局域网操作系统都支持C S工作模式 80年代用一台服务器管理着几十台微机 在服务器上建立共享数据库 存储着大量系统软件和应用软件 提供网络上的用户共享 形成了文件共享方式 文件共享方式 15 90年代又发展了新的网络结构一客户机 Client 服务器 Server 简称C S方式 体现了请求与服务之间的合作关系 计算机网络中有多个服务器 每个服务器提供一种专项服务 C S结构 16 4 校园网 校园网是为学校师生提供教学 科研和综合信息服务的宽带多媒体网络 为学校教学 科研提供先进的信息化教学环境 应具有教务 行政和总务管理功能 应满足校内外的通信要求 17 校园网结构图 18 1 3网络的拓扑结构 按网络的拓扑结构分类 总线型环型星型树状网状混合型 拓扑结构是借用数学上的一个词汇 从英文Topology音译而来 表示网络传输介质的连接形式 即线路构成的几何形状 19 1 总线结构 所有的节点都连接在一条作为公共传输介质的总线上 20 2 环型结构 各个网络节点通过环节点连在一条首尾相接的闭合环状通信线路中 21 3 星型结构 节点通过点对点通信线路与中心节点连接 22 4 树型结构 节点按层次进行连接 信息交换主要在上 下节点之间进行 23 5 网状结构 网状型拓扑结构又称完整结构 在网状型拓扑结中 网络节点与通信线路互连成不规则的形状 节点之间的连接是任意的 没有规律 一般每个节点至少与其他两个节点相连 网状拓扑结构 CERNET主干网拓扑结构 24 1 4数据通信基础 数据通信是指在两点或多点之间以二进制形式进行的信息交换 数据通信的过程是把字符或符号转换成编码 产生与编码相对应的信号 信号传送到目的地后被接收设备接收 按编码的规则将信号解码 再还原成相应的字符或符号 25 数据 Data 具有一定编码 格式和位长要求的数字信息 它是传递 携带 信息的实体 目前 美国信息交换标准编码ASCII码被用于计算机内码 也是数据通信中的编码标准 1 4 1基本概念 26 信号 Signal 数据在传输过程中的电信号的表示形式 电话线上传送的按照声音的强弱幅度连续变化的电信号称为模拟信号 analogsignal 计算机所产生的电信号是用两种不同的电平去表示0 1比特序列的电压脉冲信号 称为数字信号 digitalsignal 27 1 4 2模拟信号与数字信号 模拟信号 时间上连续 包含无穷多个值 数字信号 时间上离散 仅包含有限数目的预定值 28 数字信号状态简单 容易识别 但不适合长距离传输 模拟信号状态复杂 不容易识别 但能够长距离传输 计算机世界 数字信号现实世界 模拟信号实际应用中模拟信号和数字信号经常混合在一起 调制解调器就是一种能进行信号转换的设备 1 模拟信号与数字信号的特点 29 2 数字通信的优点 抗噪声 干扰 能力强 可以控制差错 提高了传输质量 便于用计算机进行处理 易于加密 保密性强 可以传输语音 数据 影像 通用 灵活 仅在不得已的情况下 才会采用模拟通信 30 3 调制与解调 调制解调器 Modem 即调制器 Modulator 与解调器 Demodulator 的组合缩写 将计算机输出的数字信号变换成适应模拟信道传输的信号的过程称为调制 相应的设备称为调制器 从已调制信号恢复为数字信号的过程称为解调 相应的设备称为解调器 31 1 4 3数据通信分类按照通信方式 数据通信分为并行通信和串行通信 其中串行通信分为同步通信和异步通信 按照通信的方向 数据通信分为单工 半双工和全双工 按照通信时对信道的使用方式 数据通信分为共享通信和点对点通信 32 1 并行通信和串行通信并行通信是指使用独立的通信线路同时传输多组据 并行通信普遍应用于两个短距离设备之间的通信 串行通信是指使用一条通信线路 依次传送多组数据 它具有成本低 适合长距离传输等优点 33 2 异步通信和同步通信异步通信指数据的传送以一个字符为单位 同步通信是指把若干个要传送的数据字符顺序连接起来 组成一个数据块 通常称为一帧 在数据块的开头加上同步字符 34 3 单工 半双工和全双工通信数据传输的过程有明确的方向性 根据数据传输的方向不同 数据通信可以分为单工 半双工和全双工 三种通信方式 单工通信是指通信线路上的数据有时可以按单一方向传送 全双工通信是指一个通信线路上允许数据同时双向通信 半双工通信是指通信线路上的数据有时是单向通信 有时是双向通信 35 1 4 4数据通信的交换方式数据通信通过传输信道将数据终端与计算机联结起来 而使不同地点的数据终端实现软 硬件和信息资源的共享 在多结点通信网络中 为有效利用通信设备和线路 通常是动态地设定通信双方间的线路 动态地接通或断开通信线路 称为 交换 通常数据通信有三种交换方式 电路交换 报文交换 分组交换 其中 36 电路交换方式 电路交换是指两台计算机或终端在相互通信时 使用同一条实际的物理链路 通信中自始至终使用该链路进行信息传输 且不允许其它计算机或终端同时共享该电路 适用于较高速率的数据交换 其优点是实时性强 延迟很小 交换成本较低 其缺点是线路利用率低 报文交换方式 报文交换是将用户的报文存储在交换机的存储器中 内存或外存 当所需输出电路空闲时 再将该报文发往需接收的交换机或终端 这种存储 转发的方式可以提高中继线和电路的利用率 37 分组交换方式 分组交换是将用户发来的整份报文分割成若干个定长的数据块 称为分组或打包 将这些分组以存储 转发的方式在网内传输 每一个分组信息都连有接收地址和发送地址的标识 在分组交换网中 不同用户的分组数据均采用动态复用的技术传送 即网络具有路由选择 同一条路由可以有不同用户的分组在传送 所以线路利用率较高 适用于实现不同速率 不同协议 不同代码的终端进行存储转发的数据通信 由于这种方式网络传输时延大 并且占用了大量的内存与外存空间 因而不适用于要求系统安全性高 网络时延较小的数据通信 38 1 5计算机网络的常见的性能指标 1 速率比特 Bit 是计算机中数据量的单位 也是信息论中使用的信息量的单位 Bit的意思是一个 二进制数字 因此一个比特就是二进制数字中的一个1或0 网络技术中的速率指的是连接在网络上的主机在数字信道上传送数据的速率 也称数据率 datarate 或比特率 bitrate 速率的单位是b s 比特每秒 也可写成bps 当数据率较高时 也可以用kb s k 103 千 Mb s m 106 兆 Gb s G 109 吉 Tb s T 1012 太 39 2 带宽带宽 bandwidth 又叫频宽 是指在固定的时间内可传输的资料数量 亦即在传输管道中可以传递数据的能力 在数字设备中 频宽通常以bps表示 或b s bit s 即每秒可传输之位数 在模拟设备中 频宽通常以每秒传送周期或赫兹 Hz 来表示 40 A B A B 宽带线路 窄带线路 在宽带线路上比特传播得快 在窄带线路上比特传播得慢 错误的概念 正确的概念 宽带线路每秒有更多比特从计算机注入到线路 宽带线路和窄带线路上比特的传播速率是一样的 41 A B A B 宽带线路 窄带线路 42 比喻 汽车运货 宽带和窄带线路车速一样 宽带线路车距缩短 43 另一种错误概念 宽带 相当于 多车道 多车道公路是并行传输 100101110100100111010001011010 通信线路上通常都是串行传输 44 常见的带宽单位是千比每秒 即kb s 103b s 兆比每秒 即Mb s 106b s 吉比每秒 即Gb s 109b s 太比每秒 即Tb s 1012b s 请注意 在计算机界 K 210 1024M 220 G 230 T 240 45 1 6计算机网络的组成 资源子网 由计算机系统 终端控制器和终端设备 软件和可供共享的数据库等组成 负责全网面向应用的数据处理工作 向用户提供各种可共享的数据资源 通信子网 由通信硬件 通信设备 通信线路 及通信软件组成 为网中用户共享各种网络资源提供必要的通信手段和通信服务 任何一个基本的计算机网络均可以看成由资源子网和通信子网两种功能子网组成 46 47 计算机网络的组成 48 1 6 1服务器安装了网络操作系统并提供共享资源的计算机称为服务器 Server 服务器又指对网络中某种服务进行集中管理和控制的网络主机 服务器在客户机 服务器 Client Server 网络中扮演支配的角色 网络服务器比普通PC机拥有更强的处理能力 更多的内存和硬盘空间 它可以是微机 小型机 大中型计算机 网络服务器的运行效率和稳定性直接影响着整个网络的工作 根据服务分工的需要 网上可以配置不同数量的服务器 有些服务器提供相同的服务 有些提供不同的服务 在小型网络中 一个服务器可担当多种角色 在可能的情况下 最好专机专用 49 网络中常见的服务器 1 域控制器在WindowsNT 2000 2003Server的C S网络中 处于管理和控制核心地位的服务器就是域控制器 DomainController DC 2 文件 打印服务器通常一个网络至少有一个文件服务器 网络操作系统及其实用程序和共享硬件资源都安装在文件服务器上 3 应用程序服务器应用程序服务器是实现c s网络中的CPU资源共享 将原来客户端完成的部分数据处理任务交由服务器处理 应用程序服务器的典型例子就是数据库服务器 50 4 Web服务器典型的Web服务器安装有Web服务器软件和各种服务器组件 服务器上运行页面的脚本和代码 当远程客户端的页面请求通过因特网发送到企业局域网后 Web服务器调出客户端请求的页面代码 并运行服务器端脚本 调用服务器端组件 打开并访问数据库服务器 形成页面后通过因特网返回远程客户端的浏览器 通常Web服务器由一台或多台计算机充当 51 1 6 2客户机在网络中 客户机一般又称为工作站 它是网络中请求其它计算机上的资源或服务的计算机 通常客户机的硬件配置低于服务器的硬件配置 客户机可以是网络主机或者终端 也可以是没有磁盘驱动器的无盘工作站 52 1 6 3网络通信系统网络通信系统通常由网卡 通信线缆 交换机 或集线器 路由器等组成 1 网卡 networkcard 的作用网卡常被称为网络适配器 是一种网络连接设备 使客户机能连接到网络 并能与网络中其它计算机相互通信的设备 所有的网卡都能够正确地读出数据传送的目标地址 在以太网中还能检测出冲突 53 RJ 45接口网卡 BNC接口网卡 早期笔记本常用网卡 早期的无线网卡 网卡的接口大小不一 其旁边还有红 绿两个网卡工作指示灯 红灯亮时表示正在发送或接收数据 绿灯亮则表示网络连接正常 否则就不正常 54 2 网卡的分类 按传输的速率分类按照网卡的传输速率不同 可分为10M网卡 100M网卡 10M 100自适应网卡和1000M网卡等几种 按总线类型分类根据网卡的总线类型不同 可分为ISA 工业标准结构 网卡 PCI网卡和PCMCIA网卡三大类 ISA网卡需要设置中断号和端口地址 PCI网卡不需要设置 笔记本电脑常用网卡PCMCIA 55 按接口规范分类网卡的接口有三种规格 粗同轴电缆接口 AUI接口 细同轴电缆接口 BNC接口 无屏蔽双绞线接口 RJ 45接口 一般的网卡仅一种接口 但也有两种甚至三种接口的 称为二合一或三合一卡 按位分类网卡有16位与32位之分 32位网卡一般用于服务器 网卡的MAC MediaAccessControl 地址MAC地址就是网卡物理地址 每一块网卡的MAC地址都不同 56 读MAC地址的方法 Win2003 NT XP 开始 运行 cmd回车 在DOS窗口中输入ipconfig all 回车 网卡的MAC地址由48位二进制数组成 一般用16进制来表示 如 00 D0 09 A1 B1 D6 共6段16进制数 中间用 隔开 MAC地址的前3段 前24位 是由IEEE组织分配给各网卡生产商的唯一标识 后3段是由生产网卡的厂商自己给网卡规定的唯一标识 57 58 调制解调器 即Modem 是计算机与电话线之间进行信号转换的装置 由调制器和解调器两部分组成 调制器是把计算机的数字信号 如文件等 调制成可在电话线上传输的声音信号的装置 在接收端 解调器再把声音信号转换成计算机能接收的数字信号 通过调制解调器和电话线就可以实现计算机之间的数据通信 3 调制解调器 modem 光纤通信用光纤调制解调器 59 4 集线器集线器 Hub 属于网内连接设备 主要用于连接星型拓扑网络 近年来被交换机取代 5 交换机交换机 Switch 也属于网内连接设备 可以用来连接其它交换机 集线器或者网络主机 交换机连接的网络结点上的协议栈完全相同 因此交换机也没有任何进行数据格式转换的功能 但交换机分割了网络的冲突域 允许多台主机同时传输数据 集线器不行 因此 它的数据传输速度快于集线器 交换机主要应用在星型拓扑结构的以太网络中 60 6 路由器路由器是一种多端口设备 它可以连接具有不同传输速率 不同网段的局域网和广域网 可以实现从一个网络 或子网 向另一个网络 或子网 的数据传输 由于路由器需要处理第3层协议或逻辑地址 所以它比交换机的速度慢一些 路由器依赖于协议 针对不同的应用环境 需要对路由器进行协议配置 路由器是大型局域网和广域网连接的非常重要的设备 例如 因特网就是依靠遍布全世界的几百万台路由器连接起来的 61 7 网关 gateway 常用于两个或多个网络之间的连接 在局域网 广域网互联 广域网 广域网互联中均可使用 8 通信线路 传输介质 常用的通信电缆有同轴电缆 双绞线 光缆及无线传输介质 将在第二章中介绍 62 1 6 4网络操作系统 网络操作系统 NetworkOperationSystem NOS 主要运行在服务器上 它负责管理数据 用户 用户组 安全 应用程序以及其它网络功能 当我们准备把多台计算机连接起来组成网络 实现多台电脑资源共享及协同工作时 就需要使用网络操作系统了 目前最流行的网络操作系统是Microsoft的WindowsNT 2000Server Novell的NetWare 以及UNIX Linux等 63 1 WindowsNT 2000 2003ServerWindowsNTServer是一种多用途的网络操作系统 它提供了可靠的文件和