讲稿第1讲 计算机网络基础知识.doc

第讲：计算机网络基础知识时间：5分钟【导 入】1课程介绍：姓名、系室。6学时课堂讲述。要求：课上笔记。2讲座安排：第1讲 计算机网络基础知识第2讲 计算机网络应用第3讲 信息安全3网络存在我们身边。例如：Internet、有线电话网、移动电话网时间：10分钟【内容讲授】一、网络的起源网络起源的故事还得从20世纪50年代后期开始讲起，在冷战高峰期，美国国防部希望建立一个命令和控制网络，即使在核战争的情况下它也能够保存下来。在当时，所有的军事通讯都使用公共电话交换网络，其本质是采用电路交换技术，此网络被认为是非常脆弱的。因为从资源的分配角度来看，电路交换是预先分配线路带宽的。在通信之前先要申请建立一条从发送端到接收端的物理通路。只有在此物理通路建立之后，双方才能通信。在通信的过程中，始终占有从发送端到接收端的固定传输带宽。一旦其中的某个节点发生故障或被敌对势力摧毁，则整个系统有可能被分成多个孤岛。1960年左右，国防部给了兰德公司一份合同，授权它寻找一个解决方案。兰德公司的一位雇员Paul Baran提出了一个高度分布式和容错的设计方案如图所示。Baran考虑在整个系统中使用分组交换技术。并给美国国防部写了几份报告阐述他的思想，五角大楼的官员接受了这种概念。1962-1965年，美国国防部高级研究计划署（Advanced Research Projects Agency，ARPA）和英国国家物理实验室（National Physics Laboratory，NPL）都在对新型的计算机通信技术进行研究。英国NPL的戴维斯于1966年首次提出了“分组”之一概念。到1969年12月，ARPA的计算机分组交换网（ARPANET）投入运行。ARPANET连接了美国加州大学洛杉矶分校、加州大学圣巴巴拉分校、斯坦福大学和犹他大学4个节点的计算机。时间：10分钟二、 计算机网络的概念计算机网络（computer network）是将地理位置不同并具有独立功能的多个计算机系统通过通信设备和线路连接起来、以功能完善的网络软件，实现资源共享和透明服务的计算机系统的集合。计算机网络的定义包含以下三个要点： 1、一个计算机网络包含多台具有“自主”功能的计算机。 所谓的“自主”这些计算机脱离开计算机网络后，也能独立地工作和运行。通常将网络中这些“自主”的计算机称为主机（host）。2、组成计算机网络需要使用通信手段把众多的计算机有机地连接起来。 所谓“有机地连接”使之连接时必须遵循所规定的约定和规则，这些约定和规则就是通信协议。3、建立计算机网络的主要目的是为了实现通信联络、信息资源的交流、计算机数据资源的共享，或者是计算机之间的协同工作。 （实现资源共享是网络的最基本特征）计算机网络上可以共享的资源：1、 文件 通过网络共享，电子邮件传递，文件上传下载等方式共享；2、 信息 如通过World Wide Web 共享信息3、 外设 如：打印机、传真机、扫描仪、摄像头等多种外设都可以在网络中共享 ）4、 计算机及其应用程序学习计算机网络概念时，要注意计算机网络与以下两个概念相区别：1、多终端的计算机系统2、分布式计算机系统时间：10分钟三、计算机网络的分类计算机网络的划分方法有很多种，不同的划分方法有不同的分类。 1、按照信息交换方式可以分为： 电路交换网、 分组交换网。 2、按照网络上各主机的组网方式可以分为： 对等网络、 客户机服务器模式网络、 浏览器服务器模式网络 对等网和基于服务器的网络 按照组网方式的不同，即网络中计算机之间的地位和关系的不同，局域网分为对等网和基于服务器的网络两种。 对等网（Peer-to-Peer Networks）指的是网络中没有专用的服务器（Server）、每一台计算机的地位平等、每一台计算机既可充当服务器又可充当客户机（Client）的网络。基于服务器（Server-based）的网络是指服务器在网络中起核心作用的组网模式。基于服务器的网络与对等网不同，网络中必须至少有一台采用网络操作系统（如Windows NT/2000 Server、Linux、Unix等）的服务器，其中服务器可以扮演多种角色，如文件和打印服务器、应用服务器、电子邮件服务器等。3、按照网络设备的拓扑覆盖范围（距离）划分可以分为： 广域网 （WAN 即 Wide Area Network）； 城域网 （MAN 即 Metropolitan Area Network）； 局域网 （LAN 即 Local Area Network）； 时间：5分钟四、广域网、城域网、局域网广域网是覆盖地理范围很大的计算机网络。它的覆盖范围通常是一个国家或一个大洲。广域网把各个城市的城域网相互连接起来，在通过各城市的城域网把城市里的许多局域网连接在一起，这样实现众多局域网之间的计算机的资源共享。城域网的规模和覆盖范围介于局域网和广域网之间，将城市许许多多的局域网汇聚在一起，提供因特网（Internet）的接入服务。局域网是指覆盖范围很小的局部区域的计算机网络，局域网往往只覆盖连接一片校园、一个企业、一座或几座楼宇内的计算机。时间：10分钟一般局域网的各个网络节点之间的距离较短，传输比较可靠、速度较快、延迟较小。五、网络拓扑结构总线形拓扑（Bus Network Topology）是将网络中各个节点的设备，用一根线缆连接起来，所有的主机共享同一通讯介质。在这样的网络中，某一台主机发送的数据会在整根网线上传输，线路上的各个设备都会收到。总线型网络主要采用同轴电缆作为通讯介质，早期的以太网便采用这种形式。总线型结构是在早期的局域网中应用很广的拓扑结构，其突出的特点为：结构简单、成本低、安装使用方便。但它有固有的致命缺点，存在单点故障。即在主干的线路上如果出现故障，整个网络都会瘫痪，在网络规模变大之后，这个问题越来越严重。星形网络拓扑（Star Network Topology）中所有的设备，不像总线形网络拓扑连接到一根网络线缆上，而是每个设备有自己的网线，都连接到中央的节点上。早期的中央节点设备被称作集线器（Hub）。 这种拓扑主要特点是：当单根线路发生故障的时候，不会影响网络中的其它计算机，系统的可靠性较高，扩充容易；中央节点可以方便地控制和管理网络，并及时发现和处理系统故障；但如果中央节点出现故障，则整个网络瘫痪，但这种机会比网线故障要小得多。线缆断开或松动只影响与线缆相连的计算机。星形拓扑机构是在目前的局域网中使用最广泛的一种网络拓扑结构，它已基本代替了早期局域网采用的总线型拓扑结构。环形网络拓扑（Ring Network Topology）中计算机连成环状，不需要终结器。信号沿环的一个方向传播，依次通过每台计算机。 与总线拓扑不同的是，每台计算机都是一个中继器，把信号放大并传给下一台计算机。因为信号通过每台计算机，所以任何一台计算机出现网络连接故障都会影响整个网络。网状拓扑（Mesh Network Topology）中各节点通过传输线相互连接起来，并且任何一个节点都至少与其它两个节点相连。简单的网状网络如所示。网状结构具有较高的可靠性，但其实现起来费用高、结构复杂、不易管理和维护，在局域网中很少采用，常见在广域网中。在广域网中还经常采用部分网状连接的形式，以节省经费。时间：20分钟六、网络体系结构在计算机网络环境中，计算机系统之间进行通信、协同工作以实现信息交换和资源共享，它们之间必须有共同的语言。交流什么、怎么交流及何时交流，都必须遵循某种互相都能接受的规则。这些为计算机网络中进行数据交换而建立的规则、标准或约定的集合就称为网络协议（Protocol）。为降低计算机网络设计的复杂性，人们往往按功能将计算机网络划分为多个不同的功能层。网络中同等层之间的通信规则就是该层使用的协议，而同一计算机不同功能层之间的通信规则则称为接口。总的来说，协议是不同机器同等层之间的通信约定，而接口是同一机器相邻层之间的通信约定。在所有的网络中，每一层的目的都是向上一层提供特定的服务。计算机网络系统是一个十分复杂的系统。将一个复杂系统分解为若干个容易处理的子系统，然后“分而治之”逐个加以解决这种结构化设计方法是工程设计中常用的手段。分层就是系统分解的最好方法之一。网络体系结构是网络中分层模型以及各层功能的精确定义。对网络体系结构的描述必须包括足够的信息，使实现者可以为每一功能层进行硬件设计或编写程序，并使之符合相关协议。ISO/OSI参考模型：o 应用层o 表示层o 会话层o 传输层o 网络层o 数据链路层o 物理层TCP/IP参考模型：o 应用层o 传输层o 互联网层o 物理接口层时间：30分钟七、网络设备有线网络设备：网卡、集线器（hub）、交换 机（switch）、路由器（router） 调制解调器、中继器、网桥无线局域网设备：无线网卡、无线接入点（AP）1、 中继器中继器（Repeater，RP）是网络体系结构中物理层的设备，常用于两个网络节点之间物理信号的双向转发工作。如图所示，中继器是最简单的网络互联设备，负责在两个节点的物理层上按位传递信息，完成信号的复制调整和放大功能，以此来延长网络的长度。由于存在损耗，在线路上传输的信号功率会逐渐衰减，衰减到一定程度时将造成信号失真，因此会导致接收错误。中继器就是为解决这一问题而设计的。它完成物理线路的连接，对衰减的信号进行放大，保持与原数据相同。一般情况下，中继器的两端连接的是相同的媒体，但有的中继器也可以完成不同媒体的转接工作。从理论上讲中继器的使用是无限的，网络也因此可以无限延长。事实上这是不可能的，因为网络标准中都对信号的延迟范围作了具体的规定，中继器只能在此规定范围内进行有效的工作，否则会引起网络故障。以太网络标准中就约定了一个以太网上只允许出现5个网段，最多使用4个中继器，而且其中只有3个网段可以挂接计算机终端。2、 集线器集线器（Hub）是中继器的另一种形式，区别在于集线器能够提供多端口服务，也称为多口中继器。集线器产品发展较快，局域网集线器通常分为5种不同的类型，它将对LAN交换机技术的发展产生直接影响。单中继器网段集线器在硬件平台中，第一类集线器是一种简单中继LAN网段，最好的例子是迭加式以太网集线器或令牌环网多站访问部件（MAU）。某些厂商试图在可管理集线器和不可管理集线器之间划一条界限，以便进行硬件分类。这里忽略了网络硬件本身的核心特性，即它实现什么功能，而不是如何简易地配置它。多网段集线器多网段集线器是从第一类集线器直接派生而来的，采用集线器背板，这种集线器带有多个中继网段。如图所示，多网段集线器通常是有多个接口卡槽位的机箱系统。然而，一些非模块化迭加式集线器也支持多个中继网段。多网段集线器的主要技术优点是可以将用户的信息流量分载，网段之间的信息流量一般要求独立的网桥或路由器。端口交换式集线器端口交换式集线器是在多网段集线器基础上将用户端口和背板网段之间的连接过程自动化，并通过增加端口交换矩阵（PSM）来实现的。PSM提供一种自动工具，用于将任何外来用户端口连接到集线器背板上的任何中继网段上。这一技术的关键是“矩阵”，一个矩阵交换机是一种电缆交换机，它不能自动操作，要求用户介入。它不能代替网桥或路由器，并不提供不同LAN网段之间的连接性，其主要优点就是实现移动、增加和修改的自动化。网络互联集线器端口交换式集线器注重端口交换，而网络互联集线器在背板的多个网段之间实际上提供一些类型的集成连接。这可以通过一台综合网桥、路由器或LAN交换机来完成。目前，这类集线器通常都采用机箱形式。交换式集线器目前，集线器和交换机之间的界限已变得越来越模糊。交换式集线器有一个核心交换式背板，采用一个纯粹的交换系统代替传统的共享介质中继网段。此类产品已经上市，并且混合的（中继/交换）集线器很可能在以后几年控制这一市场。应该指出，集线器和交换机之间的特性几乎没有区别。3、 调制解调器调制解调器（Modulator / Demodulator，Modem）是网络体系结构中数据链路层的设备，它能把计算机产生出来的信息翻译成可沿普通电话线传送的模拟信号。而这些模拟信号又可由线路另一端的另一调制解调器接收，并译成接收计算机可懂的数字信号，这一简单过程扩展了计算机的通信范围。调解解调器可以分为4种：外置式、内插式、袖珍型、机架型 调制解调器的用途调制解调器能将计算机输出的原始数字信号变换成适应模拟信道的信号，我们把这个实现调制的设备称为调制器。从已调制信号恢复为数字信号的过程称为解调，相应的设备叫做解调器。调制器与解调器合起来称为调制解调器。在计算机联网中，往往需要将城市中的不同区域甚至在不同城市、不同国家的数据装置连接起来，使它们能相互传输数据。在这些远程连接中，不同的数据装置的空间距离有数公里甚至几千公里，一般用户很难为它们铺设专用的通信媒体。于是人们把眼光放在了早已遍布全球各个角落的电话网上。电话网除可用作电话通信外，还可用来开放数据传输业务。由于公司电话网最初是为适应电话通信的要求而设计的，因此它采用的是频分多路载波系统实现多个电话电路复用的模拟传输方式。每个话路的有效频带宽度为0.33.4KHz。但数据终端是“1”、“0”组合的数字信号，其频带宽度远大于一个话路的带宽。为了使这种“1”、“0”数字信号能在上述的模拟信道上传送，需要把“1”、“0”数字信号变换为模拟信号的形式，在通信的另一端作相反方向的变换以便于数据终端的接收。这种功能的转换，就需要通过使用调制解调器（Modem）来完成。4、 网卡网卡（Network Interface Card，NIC）是网络体系结构中数据链路层的设备。网卡是LAN的接入设备，是单机与网络间架设的桥梁。它主要完成如下功能：读入由其它网络设备（Router、Switch、Hub或其它NIC）传输过来的数据包，经过拆包，将其变成客户机或服务器可以识别的数据，通过主板上的总线将数据传输到所需设备中（CPU、RAM或Hard Driver）。将PC设备（CPU、RAM或Hard Driver）发送的数据，打包后输送至其它网络设备中。目前，市面上常见的网卡种类繁多。按所支持的带宽分有10M网卡、100M网卡、10/100M自适应网卡和1000M网卡。按总线类型分有PCI网卡、ISA网卡、EISA网卡及其它总线网卡。每块网卡都有唯一的物理地址作为自己的标识，地址由6个字节组成，共48位。前3个字节为厂商标识，后3个字节为网卡标识。在全球范围内物理地址是唯一的。例如00-80-C8-EC-CB-3F是D-Link的一块网卡，00-80-C8代表厂商D-Link，EC-CB-3F为网卡号。5、 网桥网桥（Bridge）也称桥接器，是网络体系结构中数据链路层的设备。如图所示，网桥是连接两个局域网的存储转发设备，用它可以完成具有相同或相似体系结构网络系统的连接。一般情况下，被连接的网络系统都具有相同的逻辑链路控制规程（LLC），但媒体访问控制协议（MAC）可以不同。网桥是数据链路层的连接设备，准确地说它工作在MAC子层上。网桥在两个局域网的数据链路层间按数据帧传送信息。网桥是为各种局域网间存储转发数据而设计的，它对末端节点用户是透明的，末端节点在其数据帧通过网桥时，并不知道网桥的存在。网桥可以将相同或不相同的局域网连在一起，组成一个扩展的局域网络。6、 交换机交换机（Switch）也称为交换器，是网络体系结构中数据链路层的设备，如图所示。1993年，局域网交换设备出现。1994年，国内掀起了交换网络技术的热潮。其实，交换技术是一个具有简化、低价、高性能和高端口密集特点的交换产品，体现了桥接技术的复杂交换技术在数据链路层操作。与网桥一样，交换机按每一数据包中的MAC地址相对简单地决策信息转发。而这种转发决策一般不考虑包中隐藏的更深的其它信息。与桥接器不同的是交换机转发延迟很小，操作接近单个局域网性能，远远超过了普通桥接互联网络之间的转发性能。交换技术允许共享型和专用型的局域网段进行带宽调整。交换机能经济地将网络分成小的冲突网域，为每个工作站提供更高的带宽。协议的透明性使得交换机在软件配置简单的情况下直接安装在多协议网络中；交换机使用现有的电缆、中继器、集线器和工作站的网卡，不必作高层的硬件升级；交换机对工作站是透明的，这样管理开销低廉，简化了网络节点的增加、移动和网络变化的操作。利用专门设计的集成电路可使交换机以线路速率在所有的端口并行转发信息，提供了比传统桥接器高得多的操作性能。在理论上，单个以太网端口对含有64个八进制数的数据包，可提供14880bps的传输速率。这意味着一台具有12个端口、支持6道并行数据流的“线路速率”以太网交换器必须提供89280bps的总体吞吐率（6道信息流14880bps/道信息流）。专用集成电路技术使得交换器在更多端口的情况下以上述性能运行，其端口造价低于传统型桥接器。7、 路由器路由器（Router）