第七章计算机网络技术

1,7.1计算机网络概述1计算机网络的概念2计算机网络的数据通讯3计算机网络的拓扑结构4计算机网络的软件系统7.2局域网与Internet网络1局域网概述2网络的传输介质3网络互联设备7.3小结,第七章计算机网络技术,2,7.1计算机网络概述(1)计算机网络的概念计算机网络是计算机和通信两种技术的重要结合，它已经成为人们生活中必不可少的部分，对社会发展有着深远的影响。计算机网络技术的发展历史并不长，但它却以惊人的速度形成、发展并得到了广泛的应用。计算机通过网络连接起来后，信息交流更加方便快捷。信息的传递可以由网络来自动完成，而不需要人的干预。,3,(2)计算机网络的数据通讯数据在网络中是以电信号的方式进行传输的。信号传输是数据在网络介质中传输的方式。数据(位或者字节)必须用某种形式表示，以便发送方发出的报文能被接收方正确地理解，这是通过编码方式完成的。有两种信号的传输方法：数字信号传输。模拟信号传输。,4,对于数字信号的传输，可以利用多种方法对数字信号进行编码。数字编码的方案主要有三种：非归零编码(NRZ)用负电压代表“0”，用正电压代表“1”。也有用零电压代表“0”，正电压代表“1”。这种编码方法的缺点是无法确定位的开始和结束，即接收方和发送方不能保持同步。曼彻斯特编码从低电压到高电压的中间跳变代表一个值，如二进制“0”；而从高电压到低电压的中间跳变则代表另一个值，如二进制“1”。该编码方法主要用于以太局域网(EthernetLAN)。差分曼彻斯特编码这种方法是改进的曼彻斯特编码。其特点是一位中间的跳变仅作为时钟，用于信号传输的同步。实际的数据是由每一位开始的边界是否存在跳变而定。每一位的开始的边界存在跳变代表“0”，不存在跳变代表“1”。差分曼彻斯特编码主要用于令牌环局域网。,5,模拟信号传输模拟信号的波形会不断发生变化。一次波形循环是先从波峰到波谷，再从波谷回到波峰的过程。为度量一个电磁波形，需用到三个参数：振幅、频率和相位。,6,将数字信号进行模拟传输时，首先需要将数字信号转换成模拟信号。为此，选取某一频率的正(余)弦模拟信号作为载波，以运载所要传输的数字信号。其方法是：用要传送的数字信号改变载波的振幅、频率或相位，然后在信道上传送，到达信道的另一端，再将数字信号从载波上取出。这种将数字信号放到载波上去的过程称为调制，而从载波上取出信号的过程称为解调。实现调制和解调两个过程的设备称为调制解调器(Modem)。模拟信号的调制方式主要有三种：振幅移位键控(ASK)、频移键控(FSK)和相移键控(PSK)。,7,信号传输方法的比较数字信号传输与模拟信号传输相比，具有以下优点：因噪声和电磁干扰导致的错误更少设备费用更低另一方面，模拟信号的传输具备下列优点：相同距离内的信号衰减程度没有数字信号大可通过多路复用技术提高带宽模拟信号的一个缺点是它更容易受到噪声和电磁波的干扰。,8,基带和宽带传输带宽在这里是指传输介质的传输容量，用数据率即每秒传输的二进制位数(bps)来衡量。在高速传输的情况下，也可用每秒兆位(Mbps)作为度量单位，即每秒传输多少兆二进制位。介质的容量越大，带宽就越高，通信能力就越强，数据率越高；容量越小，带宽越低，通信能力也就越弱，数据率越低。,9,带宽可以分割成信道。信道是带宽的一部分，用于传输数据。为对传输介质的容量进行分配，可以采用下述两种方式：基带。将全部介质带宽分配给一个单独的信道。基带通常用于数字化信号方案，尽管它也可以用于传输模拟信号。大多数局域网使用的都是基带信号。图7.4基带和宽带传输宽带。将全部介质带宽分割成多个信道。由于每个信道都能够传输一种模拟信号，所以在宽带网络中，可以利用一个单独的传输媒体实现多路同时会话。,10,基带和宽带传输,11,7.1.3计算机网络的拓扑结构网络的拓扑结构指网络中计算机和其他硬件的物理布局。网络中常用的拓扑结构主要有四种：总线型、星型、环型和网状。总线型结构:这是最简单的形式，通常应用于规模较小、简单或临时性网络。总线型网络中，所有计算机是由一根主干电缆连成一行，是一种“无源”拓扑结构。计算机沿电缆广播信息，并且每次只允许一台发送。网络中所有计算机都能接收这种信息，但只有与信息的目的地址相符的计算机才能真正接收，其他计算机尽管收到，也只是简单地忽略它。,12,总线结构的网络,总线型拓扑结构的优点：可构建简单、可靠的小型网络，易于使用和掌握。总线拓扑结构需要的电缆数量最少。扩展方便。通过一个BNC连接器，可将两条电缆连接成一根更长的电缆。利用这种方式，可以将更多的计算机连入网络。可用中继器扩展总线网络。中继器能放大信号，允许更长距离的传输。,13,星型结构在星型网络中，每台计算机由电缆连接到一个集中的站点上，可以是集线器(Hub)或交换机(Switch)。集线器能将所有计算机的报文转发给其他所有计算机(在广播式星型网络中)或者只发给目标计算机(交换式星型网络中)。,星型拓扑结构,14,应用软件是星型网络拓扑结构的优点：星型网络可以提供集中的资源管理。网络易于扩展和维护。故障易于隔离。如果某台计算机发生故障，整个网络不会受到影响。集线器可以检测到网络故障，并隔离有问题的计算机或网络电缆，网络的其余部分可正常运行。星型网络拓扑结构的缺点是要求中央节点的可靠性较高。如果中央节点失败，整个网络就会瘫痪。指解决某一应用领域问题的软件，如财会软件、通信软件、科技计算、计算机辅助制造（CAD/CAM）软件。两类软件相互融合交叉。,15,环型拓扑结构环型拓扑结构是用一根封闭的电缆环连接网络中各计算机，构成一个逻辑环。信号在环上单向传输，经过每个计算机。环型网中，数据的传送一般采用令牌传递的方法。令牌(Token)是一个特殊的指令字，当一个计算机要发送数据时，须先得到空闲的令牌，并对其进行修改，才能发送数据。接收方在收到数据后，通知发送方进行确认，这样，发送方重新释放一个新的空闲令牌，并把它发送到网络上。环型网的应用场合包括高性能网络、要求预约带宽，以便提供同步性要求很高的信息，如视频和音频信号等.,16,环型拓扑结构,环型拓扑结构的优点：每台计算机都有相同的令牌访问权限，没有一台计算机能独占网络。由于公平共享网络资源，所以随着用户的逐渐增多，网络性能的下降是均匀的。,17,7.1.4计算机网络的软件系统建设一个计算机网络，除了构成计算机网络的硬件设备以外，还需要网络操作系统和网络应用软件。网络操作系统完成网络资源的管理，网络应用软件在网络操作系统的基础上向用户提供各种网络应用网络操作系统网络操作系统除了具有一般操作系统的基本功能以外，还能够提供网络服务，如文件和打印机共享以及用户账户管理等。在局域网中，计算机一般可分为三种类型：服务器。用来提供共享资源和服务。客户机。访问服务器提供的共享资源和使用服务器提供的服务。对等计算机。能同时使用和提供共享资源。,18,网络中，如果所有计算机都是平等的，既充当服务器提供服务，又可作为客户机使用服务，这样的网络称为对等网络。如果有几台计算机专门充当服务器，不再作为客户机，这样的网络称为客户/服务器网络。大多数情况下使用的是混合型网络，即混合客户/服务器及对等网络特征的一种网络。(1)对等网络对等网络的特点是整个网络没有中央控制手段，网络中没有专门的服务器，用户只能简单地共享磁盘空间和硬件资源。这样可以降低网络的费用。,19,(2)客户/服务器网络这种类型网络的主要特征是网络中存在着专门的服务器，它提供集中的管理机制和安全控制。客户机和服务器分别完成不同的处理任务。客户机请求服务，如打印、文件下载等，而服务器提供服务。与客户机相比，服务器的运算能力通常很强，或者具有优化的体系结构。服务器的硬件和软件费用比较昂贵，对服务器的维护一般需要一名专职的网络管理员。,20,(3)混合网络混合网络中不仅有专门的服务器和客户机，还有既提供服务又使用服务的对等计算机。这样，大部分共享资源都存在服务器里，但网络用户仍然有权访问工作组里由对等系统共享的任何资源。混合型网络中，用户和管理员可根据共享资源的重要程度控制安全防护级别。,21,网络应用软件网络操作系统实现了对网络资源的管理并为网络应用提供了基础。但为了更好地满足工作需要，还需要其他各种网络软件，如文件服务器提供文件的存取服务，邮件服务器提供电子邮件收发、存取服务，网络数据库系统提供数据库服务，打印服务器提供了打印机的共享等。此外，还有其他各种网络应用软件，如网络财务系统、网络办公系统、网上信息发布系统、基于网络的信息管理系统等。,22,7.2.1局域网概述局域网(LocalAreaNetwork)技术的出现，很大地扩展了个人计算机的能力。它的迅速发展，使其可以完成很多单机所无法胜任的工作，如：共享文件和数据在局域网中，可选择一台特殊的计算机保存共享信息，使其他计算机可以利用网络访问这台计算机的信息，同时也便于对信息的集中管理和控制。通常，将这种计算机称为服务器(Server)。,7.2局域网与Internet网络,23,共享硬件资源没有联网的计算机不能有效地共享资源。例如单机环境里，只有与打印机直接相连的计算机才能进行打印工作，其他用户如果要打印，就必须将自己的数据保存到软盘里，然后拿着软盘到连有打印机的计算机上打印。共享软件资源软件资源可以通过网络得到更加有效的应用。在单机环境里，每台计算机必须分别安装各自所需要的软件。如果计算机数目较多，会大大增加软件的费用。通过网络，可以集中安装和配置软件，这也极大地减少了管理人员的工作量。,24,信息存储在网络里，信息可以备份到一个中央位置。在没有备份的独立的单机环境里，操作失误或偶然的事故可能会丢失重要信息。在网络环境中，可以定期将数据备份到服务器，一旦数据丢失，就可以用备份的数据进行恢复,25,传输介质把网络中的各种设备互连在一起，是数据在网络上传输的通路。网络的常用传输介质可分为有线介质和无线介质。有线介质有同轴电缆、双绞线、光缆等；无线介质是利用无线电波在自由空间的传播，实现多种通信，主要有微波通信、卫星通信等。,7.2.2网络的传输介质,26,同轴电缆同轴电缆(CoaxialCable)在生活中使用很普遍，有线电视和音响器材中都使用它。同轴电缆由内导体铜质芯线、绝缘层、网状编织的外导体屏蔽层以及保护性塑料外壳组成。由于外导体的屏蔽层作用，同轴电缆具有很好的抗干扰特性。,27,下面列出网络工程中使用的部分同轴电缆类型：50，RG-8和RG-11，用于粗缆以太网(ThickEthernet)。50，RG-58，用于细缆以太网(ThinEthernet)。75，RG-59，用于有线电视。90，RG-62，用于ARCnet。,28,双绞线双绞线(TP)是目前局域网中最常使用的电缆形式，它由两条相互绝缘的铜线按一定扭矩扭绞而成。成对线的扭绞是为了使电磁辐射和外部电磁干扰减到最小。通常将一定数量的这种双绞线捆成电缆，在外面包上硬的护套，如图7.11所示。双绞线被广泛应用于许多领域，具有很多不同的设计形式，所有的双绞线电缆可以分为两大类：无屏蔽双绞线(UTP)和屏蔽双绞线(STP)。,29,无屏蔽双绞线(UTP)非屏蔽双绞线由一对或几对塑料封装的绝缘电线对组成，没有屏蔽双绞线的屏蔽层。因此，也就比屏蔽双绞线价格便宜，抗噪声能力也相对较差。IEEE将UTP命名为10BaseT，其中10代表最大传输速度为10Mbps，Base代表采用基带传输方法传输信号，T就是UTP。屏蔽双绞线(STP)为了提高双绞线的抗干扰能力，在双绞线与外面的硬皮保护套之间加一种金属箔制成的屏蔽层，就形成了屏蔽双绞线。屏蔽层上的噪声与双绞线上的噪声反向，两者相互抵消以达到屏蔽噪声的能力。,30,光纤光纤通信已经成为通信技术的一个重要领域。光纤通信就是利用光导纤维传递光脉冲来进行通信，其传输带宽很大，并且不受电磁干扰的影响。利用光纤传输信号时，发送端光源可以采用发光二极管或半导体激光器，它们在电脉冲的作用下能产生光脉冲，在接收端利用光电二极管作为光检测器，检测到光脉冲时可以还原出电脉冲。,31,光纤通常由非常透明的石英玻璃拉成细丝，主要由纤芯和包层以及塑料保护涂层组成。根据光在光纤中的传播方式，光纤有两种类型：多模光纤和单模光纤。只要进入光纤的光线的入射角大于某一临界角度就会发生全反射，也就可以存在多条入射角不同的光线在同一光纤中传播，这种传播模式就称为多模光纤。在多模光纤中，几种光信号通过多次内部反射沿纤芯传播，而在单模光纤中，由于纤芯直径减小到只有一个光的波长，单个频率的光线就沿直线传播而没有折射。单模光纤的传输速度快，衰耗小，传输距离长，在2.5Gbps的速率下可传输数十公里而不必采用中继器。,32,光纤具有吞吐量大、损耗小、抗噪性好、安全性高等优点，在主干网络中被普遍采用，随着网络技术的发展，光纤性能价格的提高，将逐渐成为通讯领域最重要的传输介质。,光纤的工作原理,33,无线传输与其他的数据传输方式如同轴电缆、双绞线、光纤等不同，无线传输方式使用无线电波作为数据传输介质，不需要在数据的发送方和接收方之间“拉线”，所以无线传输方式具有其他传输方式所没有的优势：费用低廉。不需要在数据的接收方和发送方之间布线，直接使用无线收发器进行数据传输，可以节省大量的线缆设备费用和线缆铺设工程费用。机动灵活。一般来说，使用线缆的网络，一旦线缆铺设好后，就不能再做大的调整，比如更改网络拓扑结构、改变服务器或工作站的位置，这对有些应用领域，比如战场、野外勘探、野外科学考察等来说是不行的。无线传输具有相当的灵活机动性，特别适宜于战场等不适合铺设线缆的应用领域。,34,7.2.3网络互联设备网卡网卡(NIC)，也叫做网络适配器，是一种外设卡，它插入到计算机主板的扩展槽中，并与网络电缆相连。计算机之间通过网卡进行网络通信。网卡可完成网络通信所需的各种功能，能将数据从计算机内保存的格式转换成在电缆上传输的格式，并提供与网络的物理连接。,35,网卡的工作原理网卡从计算机的主板接收准备发送的数据，将数据保存到一个小容量的RAM中，这个区域叫做缓冲区。缓冲区内的数据随后被以数据块的形式移至一块特殊的芯片，该芯片专门用来负责计算数据块的校验和，并添加地址信息，这种地址信息同时包括了目的网卡的地址以及它自己的地址，从而指出数据从哪来、要到什么地方去。经过处理的数据被称为帧或数据帧。以太网卡出厂的时候，已经在内部固化了自己的地址，称MAC地址。局域网上的计算机利用MAC地址表示自己和他人的身份。MAC地址通常存储在网络接口卡NIC中，,36,MAC地址位于OSI参考模型的数据链路层，以太网的MAC地址长度为48位。以太网的MAC地址表示方式：十六进制表示，例如：51-64-ab-21-ac-c8。惟一性保证：以太网的MAC地址由专门的组织负责分配，前24位生产厂家标识符，后24位厂家分配的序号，用Ipconfig/all指令可查PC机的ac地址。在以太网中，网卡会监听网络是否空闲：如果空闲，表明没有其他网卡在传送数据，然后就开始发送自己的数据。注意，这时是每次发送一个二进制位。首先发送的是地址信息，然后是实际的数据块，最后是校验和。,37,集线器集线器(HUB)是一种将多台电脑通过传输介质连接在一起的网络硬件设备。它具有信号放大的功能，通过一个端口接收信号然后再发送至其他所有端口，使用集线器可以延长世纪的网络距离。集线器可以支持各种不同的传输介质和传输速率，目前大多数集线器都采用RJ-45数据端口，其端口数可以是4、8、12、16、24和48个，而用于集线器之间连接的上行连接端口可以采用同轴电缆的BNC接口，也可以采用光纤的F/O接口。,38,交换机交换机（Switch），是集线器的升级换代产品，是一种工作在OSI第二层(数据链路层)上的、基于MAC(网卡的介质访问控制地址)识别、能完成封装转发数据包功能的网络设备。它通过对信息进行重新生成，并经过内部处理后转发至指定端口，具备自动寻址能力和交换作用。交换机可以将MAC地址存放在内部地址表中，通过在数据帧的始发者和目标接收者之间建立临时的交换路径，使数据帧直接由源地址到达目的地址。交换机上的所有端口均有独享的信道带宽，以保证每个