第1章 计算机网络基础知识课件

第1章

计算机网络基础知识1互联网是人类智慧的结晶，20世纪的重大科技发明，当代先进生产力的重要标志。互联网深刻影响着世界经济、政治、文化和社会的发展，促进了社会生产生活和信息传播的变革。

《2010中国互联网状况》白皮书指出，中国政府充分认识到互联网对于加快国民经济发展、推动科学技术进步和加速社会服务信息化进程的不可替代作用，高度重视并积极促进互联网的发展与运用。2本章学习要求：了解：计算机网络的形成与发展掌握：计算机网络的定义掌握：计算机网络的拓扑构型掌握：计算机网络的分类方法了解：计算机网络应用的主要领域了解：计算机网络应用带来的社会问题3第1节计算机网络概述

计算机网络（ComputerNetwork）是利用通信线路和通信设备，把分布在不同地理位置的具有独立功能的多台计算机、终端及其附属设备互相连接，按照网络协议进行数据通信，利用功能完善的网络软件实现资源共享的计算机系统的集合。计算机网络是计算机技术与通信技术结合的产物。4第1节计算机网络概述计算机网络是将若干台独立的计算机通过传输介质相互物理地连接，并通过网络软件逻辑地相互联系到一起而实现信息交换、资源共享、协同工作和在线处理等功能的计算机系统。计算机网络给人们的生活带来了极大的方便，如办公自动化、网上银行、网上订票、网上查询、网上购物等等。计算机网络不仅可以传输数据，更可以传输图像、声音、视频等多种媒体形式的信息，在人们的日常生活和各行各业中发挥着越来越重要的作用。目前，计算机网络已广泛应用于政治、经济、军事、科学以及社会生活的方方面面。5第1节计算机网络概述

计算机网络的基本概念“网络”主要包含连接对象（即元件）、连接介质、连接控制机制（如约定、协议、软件）和连接方式与结构四个方面。6第1节计算机网络概述

计算机网络的功能1.计算机系统的软、硬件资源共享2.信息共享，进行数据信息的集中和综合处理3.通信，电子邮件、网络电话、视频聊天等4.均衡负载与分布处理，通过网络中数据的集中或分式处理，可让计算机协同工作均衡负载5.系统的可靠性和安全性，网络中的计算机通过网络互为后备。7第1节计算机网络概述

计算机网络的基本应用1.在教育科研中的应用2.在办公中的应用：办公自动化3.在商业上的应用：电子商务4.通信、娱乐上的应用8第2节计算机网络的产生与发展1、面向终端的第一代计算机网络使用线路控制器的计算机网络主机是网络的中心和控制者，终端(键盘和显示器，本身没有计算能力)分布在各处并与主机相连，用户通过本地的终端使用远程的主机。9通过多重线路控制器，一台计算机可以通过公用电话网与多个终端相连。线路的利用率不高。10使用前端处理机的计算机网络多重线路控制器和线路控制器要占用大量的计算机资源，使计算机增加了相当大的额外开销。因此，在线路控制器和多重线路控制器投入使用之后，人们又研制出了前端处理机（FrontEndProcessor，FED），简称为前端机。前端机可以完成全部的通信任务，而将计算机主机解放出来专门进行数据的处理，这样就大大减轻了计算机的额外开销。1112使用集中器的计算机网络线路的利用率不高。为了节约通信费用，可在远程终端密集的地方安装一个集中器（concentrator）。集中器也是一种通信处理机，它的一端用多条低速率线路与各终端相连，另一端则用一条高速率线路与计算机相连。13线路控制器、前端机和集中器的使用，标志着第一代计算机网络的问世。第一代计算机网络是面向终端的，是一种以单个主机（计算机）为中心的星型网络，各终端通过通信线路共享主机的硬件和软件资源。142、计算机网络通信网络第二代计算机网络强调网络的整体性，用户不仅可以共享与之直接相连的主机的资源，而且还可以通过通信子网共享其他主机或用户的软、硬件资源。每台计算机都有自己的CPU、内存和外部设备，每台计算机都是一个独立的系统，可以独立运行。1516(1)、资源子网组成：由拥有资源的主机、请求资源的用户终端、终端控制器、通信子网的接口设备、软件资源和数据资源组成。(１)主机(Host)---大型机、中型机、小型机、工作站或微型机、主机通过高速线路与通信子网的通信控制器相连接。(２)终端(Terminal)---简单输入、输出设备或智能型终端。基本功能：负责数据处理、提供网络资源和网络服务，实现资源共享。17(2)、通信子网组成：通信控制处理机CCP，通信线路。(１)CCP：在数据通信系统中专门负责网络中数据通信、传输和控制的专门计算机或具有同等功能的计算机部件。CCP又称为网络节点，它一方面作为资源子网的主机，终端的接口节点；另一方面又担负着通信子网报文分组的接收、校验、存储、转发等任务。CCP实际上也是一种计算机，运行相应的软件来完成通信功能。18(２)通信线路---数据通信的通道，有有无线信道和有线信道之分。有线信道包括架空明线、双绞线、同轴电缆、光导纤维等，无线信道包括无线电、微波、卫星通信等。基本功能：负责全网的数据传输,转发及通信处理等工作，提供用户入网接口。19计算机与计算机之间连接起来，实现资源共享和数据通信。以ARPANET为代表，将计算机网络分成通信子网和资源子网。通信子网完成全网的数据传输和转发，资源子网承担全网的数据处理业务。一个很重要的思想：分组交换。是真正意义上的现代计算机网络。203.计算机互联网络21

20世纪70年代以后，随着计算机网络体系结构和计算机网络互联标准问题的解决，出现了开放系统互联参考模型及网络协议，促进了符合国际标准化的计算机网络技术的发展。这种“开放式的标准化计算机网络”目前仍被广泛应用。224、以高速和多媒体应用为核心的第四代计算机网络第四代计算机网络是在进入20世纪90年代后，随着数字通信的出现而产生的，其特点是综合化和高速化。综合化是指采用交换的数据传送方式将多种业务综合到一个网络中完成。例如人们一直在使用一种与计算机网络很不相同的电话网传送语音信息，但是，现在已经可以将多种业务，如语音、数据、图像等信息以二进制代码的数字形式综合到一个网络之中进行传送。23网络的高速化在近年来显得非常突出。例如以太网的速率，在短短的十几年间就从当初的10Mbit/s(bps)，发展到后来的100Mbit/s、1000Mbit/s，现在运行速率达到10000Mbit/s的万兆以太网也得到了广泛应用。传输速度是多少个比特，而非字节。网络向综合化和高速化发展关键有两个原因：技术发展和应用需求。1993年9月15日，美国政府发布了一个在全世界引起很大反映的文件——《国家信息基础设施（NII）行动计划》。NII是NationalInformationInfrastructure的缩写，为此该文件也称为“NII行动计划”，也被通俗地称为“信息高速公路”。24第3节计算机网络的组成计算机系统（服务器、工作站）传输线路和设备（双绞线、同轴电缆、光纤；无线电、微波、红外线）（网络适配器、中继器、集线器、交换机、路由器、网关）网络协议：通信双方必须共同遵守的约定和通信规则网络软件，包括网络操作系统和网络应用软件25第4节计算机网络的拓扑构型

一、计算机网络拓扑的定义把工作站、服务器等网络单元抽象为“点”，把网络中的电缆等通信媒体抽象为“线”，从拓扑学的观点看计算机和网络系统，就形成了点和线组成的平面几何图型，从而抽象出网络系统的具体结构。我们称这种采用拓扑学方法抽象出来的结构为计算机网络的拓扑结构。拓扑是一种研究与大小和形状无关的点、线、面特点的方法。26计算机网络拓扑是通过网中结点与通信线路之间的几何关系表示网络结构，反映出网络中各实体间的结构关系。计算机网络拓扑主要是指通信子网的拓扑构型。27二、计算机网络拓扑的分类1．星形结构28组成原理：各节点由单独的链路与中心节点相连，除中心节点外任何两个节点间无直接连通的链路，分节点间的通信必须通过中心节点间接实现。优点：结构简单、构造容易、便于管理和访问协议简单。缺点：中心节点负担过重，对中心节点的可靠性要求高，通信线路总长度长，费用高，安装、维护麻烦。最基本的结构形式，如：实验室机房。292．总线形结构把各个计算机或其他设备均连接到一条公用的总线上，各个计算机公用这一总线，而在任何2台计算机之间不再有其他连接，一般用同轴电缆。30组成原理：采用单根传输线作为传输介质，所有站点都通过相应的硬件接口直接连到总线上；任一站点发送的信号都可以沿介质传输且能被其它所有站点接收（广播式），但只有目的站点真正接收，其它的站点丢弃，即同一时刻只能由两台计算机通信。优点：电缆长度短、信道利用率较高、可靠性高、易于扩充、某个结点的故障不影响网络的工作。缺点：总线的物理长度和容纳的站点数有限，多用于组建局域网。313．环形结构环形结构网络是将各个计算机与公共的线缆连接，同时线缆的首尾连接，形成一个封闭的环，信息在环路上按固定方向绕环逐站流动（数据传输具有单向性）。

假设数据传输的方向为逆时针，则有上游端用户和下游端用户之分。例如，在图中，用户N是用户N+1的上游端用户，N+1是N的下游端用户。如果N+1端需将数据发送到N端，则几乎要绕环一周才能到达N端。

32组成原理：各主机分别连接到一个闭合环上，信息在环路上按固定方向绕环逐站流动（数据传输具有单向性）。优点：结构简单，传输路径长度较短，最大延迟确定，实时性较好。缺点：某个节点出错（或者某一处断开）可能会终止全网运行，即可靠性较差；同时扩充困难（需对全网拓扑和访问机制进行调整所致）。334．树形结构树形结构网络是天然的分级结构，它包括根结点和各分支结点，又被称为分级的集中式网络。组成原理：各节点按层次进行连接，处于越高层次的节点，其可靠性要求越高。优点：这种结构总线路长度较短，容易扩展和进行故障隔离。缺点：但结构比较复杂且对根的依赖性太大。34355．网状拓扑结构又称为不规则型，网络中各节点的连接没有一定的规则，一般当节点地理分散，每个结点至少有两条链路与其他结点相连，任何一条链路出故障时，数据报文仍可经过其他链路传输，可靠性较高。目前大型广域网均采用这种结构，也是提高可靠性的目的所在。3637组成原理：一般又分有规则形和无规则形。优点：最大特点是可靠性高，因为节点间存在着冗余链路，某个链路出了故障，还可选择其它。缺点：但通信线路长、成本高、路径控制复杂。38值得说明的是，实际中网络的结构更多的是几种拓扑结构的混合。如“星—环”结构、“星—总”结构和“树—总”结构等。39第5节计算机网络的分类计算机网络的分类方法依据对问题描述角度的不同而有几种。常用的分类方法有：按网络覆盖的地理范围分类，按网络的拓扑结构分类，按传输介质分类，按传输技术分类。40一、根据网络覆盖范围进行分类

1．局域网（LAN）局域网（LocalAreaNetwork）LAN也称为局部网络，一般是将一个相对较小区域（一般在几百米到几千米以内）内的计算机通过高速通信线路相连（现在传输速度一般在10Mbit/s以上）后所形成的网络。41特点：它适用于公司、机关、校园、工厂等有限范围内的计算机、终端与各类信息处理设备连网的需求；提供高数据传输速率（10Mbps～10Gbps）、低误码率的高质量数据传输环境；覆盖范围为一个房间、一栋楼、一个单位内等。一般属于一个单位所有，易于建立、维护与扩展。422．城域网（MAN）城域网（MetropolitanAreaNetwork，MAN），基本上是一种大型的LAN，通常使用与LAN相同的技术。顾名词义：一个城市范围内的网络，一般在100公里范围内。它既可能是公用网，也可能是专用网。MAN可以支持数据和语音，还可能涉及有线电视网。433．广域网（WAN）广域网（WideAreaNetwork，WAN）也称为远程网络，指作用范围通常为几百千米到几千千米的网络。简单地说，广域网是将多个局域网互联后所产生的范围更大的网络，各局域网之间既可以通过速度较低的电话线进行连接，也可以通过高速电缆、光缆、微波天线或卫星等远程通信方式连接。Internet就是一个全球范围内的广域网。一个国家、一个地区、全球互联网等。44二、根据网络传输技术进行分类网络可分为以下两种：1．点对点通信网点对点通信网（Point-to-PointNetworks）是网络采用点对点的连接方式，利用线路把两个站点连接起来（由一对对机器之间的多条连接构成，在每对机器之间都有一条专用的通信信道），信息只能由发出信息的计算机(信源)发往接收信息的计算机(信宿)，其他站点接收不到这些信息。（一对一链接，如电话，通话那一刻，两者之间建立了一对一链接，过程：先拨号建立连接、通话、撤消连接。）45例如以后涉及到的交换式局域网就是这种类型。如星型拓扑结构的网络。2．广播式通信网广播式通信网（BroadcastNetworks）是通过一个公用的传播介质把各个计算机连接起来，主要有：以同轴电缆作为主干线连接起来的总线形网；以微波、卫星方式通信的广播式网络，适用于广域网。一对多链接。如：收音机，老师讲课，手机通信。46第6节有线传输和无线传输有线传输和无线传输有线传输就是用线缆传输信息，如光纤，同轴电缆，双绞线等无线传输是利用电磁波。传输介质的主要类型类型：双绞线、同轴电缆、光纤电缆、无线与卫星通信信道。471、概述双绞线（twistedpairwire）：顾名思义，双绞线是两条绞合起来的导线。是综合布线工程中最常用的一种有线传输介质。特点：价格便宜、性能优良和使用方便。一对双绞线一般由两根22～26号绝缘铜导线相互缠绕而成。把两根绝缘的铜导线按一定密度互相绞在一起，可降低信号干扰的程度，每一根导线在传输中辐射的电波会被另一根线上发出的电波抵消。把一对或多对双绞线放在一个绝缘套管中便成了双绞线电缆。48根据外层是否有屏蔽层，双绞线可分为非屏蔽双绞线（unshildedtwistedpair，UTP）和屏蔽双绞线（shieldedtwistedpair，STP）。49在计算机网络中使用的双绞线通常由四对组成，图中的双绞线颜色分别为：橙白、橙，绿白、绿，蓝白、蓝，棕白、棕。4对UTP双绞线有8根线，分成两组，每一对由一根正线和一根负线组成。其中一对线支持发送，另一对支持接收。在大多数的局域网中，不使用其他的线。50可以按照传输信号的质量分为5类，其中3类、4类和5类在计算机网络系统中比较常用。3类双绞线的上限频率是16MHz，适合于传输10Mb/s的数据，在一般总线型局域网中用得很普遍。4类双绞线的上限频率是20MHz，适合于传输16Mb/s的令牌环网数据。5类双绞线的上限频率是100MHz，适合于传输100Mb/s的100Base-T快速以太网数据。51一般而言，按照TIA/EIA568A和TIA/EIA568B标准，RJ-45接头的电缆线对连接和排列有两种不同的方法。在TIA/EIA568A标准中，线对顺序为白绿、绿、白橙、蓝、白蓝、橙、白棕、棕；在TIA/EIA568B标准中，线对顺序为白橙、橙、白绿、蓝、白蓝、绿、白棕、棕。52二者没有本质的区别，只是颜色上的不同。本质的问题是要保证：1，2线对是一个绕对；3，6线对是一个绕对；4，5线对是一个绕对；7，8线对是一个绕对。53引脚号色标信号定义1白绿Rx+(接收)2绿Rx-(接收)3白橙Tx+(发送)4蓝未使用5白蓝未使用6橙Tx-(发送)7白棕未使用8棕未使用543、不同连接方法及用途RJ-45连接线一般有2种：直通（straight-over）、打纽（cross-over）。（1）直通电缆一般用来工作站与集线器（或交换机）之间或配线架与集线器（或交换机）之间的连接，线缆两端的RJ-45接头中的线序完全相同（都是TIA/EIA568Ａ或都是TIA/EIA568B）。5556接收一正发送一正（白橙）线#1接收一负发送一负（橙）线#2发送一正接收一正（白绿）线#3不使用不使用（蓝）线#4不使用不使用（白蓝）线#5发送一负接收一负（绿）线#6不使用不使用（白棕）线#7不使用不使用（棕）线#8DCEDTE57（2）打纽电缆一般用于集线器（或交换机）与集线器（或交换机）之间的连接，线缆两端的RJ-45接头中的线序不同（一端是TIA/EIA568A，而另一端是TIA/EIA568B）。在很多情况下，常常需要将两台终端设备（两台计算机互连）直接连接，此时，必须保持电缆物理连接的极性，正负电压必须分开，即发送线对与接收线对交叉。交叉的惟一连接是正发送(T+)到正接收(R+)和负发送(T-)到负接收(R-)。这样的电缆连接又称为交叉连接5859接收一正（白绿）11发送一正（白橙）线接收一负（绿色）22发送一负（橙色）线发送一正（白橙）33接收一正（白绿）线不使用（蓝色）44不使用（蓝色）线不使用（白蓝）55不使用（白蓝）线发送一负（橙色）66接收一负（绿色）线不使用（白褐）77不使用（白褐）线不使用（褐色）88不使用（褐色）线DTEDTE604、RJ-45网线接头制作工具为用于制作双绞线RJ-45接头的两款压线钳。615、制作双绞线不管如何接线，最后完成后用RJ-45测线仪测试时，8个指示灯都应依次闪烁。62三、同轴电缆典型的同轴电缆（CoaxialCable）由一根内导体铜质芯线外加绝缘层、密集网状编织导电金属屏蔽层以及外包装保护塑胶材料组成，其结构如下图所示。同轴电缆正逐步退出局域网的使用舞台。目前，同轴电缆大都用来传输有线电视信号。传输基带信号的基带同轴电缆其传输距离一般不超过几千米，以RG58(50Ω同轴电缆)为例，在10Base-2物理层规范中，同轴电缆以10Mb/s的速度进行信号传输时其距离最大为185m。宽带同轴电缆最大传输距离可达几十千米。63四、光纤64光纤是一种利用光的全反射原理制造的玻璃纤维制品。65(1)单模光纤SMF（Singlemodefiber）单模光纤又称为细光纤，或称为轴路径光纤。细光纤的工作原理是，光束是沿光纤的轴径进行传播（轴路径传播方式）的。如图2-16所示。由于光束是沿直线传播的原故，致使单模光纤的信息传输量有限，但它却能进行远距离的传输，单段单模光纤的有效距离最长可达100KM。

66(2)多模光纤MMF（MultiModeFiber）多模光纤又称为粗光纤，或称为非轴路径光纤。粗光纤的工作原理是，光束是以不同的角度进入光纤管道，并沿光纤管道壁间以反射（折射）的方式进行传播（非轴路径传播方式）。如图2-17所示。由于光的折射，致使光束在非轴路径光纤中的传播距离比沿轴路径进行的直线传播的距离要长得多，所以多模光纤的传输速率比单模光纤的速率慢，而且传输距离也较近，一般单段多模光纤只能传输2-3公里距离，若希望有1000Mbps的带宽，则单段多模光纤的长度不得超过600米。这里的“模”，即“射线”的含义。单模光纤中只有一条（单条）射线，多模光纤中有多条射线。多模光纤价格便宜，多用于低速率、短距离(2km以内)的场合；单模光纤价格贵，比多模光纤更难制造，适用于高速率、长距离（200km）的场合。67这里的“模”，即“射线”的含义。单模光纤中只有一条（单条）射线，多模光纤中有多条射线。多模光纤价格便宜，多用于低速率、短距离(2km以内)的场合；单模光纤价格贵，比多模光纤更难制造，适用于高速率、长距离（200km）的场合。单模光纤多模光纤用于高速率，长距离用于低速率，短距离成本高成本低窄芯线，需要激光源宽芯线，聚光好耗损极小，效率高耗损大，效率低单模光纤和多模光纤特性对比表68光纤的优点是频带宽、传输速率高、传输距离远、抗冲击和电磁干扰、数据保密性好、损耗和误码率低、体积小、重量轻等；光纤的缺点是连接和分支困难、工艺和技术要求高、需要配备光/电转换设备、单向传输等。在实际通信线路中，一般把多根光纤组合在一起形成不同结构形式的光缆，光缆的结构大致可分为缆芯（CableCore）和保护层（Sheath）两大部分，下图为四芯光缆剖面的示意图。69五.无线与卫星通信技术一、电磁波谱与移动通信70无线电波、微波和光波实质上都是电磁波，只不过他们在电磁波的波谱上分布不同而已。一般地讲，它们之间的区别仅仅是频率(与波长成反比)的大小。它们不仅可以在包含空气在内的空间中传播，也可以在其他介质中传播。只不过不同的波由于其波长不同在不同的介质中能够传输的距离不同。例如无线电波中的长波(波长在3000m以上)就可以和在海水中的潜水艇通信，而波长较短的无线电波则不行了。无线电波的波长较长，具有一定的绕射作用，几何尺寸小于波长的物体对于无线电波都没有阻挡作用。71不同传输的介质可以传输不同频率的信号。例如：双绞线可以传输低频和中频信号，同轴电缆可以传输低频到特高频信号，光纤可以传输可见光。72二、无线通信即传统意义上的利用无线电波进行通信。频段范围较广，国际通信组织对不同的频段规定了特定的服务。高频无线电信号由天线发出后，沿两条路径在空间传播。地波沿地球表面传播，传播的距离比较有限，大约在几百公里的范围内。73电离层反射：天波则在地球与地球电离层之间来回反射。所传播的距离可以达到几千公里的地方。易受干扰，易受天气的影响。但技术成熟，应用广泛74三、微波通信

（MicrowaveCommunication）微波又叫超高频无线电波(超短波)，是无线电波中波长最短的一个波段，其波长范围是3cm~3m。微波在空间主要是直线传播，并且能穿透电离层进入宇宙空间，一般只有50km左右，长途通信时必须建立多个中继站，中继站把前一站发来的信号经过放大后再发往下一站，类似于“接力”，如果中继站采用100m高的天线塔，则接力距离可增大到100km。。