第1章 计算机网络基础

计算机网络实用教程计算机系：周炎涛本课程的性质、特点和任务21世纪人类迎来了以知识经济为主体的信息社会时代。知识经济的重要特征是信息化和全球化。实现信息化和全球化的基础设施就是全球网络，包括电信网络、电视网络和计算机网络，而在信息化过程中起核心作用的则是计算机网络。《计算机网络》课是教育计算机技术与应用专业（或计算机网络专业）的一门专业基础课，其内容的理论性和实践性都较强，涉及的知识面较广。在学习该课程前，学生一般应具有一定的计算数学、数字逻辑电路、计算机系统结构、计算机原理、计算机软硬件知识及与通信相关的技术知识。本课程的任务是通过学习能够在已有的计算机知识的基础上，对网络技术有一个较全面地、系统地了解，提高自己的网络理论知识、网络应用和实际操作能力，为后续课程的学习和将来的工作打下良好的基础。本课程的教学目的能对计算机网络技术有一个较全面和系统地了解，掌握计算机网络的基本知识和基本理论，在此基础上了解和掌握计算机网络的实际应用技术和网络的发展趋势，掌握简单计算机网络的安装、调试、使用、管理和维护能力。本课程的教学授课教材：教育部规划教材授课计划：48学时理论学习+16学时实验+课程设计授课内容：教材第1章------第10章关于本课程的问题实验作业课程设计考试：期末（80%）+平时（20%）参考文献[1]胡道元编著，计算机局域网，北京，清华大学出版社，1998年4月（第2版）。[2]AndrewS,Tanenbaum著，熊桂喜，王小虎等译，计算机网络（第3版），北京，清华大学出版社，1998年7月。[3]黎洪松，裘晓峰编著，网络系统集成技术及其应用，北京，科学出版社，1999年11月。第1章计算机网络基础计算机网络是计算机技术和通信技术相互渗透共同发展的产物：1.通信网络为计算机之间的数据传输提供了必要的手段。2.计算机技术又提高了通信网络的各种性能。1．1基本概念1.1.1计算机网络的定义与功能计算机网络的定义：（三种观点）广义的观点：计算机技术与通信技术相结合，实现远程信息处理以进一步达到资源共享的系统。（说明了计算机网络的特点）如：五十年代出现的“终端－－计算机”网和六十年代后期出现的“计算机－计算机”网以及目前的分布式计算机网都是计算机网络。

资源共享的观点：以资源共享为目的，用通信线路连接起的具有独立功能的计算机系统的集合。（美国信息处理学会联合会在1970年春季计算机联合会议上提出的）（也说明了计算机网络的特点）用户透明性观点：计算机网络是“存在一个能为用户自动管理资源的网络操作系统，由它来调用完成用户任务所需的资源，而整个网络对用户是透明的。（提出了网络操作系统，对计算机网络的功能提出了更高的要求）前两种观点都只从某一角度说明了计算机网络的特点，只有第三种观点，才是真正说明了网络的内涵。计算机网络定义计算机网络是利用通信线路将地理位置分散的、具有独立功能的许多计算机系统连接起来，按照某种协议进行数据通信，存在一个能为用户自动管理资源的网络操作系统，以实现资源共享的信息系统。计算机网络重要功能：

1.实现资源共享。它包括硬件资源，软件资源和信息资源。2.用户间的信息交换。可以通过计算机网络传送电子邮件、进行电子数据交换、发布新闻消息等，极大地方便了用户。3.提高计算机的可靠性和可用性计算机连成网络之后,各计算机可以通过网络互为后备,当某处计算机发生故障后,便可通过网络由别处的计算机代为处理。另一方面当网络中计算机负担过重时,可将作业传送给网络中另一较空闲的计算机去处理，从而减少了用户的等待时间、均衡了各计算机的负担。4.实现分布式处理大型课题，分为许许多多的小题目，由不同的计算机分别完成，然后再集中起来，解决问题。

1.1.2计算机网络的演变和发展计算机技术与通信技术紧密结合,相互促进,共同发展,结果便产生了计算机网络。三个阶段:第一阶段是面向终端计算机网络,出现在五十年代(计算机和通信是两种独立发展的技术,结构形式都是面向终端的计算机网络)。存在问题:1.主机负荷过重,从而导致响应时间过长;2.终端速度低，操作时间长，因而占用通信线路的时间也长，故通信代价极高；3.单个计算机集中系统的可靠性较低，一旦主机出现故障，将导致整个系统的瘫痪。第二阶段(主要标志是ARPA网络的出现)主要特点：1.采用报文分组交换方式；2.采用通信子网和资源子网的概念；3.首次提出了具有层次结构的网络协议。(在计算机网络的概念、结构和设计原则诸方面都为以后的网络所仿效，为计算机网络的发展奠定了基础，计算机网络的进一步发展产生了深远的影响。第三阶段在这一阶段，计算机网络朝着具有统一的体系结构，遵循国际标准化协议的方向发展。用户可以把计算机网络看作一个大的计算机系统，用户不必了解这个网络是由哪些子系统构成，可以用极简单的方式访问被授权的资源，真正实现透明的资源共享。Internet的出现，使这种共享达到了至善至美的境界。目前计算机网络的发展正处于第四阶段。这一阶段计算机网络发展的特点是：互连、高速、智能与更为广泛的应用。1.1.3计算机网络的应用

（今天,它的用途非常广泛，成了人类社会生活不可缺少的一部分）1.数字通信就是计算机化了的信息通信。如：电子邮件、网络电话、网上文件传输、视频会议等。2.分布处理是指把若干台计算机通过网络连接起来,将一个任务分散到这些计算机上去同时处理。最后,将处理结果汇集起来。3.在线服务通过在线服务人们可以共享信息,进行高速数据交换，特别是Internet的出现。如：远程数据交换、远程教育、远程查询、电子银行、电子布告系统、电子商务等。4.办公及家庭自动化计算机与网络技术的迅速发展，使社会信息处理的方式发生了重大改革。办公自动化系统便是随着计算机网络的发展而发展起来的服务于人类的一种自动化系统。它集计算技术、数据库、局域网络、远程通信、人工智能、声音、图像、文字处理技术之大成，是一种给办公系统带来重大改革的全新的信息处理方式。1.2网络协议与体系结构1.2.1网络协议、体系结构1．网络协议(计算机“交谈”语言)计算机网络中许多互相连接的结点之间有条不紊地进行数据交换，必须遵循一些事先约定好的规则。在交流过程中还必须切实遵守这些为进行网络中的数据交换而建立的规则、标准或约定的集合，便称为网络协议。

网络协议三个要素：（1）语法（Syntax）：即数据与控制信息的结构或格式，包括数据格式、编码及信号电平等。（2）语义（Semantics）：即包括用于协调和差错处理的控制信息。即需要发出何种控制信息，完成何种动作以及做出何种应答。（3）定时（Timing）：包括速度匹配和排序，即有关事件实现顺序的详细说明。2.网络体系结构结构化的设计方法网络的体系结构定义：将计算机网络协议的体系结构分成若干层次，然后将各层及其协议的集合称为网络的体系结构。注意：．除了在物理介质上进行的是实通信之外，其余各同等层实体间都只有逻辑连接，因而进行的都是虚通信，但同等层间的虚通信必须遵循该层的协议。．n+1层通过接口向n层提出服务请求，而n层则通过接口向n+1层提供服务。．层的虚通信是通过n-1/n层间接口处n–1层提供的服务及n-1层的通信来实现的。。1.2.2开放系统互联(OSI)参考模型国际标准化组织于70年代研究的一种计算机网络体系结构，是一个定义连接异种计算机标准的主体结构。“开放”一词表示能使任何两个遵守参考模型和有关标准的系统进行连接。OS1参考模型PresentationSessionTransportNetworkDataLinkPhysicalApplicationAPersonSeemsToNeedDataPublicationOSI参考模型特性：它是一种异构系统互联的分层结构，提供了控制互联系统规则的标准框架。它定义的是一种抽象结构，而不是具体实现的描述。不同系统上的相同层的实体称为同等层实体，同等层实体之间的通信由该层协议管理，即必须遵循相应层的协议。相邻层间的接口，定义了原语操作和底层向上层提供的服务。所提供的公共服务是面向连接的或无连接的数据服务。直接的数据传送仅在最低层实现。协议分层的原则接收机第n层收到的对象应当与发送机第n层发出的对象完全一致。中国科学家中国翻译中方电报员电报机日本科学家日方翻译日方电报员电报机协议协议协议协议科学见解英语字母电报码科学交流的分层模型1．物理层设立物理层的目的是实现两个网络物理设备之间的二进制比特流的透明传输，对数据链路层屏蔽物理传输介质的特性，以便对高层协议有最大的透明性。物理层为建立、维护和释放数据链路实体之间的二进制比特传输的物理连接提供机械的、电气的、功能的和规程的特性。物理层的数据服务单元是比特，它可以通过同步或异步的方式进行传输。2．数据链路层它把从物理层来的原始数据打包成帧。一个帧是放置数据的、逻辑的、结构化的包。数据链路层负责帧在计算机之间的无差错传递。设立数据链路层的主要目的是将一条原始的、有差错的物理线路变为对网络层无差错的数据链路。数据链路层的主要功能是实现相邻结点间数据帧的正确传送，即通过校验、确认、反馈、重发等手段将原始的物理连接改造为无差错的理想的数据链路。3.网络层目的就是要为报文分组以最佳路径通过通信子网到达目的主机提供服务，而网络用户不必关心网络的拓扑构型与所使用的通信介质。主要功能是再现端—端之间通过中间结点的路由选择。是OSI参考模型中最复杂的一层。4.传输层目的是在使用通信子网提供服务的基础上，使用传输层协议和增加的功能，使得通信子网对于端--端用户是透明的。任务是为会话层提供一个可靠的端—端间的服务，即根据子网的特性最佳地利用网络资源，并可靠地为两个端系统的会话层之间建立一条传输连接，以透明地传送报文。传输层只存在于通信子网之外的主机中。5.会话层它利用传输层提供的服务，使得两个会话实体之间不考虑它们之间相隔多远、使用了什么样的通信子网等网络通信细节，而进行透明的、可靠的数据传输。会话层之上各层是面向应用的，会话层之下各层是面向网络通信的。会话层不参与具体的数据传输，但对数据传输进行管理。6.表示层解决的问题是如何描述数据结构并使之与机器无关。主要功能是通过一些编码规则定义在通信中传送这些信息所需要的传送语法。7.应用层负责用户信息的语义表示，即确定进程间通信的性质，以满足用户的需要，并在两个通信者之间进行语义匹配。是最有含义的信息传过的地方。如电子邮件、数据库等都利用应用层传送信息。1.3局域网系统结构是指将小范围内的有限的通信设备互连在一起的通信网。在OSI参考模型中，通信子网实际上只包括低三层的功能，因此局域网只包括低二层的功能。1.4网络分类可以按照多种分类标准来划分：拓扑结构网络协议信道访问方式数据传输方式等1.4.1从网络的覆盖范围分类(1)局域网（LAN），速率可在1Mbps以上至1Gbps，覆盖范围一般在1Km左右。(2)城域网（MAN），速率也在!Mbps以上，但覆盖范围比局域网大，一般在5~50Km左右。(3)广域网（WAN）,广域网也叫远程计算网络，它的覆盖范围很广，通常为几十到几千公里。互联网（Internet）1.4.2按网络的交换功能进行分类网络可分为：线路交换网络（CircurtSwitching）；报文交换网络（MessageSwitching）；分组交换网络（PacketSwitching）。1.4.3按网络体系结构分类1.4.4按网络服务性质分类1.4.5按网络的拓扑结构分类1.5网络拓扑结构网络上的通信链路，以及各个计算机应用之间的相互连接的几何排列或物理布局（点线拓扑图）。点——计算机或网络设备线——通讯线路网络拓扑结构和网络传输方式、传输数率、传输介质及网络性能等相关1.5.1选择拓扑结构时考虑因素：可靠性灵活性成本响应时间和吞吐量1.5.2网络拓扑结构分类

1.星型拓扑2．总线拓扑3．环形拓扑各种网络拓扑结构的主要特征：拓扑类型传输方式介质访问控制协议主要优点主要缺点示例星型点—点RS-232简单可靠性差电缆多站点数少PBX.CBX总线数