大学计算机应用基础 课件 7.1 计算机网络基本知识

7.1

计算机网络基本知识《大学计算机应用基础》17.1.1计算机网络的概念CONTENTS目录7.1.2计算机网络的分类7.1.4计算机网络的拓扑结构7.1.5计算机网络系统的组成7.1.3计算机网络协议27.1.1计算机网络的概念

1.什么是计算机网络计算机网络是指将地理位置不同的具有独立功能的多台计算机及其外部设备，通过通信线路连接起来，在网络软件的管理及协调下，实现资源共享和信息传递的计算机系统。计算机网络的功能主要包含以下三个方面：（1）硬件资源共享。可以在全网范围内提供对处理资源、存储资源、输入输出资源等昂贵设备的共享，使用户节省投资，也便于集中管理和均衡分担负荷。（2）软件资源共享。允许互联网上的用户远程访问各类数据库，进行远程文件传输、进程管理和文件访问等服务，从而避免软硬件资源的重复投入，降低了成本，也便于集中管理。（3）用户间信息交换。计算机网络为分布在各地的用户提供了强有力的通信手段。用户可以通过计算机网络传送电子邮件、发布消息和进行电子商务等活动。37.1.1计算机网络的概念

2.计算机网络的发展计算机网络的发展总体来说经历了以下四个阶段：（1）网络起步阶段20世纪60年代末到20世纪70年代初为计算机网络发展的起步阶段。其主要特征是为了增加系统的计算能力和资源共享，人们把计算机连成了实验性的网络。第一个远程分组交换网叫ARPANET，是由美国国防部于1969年建成的，第一次实现了由通信网络和资源网络构成的计算机网络系统，这标志计算机网络的产生，ARPANET也是这一阶段网络的典型代表，其结构可以用下图简单的表示。47.1.1计算机网络的概念

（2）局域网形成阶段20世纪70年代中后期是局域网发展的形成阶段。其主要特征是局域网络作为一种新型的计算机应用体系结构开始进入产业部门。局域网技术是从远程分组交换通信网络和I/O总线结构计算机系统派生出来的。1976年，美国Xerox公司的PaloAlto研究中心推出以太网（Ethernet），它是一种总线竞争式局域网络。其结构可以用图7-2表示。57.1.1计算机网络的概念

（3）局域网络成熟阶段20世纪80年代是计算机局域网络发展的成熟时期。其主要特征是局域网完全从硬件上实现了对通信协议的支持。计算机局域网及其互连产品的集成，使得局域网与局域网互连、局域网与各类主机互连，以及局域网与广域网互连的技术越来越成熟。（4）网络的广泛应用阶段20世纪90年代初至现在是计算机网络快速发展与广泛应用的阶段。其主要特征是Internet、高速通信网络、接入网技术、网络与信息安全技术的广泛流行。67.1.2计算机网络的分类

1.

按网络覆盖的地理范围划分（1）个人区域网（PersonalAreaNetwork，PAN）个人区域网就是在个人工作的地方把属于个人使用的电子设备（如便携式电脑、平板电脑、便携式打印机以及移动电话等）用无线技术连接起来的自组网络，这种网络不需要使用特别的网络接入设备，因此也常称为无线个人区域网WPAN（WirelessPAN），其通信范围大约在10米左右。77.1.2计算机网络的分类

（2）局域网（LocalAreaNetwork，LAN）局域网是最常见、应用最广泛的一种网络。局域网一般用微型计算机或工作站通过高速通信线路相连，其通信速率一般在10Mbps以上，高速局域网通信速率可达10Gbps，它所覆盖的地理范围较小（如1公里左右）。IEEE的802标准委员会定义了多种LAN网：以太网（Ethernet）、令牌环网（TokenRing）、光纤分布式接口网络（FDDI）、异步传输模式网（ATM）以及无线局域网（WLAN）等。87.1.2计算机网络的分类

（3）城域网（MetropolitanAreaNetwork，MAN）城域网的通信范围一般是一个城市，可跨越几个街区甚至整个城市，其通信距离约为5公里~50公里。城域网可以为一个或多个单位所拥有，但也可以是一种公用设施，用来将多个局域网进行互联，由于光纤连接的引入，使MAN中高速的LAN互连成为可能。目前很多城域网采用的是以太网技术。97.1.2计算机网络的分类

（4）广域网（WideAreaNetwork，WAN）广域网也称为远程网，覆盖的地理范围可从几十公里到几千公里，可以覆盖一个地区、国家或横跨几个洲。广域网利用公共分组交换网、卫星通信网和无线分组交换网，将分布在不同地区的城域网、局域网或大型计算机系统互联起来，以达到资源共享的目的。如果说局域网的作用是增强信息社会中资源共享的深度，则广域网的作用就是扩大信息社会中资源共享的范围。107.1.2计算机网络的分类

2.

按网络不同使用者划分（1）公用网（PublicNetwork）公用网是指电信公司（国有或私有）出资建造的大型网络，现在已经成了社会的一种公共基础设施，这种网络对公众开放，所有愿意按电信公司的规定交纳网络费的个人或单位都可以接入和使用这种网络，因此公用网也称为公众网。（2）专用网（PrivateNetwork）专用网是指为本单位内工作需要而建造的网络。这种网络不向本单位以外的人提供服务。例如军队、铁路、电力等系统均有本系统或本单位的专用网。117.1.2计算机网络的分类

3.

按网络传输技术划分（1）广播式网络（broadcastnetworks）广播式网络是指所有联网计算机共享一个公共通信信道的计算机网络。当一台计算机利用共享通信信道发送分组信息时，网络所有的计算机都会“收听”到这个分组信息。由于分组中带有目的地址和源地址，接收到该分组的计算机将检查目的地址是否与本节点地址相同，若相同则接收该分组，否则忽略该分组。（2）点对点式网络（point-to-pointnetworks）点对点式网络是指每条物理线路只连接一对计算机的网络。假如两台计算机之间没有直接连接的线路，则它们之间的分组传输需要通过中间节点的转发，直至目的节点。中间节点需要首先接收分组并存储在自己的转发队列中，然后按照一定的转发策略进行转发。127.1.2计算机网络的分类

4.

按网络传输介质划分（1）有线网络有线网络通常是指采用双绞线、同轴电缆以及光缆等有线传输介质组建的网络。（2）无线网络无线网络就是使用无线传输介质进行传输的网络，其信号在空气中以电波的方式传输。无线网络容易受到外界环境的干扰。137.1.3计算机网络协议

1.什么是网络协议网络协议是指计算机网络中互相通信的对等实体之间，交换信息时所必须遵守的一组规则的集合。对等实体通常是指计算机网络体系结构中处于相同层次的信息单元。协议如同人与人之间的对话，通信的双方如果协议不匹配则无法进行正常的交流。147.1.3计算机网络协议

2.

网络协议的三要素网络通信协议，通常由三要素组成：（1）语法：用来规定用户数据与控制信息的结构与格式。（2）语义：解释控制信息每个部分的意义。（3）时序：报文发送的时间和发送的速率。157.1.3计算机网络协议

3.

OSI参考模型在计算机网络协议中，最为著名的是由国际标准化组织提出的开放系统互联参考模型OSIRM（OpenSystemInterconnectionReferenceModel），在该模型中，将计算机网络体系结构划分为以下七层：（1）物理层物理层是OSIRM的第1层，该层主要为数据端设备提供传送数据的通路，数据通路可以是一个物理媒体，也可以是多个物理媒体连接而成。一次完整的数据传输，包括激活物理连接,传送数据，终止物理连接。167.1.3计算机网络协议

（2）数据链路层数据链路层是OSIRM的第2层，它通过各种控制协议，主要作用是将有差错的物理信道变为无差错的、能可靠传输数据帧的数据链路。数据链路层接受来自物理层的位流形式的数据，并封装成帧后传送到上一层；同样，它也将来自上一层的数据帧，拆装为位流形式的数据转发到物理层；并且还负责处理接收端发回的确认帧信息，以便提供可靠的数据传输。主要设备有二层交换机、网桥等。（3）网络层网络层是OSIRM的第3层，它通过路由算法，为分组通过通信子网选择最适当的路径。数据链路层的数据在这一层被转换为分组，然后通过路径选择、分段组合等控制，将信息从一个网络设备传送到另一个网络设备。网络层协议的代表包括IP、IPX、OSPF等。主要设备有路由器。177.1.3计算机网络协议

（4）传输层传输层是OSIRM的第4层，是两台计算机经过网络进行数据通信时，第一个端到端的层次，具有缓冲作用。当网络层服务质量不能满足要求时，它将服务加以提高，以满足高层的要求；当网络层服务质量较好时，它只用很少的工作。传输层还可进行复用，即在一个网络连接上创建多个逻辑连接。此外传输层还具备差错恢复、流量控制等功能以满足对传送质量、传送速度、传送费用的各种不同需要。传输层协议的代表包括TCP、UDP、SPX等。（5）会话层会话层是OSIRM的第5层，是用户应用程序和网络之间的接口。会话层的任务就是组织和协调两个会话进程之间的通信，并对数据交换进行管理。187.1.3计算机网络协议

（6）表示层表示层是OSIRM的第6层，这一层主要解决用户信息的语法表示问题。它将欲交换的数据从适合于某一用户的抽象语法，转换为适合于OSI系统内部使用的传送语法。即提供格式化的表示和转换数据服务。（7）应用层应用层是OSIRM的最高层，它是计算机用户、以及各种应用程序和网络之间的接口。按照OSIRM设计的通信模型，一台主机（源主机）要将信息发送到另一台主机（目标主机），则源主机信息依次通过应用层、表示层、会话层、传输层、网络层、数据链路层最后到物理层，再以比特流形式通过传输介质传输到目标主机的物理层，由物理层依次传输到目标主机的数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层、应用层，完成一次通信过程。应用层协议的代表包括Telnet、FTP、HTTP、SNMP等。197.1.4计算机网络的拓扑结构

计算机网络拓扑结构是指将网络系统中的计算机、交换机、路由器等实体设备抽象成与其大小、形状无关的点，将通信链路抽象成线的一种几何图形表示，这样简化了网络的表示，便于网络的分析与设计。常见的网络拓扑结构包括总线型、环型、星型、复合型、树型、网状型六种，如下图所示。207.1.4计算机网络的拓扑结构

217.1.4计算机网络的拓扑结构

1.

总线型总线型拓扑结构是指采用单根传输线作为总线，所有节点都共用一条总线通信的网络拓扑结构，如图a所示。总线型拓扑结构是最常用的网络结构，这种结构的网络当其中一个节点发送信息时，该信息将通过总线传到每一个节点上。2.

环型在环型拓扑结构中，节点通过点对点通信线路连接成闭合环路，环中的数据沿一个方向逐站进行传递，如图b所示。环状拓扑结构简单，传输延时确定，但是环中每个节点和节点与节点之间的通信线路都会成为网络可靠性的瓶颈。环中任何一个节点或通信线路出现故障，都可能造成网络瘫痪。227.1.4计算机网络的拓扑结构

3.

星型星型拓扑结构是一个中心节点和多个分节点组成，如图c所示。这种拓扑结构简单，连接方便，管理和维护都比较容易，扩展性强，网络延迟时间较小。其缺点是一但中心节点发生故障，网络无法进行通信，同时共享能力差，通信线路利用率不高。4.

复合型复合型拓扑结构由总线型、星型和环型等多种网络拓扑组合而成，如图d所示的是由总线型和环型网络组成的复合型拓扑结构。237.1.4计算机网络的拓扑结构

5.

树型树型拓扑从总线拓扑演变而来，形状像一棵倒置的树,在树状拓扑结构中，节点按层次进行连接，信息交换主要在上、下层节点之间进行，如图e所示。树状拓扑可以看作是多个星状拓扑组合而构成的网络，减少了中心节点的信息交换量，形成了一种分布式的信息交换方式。6.

网状拓扑网状拓扑又称为无规则型。在网状拓扑结构中，节点之间的连接是任意的，没有规律。网状拓扑的主要优点是系统可靠性高。但是，网状拓扑的结构复杂，必须采用路由选择算法和流量控制方法。目前实际存在与使用的Internet，就是一个最为典型的非常复杂的网状拓扑结构，如图f所示。247.1.5计算机网络系统的组成

计算机网络系统是由计算机网络硬件和计算机网络软件组成。1.

计算机网络硬件计算机网络硬件由服务器、客户机和网络连接设备等组成。（1）网络服务器网络服务器是网络中为其他计算机提供服务和共享资源的计算机。对于小型网络，可以只有一台服务器，这台服务器既负责网络的管理功能，也负责网络的通信功能。对于大型网络，可以有多台服务器，分别完成各种网络功能，例如Web服务器和FTP服务器等。（2）网络客户机网络客户机是使用网络服务器所提供服务的计算机，通常在网络中就是一台个人计算机。它的主要作用是为网络用户提供一个平台，以便用户访问网络服务器，实现共享网络资源等功能。257.1.5计算机网络系统的组成

（3）网络连接设备1）网络适配卡：简称网卡，是将计算机连接到网络的硬件设备。网卡插在计算机或者服务器的扩展槽中，通过传输介质与网络连接。2）集线器：是局域网中的一种连接设备，通过集线器将网络中的计算机连接在一起。在传统的局域网中，计算机通过双绞线与集线器连接。3）交换机：交换器与集线器的不同之处是集线器工作在物理层，而交换器工作在数据链路层。交换器只会将信息传送到指定目的地的主机，而不是其他所有主机，因此交换器能相对减少数据碰撞及资料被窃听的机会。267.1.5计算机网络系统的组成

4）路由器：是实现局域网和广域网互联的主要设备，它将处于不同地理位置的局域网通过广域网互联起来。在广域网中信息从一个节点传输到另一个节点时要经过许多的网络，可以经过许多不同的路径。路由器将信息从一个网络传输到另外一个网络时进行路径的选择，使信息的传输能经过一条最佳的通道。5）无线接入点：无线接入点简称为AP（AccessPoint），它是无线局域网和有线网之间通信的桥梁，是组建无线局域网（WLAN）的核心设备。在无线网络中，AP就相当于有线网络的集线器，它能够把各个无线客户端连接起来，无线客户端所使用的是无线网卡。无线客户端与无线AP的直线距离一般不超过30米，以避免因通信信号衰减过多而导致通信失败。277.1.5计算机网络系统的组成

（4）传输介质传输介质是网络中发送方与接受方之间的物理通道，它对网络数据通信质量有很大的影响。网络中使用的传输介质包括有线介质和无线介质。有线介质通常是双绞线和光纤等。最常用的无线传输介质有微波、红外线、激光等。下面主要介绍目前最常用的双绞线和光纤通信介质。1）双绞线：双绞线是由8根不同颜色的绝缘线分成4对相互绞合而成，采用这种方式不仅可以抵御一部分来自外界的电磁波干扰，也可以降低多对绞线之间的相互干扰。如图所示。287.1.5计算机网络系统的组成

①双绞线的分类按是否有屏蔽层分类：可将双绞线可分为屏蔽双绞线（ShieldedTwistedPair，STP）和非屏蔽双绞线（UnshieldedTwistedPair，UTP）两种。屏蔽双绞线在双绞线与外层绝缘封套之间有一个金属屏蔽层。屏蔽层可减少辐射，防止信息被窃听，也可阻止外部电磁干扰的进入，使屏蔽双绞线比同类的非屏蔽双绞线具有更高的传输速率，但其成本较高。非屏蔽双绞线没有金属屏蔽层外套，但由于其成本低、重量轻、易弯曲、易安装，得到了广泛应用。297.1.5计算机网络系统的组成

按双绞线传输速率分类：可分为一类线、二类线、三类线、四类线、五类线、超五类线、六类线、超六类线、七类线等。目前常用的是五类线、超五类线和六类线。五类线（CAT5）的最高传输率为100Mbps，是最常用的以太网电缆。②双绞线线序标准制作双绞线需要在一条双绞线电缆两端连接水晶头。水晶头是一种能沿固定方向插入并自动防止脱落的塑料接头，因为它的外表晶莹透亮俗称“水晶头”，专业术语为RJ-45连接器（RJ-45是一种网络接口规范）。每条双绞线两头通过安装水晶头与网卡和集线器（或交换机）相连。307.1.5计算机网络系统的组成

制作网线时，双绞线的导线要按一定的顺序连接到水晶头，常用的线序标准有美国电子工业协会（EIA）和美国电信工业协会（TIA）制定的568A和568B。EIA/TIA568A：绿白、绿、橙白、蓝、蓝白、橙、棕白、棕。EIA/TIA568B：橙白、橙、绿白、蓝、蓝白、绿、棕白、棕。双绞线连接方法分为正常连接和交叉连接，因此分为直连网线和交叉网线。两端都采用568A或568B制作的双绞线称为直连网线，用于