大学计算机基础第四章计算机网络

第四章计算机网络

工tyutjsjjcb@126.com

4,

士,

大学计算机基础

FundamentalsofComputers

十十

・太原理工大学理学院计算机基础教学部

中工

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提出同题

什么是计算机网络？它如何构成？

计算机网络有哪些功能？为什么要使用网络?

什么是网络协议？

什么是网络的体系结构？

怎样构建一个网络？

Internet上提供那些服务？

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本章的主要内容

第一节网络基础知识

第二节局域网

第三节Internet

第四节信息的检索与发布

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4.1网络基础知识季,

本节内容

计算机网络的发展

网络的定义及分类

网络的拓扑结构

网络协议和体系结构

0S1与TCP/IP参考模型

网络操作系统

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4.1.1计算机网络的发展

从体系结构来观察，其发展可分为四个阶段:

以主机为中心的联机终端系统

以通信子网为中心的主机互连

具有层次化体系结构的标准化网络

网络新时代（Internet）

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面向终端的网络（1960's）r

特征——共享主机软硬件资源

连接方式——本地或远程连接

例如：美国通用汽车公司的GE网络；美国飞机订票系统SABRE」

（至今仍在使用）....................

HOST：主机FEP：前端处理机M：Modern调制解调器

C：Concentrator集中器T：Terminal远程终端

面向终端网络的结构图6

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计算机一计算机网络（196O's末一1970’两）

多个终端联机系统的互联，形成了多主机为中心的网络;

网络结构从“主机一终端”转变为“主机一主机”

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主机一主机网络的演变

演变阶段1

通信任务从主机中分

离，由通信控制处理

机（CCP）完成

CCP：处理主机之间

通信任务的专用计算

机

8

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双12各才既7^^的ttiSRL

由CCP组成的传输网络—通信子网，为主机提供信息传输

服务

建立在通信子网基础上的主机集合一一资源子网，提供计算

资源TT

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在通信子网上可有

多个资源子网,共

享通信子网的服务

资源子网

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演变阶段2

通信子网规模扩大

私有一社会公用

公用数据通信网

PSTN（公用数据通信网）

优点

降低用户系统成本

提高通信线路利用率

兼容性好

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标准化过程的演变，

厂商标准：旧M-SNA,DEC-DNA

缺点：适用范围：兼容性？

技术垄断：竞争?

标准不统一：用户利益？

国际标准

OpenSystemInterconnection/RecommendedModel（开放系统

互联参考模型，简称OSI参考模型）

OSI参考模型是一种概念上的网络模型

OSI规定了互联计算机系统之间的通信协议，遵从OSI协议的网络通

信产品都可以互联在一起，所构成的网络系统就是具有标准化体

系结构的开放系统。

今天，几乎所有的网络产品都遵从OSI标准，所组建的计算机网络都

遵守体系结构标准化的规则，不遵从的产品已逐步失去了市场。

事实上的标准：TCP/IP（因特网的骨干协议）

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网络新时代(Internet网络)

因特网的出现标志着网络时代的到来

因特网是全球性的网络

丰富的信息和便利的使用是其规模迅速增长的主要驱动力

当今计算机网络的发展有几个引人注目的方向：

速度高速化：计算机网络向高速化发展。

传输内容多样化：从早期的数字、文本和程序等数据转向了图形、图像、

声音和视频等多媒体信息。

趋势整合化：三网(电话网、有线电视网、计算机网络)合一

计算机网络最终实理的目标是5W的个人通信，即任何人

(whoever)在任何时间(whenever)、任何地方(wherever)都可

以和任何另外一个人(whomeveij通应计算抗网落传送任何宿息

(whatever)o

IQ

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4.1.2网络定义及分类

计算机网络是利用通信设备、通信线路和网络软件，把地理上分散的多

台具有独立工作能力的计算机（及其他智能设备）以相互共享资源（硬

件、软件和数据等）为目的而连接起来的一个系统。

这有三层意思：

一个计算机网络中包含了多台具有自主工作能力的计算机，

这些计算机之间是相互连接的，所使用的通信手段可以是各式各

样，距离可远可近，连接所用的媒体可以是双绞线、同轴电缆或光

纤，甚至还可以是卫星或其他无线信道；

为了进行信息资源的交换、共享或协同工作。

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计算机网络的组成

计算机网络由通信子网和资源子网两部分构成，

通信子网负责计算机间数据的通信，即信息的传输。

通信子网覆盖的地理范围可能是很小的局部区域，如一栋大楼

一个房间；也有可能是覆盖了几千平方公里的一个区域。

信昌在通信子网中的传输方式可以是点对点的直接传输，也可

是从源出发经过若干个中间设备的转发或交换而达到最终目的

o

通房子网中除了传输介质之外，还有许多诸如交换机

(Switch)＞路由器(Router)之类的通信设备。

资源子网由通过通信子网互连在一起的计算机及智能设备组成，负

责运行对信息进行处理的应用程序。

它们是网络中信息流动的源与宿，并向网络用户提供可共享的硬

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V

按地域范围分类

局域网(LocalAreaNetwork,LAN)

范围：小，＜20KM,一栋楼房或一个单位内部。

传输技术：基带，10・1000Mbps,延迟低，出错率低(10-11)

拓扑结构：总线，环

城域网(MetropolitanAreaNetwork,MAN)

范围：中等，5—50km,一个城市

传输技术：宽带/基带

拓扑结构：总线

广域网(WideAreaNetwork,WAN)

范围：大，＞100KM

传输技术：宽带，延迟大，出错率高

拓扑结构：不规则，点到点

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按通信传播方式分类

■在网络中信息传播既方式是不同场o

点对点传播方式的网络：

亩一易需机器间的多条链路面成。这种网络上的报文分组在信源和信宿

之间可能需通过一台或多台中间设备进行传播。

广播方式网络:

仅有一条通道,由网络上所有的计算机共享。

一般来说，局域性网络使用广播方式；广域性网

络使用点对点方式。17

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4.1.3网络的拓扑结构

我们可以把网络中的计算机以及各种设备都看作为一个“点”，而连接

各

种设备的电缆看作为“线”,这样点和线的不同组合形式就构成了不同

的

集合图形，这种集合图形称为网络拓扑结构。

常见的网络拓扑结构有：

总线型（Bus）所有节点挂接到一条总线上;需要有介质访问控制

协议以防止冲突。

星型（Star）有一个中心节点,其它节点与其构成点到点连接。

树型（Tree）一个根结点、多个中间分支节点和叶子节点构成。

环形（Ring）所有节点连接成一个闭合的环,结点之间为点到点连

接。

―网状YMcshA网中节点实现点对点的连接石-----------------------------------------------------

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4」.4网络协议和体系结构r

网络体系结构

网络通信一步到位固然简单，但如果遇到不同类

型的网络、不同类型的数据结构、不同的数据格

式怎么处理?

也可以规定：凡遇到不一致的通信，统统都不处

理。那样，岂不是受到太多的限制吗？怎么办？

■网络的体系结构就是计算机网络系统的总体规划,

通过它来指导网络系统的组建、实施和运行。

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网络体系结构定义了一个框架，它使这些用不同媒介连接起来的不

同设备和网络系统在不同的应用环境下实现互操作性，并满足各种

业务的需求。

这个框架实际上构造了一种异质性的“生存空间”一任何厂商的

任何产品、以及任何技术只要遵守这个空间的行为规则，就能够在

其中生存并发展。

网络体系结构解决异质性问题采用的是分层方法一把复杂的网络

互联问题划分为若干个较小的、单一的问题，在不同层上予以解决。

把计算机网络的功能划分成定义明确的层次，并规定对

等实体间的通信协议及相邻层之间的接口和服务，这就

是网络体系结构，即网络的分层体系结构。

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网络协议

什么是协议？

协议是一种约定，用以确保交流各方清晰地

表达甩慈。

什么是网络协议?■

为网络数据交换而制定的规则、约定与标准被称

为网络协议（Protocol）。

例衩精确地就建了套网络通信中使用的各咎枚制信息

的格式，意文应及各钟净件出现的先后喉本。

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人的协议和网络协议之间的对比

TCPconnection

72^-----

TCPconnection

reply.

Get/index.htm

<file>

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一个功能完备的计算机网络需要制定一整套复杂的协议集；

对于结构复杂的网络协议来说，最好的组织方式是层次结构

模型；

计算机网络协议就是按照层次结构模型来组织的；

网络层次结构模型与各层协议的集合定义为计算机网络体系

结构(NetworkArchitecture)。

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层次结构的优点

1•各层之间相互独立；

2.各层都可以采用最合适的技术来实现;

3.灵活性好；

4,易于实现和维护；

5有利于促进标准化；

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开放系统互联参考模型（0SI/RM6

0SI/RM国际标准的正式文本是ISO7498

0SI体系结构将网络的不同功能划分为7层。

7应用层Application-----处理网络应用

6表示层Presentation-----数据表示

5会话层Session-----主机间通信

4传输层Transport-----端到端的连接

3网络层Network-----寻址和最短路径

2数据链路层DataLink-----介质访问（接入）

1物理层Physical——二进制传输

PleaseDoNotThrowSausagePizzaAwav25

■■.c—ccCrIcQf

大学计算利应用层提供用户应用程序的接口和支持用户应

用程序的服务及对网络的一般访问。

■端开放系统端开放系统

A层协议

应用层(A)应用层(A)

」表示层是OSI的翻译

I器，负责数据转换和A

表示层(P)加密表示层(P)

3后处以

会话层(S)----------->会话层(S)

通信子网

T层协议

传输层(T)传输层(T)

N层协议N层协议

网络信<--------N网络层(N)

L层协议-会话层在发送和接收节点之间建立和保持通

数据链路层信链接。是主机上进程到进程层次上的通信,

一会话层组织并同步进程间的对话。

物理层(PH,PHw物理层(PH)

传输层是第一个端对端，即主机到主机的通信。用户利用传输

层提供的服务可以直接进行端到端的数据传输，能确保数据可

靠、顺序、无错地从一个端口传输到另一个端口。

Fundamentalsof

大学计算机基础网络层关心的是通信子网的运行与控制,irr

任务是：如何将数据从发送方传送到接收方，

端开放系统即在通信子网中进行路由(routing)选择。网

络层通过对发送优先权、网络拥塞程度、服务

质量以及可选路由的花费等的综合考虑来决定：

应用层(A)从一个网络节点A到另一个网络节点B的最佳

路径。

表示层(P)

会话层(S)---------►会话层(S)

通信子网

传输层(T)数据链路层从网络层接收到的数据后将其分割成特定的可

被物理层传输的帧，同时通过校验、确认和反馈重发等手

段将原始的物理连接改造成无差错的数据链路。

网络层(N)

L层协议

数据链路层①。,数据链路层(DL)

P层协议P层协议

物理层(PH)

主要包括了网络传输介质，如

电缆及其接口部件、连接器、

转发器等。其作用就是从一个

节点到另一个节点的物理媒体27

上，传输原始的数据比

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TCP/IP参考模型与协议

OSI/RM太复杂，不实用

TCP协议、IP协议都不是OSI标准,

但它们是目前最流行的商业化的协议,

并被公认为当前的工业标准或

“事实上的标准”。

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TCP/IP协议特点:

1.开放的协议标准，可以免费使用，并且独立

于特定的计算机硬件与操作系统；

2,独立于特定的网络硬件，可以运行在局域网、

广域网，更适用于互连网中；

3,统一的网络地址分配方案，使得整个TCP/IP

设备在网中都具有唯一的地址；

4.标准化的高层协议，可以提供多种可靠的用

户服务；

29

大学计算机基础Fu图喘鬟。f

__Computers

4.2局域网（LAN）I

局域网是在同一地点经传输介质连在一起的一组计算机集合O

本节主要内容：

局域网概述

CSMA/CD协议

以太网

网络互连

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hub

局域网的特点:stations

hub

有限的覆盖范围，通常在几公stations

里以内。

高传输速率和低误码率。

hub

stations

通常归属于一个单位或部门

基于微型计算机组成，工作侧

重于共享信息的处理。

aServer

farm

Switch

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］局域网典型拓扑结构W

总线型：所有结点都直接连接到共享信道

星型：所有结点都连接到中央结点

环型：结点通过点到点链路与相邻结点连接

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局域网的组成

服务器：提供各种各样的服务

「网络硬件】客户机：独立计算机

通信介质

局域网I网络连接部件

r网络数据库

网络软件i网络操作系统NOS

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局域网的体系结构与8022项目

在OSI模型中，高层协议(网络层以上)的具体实现其实和

网络的结构是无关的，因此我们在讨论LAN的体系结构时，

只需对OSI模型的低层进行比较及描述。

IEEE(InstituteofElectricalandElectronicEngineers)

于1980年初成立了802委员会，专门从事局域网标准化方面

的工作，制定了IEEE802标准。IEEE802标准已被美国国家

标准局ANSI接纳为美国国家标准，并于1984年3月被ISO定

为国际标准，即ISO8802。

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IEEE802标准简介

IEEE802标准完全遵循ISO/OSI参考模型的原则。它主要描

述了网络体系结构中最低两层…一物理层和数据链路层的功

能以及与网络层的接口服务。

IEEE802标准中把数据链路层分成了两个子层：介质访问控

制层MAC(MediaAccessControl)逻辑链路控制层LLC

(LogicalLinkControl)

遵循把与硬件相关的部分和无关的部分分离的原则，从而使

LAN体系结构能适应多种传输媒体，换而言之，就是在LLC

不变的条件下，只需更换MAC子层便可适应不同的媒体及

访

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EEE80Z晶域网参考模曾

不涉及具体的传输介质和拓扑结

构，描述了LLC对网络层、MAC_____LLC服务访问

点(SAP)

子层及LLC子层本身管理功能的

服务规范。它的任务是在MAC子

层的支持下将LLC数据帧从源点MAC

透明地传送到目的站点，物理收发信号

PLS

会话层

D

传输层产接单元接口(AUI)

U

网络层传输介质连接设备

(PMA)

MAC的主要任务是将传输介质的频带有效

地、合理地分配给LAN的各个站点。;媒体访问单元

(MAD)

对不同种类的传输介质，制定了若干个不同

的介质访问控制方法，如CSMA/CD、物理传输介质

TokenPassing>TokenBus等等，这也

意味着同一个LLC子层能与采用任一种介质网参考模型

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访问控制方法的MAC子层配合工作。

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IEEE802

802.1B网际互连网络层

数据链路层

802.2逻辑链路控制子层(LLC)

802.1A802.3802.4802.5802.11

CSMA/CD令牌总线令牌环无线网(MAC)

—

物理层

IEEE802标准之间的关系

在IEEE802标准中没有定义网络层以及更高的层次。

在实际当中，局域网的高层功能主栗由具体的操作系统

以及TCP/IP(Novell网络中是SPX/IPX)协议来实现。

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___Computers

中的介质访问控制方法r.

局域网使用广播信道（多路访问信道，随机访问

信道），多个站点共享同一信道。

•问题：如何解决广播信道站点对信道的争用？

•解决信道争用的协议称为介质访问控制

（MediumAccessControl）协议。

载波监听多路访问/冲突检测（CSMA/CD）

CarrierSenseMultipleAccess/CollisionDetect

令牌传递(TokenPassing)

TokenRing

TokenBus

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CSMA/CD

带冲突检测的载波监听多路访问

»用于IEEE802.3（以太网）

a工作原理：发送前先监听信道是否室闲，若室闲

则立即发送数据。在发送时，边发边继续监听。若

监听到冲突，则立即停止发送。等待一段瓯机时间

（称为退避）以后，再重新尝试。

a归结为句话:

发前先侦听，空闲即发送,

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CSMA/CD协议

1一坚持型若监听到信道“空闲”,则立即发送；若监听到信道

“忙”，则继续监听，一旦“空闲”，立即发送；若检测到冲突发

生，则等待一个随机时间段后再继续监听。

非坚持型若监听到信道“空闲”,则准备就绪的站点立即发送

数据帧；若监听到信道“忙”或发生冲突，则等待一个随机时间段

后再监听。

P-坚持型当就绪站点监听到信道“空闲”,则以概率P立即发

送出去；而以概率(1-P)推迟一个时间槽，然后继续监听信道。

若监听到信道“忙”，则等待下一个时间槽开始时继续监听，开始

新一轮的算法判断。

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以太网是应用最广、发展最成熟的一种LAN。

遵循IEEE802.3协议的局域网，我们称之为以太网或802.3局域网。

以太网特点：

兼容性好、技术成熟、速度快

标准化程度高

价格低

行业认可

按照数据的传输速率来划分以太网：

传输速率为10Mb/s的以太网称之为传统以太网

速率为100Mb/s的称之为快速以太网

速率为1000Mb/s的称为千兆以太网。

以太网使用CSMA/CD介质访问控制协议，传统以太网有四种传输介质:

10Base5>10Base2>10Base-T^MOBase-F

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10Base5桓同轴电缆

10Base2细同轴电缆

lOBaseT双线线,________10Base5

lOBaseFMMF光缆

数据率（Mbps）基带或宽带

lOOBaseT双线线Base,Broad

lOOBaseFMMF/SMF

段最大长度（百米）或

lOOOBaseX屏蔽短双绞线/MMF/SMF介质类型（T,F,X）

lOOOBaseT双线线

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MAC帧

在以太网中无论使用什么样的传输介质，都要遵循

IEEE802.3MAC的帧格式。

有效帧：最短长度为64个字节

字节712或62或62三0204

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MAC地址.P

MAC地址又称为网络设备物理地址，简称为物理地址，

它是网络环境中一个硬件设备的标识符。

IEEE802.3中规定的MAC地址是一个长度为6字节的二进

制数。

MAC地址的前3个字节（高24位）由IEEE（国际电工组

织）统一分配给厂商，低24位由厂商分配给每一块网卡。

由于厂商在生产时通常已将MAC地址固化在设备中，因

此，MAC地址也称为硬件地址。

网卡的MAC地址可以认为就是该网卡所在站点的MAC地

址。（ipconfig/all命令可以查看本机的MAC地址信息，

也称physicalAddress）。

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路由器由于同时连接到两个网络上,

因此它有两块网卡和两个硬件地址。

20-60-8C-C7-75-2A08-00-20-47-1F-E420-60-8C-11-D2-F6

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4.3Internet

Internet是一个具体的网络实体，没有特定的网络疆界,

泛指通过网关连接起来的网络集合，即一个由各种不同类

型和规模的独立运行与管理的计算机网络组成的全球范围

的计算机网络。

组成Internet的计算机网络，包括局域网(LAN)、城域网

(MAN)以及大规模的广域网(WAN)等。

这些网络通过普通电话线、高速率专用线路、卫星、微波

和光缆等通讯线路，把不同国家的大学、公司、科研机构

和政府等组织的网络资源连接起来，从而进行通信和信息

交换，实现资源共享。

Internet网络互连采用的基本协议是TCP/IP协议。

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TCP/IP与OSI参考模型的对应关系

TCP/IP概念层次

TCP/IP支持

所有标准的数

据链路屋和物

理层协议

Ethernet,802.3,

802.5,FDDI等等

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Computersr

LIP(internetProtocol)本层提供无连接的传输服务(不保证送达，不保序)

,本层的主栗功能是寻找一条熊婚把数据报送到目的地的路径。通过IP地址

标识网络中的各种物理设备，数据分段和重新组装，把相互独立的局域网

连接在一起。

4-ICMP(internetControlMessageProtocol)提1供控制和传递消息的功能；

4-ARP(AddressResolutionProtocol)为已知的IP地Ah确相*BL的MAC地it；

4-RARP(ReverseAddressResolutionProtocol)根据MAC地址确定相应的IP地址。

[•IP

应用层

传输层•ICMP

网际层•ARP

数据链路层

物理层•RARP

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Computers

传输层提供了两种传输协议

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Computers

应用层协议支妗了文件传输、电子邮件、远程

L¥J录、网络管理、Web浏览等应用。

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如何访问特」I?-----接入技术

ISP(InternetServerProduct)Internet服务

提供商是用户进入Internet的入口点。

问题：用户采用什么设备、什么样的方式连揍到

ISP?或者如何连接主机与网络边缘路由器？

三类用户：

□家庭用户访问网络

口单位用户访问1络（学校，公司）

口移动用户访问网络

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通过调制解调器接入

ISP所提供的电话中继线数目决定着用户连接的成功率。

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Computers

通过局域网接入

数据通信子网：ISDN,ADSL,DDN,X.25与帧中继

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律动用户访问网

□主要是指将移动接

备(笔记本电脑、PDA等网

、手机等)通过全球移

动通信系统GSM(

GlobalSystemfor站

MobileCommunication

)和CDMA联入到

Internet中。

□无线局域网:

无线电频谱代替了电缆

□广域无线访问移动主机

CDPD:通过蜂窝无线网54

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IP地址

■IP地址是Internet中用来标识主机以及通信设备的一种逻辑

地址。IP网络中每台主机都必须有一个惟一的IP地址。

■IP是层次性地址：网络号+主机号。网络号用来标识不同的网

络，而主机号用来标识同一个网络中的不同主机。

因特网上的IP地址具有全球唯一性(由国际网络信息中心NIC(

NetworkInformationCenter)分配和管理的。)o

32位二进制数，4个字节，常用点分十进制标记法：

如00001010000000100000000000000001记为10.2.0.1

■IP地址划分为五类：A-E类，常用的为A、B、C类

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网络号主机号

—J--I~

07152331

....................

A类地址0网络主机主机主机

017152331

B类地址10|网络网络主机主机

01271523