《计算机网络技术》-第一章 计算机网络技术

计算机网络基本概念

计算机网络的功能和主要应用领域计算机网络的分类计算机网络的逻辑构成

本章主要内容数据通信概念计算机网络的基本要素？至少有两个具有独立操作系统的计算机，且它们之间有相互共享某种资源的需求。两台独立的计算机之间必须用某种通信手段将其连接。网络中的某个独立的计算机之间要能相互通信，必须定制相互可确认的规范标准或协议。一、计算机网络的概念概念所谓计算机网络就是通过线路互连起来的，自治的计算机集合，确切地讲，就是将分布在不同地理位置上的具有独立工作能力的计算机、终端及其附属设备用通信设备和通信线路连接起来，并配置网络软件，以实现计算机资源共享的系统。一、计算机网络的概念概括起来说，一个计算机网络必须具备以下3个基本要素：①至少有两个具有独立操作系统的计算机，且它们之间有相互共享某种资源的需求。②两个独立的计算机之间必须有某种通信手段将其连接。③网络中的各个独立的计算机之间要能相互通信，必须制定相互可确认的规范标准或协议。以上三条是组成一个网络的必要条件，三者缺一不可。二、计算机网络的分类1.按网络拓扑结构分类按照网络的拓扑结构可分为：总线型、星型、环型、树型和网状结构等。（1）星型拓扑（Star-Topology）

星型网络是由中央结点和通过点到点通信链路链接到中央结点的各个计算机组成的。即任何两台计算机之间的通信都要通过中央结点进行转发，中央结点通常为集线器(Hub)/交换机(Switch)。它具有信号再生转发功能，同时它又是网络的中央布线的中心,各计算机通过集线器/交换机与其他计算机通信，星型网络又称为集中式网络。如图1-1所示二、计算机网络的分类1.按网络拓扑结构分类按照网络的拓扑结构可分为：总线型、星型、环型、树型和网状结构等。（1）星型拓扑（Star-Topology）星型拓扑的缺点是：每个站点直接与中央结点相连，需要大量电缆，因此费用较高；如果中央结点产生故障，则全网不能工作，所以对中央结点的可靠性和冗余度要求很高。星型拓扑的优点是：结构简单，管理方便，可扩充性强，组网容易。利用中央结点可方便地提供网络连接和重新配置；且单个连接点的故障只影响一个设备，不会影响全网，容易检测和隔离故障，便于维护。

图1-1星形结构二、计算机网络的分类1.按网络拓扑结构分类按照网络的拓扑结构可分为：总线型、星型、环型、树型和网状结构等。（2）总线拓扑（BusTopology）

总线拓扑采用单根传输线作为传输介质，所有的站点都通过相应的硬件接口直接连接到传输介质或总线上。任何一个站点发送的信息都可以沿着介质传播，而且能被所有其他的站点接收。如图1-2所示。任何一个计算机发送的信号都沿着传输介质双向传播，而且能被所有其他计算机所侦听到。但在同一时间内只允许一个结点利用总线发送数据。当一个结点利用总线以“广播”方式发送数据时,其他结点可以用“监听”方式接收数据。二、计算机网络的分类1.按网络拓扑结构分类按照网络的拓扑结构可分为：总线型、星型、环型、树型和网状结构等。（2）总线拓扑（BusTopology）总线拓扑的优点：结构简单，实现容易；易于安装和维护；用户站点入网灵活，价格低廉。总线拓朴结构的缺点：传输介质故障难以排除，并且由于所有结点都直接连接在总线上，因此任何一处故障都会导致整个网络的瘫痪。图1-2总线结构二、计算机网络的分类1.按网络拓扑结构分类按照网络的拓扑结构可分为：总线型、星型、环型、树型和网状结构等。环型拓扑由一些中继器和连接中继器的点到点链路首尾相连形成一个闭合的环。如图1-3所示，每个中继器都与两条链路相连，它接收一条链路上的数据，并以同样的速度串行地把该数据送到另一条链路上，而不在中继器中缓冲。这种链路是单向的，也就是说，只能在一个方向上传输数据，而且所有的链路都按同一方向传输，数据就在一个方向上围绕着环进行循环。

图1-3环形结构（3）环型拓扑（RingTopology）环型网络的主要优点是：结构简单、容易实现；由于路径选择简单，因此通信接口、管理软件都比较简单。环型网络的主要缺点是：结点故障会引起全网故障;由于环路封闭，因而不利于系统扩充；在负载轻时，信道利用率低。二、计算机网络的分类1.按网络拓扑结构分类按照网络的拓扑结构可分为：总线型、星型、环型、树型和网状结构等。环型拓扑由一些中继器和连接中继器的点到点链路首尾相连形成一个闭合的环。如图1-3所示，每个中继器都与两条链路相连，它接收一条链路上的数据，并以同样的速度串行地把该数据送到另一条链路上，而不在中继器中缓冲。这种链路是单向的，也就是说，只能在一个方向上传输数据，而且所有的链路都按同一方向传输，数据就在一个方向上围绕着环进行循环。

图1-3环形结构（3）环型拓扑（RingTopology）环型网络的主要优点是：结构简单、容易实现；由于路径选择简单，因此通信接口、管理软件都比较简单。环型网络的主要缺点是：结点故障会引起全网故障;由于环路封闭，因而不利于系统扩充；在负载轻时，信道利用率低。二、计算机网络的分类1.按网络拓扑结构分类按照网络的拓扑结构可分为：总线型、星型、环型、树型和网状结构等。树型拓扑是从总线拓扑演变而来的，它把星型和总型形结合起来，形状像一棵倒置的树，顶端有一个带分支的根，每个分支还可以延伸出子分支，层次结构中处于最高位置的结点（根结点）负责网络的控制。如图1-4所示。

图1-4树形结构（4）树型结构（TreeTopology）树型结构的网络易扩展，路径选择方便，若某一分支的结点式线路发生故障，易将该分支和整个系统隔离。其缺点是对根的依赖性大，如果根结点发生故障则全网不能正常工作。二、计算机网络的分类1.按网络拓扑结构分类容错能力最强、可靠性最高的网络拓扑是网型拓扑。网型结构是由星型、总线型、环型演变而来的，是前三种基本拓扑混合应用的结果。在网型网络中，如果一个计算机或一段线缆出现故障，网络的其他部分依然可以运行，数据可以通过其他计算机和线路到达目的计算机。图1-5描述了网状拓扑结构。

图1-5树形结构（5）网状结构（TreeTopology）网状拓扑的优点是系统可靠性高，但是由于结构复杂，就必须采用路由协议、流量控制等方法。网型网络建网费用高、布线困难。广域网基本都采用网状拓扑结构。二、计算机网络的分类2.按网络覆盖范围分类根据计算机网络所覆盖的地理范围、信息的传递速率及其应用目的，计算机网络通常被分为局域网(LAN)、城域网(MAN)、广域网(WAN)。这种分类方法也是目前较为流行的一种分类方法。（1）广域网（WAN：WideAreaNetwork）广域网指的是实现计算机远距离连接的计算机网络，可以把众多的城域网、局域网连结起来，也可以把全球的区域网、局域网连接起来。广域网涉辖的范围较大，一般从几百公里到几万公里，用于通信的传输装置和介质一般由电信部门提供，能实现大范围内的资源共享。（2）城域网（MAN：MetropolitanAreaNetwork）有时又称之为城市网、区域网、都市网。城域网介于LAN和WAN之间，其覆盖范围通常为一个城市或地区，距离从几十公里到上百公里。城域网通常采用光纤或微波作为网络的主干通道。（3）局域网（LAN：LocalAreaNetwork）局域网也称局部网，是指将有限的地理区域内的各种通信设备互连在一起的通信网络。它具有很高的传输速率（几十至千兆比特），其覆盖范围一般不超过几十公里，通常将一座大楼或一个校园内分散的计算机连接起来构成LAN。二、计算机网络的分类3.按通信传播方式分类根据通信传播方式的不同，可将网络划分为“广播网络”和“点对点网络”两大类。（1）广播网络（BroadcastingNetwork）中的计算机或设备使用一个共享的通信介质进行数据传播，网络中的所有节点都能收到任何节点发出的数据信息。（2）点对点网络（PointtoPointNetwork）中的计算机或设备以点对点的方式进行数据传输，两个节点间都可能有多条单独的链路。这种传播方式应用于广域网中。二、计算机网络的分类4.按通信传输介质分类（1）有线网络：指采用有形的传输介质，如双绞线、同轴电缆、光纤等组建的网络。（2）无线网络：是指使用微波、红外线等无线传播介质作为通信线路的网络。5.按使用网络的对象分类可分为专用网和公用网。（1）专用网：一般由某个单位或部门组建，使用权限属于单位或部门内部，不允许外单位或部门使用，比如银行系统的网络、军队系统的网络。（2）公用网：由电信部门组建，网络内的传输和交换设备可提供给任何部门和单位使用，比如Internet。二、计算机网络的分类6.按数据交换方式分类按网络数据的交换方式分类，可将网络划分为三类。（1）电路交换方式类网络，这种方式似于传统的电话交换方式。用户在开始通信之前，必须申请建立一条从发送端到接收端的物理通道，并且在双方通信期间始终占用该信道。（2）报文交换方式类网络，该方式的数据单元是要发送一个完整报文，其长度不受限制。报文交换采用存储转发原理，每个报文中包含有目的地址，每个用户节点要为途径的报文选择适当的路径，使其能最终到达目的端。（3）分组交换方式类网络，该方式也称包交换方式。采用分组交换方式通信前，发送端先将数据划分为一个长度受限的单位（即分组），这些分组逐个由各中间节点采用存储转发方式进行传输，最终到达目的端。由于分组长度有限，可以在中间节点机的内存中进行存储处理，其转发速度可大大提高。二、计算机网络的分类7.按网络组件关系分类按照网络中的各组件的功能来划分，常见的有两种类型的网络：对等网络和基于服务器网络。最简单的网络类型就是对等网。（1）在对等网中，每台主机既充当客户机同时又是服务器。软、硬件资源和数据都分布存储在网络中的各自独立的主机之中。每个用户都负责本地主机的数据和资源，并且有各自独立的权限和安全设置。如图1-6所示。打印服务器客户机客户机共享打印机文件服务器客户机（2）在基于服务器的网络中，通常有一台或一台以上的服务器专门用来做软、硬件资源的共享服务。服务器应该选用稳定可靠、有好的性能和大的硬盘空间的计算机。如图1-7所示。数据共享客户机客户机共享打印机客户机客户机客户机图1-6对等网图1-7基于服务器网络三、计算机网络的逻辑构成从功能上将计算机网络逻辑划分为资源子网和通信子网。如图1-8所示给出了典型的计算机网络结构。其中，资源子网负责全网的数据处理业务，并向网络用户提供各种网络资源和网络服务。资源子网主要由主机、终端以及相应的I/O设备、各种软件资源和数据资源构成。图1-8计算机网络的逻辑结构资源子网通信子网通信处理机四、数据通信概念数据通信是指发送方将要发送的数据转换成信号通过物理信道传送到数据接收方的过程就称为是数据通信。数据通信被分为模拟数据通信和数字数据通信1.信道：

信道是信号的传输媒质或渠道，可分为有线信道和无线信道两类。常见的有线信道主要有双绞线、电缆、光缆等；常见的无线信道主要有地波传播、短波传播、超短波、微波、人造卫星中继，以及各种散射信道等。2.数字信号与模拟信号数字信号是一种离散的脉冲序列，计算机产生的电信号用两种不同的电平表示0和1。模拟信号是一种连续变化的信号，如电话线上传输的按照声音强弱幅度连续变化所产生的电信号，就是一种典型的模拟信号，可以用连续的电波表示。3.带宽带宽，是指在固定的时间内可传输的数据量，亦指在传输管道中可以传递数据的能力。信号的带宽是指该信号所包含的各种不同频率成分所占据的频率范围。信道的频道越宽，可用的频率范围就越多，带宽就越大。在通信线路上传输模拟信号时，将通信线路允许通过的信号频带范围称为线路的带宽（或频宽）；在通信线路上传输数字信号时，带宽就等同于数字信道所能传送的“最高数据率”。

四、数据通信概念4.数据的传输速率

数据通信的一个主要任务是传输数据信息，传输数据时希望传输速度快、出错率低、信息量大、可靠性高、费用低。数据传输速率有两种度量单位：波特率和比特率（1）波特率波特率又称为波形速率或码元速率。指数据通信系统中，线路上每秒传送的波形个数。其单位是“波特”（Baud）。设一个波形的持续周期为T，则波特率B可以由下式给出：B=1/T（波特）式中T：表示一个数字脉冲信号的宽度或重复周期,单位为秒。（2）比特率比特率又称为信息速率，或数据传输率，简称数据率。是指每秒钟能传输的二进制信息位数，单位为位/秒（b/s），记作bps。数据传输速率的计算公式为：S=Blog2N式中N：表示一个数字脉冲信号所能表示的有效离散值的个数。四、数据通信概念4.数据的传输速率

数据通信的一个主要任务是传输数据信息，传输数据时希望传输速度快、出错率低、信息量大、可靠性高、费用低。数据传输速率有两种度量单位：波特率和比特率（1）波特率波特率又称为波形速率或码元速率。指数据通信系统中，线路上每秒传送的波形个数。其单位是“波特”（Baud）。设一个波形的持续周期为T，则波特率B可以由下式给出：B=1/T（波特）式中T：表示一个数字脉冲信号的宽度或重复周期,单位为秒。（2）比特率比特率又称为信息速率，或数据传输率，简称数据率。是指每秒钟能传输的二进制信息位数，单位为位/秒（b/s），记作bps。数据传输速率的计算公式为：S=Blog2N式中N：表示一个数字脉冲信号所能表示的有效离散值的个数。四、数据通信概念5.数据的调制与解调

由于信号的传递有数字信号与模拟信号两种方式，为了能使这两种方式进行有效转换，需要数据的调制与解调技术，我们将数字信号转换为模拟信号的过程称为调制，将模拟信号转换为数字信号的过程成为解调。其中调制解调器(MODEM)设备是一种结合了这两种功能的通信设备。6.数据传送的方式

数据传送有两种方式：并行通信和串行通信。通常情况下，并行通信用于距离较近的情况，串行通信用于距离较远的情况。（1）并行传输：由0和1组成的二进制值可以组成n比特的位组。计算机使用和生成以比特组为单位的数据，就像我们在英语会话时用词而不是一个个的字母来交流一样。从概念上说，并行传输的机制很简单：l次使用n条导线来传输n个比特。并行传输的优势在于速度。如图1-9所示。四、数据通信概念（2）串行传输：在串行传输中，比特是一个一个依次发送的，因此在两个通信设备之间传输数据只需要一条通信信道，而不是n条。串行传输相对于并行传输的优点是：因为只需要一条通信信道，串行传输的费用大约只是并行传输的n分之一。如图1-10所示。

四、数据通信概念图1-9并行传输图1-10串行传输

四、数据通信概念7.数据同步方式同步传输方式和异步传输方式。这两种传输方式的区别在于发送和接收设备的时钟是异步的，还是同步的。（1）异步传输在异步传输方式中，每次传送一个字符(5-8位)，都在每个字符代码前加一起始位，表示该字符代码的开始。在字符和校验码后加一停止位，以示该代码的结束。所以又称起止式同步，起始位编码为“0”，持续l位时间，停止位编码为“1”，持续l～2位时间。当不发送数据时，发送端连续地发送停止码“1”。接收端一旦接收到从“1”到“0”信号跳变，便知道要开始新字符的发送，利用这种极性的改变便可启动定时机构，实现同步。（2）同步传输同步传输方式以固定的时钟节拍来发送数据信号，字符间顺序相连，既无间隙也没有插入位。收发双方的时钟信号与传输的每一