《计算机网络》-第１章　计算机网络基础

１.１认识计算机网络１.１.１无处不在的计算机网络计算机网络，一个信息时代的代名词。计算机技术和通信技术的融合，催生了计算机网络的出现和发展，计算机网络技术就是这个信息爆炸时代的重要标志。计算机网络在世界范围内得到了广泛的应用，并以其灵活、开放、便捷等不可比拟的优势影响着人们的工作、生活和学习的各个方面。网络能为人们提供任何人们需要的服务，比如收发信息、亲友联系、网上购物、了解即时新闻、收看电视节目以及完成工作和学习任务等。下一页返回１.１认识计算机网络据《第３４次中国互联网络发展状况统计报告》显示，截至２０１４年６月，中国网民规模达６.３２亿，较２０１３年底增加１４４２万人，互联网普及率为４６.９％，较２０１３年底提升１.１％。互联网发展重心从“广泛”转向“深入”，网络应用对大众生活的改变从点到面，互联网对网民生活全方位渗透程度进一步增加。除了传统的消费、娱乐以外，移动金融、移动医疗等新兴领域移动应用多方向满足用户上网需求，推动网民生活的进一步“网络化”。计算机网络已经实实在在地进入了千家万户。上一页下一页返回１.１认识计算机网络１.１.２计算机网络的概念计算机网络是计算机技术与通信技术结合的产物。对计算机网络的定义没有统一的标准，根据计算机网络发展的阶段或侧重点不同，对计算机网络有几种不同的定义。最简单的定义是：一些相互连接的、以共享资源为目的的、自治的计算机的集合。从逻辑功能上看，计算机网络是以传输信息为根本目的，用通信线路将多个计算机连接起来的计算机系统的集合。从用户角度看，计算机网络就是一个能为用户提供资源服务及通信服务的系统。上一页下一页返回１.１认识计算机网络当然，我们也可以从侧重资源共享和通信的计算机网络定义更准确地描述计算机网络的特点，它的基本含义是将处于不同地理位置，具有独立功能的计算机、终端及附属设备用通信线路连接起来，以功能完善的网络软件（即网络通信协议、信息交换方式及网络操作系统等）实现网络中资源共享和信息传递的系统。网络中的每一台计算机成为一个结点（ｎｏｄｅ）。关于计算机网络，有一个更详细的定义，即计算机网络是用通信线路和网络连接设备将分布在不同地点的多台功能独立的计算机系统互相连接，按照网络协议进行数据通信，以实现资源共享为目的，为网络用户提供各种应用服务信息的系统。上一页下一页返回１.１认识计算机网络１.１.３计算机网络的功能计算机网络最主要的功能是数据传输和资源共享，此外还有负荷均衡、分布处理和提高系统安全与可靠性等功能。１.数据传输数据传输是计算机网络的最基本功能之一，可以实现计算机与终端、计算机与计算机之间各种信息的传送。这些信息包括文字、声音、图片、视频、多媒体和程序等。数据通信是计算机网络的基本功能之一，它可以为网络用户提供强有力的通信手段。建设计算机网络的主要目的就是让分布在不同地理位置的计算机用户能够相互通信、交流信息。上一页下一页返回１.１认识计算机网络２.资源共享充分利用不同地理位置的计算机系统资源（包括硬件、软件和数据）是组建计算机网络的主要目标之一。计算机网络允许网络上的用户共享的资源包括：（１）硬件资源共享：高性能计算机、大容量存储器、打印机、图形设备、通信线路、通信设备等。共享硬件的好处是提高硬件资源的使用效率、节约开支。现在已经有许多专供网上使用的软件，如数据库管理系统、各种Ｉｎｔｅｒｎｅｔ信息服务软件等。（２）软件资源共享：主要表现为在网络上使用软件的网络版以及多用户应用程序，使多个用户能同时访问和更新数据。上一页下一页返回１.１认识计算机网络（３）信息共享：信息也是一种资源，Ｉｎｔｅｒｎｅｔ就是一个巨大的信息资源宝库，每一个接入Ｉｎｔｅｒｎｅｔ的用户都可以共享这些信息资源。可共享的信息资源有：搜索与查询的信息，Ｗｅｂ服务器上的主页及各种链接，ＦＴＰ服务器中的软件，各种各样的电子出版物，网上消息、报告和广告，网上大学，网上图书馆等。３.提高可靠性计算机系统的可靠性对于军事、金融和工业过程控制等部门的应用特别重要。计算机通过网络中的冗余部件可大大提高可靠性，表现为计算机网络中的各主机可以通过网络彼此互为备份机，一旦某台出现故障，故障机的任务可以迅速地转由其他计算机代为处理，避免了单机后无备份机的情况下，特定计算机出现故障导致整个系统瘫痪的状况的发生，大大提高了系统可靠性。上一页下一页返回１.１认识计算机网络４.易于进行分布式处理计算机网络中，对于较大型的综合性问题，可通过一定的算法将任务交换给不同的计算机，达到均衡使用网络资源，实现分布处理的目的。分布处理将一个作业的处理分为三个阶段：提供作业文件；对作业进行加工处理；把处理结果输出。在单机环境下，上述三步都在本地计算机系统中进行。在网络环境下，根据分布处理的需求，可将作业分配给其他计算机系统进行处理，以提高系统的处理能力，高效地完成一些大型应用系统的程序计算以及大型数据库的访问等。此外，利用网络技术，能将多台计算机连成具有高性能的计算机系统，对于解决大型复杂问题，比使用高性能的大中型机费用要低得多。计算机网络的这些重要功能和特点，使它在经济、军事、生产管理和科学技术等部门发挥着重要的作用，成为计算机应用的高级形式，也是办公自动化的主要手段。上一页下一页返回１.１认识计算机网络１.１.４计算机网络的形成与发展１９４６年第一台电子计算机的诞生标志着人类向信息时代迈进。计算机应用的发展使计算机之间对数据交换、资源共享的要求不断提高，因此互联的计算机—计算机网络出现了。计算机网络从２０世纪６０年代开始发展，由简单到复杂、由低级到高级，已形成从小型局域网到全球性的广域网的规模。在过去几十年里，计算机技术取得了惊人的发展，处理和传输信息的计算机网络也成为信息社会的基础。在今天，日常生活和工作离不开计算机网络，比如基于资源共享的科学计算、网络教育、电子商务、电子政务、远程医疗、电子邮件、网上娱乐等。上一页下一页返回１.１认识计算机网络计算机网络的发展主要有以下几个阶段。１.第一代计算机网络（早期的计算机网络）早期的计算机系统是高度集中的，所有的设备安装在单独的机房中，后来出现了批处理和分时系统，分时系统所连接的多个终端连接着主计算机。因为计算机主机相当昂贵，而通联机终端系统信线路和通信设备相对便宜，为了共享计算机主机资源和进行信息的综合处理，形成了第一代的以单主机为中心的联机终端系统，如图１－１所示。２０世纪５０年代中后期，许多系统都将地理上分散的多个终端通过通信线路连接到一台中心计算机上，出现了第一代计算机网络。它是以单个计算机为中心的远程联机系统。上一页下一页返回１.１认识计算机网络典型应用是美国航空公司与ＩＢＭ在２０世纪５０年代初开始联合研究、２０世纪６０年代投入使用的飞机订票系统ＳＡＢＲＥ－Ｉ，它由一台计算机和全美范围内２０００个终端组成（这里的终端是指由一台计算机外部设备组成的简单计算机，有点类似现在所提的“瘦客户机”，仅包括ＣＲＴ控制器、键盘，没有ＣＰＵ、内存和硬盘）。随着远程终端的增多，为了提高通信线路的利用率并减轻主机负担，已经使用了多点通信线路、终端集中器和前端处理机（Ｆｒｏｎｔ－ＥｎｄＰｒｏｃｅｓｓｏｒ，ＦＥＰ），这些技术对以后计算机网络的发展有着深刻影响，以多线路连接的终端和主机间的通信的建立过程，可以用主机对各终端轮询或者由各终端连接成雏菊链的形式实现。考虑到远程通信的特殊情况，对传输的信息还要按照一定的通信规程进行特别的处理。上一页下一页返回１.１认识计算机网络当时的计算机网络定义为“以传输信息为目的而连接起来，以实现远程信息处理或进一步达到资源共享的计算机系统”，这样的计算机系统具备了通信的雏形。２.第二代计算机网络（现代计算机网络的发展，远程大规模互联）２０世纪６０年代出现了大型主机，因而也提出了对大型主机资源远程共享的要求，以程控交换为特征的电信技术的发展为这种远程通信需求提供了实现手段。第二代网络以多个主机通过通信线路互联，为用户提供服务，兴起于２０世纪６０年代后期。这种网络中主机之间不是直接用线路相连，而是由接口报文处理机（ＩＭＰ）转接后互联，如图１－２所示。ＩＭＰ和主机之间互联的通信线路一起负责主机间的通信任务，构成了通信子网。通信子网中互联的主机负责运行程序，提供资源共享，组成了资源子网。上一页下一页返回１.１认识计算机网络３.第三代计算机网络（计算机网络标准化阶段）随着计算机网络技术的成熟，网络应用越来越广泛，网络规模增大，通信变得复杂。各大计算机公司纷纷制定了自己的网络技术标准。ＩＢＭ于１９７４年推出了系统网络结构（ＳｙｓｔｅｍＮｅｔｗｏｒｋＡｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ），为用户提供能够互联的成套通信产品；１９７５年ＤＥＣ公司宣布了自己的数字网络体系结构ＤＮＡ（ＤｉｇｉｔａｌＮｅｔｗｏｒｋＡｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ）；１９７６年ＵＮＩＶＡＣ宣布了该公司的分布式通信体系结构（ＤｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄＣｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎＡｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ），这些网络技术标准只是在一个公司范围内有效，遵从某种标准的、能够互联的网络通信产品，只能是同一公司生产的同构型设备。上一页下一页返回１.１认识计算机网络网络通信市场这种各自为政的状况使得用户在投资方向上无所适从，也不利于多厂商之间的公平竞争。１９７７年ＩＳＯ组织的ＴＣ９７信息处理系统技术委员会ＳＣ１６分技术委员会开始着手制定开放系统互联参考模型。４.第四代计算机网络（微机局域网的发展时期，互联网出现）２０世纪８０年代末，局域网技术发展成熟，出现了光纤及高速网络技术，整个网络就像一个对用户透明的、大的计算机系统，发展以Ｉｎｔｅｒｎｅｔ为代表的因特网，这就是直到现在为止的第四代计算机网络时期。此时，计算机网络的定义为“将多个具有独立工作能力的计算机系统通过通信设备和线路由功能完善的网络软件实现资源共享和数据通信的系统”。事实上，对于计算机网络也从未有过一个标准的定义。上一页下一页返回１.１认识计算机网络５.下一代计算机网络（ＮｅｘｔＧｅｎｅｒａｔｉｏｎＮｅｔｗｏｒｋ，ＮＧＮ）ＮＧＮ，网络的下一个发展目标。目前一般认为下一代网络基于ＩＰ，支持多种业务，能够实现业务与传送分离，控制功能独立，接口开放，具有服务质量（ＱｏＳ）保证和支持通用移动性的分组网。普遍认为是因特网、移动通信网络、固定电话通信网络的融合，ＩＰ网络和光网络的融合；是可以提供包括语音、数据和多媒体等各种业务的综合开放的网络构架；是业务驱动、业务与呼叫控制分离、呼叫与承载分离的网络；是基于统一协议的、基于分组的网络。在功能上ＮＧＮ分为四层，即接入和传输层、媒体层、控制层、网络服务层。涉及软交ｏｃｏｌＬａｂｅｌＳｗｉｔｃｈｉｎｇ：多协议标签交换）、ＥＮＵＭ等技术。上一页返回１.２计算机网络组成与结构１.２.１通信子网和资源子网从计算机网络（图１－３）各组成部件的功能来看，各部件主要完成两种功能，即网络通信和资源共享。把计算机网络中实现网络通信功能的设备及其软件的集合称为网络的通信子网，而把网络中实现资源共享功能的设备及其软件的集合称为资源子网。１.资源子网计算机网络首先是一个通信网络，各计算机之间通过通信媒体、通信设备进行数字通信，在此基础上，各计算机可以通过网络软件共享其他计算机上的硬件资源、软件资源和数据资源。下一页返回１.２计算机网络组成与结构资源子网负责全网数据处理和向网络用户提供资源及网络服务，包括网络的数据处理资源和数据存储资源。网络子网是计算机网络中面向用户的部分，其主体是连入计算机网络内的所有主计算机以及这些计算机所拥有的面向用户端的外部设备、软件和共享的数据资源。网络子网中各种数据处理设备有计算机、智能终端、磁盘存储器和监控设备等。在局域网中，资源子网主要由网络的服务器、工作站、共享的打印机和其他设备及相关软件组成。在广域网中，资源子网由上网的所有主机及其外部设备组成。资源子网的主体为网络资源设备，包括：客户机（也称工作站）、网络存储系统、网络打印机、独立运行的网络数据设备、网络终端、服务器、网络上运行的各种软件资源、数据资源等。上一页下一页返回１.２计算机网络组成与结构２.通信子网通信子网是指网络中实现网络通信功能的设备及其软件的集合，通信设备、网络通信协议、通信控制软件等都属于通信子网，是网络的内层，负责信息的传输，主要为用户提供数据的传输、转接、加工、变换等。通信子网主要包括中继器、集线器、网桥、路由器、网关等硬件设备。局域网中通信子网由网卡、线缆、集线器、中继器、网桥、路由器、交换机等设备和相关软件组成。广域网中通信子网由一些专用的通信处理机（即结点交换机）及其运行的软件、集中器等设备和连接这些节点的通信链路组成。通信子网的设计一般有两种方式：点到点通道和广播通道。上一页下一页返回１.２计算机网络组成与结构点到点通道基本特点：一条线路连接二台网络互联设备。一般情况下，二台计算机的连接要经过多台网络互联设备。其关键技术一般为路由（Ｒｏｕｔｉｎｇ）选择。广播通道基本特点：多台计算机共享一条通信线路。任何一台计算机发出的信息都可以直接被其他计算机接收。其关键技术为通道分配。没有通信子网，网络不能工作，而没有资源子网，通信子网的传输功能也失去了意义，两者合起来组成了一个统一的资源共享的两层网络。将通信网络的规模进一步扩大，使之变成社会公有的数据通信。上一页下一页返回１.２计算机网络组成与结构１.２.２计算机网络的组成（设备、协议）虽然计算机网络的定义众多，但从这些定义中我们能看到计算机网络三个重要组成部分：若干个主机；一个通信子网；一系列的通信协议和若干网络软件。本节我们认识一下计算机网络的组成设备和协议。１.主机部分（１）主机（Ｈｏｓｔ）。主机可以是大型机、中型机、小型机。主机是资源子网的主要组成单元，它通过高速通信线路与通信子网的通信控制处理机相连接。普通用户终端通过主机连入网内。主机要为本地用户访问网络其他主机设备和资源提供服务，同时为远程服务用户共享本地资源提供服务。上一页下一页返回１.２计算机网络组成与结构（２）服务器（Ｓｅｒｖｅｒ）。服务器是局域网的核心，根据它在网络中所起的作用，还可以进一步分为文件服务器、打印服务器和通信服务器。文件服务器能将大容量磁盘空间提供给网上客户机使用，接收客户机提出的数据处理和文件存取请求，向用户（客户机）提供各种服务。打印服务器接收来自客户机的打印任务。通信服务器主要负责网与网之间的通信和提供各种调制解调器的多种接口。（３）客户机（Ｃｌｉｅｎｔ）。客户机又称为用户工作站，是用户与网络应用的接口设备，一般由微机担任。每一个客户机既要运行本机的进程，又要和服务器打交道，同时，还可能接收来自于其他工作站的信息。它在网络中和其他工作站一起构成了可进行分布式处理的环境。它还可分享网上的资源，并可为其他工作站提供必要的支持。上一页下一页返回１.２计算机网络组成与结构（４）终端（Ｔｅｒｍｉｎａｌ）。终端是用户访问网络，实现人机交互的工具。终端可以是简单的输入、输出终端，也可以是带有微处理机的智能终端（在局域网中，一般会用ＰＣ替代终端，既可作为终端使用，也可作为独立的计算机使用）。终端可以通过主机连入网内，也可以通过终端控制器、报文分组组装与拆卸装置或通信控制处理机连入。（５）对等机（Ｐｅｅｒｓ）。对等机既可作为服务器，又可作为客户机使用。一般它都包含一定的资源，像内存、软硬盘等外设及各种软件（各种应用软件和数据库等）。对等机既可享用其他设备的资源，又能为其他用户提供资源服务。上一页下一页返回１.２计算机网络组成与结构２.通信子网部分（１）传输介质。传输介质是数据传输系统中发送装置和接收装置间的物理媒体，常用的传输介质有双绞线、同轴电缆、光导纤维、微波和红外线等。①双绞线。双绞线是由两根绝缘金属线按螺旋状扭合在一起而成的，以螺旋状扭合在一起的目的是减少线对之间的电磁干扰。双绞线既可以用于传输模拟信号，也可以用于传输数字信号。双绞线点到点的通信距离一般不能超出１００ｍ。双绞线价格低廉，比同轴电缆或光纤便宜得多。上一页下一页返回１.２计算机网络组成与结构②同轴电缆。同轴电缆由内、外两个导体组成，内导体可以由单股或多股线组成，外导体一般由金属编织网组成。内、外导体之间有绝缘材料。在较高频率时，抗干扰性比双绞线优越。每米价格和安装费用比双绞线高。③光导纤维。光导纤维简称光纤。光纤由能传导光波的石英玻璃纤维和薄层构成。光纤中传输的是数字信号，在发送端先将电信号转换成光信号，在接收端再用光检测器将光信号还原成电信号。光纤通信损耗低、频带宽、数据传输率高、抗电磁干扰强、安全性好，但是价格昂贵，主要用于高速、大容量的通信干线等。根据传输模式光纤被分为多模光纤和单模光纤。所谓“模”，指的是以一定角度进入光纤的一束光。上一页下一页返回１.２计算机网络组成与结构④无线介质。无线传输介质不需要架设或铺埋电缆或光纤，目前有三种技术：微波（包括卫星通信）、红外线与激光。三种介质都有较强的方向性，都是沿直线传播的，而且不能穿透或绕开固体障碍物，因而要求在发送方和接收方之间存在一条视线通路，有时将这三者统称为视线介质。（２）互联设备计算机网络是由分布在一定区域或不同区域的计算机设备连接而成的，计算机网络的硬件包括计算机设备和网络连接设备。上一页下一页返回１.２计算机网络组成与结构计算机设备包括：服务器、工作站、共享设备等。服务器是网络的核心设备，负责网络资源管理和用户服务，服务器可分为文件服务器、远程访问服务器、数据库服务器、打印服务器等，是一台专用或多用途的计算机。工作站是具有独立处理能力的个人计算机，它负责用户的信息处理业务。共享设备是指为众多用户共享的打印机、磁盘子系统等公用的设备。网络连接设备包括用于网内连接的网络适配器、中继器、集线器、传输线等和用于网间连接的网桥、路由器等。常用设备在网络连接中的作用如下。上一页下一页返回１.２计算机网络组成与结构①网络适配器。网络适配器也称为网卡，它是计算机之间传输介质互相通信的接口。网卡插在计算机的扩展槽中，提供数据传输的功能，也是计算机与网络之间的逻辑和物理链路。网卡是物理通信的瓶颈，它的好坏直接影响用户将来的软件使用效果和物理功能的发挥。②集线器。集线器（Ｈｕｂ）是网络中的中心设备。网络采用双绞线并用星型网络拓扑结构，中间连接集线器，通过集线器连接网上的各个节点，这样，即使网上的某个节点发生故障，也不会影响其他节点的正常工作。③路由器。当两个以上的不同类型网络需要互联时，应使用路由器。路由器具有路径的选择功能。路由器可根据网络上信息拥挤的程度，自动地选择适当的线路传递信息。路由器属于ＯＳＩ参考模型第三层的设备。上一页下一页返回１.２计算机网络组成与结构３.通信协议部分（１）通信协议（ＣｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓＰｒｏｔｏｃｏｌ）。通信协议是指通信各方事前约定的通信规则，可以简单地理解为各计算机之间进行相互会话所使用的共同语言（例如ＴＣＰ／ＩＰ）。用于主机与主机、主机与通信子网之间、通信子网各节点之间的通信。协议定义了数据单元使用的格式、信息单元应该包含的信息与含义、连接方式、信息发送和接收的时序，从而确保网络中数据顺利地传送到确定的地方。上一页下一页返回１.２计算机网络组成与结构（２）网络操作系统（ＮｅｔｗｏｒｋＯｐｅｒａｔｉｎｇＳｙｓｔｅｍ，ＮＯＳ）。网络操作系统是向网络计算机提供服务的特殊的操作系统。它在计算机操作系统下工作，使计算机操作系统增加了网络操作所需要的能力。网络操作系统运行在服务器上，使之能有效地共享网络资源。网络操作系统是操作系统和网络通信技术相结合的产物，不但具备操作系统的处理机管理功能、存储管理功能、设备管理功能和文件管理功能四大功能，还具有网络通信、网络资源管理、网络服务、网络管理和互操作能力。上一页下一页返回１.２计算机网络组成与结构１.２.３计算机网络的分类在网络应用范围越来越广泛的今天，网络的样式越来越多。对网络进行分类，能使读者对现有的网络有一个清晰的、整体的把握。正如对人进行分类，采取不同的分类标准，就有不同的分类方案，如按照地域分为亚洲人、欧洲人、非洲人和美洲人，按照性别分为男人和女人。同样对计算机网络，采用不同的分类方案，也会得到不同的分类结果。按覆盖范围可分为：广域网、局域网和城域网。按通信子网的信道类型可分为：点到点式网络和广播式网络。按信息交换方式可分为：电路交换网、分组交换网、报文交换网和综合业务数字网。按网络的拓扑结构可分为：总线型、环型、星型、树型和网状网络。上一页下一页返回１.２计算机网络组成与结构按传输介质可分为：双绞线、同轴电缆、光纤、无线和卫星等通信网络。按带宽可分为：基带网络和宽带网络。按对数据的组织方式可分为：分布式和集中式网络。按使用范围可分为：公用网和专用网。按介质访问方式分为：以太网、令牌环网和令牌总线网。按网络组建的关系可分为：对等网络和基于服务器的网络。１.按网络覆盖范围分类计算机网络按其覆盖的地理范围可分为如下三类：局域网（ＬｏｃａｌＡｒｅａＮｅｔｗｏｒｋ，ＬＡＮ）、城域网（ＭｅｔｒｏｐｏｌｉｔａｎＡｒｅａＮｅｔｗｏｒｋ，ＭＡＮ）和广域网（ＷｉｄｅＡｒｅａＮｅｔｗｏｒｋ，ＷＡＮ）。上一页下一页返回１.２计算机网络组成与结构（１）局域网。局域网地理范围在１０ｋｍ以内，属于一个部门、一个单位或一个组织所有。例如，一个企业、一所学校、一幢大楼、一间实验室等。这种网络往往不对外提供公共服务，管理方便，安全保密性好。局域网组建方便，投资少，见效快，使用灵活，是计算机网络中发展最快、应用最普遍的计算机网络。与广域网相比，局域网传输速率快，通常在１００Ｍｂ／ｓ以上；误码率低，通常为１０－１１～１０－８。（２）广域网。广域网地理范围在几十千米到几万千米，小到一个城市、一个地区，大到一个国家、几个国家、全世界。因特网就是典型的广域网，提供大范围的公共服务。与局域网相比，广域网投资大，安全保密性能差，传输速率慢，通常为６４Ｋｂ／ｓ、２Ｍｂ／ｓ、１０Ｍｂ／ｓ，误码率较高，通常为１０－７～１０－６。上一页下一页返回１.２计算机网络组成与结构（３）城域网。城域网介于局域网与广域网之间，地理范围从几十千米到上百千米，覆盖一座城市或一个地区。它是在局域网逐步扩大应用范围后出现的新型网络，可以看作局域网的延伸。城域网建设主要采用的是ＩＰ技术和ＡＴＭ技术。在计算机网络的体系结构和国际标准中，专门有针对城域网的内容，作为分类需要提出来。但城域网没有自己突出的特点。后面介绍计算机网络时，将只讨论局域网和广域网，不再讨论城域网。从这个意义上说，也可以把网络划分为局域网和广域网两大类。局域网、城域网和广域网的比较如表１－１所示。２.按拓扑结构分类常用的拓扑结构有五种，即总线型、环型、星型、树型和网状。上一页下一页返回１.２计算机网络组成与结构３.按传输介质分类（１）有线网。采用同轴电缆或双绞线来连接的计算机网络。同轴电缆网是一种常见的连网方式。它比较经济，安装较为便利，传输速率和抗干扰能力一般，传输距离较短。双绞线网是目前最常见的连网方式。它价格便宜，安装方便，但易受干扰，传输速率较低，传输距离比同轴电缆要短。（２）光纤网。光纤网也是有线网的一种，但由于其特殊性而单独列出。光纤网采用光导纤维作为传输介质，光纤传输距离长，传输速率高，每秒可达数千兆比特，抗干扰能力强，不会受到电子监听设备的监听，是高安全性网络的理想选择。不过由于其价格较高，且需要高水平的安装技术，所以现在普及率较低。上一页下一页返回１.２计算机网络组成与结构（３）无线网采用空气做传输介质，用电磁波作为载体来传输数据，目前无线网连网费用较高，还不太普及。但由于连网方式灵活方便，是一种很有前途的连网方式。４.按通信信道分类（１）点对点传输网络（Ｐｅｅｒ－Ｔｏ－Ｐｅｅｒ，简称Ｐ２Ｐ）。点对点传输又称对等互联网络技术，依赖于网络中参与者的计算能力和带宽，而不是依赖于较少的几台服务器。Ｐ２Ｐ网络的一个重要的目标就是让所有的客户端都能提供资源，包括带宽、存储空间和计算能力。因此，当有节点加入且对系统请求增多时，整个系统的容量也增大。上一页下一页返回１.２计算机网络组成与结构（２）广播式传输网络。广播式传输利用一个共同的传输介质把各个站点连接起来，使网上站点共享一条信道，其中任意一个站点输出，其他站点均可接收。适宜范围较小或保密性要求较低的网络。无线网和总线型网络属于这种类型。１.２.４计算机网络的拓扑结构拓扑结构是借用数学上的一个词语，从英文Ｔｏｐｏｌｏｇｙ音译而来。拓扑学是数学中一个重要的、基础性的分支。它最初是几何学的一个分支，主要研究几何图形在连续变形下保持不变的性质，现在已成为研究连续性现象的重要数学分支。计算机网络的拓扑结构指网络传输介质和节点（网络内部的主机、终端、交换机等）的连接形式，即线路构成的几何形状。上一页下一页返回１.２计算机网络组成与结构计算机网络的拓扑结构通常有五种，即总线型、环型、星型、树型和网状。应当说明的是，这五种拓扑形状指的是线路逻辑结构，实际铺设线路时可能与画的形状完全不同。常见的拓扑图形如图１－４所示。１.总线型总线型拓扑结构如图１－４（ａ）所示，可以看出，该结构采用一条公共总线作为传输介质，每台计算机通过相应的硬件接口入网，信号沿总线进行广播式传送。以太网采用的就是总线型结构，以同轴电缆作为传输介质。总线型的网络是一种典型的共享传输介质的网络。总线型局域网结构从信源发送的信息会传送到介质长度所及之处，并被其他所有站点看到。如果有两个以上的节点同时发送数据，就会造成冲突。上一页下一页返回１.２计算机网络组成与结构总线型拓扑结构的主要优点如下。①布线容易。无论是连接几个建筑物或是楼内布线，都容易施工安装。②增删容易。如果需要从总线上增加或撤下一个网络站点，只需增加或拔掉一个硬件接口，即可实现。需要增加长度时，可通过中继器加上一支段来延伸距离。③节约线缆。只需要一根公共总线，两端的终结器就安装在两端的计算机接口上，线缆的使用量最少。④可靠性高。由于总线采用无源介质，结构简单，十分可靠。上一页下一页返回１.２计算机网络组成与结构总线型拓扑结构的主要缺点如下。①任何两个站点之间传送数据都要经过总线，总线成为整个网络的瓶颈，当计算机站点多时，容易产生信息堵塞，传递不畅。②如果计算机接入总线的接口硬件发生故障，例如拔掉粗线缆上的收发器或细缆上的Ｔ形接头，会造成整个网络瘫痪。③当网络发生故障时，故障诊断困难，故障隔离更困难。虽然总线型拓扑结构简单，但由于不是集中式控制，故障诊断需要在网络中各节点计算机上分别进行。如果是总线传输介质发生故障，则故障隔离就更加困难了。综上所述，总线型结构缺点是主要的，单纯的总线型结构网络目前已基本不再采用，因为传输性能太低，可扩展性也受到性能的限制。上一页下一页返回１.２计算机网络组成与结构２.环型环型拓扑结构为一封闭的环，如图１－４（ｂ）所示。连入环型网络的计算机也由一个硬件接口入网，这些接口首尾相连形成一条链路，信息传送也是广播式的，沿着一个方向（例如逆时针方向）单向逐点传送。环型拓扑结构的主要优点如下。①网络路径选择和网络组建简单。在这种结构网络中，信息在环型网络中的流动沿一个特定的方向，每两个计算机之间只有一个通路，简化了路径的选择，路径选择效率非常高。正因为这样，这类网络的组建相当简单。上一页下一页返回１.２计算机网络组成与结构②投资成本低。一方面，环型网络中各计算机连接在同一条传输电缆上，所以它的传输电缆成本非常低，电缆利用率相当高，节省了投资成本；另一方面，由于这种网络中没有任何其他专用网络设备，因此无须花费资金购买网络设备。环型结构网络的主要缺点体现在以下几个方面。①传输速度慢，最高实现１.６Ｍｂ／ｓ的接入速率。②连接用户数非常少。环型网络结构中，各用户是相互串联在一条传输电缆上的，本来传输速率就非常低，再加上共享传输介质，所以可连接的用户数非常少，通常只是几个用户，最多不超过２０个。上一页下一页返回１.２计算机网络组成与结构③传输效率低。环型网络共享一条传输介质，每发送一个令牌数据都要在整个环状网络中从头走到尾，即使已有节点接收了数据。某个节点接收数据时，只是复制了令牌数据，令牌还将继续传递，看是否还有其他节点需要同样一份数据，直到回到发送数据的节点。因此，原本传输速率非常低的网络，传输效率变得更低。④扩展性能差。环型结构，且没有任何可用来扩展连接的设备，决定了它的扩展性能远不如星型结构。如果要新添加或移动节点，就必须中断整个网络，在适当位置切断网线，并在两端做好环中继器转发器才能连接。受网络传输性能的限制，这种网络连接的用户数也非常有限，不能随意扩展。上一页下一页返回１.２计算机网络组成与结构⑤维护困难。一般环型网络中只有一条传输电缆，看似结构非常简单，但它仍是一个闭环，设备都连接在同一条串行连接的环路上，所以一旦某个节点出现了故障，整个网络将出现瘫痪。在这样一个串行结构中，要找到具体的故障点是非常困难的，必须一个节点一个节点地排除，非常不便。另一方面，因为同轴电缆所采用的是插针接触方式，非常容易出现接触不良，造成网络中断，网络故障率非常高。同总线型结构一样，环型网络结构的缺点是主要的，现在已经很少使用。上一页下一页返回１.２计算机网络组成与结构３.星型由图１－４（ｃ）可以看出，星型结构由一个中央节点和周围的从节点组成。中央节点可与从节点直接通信，而从节点之间必须经过中央节点转接才能通信。中央节点有两类：一类是一台功能很强的计算机，它既是一台处理信息的独立计算机，又是一个信息转接中心，早期的计算机网络多采用这种类型；另一类中央节点并不是一台计算机，而是一台网络转接或交换设备，如交换机（Ｓｗｉｔｃｈ）或集线器（Ｈｕｂ），现阶段的星型网络拓扑结构都是采用这种类型，以一台计算机作为中央节点的已经很少采用了。比较大型的网络往往采用几个星型结构，组合成扩展的星型网络。星型结构是目前应用最广、实用性最好的一种拓扑结构。无论在局域网中还是在广域网中都可以见到它的身影，但主要应用于双绞线以太局域网中。上一页下一页返回１.２计算机网络组成与结构星型拓扑结构的主要优点如下。①可靠性高。对于整个网络来说，每台计算机及其接口的故障不会影响其他计算机，不会影响网络，也不会发生全网的瘫痪。②故障检测和隔离容易，网络容易管理和维护。③可扩展性好，配置灵活。增加、删除、改动一个站点容易实现，与其他节点没有关系。④传输速率高。每个节点独占一条传输线路，消除了数据传送堵塞现象，而总线型、环型的数据传送瓶颈都是在线路上。上一页下一页返回１.２计算机网络组成与结构星型拓扑结构的主要缺点如下。①网络可靠性依赖于中央节点，若交换机或集线器设备选择不当，一旦出现故障就会造成全网瘫痪。通常交换机、集线器这类设备结构很简单，不会出现故障。②网络布线较复杂。每个计算机直接采用专门的网线电缆与集线设备相连，这样整个网络至少需要所有计算机及网络设备总量以上条数的网线电缆，使本身结构就非常复杂的星型网络变得更加复杂了。③广播传输，影响网络性能。其实这是以太网的一个不足，但因星型网络结构主要应用于以太网中，所以相应也就成了星型网络的一个缺点。上一页下一页返回１.２计算机网络组成与结构４.树型树型结构是从星型拓扑结构演变而来的，可以认为是由多级星型结构组成。它将原来用单独链路直接连接的节点进行多级处理，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。与星型结构相比，二者的主要区别在于树型结构中有“根”，树根下有多个分支，每个分支还可以有子分支，树叶是站点。当站点发送数据时，由“根”接收信号，然后再重新广播发送到全网。树型网络结构采用分级的集中控制方式，其传输介质可有多条分支，但不形成闭合回路，每条通信线路都必须是支持双向传输的。如图１－４（ｄ）所示。上一页下一页返回１.２计算机网络组成与结构５.网状网状拓扑结构分为全连接网状结构和不完全连接网状结构两种。全连接结构中每个节点和网中其他节点均有链路连接。Ｉｎｔｅｒｎｅｔ就是采用这种拓扑结构。不完全连接结构网中，两节点之间不一定有直接的路径，但是可以通过其他节点的转接进行通信，如图１－４（ｅ）所示。网状结构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，还可以选择其他链路。但网状结构通信线路长，成本高；建网较难，路径控制复杂。上一页返回１.３ＯＳＩ参考模型１.３.１ＯＳＩ参考模型的概念在计算机网络产生之初，许多计算机生产厂商都积极推出自己公司独创的网络，每个计算机厂商都有一套自己的网络体系结构（比如ＩＢＭ公司的ＳＮＡ和ＤＥＣ公司的ＤＮＡ）。采用不同网络结构与协议的网络称为异构网络，它们之间互不兼容。导致使用某种网络的用户如果后续要扩展网络，要么继续使用原计算机厂家的设备，要么必须放弃原来的所有设备，因为生产厂商之间的设备不兼容，而且网络相互都是不共享的。下一页返回１.３ＯＳＩ参考模型为了解决不同体系结构的网络的互联问题，国际标准化组织（ＩＳＯ）在１９７９年建立了一个分委员会来专门研究一种用于开放系统互连的体系结构（ＯｐｅｎＳｙｓｔｅｍｓＩｎｔｅｒｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎ），简称ＯＳＩ。“开放”表示只要遵循ＯＳＩ标准，一个系统可以和位于世界上任何地方的、也遵循ＯＳＩ标准的其他任何系统进行连接。这个分委员提出了开放系统互联，即ＯＳＩ参考模型，它定义了连接异种计算机的标准框架。它的最大优点是将服务、接口和协议这三个概念明确地区分开来，通过七个层次化的结构模型使不同的系统、不同的网络之间实现可靠的通信。ＯＳＩ参考模型并没有提供一个可以实现的方法，而是描述了一些概念，用来协调进程间通信标准的制定，即ＯＳＩ参考模型只是一个在制定标准时所使用的概念性框架，可以把ＯＳＩ参考模型看作一个指导型的标准。而实际在网络互联时，更多用到的是ＴＣＰ／ＩＰ协议。上一页下一页返回１.３ＯＳＩ参考模型１.３.２ＯＳＩ参考模型各层的功能提出ＯＳＩ参考模型的目的是提供一个大家共同遵守的标准，以解决不同网络之间的兼容性和互操作性问题。为减少协议设计和调试过程的复杂性，ＯＳＩ参考模型采用了分层的方法将整个通信子系统划分为若干层，每层执行一种明确定义的功能，即允许ＯＳＩ网络用分层次的方式进行逻辑组合。ＯＳＩ将整个网络的通信功能分成七个层次，分别是物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层和应用层，如图１－５所示。每层完成一定的功能，每层都直接为其上层提供服务，并且所有层次都互相支持，那么网络通信则可以自上而下（在发送端）或者自下而上（在接收端）双向进行。当然，并不是每一通信都需要经过ＯＳＩ的全部七层，有的甚至只需要双方对应的某一层即可。上一页下一页返回１.３ＯＳＩ参考模型物理接口之间的转接，以及中继器与中继器之间的连接只需在物理层中进行即可；而路由器与路由器之间的连接则只需经过网络层以下的三层即可。总的来说，双方的通信是在对等层次上进行的，不能在不对称层次上进行通信。上层与下一层之间的联系是通过层之间的接口来进行的，上层通过接口向下层提出服务请求，而下层通过接口向上层提供服务。两个用户计算机通过网络进行通信时，除物理层之外，其余各对等层之间均不存在直接的通信关系，而是通过各对等层的协议来进行通信。比如，两个对等的网络层使用网络层协议通信，只有两个物理层之间才通过媒体进行真正的数据通信。通常将物理层、数据链路层和网络层称为低三层。将传输层、会话层、表示层和应用层称为高四层。分层的标准依据功能来划分，下层为上层提供服务。每层间均有相应的通信协议，称作同层协议，相邻层之间的通信约束称作接口。上一页下一页返回１.３ＯＳＩ参考模型１.物理层（ＰｈｙｓｉｃａｌＬａｙｅｒ）人们知道，要传递信息就要利用一些物理媒体，如双绞线、同轴电缆等，但具体的物理媒体并不在ＯＳＩ的七层之内，有人把物理媒体当作第０层。物理层的任务就是为它的上一层提供一个物理连接，物理层规定了激活、维持、关闭通信端点之间的机械特性、电气特性、功能特性以及过程特性，如规定了使用电缆和接头的类型、传送信号的电压等。在这一层，数据还没有被组织，仅作为原始的位流或电气电压处理，单位是比特。属于物理层定义的典型规范包括：ＥＩＡ／ＴＩＡＲＳ－２３２、ＥＩＡ／ＴＩＡＲＳ－４４９、Ｖ.３５、ＲＪ－４５等。上一页下一页返回１.３ＯＳＩ参考模型２.数据链路层（ＤａｔａＬｉｎｋＬａｙｅｒ）数据链路层负责在两个相邻节点间的线路上，无差错地传送以帧为单位的数据。每一帧包括一定数量的数据和一些必要的控制信息。和物理层相似，数据链路层要负责建立、维持和释放数据链路的连接。在传送数据时，如果接收点检测到所传数据中有差错，就要通知发送方重发这一帧。数据链路层在不可靠的物理介质上提供可靠的传输。数据链路层的作用包括：物理地址寻址、数据的成帧、流量控制、数据的检错、重发等。在数据链路层，数据的单位称为帧（ｆｒａｍｅ）。数据链路层协议的代表包括：ＡＲＰ、ＲＡＲＰ、ＳＤＬＣ、ＨＤＬＣ、ＰＰＰ、ＳＴＰ、帧中继等。上一页下一页返回１.３ＯＳＩ参考模型３.网络层（ＮｅｔｗｏｒｋＬａｙｅｒ）网络层是ＯＳＩ参考模型的第三层，介于传输层和数据链路层之间。在计算机网络中进行通信的两台计算机之间可能会经过很多个数据链路，也可能还要经过很多通信子网。网络层的任务就是选择合适的网间路由和交换节点，设法将数据从源端经过若干个中间节点传送到目的端，从而向传输层提供最基本的端到端的数据传送，确保数据传送的及时性。网络层的主要功能是完成网络中不同主机之间的数据传输，目的是实现两个端系统之间的数据透明传递，具体涉及路由选择、拥塞控制和网际互联等功能。上一页下一页返回１.３ＯＳＩ参考模型网络层是通信子网的边界，它为传输层提供的服务分为面向连接的服务和面向无连接的服务。（１）面向连接的服务。面向连接的服务主要是虚电路服务。这种方式在数据传输时，需要经过面向连接的建立、维持和连接的拆除三个阶段。连接建立好之后，所有包沿着虚电路有序、无差错地传输，面向连接的服务往往是有确认的服务，适用于可靠性要求高和有大量数据传输的应用领域，典型的提供面向连接的服务是Ｘ.２５协议。上一页下一页返回１.３ＯＳＩ参考模型（２）面向无连接的服务。面向无连接的服务主要是数据报服务。数据传输不需要连接的建立和拆除过程，各个数据报都有自己的控制信息，它将差错控制、流量控制和包的排序等工作都交给传输层处理，因此，面向无连接的服务是不可靠的网络服务，但这种方式因为没有信道的连接和拆除过程，开销较小，在信息不太长时非常适用。典型的面向无连接的服务是ＩＰ协议。网络层将数据链路层提供的帧组成数据包，包中封装有网络层包头，其中包含逻辑地址信息———源站点和目的站点地址的网络地址。在网络层，数据的单位称为数据包（ｐａｃｋｅｔ）。网络层具有代表性的协议包括：ＩＰ、ＩＰＸ、ＲＩＰ、ＯＳＰＦ等。上一页下一页返回１.３ＯＳＩ参考模型４.传输层（ＴｒａｎｓｐｏｒｔＬａｙｅｒ）该层的任务是根据通信子网的特性，最佳地利用网络资源，并以可靠和经济的方式，为两个端系统（也就是源站和目的站）的会话层之间，提供建立、维护和取消传输连接的功能，负责可靠地传输数据。在传输层，数据的传送单位称为数据段（ｓｅｇｍｅｎｔ）。传输层具有代表性的协议包括：ＴＣＰ、ＵＤＰ、ＳＰＸ等。５.会话层（ＳｅｓｓｉｏｎＬａｙｅｒ）会话层也被称为会晤层或对话层，管理主机之间的会话进程，即负责建立、管理、终止进程之间的会话。在会话层及以上的高层次中，数据传送的单位不再另外命名，统称为报文。会话层不参与具体的传输，它只提供包括访问验证和会话管理在内的建立和维护应用之间通信的机制。如服务器验证用户登录便是由会话层完成的。会话层具有代表性的协议包括：ＲＰＣ、ＳＱＬ、ＮＦＳ、ＡＳＰ等。上一页下一页返回１.３ＯＳＩ参考模型６.表示层（ＰｒｅｓｅｎｔａｔｉｏｎＬａｙｅｒ）表示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。数据的压缩和解压缩，加密和解密等工作都由表示层负责。表示层常用的标准与协议有ＡＳＣＩＩ、ＰＩＣＴ、ＴＩＦＦ、ＪＰＥＧ、ＭＩＤＩ、ＭＰＥＧ等。上一页下一页返回１.３ＯＳＩ参考模型７.应用层（ＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎＬａｙｅｒ）应用层是ＯＳＩ参考模型的最高层，它为特定类型的网络应用提供了访问ＯＳＩ环境的手段，即为操作系统或网络应用程序提供访问网络服务的接口。应用层通过确定进程之间通信的性质以满足用户需要，提供网络与用户应用软件之间的接口服务。应用层不仅要提供应用进程所需要的信息交换和远程操作，而且要作为应用进程的用户代理，来完成一些为进行信息交换所必需的功能。它包括：文件传送访问和管理ＦＴＡＭ、虚拟终端ＶＴ、事务处理ＴＰ、远程数据库访问ＲＤＡ、制造报文规范ＭＭＳ、目录服务ＤＳ等协议。应用层常用的标准与协议有：Ｔｅｌｎｅｔ、ＦＴＰ、ＨＴＴＰ、ＳＮＭＰ等。上一页下一页返回１.３ＯＳＩ参考模型１.３.３ＯＳＩ参考模型中的数据传输过程人们知道，除物理层以外，其他对等层之间并无直接的通信，较高层间的通信需要较低层提供的服务。在物理层以上，每个协议实体顺序向下传送到较低层，以便使数据最终通过物理信道送达对等实体。在ＯＳＩ／ＲＭ中，被传送的信息称为协议数据单元（ＰＤＵ），由数据服务单元和控制信息单元组成。服务数据单元（ＳｅｒｖｉｃｅＤａｔａＵｎｉｔ，ＳＤＵ）：用户数据，是上一层传下来的数据单元。协议控制信息（ＰｒｏｔｏｃｏｌＣｏｎｔｒｏｌＩｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ，ＰＣＩ）：本层的控制信息，用来协调本层对等实体之间的通信。上一页下一页返回１.３ＯＳＩ参考模型通过ＯＳＩ层，信息可以从一台计算机的应用程序传输到另一台的应用程序上。如图１－６所示，当计算机Ａ上的应用程序要将信息数据发送到计算机Ｂ的应用程序时，要经过以下步骤。（１）计算机Ａ中的应用程序需先将信息数据发送到其应用层（第七层），在应用层会把一个报头（在应用层添加的是应用层协议控制信息）附加给要传输的信息，于是就有了应用层协议数据单元（ＰＤＵ，应用层ＰＤＵ称为ＡＰＤＵ）。（２）应用