计算机网络.docx

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计算机网络

计算机网络

计算机网络技术的反战和普及日益改变着我们的学习和生活，各种各样的网络应用让我们眼花缭乱。

因特网让我们真正体会到了信息爆炸的威力……面对因特网上浩如烟海的信息资源，你将如何快速找到自己需要的信息？

怎样在网络这个虚拟的世界里展示自己的聪明才智？

如何搭建一个能满足学习生活徐需求的小型计算机网络？

这一章涉及了较多的基础知识，较为全面地介绍了计算机网络的基本概念和相关知识。

本届力图使学生从网络的发展史、网络功能、网络不同分类方式等方面了解计算机网络，是学生能够简单解释网络通信中常用的信息交换技术及其用途。

1.计算机网络的概念

生活中接触到关于“计算机网络”的术语很多，如电话网络、电视网络、卫星网络、GSM网络等等（如图1-1示），不同的网络体现不同的作用。

图1-1生活中的计算机网络

我们在认识什么试试计算机网络之前，先从实际生活和应用实例中简单地归纳一下它有哪些功能。

实践：

（1）我们处在信息社会，信息的来源也很多，我想请同学们就自己听说的，看到的，想象的相关内容来谈一谈自己对计算机网络的认识。

（2）调查生活中那些地方用到了计算机网络；

讨论交流

结合下表1-1中的应用实例，尝试归纳计算机网络有哪些功能，把结果填到表中。

作用描述

功能概括

用户通过网络可以共享各地主机上的数据、应用软件及硬件资源。

计算机与计算机之间通过网络能够进行通信，相互传递数据，从而可以方便地进行信息交换、收集和处理。

分布式控制可以保证系统在部分硬件发生故障时仍能正常可靠工作。

分布式处理则通过适当的算法将庞大复杂的任务分配给该系统的多台计算机的CPU协同处理，从而均匀负荷，提高效率。

概括地说，计算机网络有三大功能：

（1）数据通信：

计算机网络主要提供传真、电子邮件、电子数据交换（EDI）、电子公告牌（BBS）、远程登录和浏览等数据通信服务。

如：

电子邮件、网上聊天等；

（2）资源共享：

凡是入网用户均能享受网络中各个计算机系统的全部或部分软件、硬件和数据资源，为最本质的功能。

如：

网上浏览新闻、网上查找学习资料等，学校的电子阅览室；

（3）分布控制与分布处理：

通过算法将大型的综合性问题交给不同的计算机同时进行处理。

用户可以根据需要合理选择网络资源，就近快速地进行处理。

如：

办公自动化电子数据交换远程教育、电子银行、电子商务。

观摩

安排学生在教师的带领下，参观所在多媒体教室，了解学校计算机网络的建设情况，并作调查。

图1-2多媒体教室

考察项目

情况记录

计算机数量

网络连接设备

计算机与网络设备的连接情况

网络软件

用自己的话给“计算机网络”作一个概括性的描述，然后与同学彼此交流。

计算机网络是多台私利上分散的独立的计算机系统遵循约定的通信协议，通过传输介质和网络设备互相连接起来，实现数据通信、资源共享的系统。

图1-3计算机通讯网络

计算机网络的组成：

（1）多台地理上分散的独立计算机系统；

（2）通信协议；

（3）传输介质和网络设备。

资料一

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大房间中，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必须紧接着主计算机。

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，这样就出观了第一代计算机网络。

第一代计算机网络是以单个计算机为中心的远程联机系统。

典型应用是由一台计算机和全美范围内2000多个终端组成的飞机定票系统。

终端：

一台计算机的外部设备包括CRT控制器和键盘，无GPU内存。

随着远程终端的增多，在主机前增加了前端机FEP当时，人们把计算机网络定义为“以传输信息为目的而连接起来，实现远程信息处理或近一步达到资源共享的系统”，但这样的通信系统己具备了通信的雏形。

第二代计算机网络是以多个主机通过通信线路互联起来，为用户提供服务，兴起于60年代后期，典型代表是美国国防部高级研究计划局协助开发的ARPAnet。

主机之间不是直接用线路相连，而是接口报文处理机IMP转接后互联的。

IMP和它们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。

通信子网互联的主机负责运行程序，提供资源共享，组成了资源子网。

两个主机间通信时对传送信息内容的理解，信息表示形式以及各种情况下的应答信号都必须遵守一个共同的约定，称为协议。

在ARPA网中，将协议按功能分成了若干层次，如何分层，以及各层中具体采用的协议的总和，称为网络体系结构，体系结构是个抽象的概念，其具体实现是通过特定的硬件和软件来完成的。

70年代至80年代中第二代网络得到迅猛的发展。

第二代网络以通信子网为中心。

这个时期，网络概念为“以能够相互共享资源为目的互联起来的具有独立功能的计算机之集合体”，形成了计算机网络的基本概念。

第三代计算机网络是具有统一的网络体系结构并遵循国际标准的开放式和标准化的网络。

IS0在1984年颁布了0SI／RM，该模型分为七个层次，也称为0SI七层模型，公认为新一代计算机网络体系结构的基础。

为普及局域网奠定了基础。

70年代后，由于大规模集成电路出现，局域网由于投资少，方便灵活而得到了广泛的应用和迅猛的发展，与广域网相比有共性，如分层的体系结构，又有不同的特性，如局域网为节省费用而不采用存储转发的方式，而是由单个的广播信道来连结网上计算机。

第四代计算机网络从80年代末开始，局域网技术发展成熟，出现光纤及高速网络技术，多媒体，智能网络，整个网络就像一个对用户透明的大的计算机系统，发展为以Internet为代表的互联网。

资料二

华硕绿色超算服务器获Green500全球第二

华硕携手Adtech一举摘得Green500全球排名第二！

此次是华硕超算系列服务器继Top500取得较好成绩之后又一次获得Green500全球绿色超算第二名殊荣。

Green500旨在发布全球范围内最绿色节能的高性能计算机群，通过测量与能耗相关的性能来对最绿色节能的超级计算机进行评级，用每秒百万个浮点操作（MFLOPS）除以每瓦能耗，此套集群（代号SANAM）每瓦浮点计算能力高达2351.1MFLOPS。

建置在沙特阿拉伯国王科技城（KACST）的SANAM超级电脑，是德国法兰克福高等研究院（FIAS）和沙特阿拉伯王国共建的高速群集（HSC），采用华硕ESC4000/FDRG2，作为HSC的主运算节点。

2012年11月，SANAM以杰出的节能效率，登上超级计算机Green500全球排行榜第2名。

华硕服务器事业部总经理林维纲表示：

”华硕非常高兴能和Adtech™Global公司携手合作SANAM计划，在科学研究领域展现最佳效能，打造优化超级计算机。

华硕在此展现了无与伦比的研究与开发专长，致力为科学发展、研究与应用提供最佳解决方案。

”

图1-4华硕绿色超算服务器

SANAM采用ESC4000/FDRG2混合运算架构：

CPU/GPU结合平行处理，共计采用210个ASUSESC4000/FDRG2运算节点，搭载420个AMDFirePro™S10000双GPU模块，以及420个Intel®Xeon®E5-2650八核心中央处理器，核心数高达38,400个，指令周期高达421.2TFLOPS（每秒浮点运算421.2兆次），并能稳定维持每瓦2.3GFLOPS（每瓦每秒指令周期为23亿双精度浮点数），在全球Top500超级计算机排行榜名列第52名。

混合运算效能令人惊艳

ESC4000/FDRG2提供令人惊艳的平行处理能力及超快速、低度延迟InfiniBand™FDR数据传输，传输速度最高达56Gbps，是高性能运算与大量建模应用的首选。

ASUSESC产品系列应用于金融、气象预报、工程、虚拟化及高端科学领域，表现早已获得肯定，也因此成为超级计算机SANAM的核心架构。

SANAM获得沙特阿拉伯国王科技城（KACST）采用，支持石油探勘、航空航天工业、生物信息学、天气和化学仿真及粒子运动等研究工作的高效能运算。

与华硕共同参与SANAM超级计算机计划的Adtech™Global全球业务发展副总裁RickRozalsky表示：

“我们打造超级计算机SANAM，主要希望未来能够持续增进效能、降低成本，并降低耗电。

华硕是极具弹性且全球化的品牌企业，不仅产品规格与服务能高度满足客户需求，还能为本计划提供适切的工程与开发深度；未来，必能完美协助BIOS层级发展、机械设计的灵活性与其他产品的改良。

”

最佳的扩充效能与节能应用

ESC4000/FDRG2高效能运算服务器以精简的2U空间搭载CPU、GPU双混和设计，运算效能全方位提升。

其扩充设计富有弹性，可支持Intel®XeonPhi™协同处理器（coprocessor）与AMD、NVIDIA®的GPU；板面可同时容纳两组Intel®Xeon®E5-2600处理器；具备9个PCIExpress3.0x16插槽，扩充性最高。

智能型控制器管理CPU与GPU两处风扇，分别进行散热冷却。

共有8个3.5”硬盘插槽，采用缩短停机时间的热插入设计，维护更便利。

ESC4000/FDRG2更整合两个1620W80PLUSPlatinum电源供应器，提升节能效率高达94%。

2.计算机网络的分类方式

下图为中国教育网网络拓扑图，从图中我们可以清楚地看出我国教育网已经拥有了国际线路，通往欧洲、北美、亚太以及中国香港；中国教育网的地区网络中心和地区主结点分布在北京、西安、成都、武汉、广州、南京、上海、沈阳等八个城市的十所高等院校。

图1-5中国教育网网络拓扑图

华北地区：

清华大学（北京）、北京大学（北京，天津，石家庄）、北京邮电大学（北京，太原，呼和浩特）；

西北地区：

西安交通大学（西安，兰州，银川，西宁，新疆）；

西南地区：

电子科技大学（成都，重庆，贵州，昆明，拉萨）；

华南地区：

华南理工大学（广州、深圳，桂林、南宁，海口）；

华中地区：

华中理工大学（武汉，长沙，郑州）；

华东（北）地区：

东南大学（南京，合肥，济南）；

华东（南）地区：

上海交通大学（上海，杭州，南昌，福州、厦门）；

东北地区：

东北大学（沈阳，长春，哈尔滨）；

各省会城市都分别是该省的网络中心和主结点。

计算机网络的分类方式有很多种，如按地理范围、拓扑结构、传输介质等分类。

（1）按地理范围分类

一般地，人们以网络规模（作用范围）的大小作为网络的分类依据，将计算机网络分为局域网（LocalAreaNetwork，LAN）、城域网（MetropolitanAreaNetwork，MAN）、广域网（WideAreaNetwork，WAN）。

局域网覆盖范围小，小到一个房间，大到一个校园、厂区，最大不起过10KM。

总数据传输率＞几个Mbps（兆比特／秒）.局域网的组建简单、灵活，使用方便；

城域网的地理范围可从几十千米发到上百千米，可以覆盖一个城市或地区，是一种中等形式的网络。

广域网覆盖范围一般在几千千米左右，术语大范围联网，可以跨城市、跨地区，甚至跨国家。

广域网是网络细听中。

如电话线路、光纤、微波、卫星等。

现在正朝着宽带综合业务数字网（B-ISDN）方向发展。

Internet是目前世界上最大的广域网。

（2）按拓扑结构分类

计算机网络的物理连接形式称为网络的物理拓扑结构。

链接在网络上的计算机、大容量的外存和高速打印机等设备均可看作是网络的一个节点（也称为工作站）。

计算机中常用拓扑结构有总线型，环型，星型拓扑结构等。

总线型拓扑结构：

指采用单根传输线作为传输介质，计算机均通过网卡直接连接到总线上，各台计算机地位平等，数据通信方式为发送方将数据送到总线，向两端扩散，只有与地址相符的用户，才能接收数据，其他用户则将数据忽略。

结构图如下：

图1-6总线型拓扑结构

●优点：

节点的插入和拆卸非常方便，易于网络的扩充；

●缺点：

容易引起信号的冲突和竞争

环型拓扑结构：

指各个节点通过点到点的通信介质首尾相接，形成闭合的型通信网络。

数据通信方式为发送方将数据送到环，沿环移动，只有与地址相符的用户才能接收数据，其他用户则将数据忽略。

结构图如下：

图1-7环型拓扑结构

●优点：

结构坚固、负载能力强且均衡、无信号冲突；

●缺点：

技术较为复杂

星型拓扑结构：

指每个节点都是通过一条独立的电缆连接到中心节点上的。

一般使用交换机作为中心节点设备。

结构图如下：

图1-8星型拓扑结构

●优点：

增加站点容易，成本低；

●缺点：

是中央节点出故障会导致整个系统瘫痪，可靠性欠佳

（3）按传输介质分类

传输介质指数据传输系统中发送装置和接收装置间的物理媒体，按其物理形式可以划分为有线网和无线网两大类。

有线网是指采用有线介质连接的网络。

常用的有线传输介质有双绞线、同轴电缆和光导纤维。

双绞线可分为屏蔽双绞线（ShieldedTwistedPair，STP）与非屏蔽双绞线（UnshieldedTwistedPair，UTP）。

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。

非屏蔽双绞线（UnshieldedTwistedPair，缩写UTP）是一种数据传输线，由四对不同颜色的传输线所组成，广泛用于以太网路和电话线中。

双绞线常用RJ-11、RJ-45连接器。

图1-95类非屏蔽双绞线（左）与RJ-45水晶头（右）

同轴电缆由内导体铜质芯线，绝缘层，网状编制的外导体屏蔽层及保护塑料外层组成,内导体和外导体构成一组线对。

由于外导体屏蔽层的作用，同轴电缆具有很好的抗干扰性。

此外，由于它比双绞线有优越的频率特性，现已被广泛用于较高速率和较高频率的数字数据传输中。

常用的同轴电缆有两类：

50Ω和75Ω的同轴电缆。

75Ω同轴电缆常用于CATV网，故称为CATV电缆，传输带宽可达1GHz，目前常用CATV电缆的传输带宽为750MHz。

50Ω同轴电缆主要用于基带信号传输，传输带宽为1～20MHz，总线型以太网就是使用50Ω同轴电缆，在以太网中，50Ω细同轴电缆的最大传输距离为185米，粗同轴电缆可达1000米。

同轴电缆同双绞线相比，价格较贵，但频带宽，传输数据速率高，传输距离大，抗干扰能力强，是用途广泛的传输媒体。

目前普遍用于长距离的电话或电报传输，有线电视，局域网络和短距离系统连的通信线路（如主机和外设，终端的高速I/O通道的连接等）。

图1-10同轴电缆

（3）光缆

光缆是由两层折射率不同的材料组成，内层是由高折射率的单根玻璃纤维体组成，外层包一层折射率较低的材料。

光缆的传输形式分为单模传输和多模传输，单模传输性能优于多模传输。

单模光缆传送距离为几十千米，多模光缆未几千米。

光缆的传输速率可达到几百Mb/S。

光缆使用ST或SC连接器相连。

光缆的优点是不会受到电磁的干扰，传输的距离也比电缆远，传输速率高，光缆的安装和维护比较困难，需要专用的设备。

图1-11光缆

无线网络通信包括红外通信，激光通信和微波通信。

由于它们都是沿直线传播的，有时也称它们为视线媒体，因为这三种技术都需要在发送方面和接受方面有一条视线通路。

红外通信和激光通信将要传输的信号分别转换成红外光信号和激光信号，直接在空间传播。

微波的频率范围为300MHz~300GHz，但主要是使用2~40GHz的频率范围，在自由空间主要是直线传播。

无线网络已经越来越多地出现在宾馆、茶馆、公司、学校等各处。

无线网络的传输介质一般是电磁波，无线网络的优点成本低，位置距离无限制等，但是安全性差，易受干扰，传输质量无法保证等。

实践

不同的传输介质有不同的特性，介格也不同，安装方法有差异，访问等IT市场网站，尝试了解一下不同的网络传输介质的性能、价格和安装情况，完成下表1-2：

表1-2网络传输介质性能、价格比较

传输介质

传输速率

价格高低

网卡价格

连接器价格

安装难易程度

使用场合（距离）

超5类双绞线

同轴电缆

光缆

无线传输介质

3.计算机网络中的数据通信

（1）通信信号

“通信”意味着把信息从A传到B。

现代通讯一般以电磁波的方式进行，例如，移动电话（即手机），无线电，雷达等等。

都以电磁波的方式进行传递，发射电磁波的设备携带着接收方所需要的信息，有时候直接到达接收方，有时候这要经过许多的中转才能到达接收方。

像手机，打电话一方说的话经由他的手机发出带有他要传达的信息的电磁波向空间发射出去，再经由一个或多个（远程时还要经由卫星）高高的信号塔（其实就是一种把微弱的信号放大的装置）传送到接手机一方。

计算机中的信号又是以什么样的形式传送到另一台计算机中的呢?

通过前面的学习，我们知道，计算机是以数字信号来表示和存储信息的。

数字信号有两种状态，数字上用“0”和“1”表示，电子电路上则用“高”、“低”电平来表示。

前面的学习，我们可以用二进制数字“0”、“1”来对信息进行编码。

例如我们在文档中要传送字符“A”。

“A”的ASCII码为65，对应的二进制代码为“01000001”。

因此，传送字符“A”相当于传送一个与“01000001”相对应的一组数字信号波形。

计算机在拨号上网和远程联机的过程中需要使用MODEM（俗称“猫”），“猫”又称为调制解调器。

计算机要处理的信号是数字信号，电话线上传输的是模拟信号。

把数字信号转化为模拟信号的过程，叫做调制；把模拟信号调制为数字信号的过程，叫做解调。

“猫”是一种信号变换器，一个调制解调器包含数字信号和模拟信号的相互转换的双向功能。

（2）带宽和信道

带宽又叫频宽，最早出现在模拟通信时代，指的是信号频率的变动范围，一般由信号的最高频率减去最低频率所得，单位为赫兹（Hz）。

一般说来，信号的带宽越大，利用这种信号传送数据的速率就越高，要求传输介质的带宽也就越大。

信道（channel）是指通信双方之间以传输介质为基础传递信号的通路，由传输介质及其两端的信号设备共同构成。

传输介质承载了一个或多个通信信道，并在发送和接收设备之间提供一个连接。

根据传输介质的不同，信道和划分为有线信道和无线信道两大类。

下图为中国科技网中国科技网国际信道示意图。

随着国内网络事业的飞速发展，NCFC中的一部分（主要是中科院网络系统的一部分）与其它一些网络一起演化为中国科技网———CSTNET。

CSRNET现有多条国际出口信道连接Internet。

中国科技网为非盈利、公益性网络，主要为科技界、科技管理部门、政府部门和高新技术企业服务。

中国科技网的服务主要包括网络通信、域名注册、信息资源和超级计算等项目。

CSTNET由北京、广州、上海、昆明、新疆等十三家地区分中心组成国内骨干网，拥有多条通往美国、俄罗斯、韩国、日本等国际出口，并与香港、台湾等地区以及与中国电信ChinaNet、中国联通（中国网通）China169、中国教育网CERNET、国家互联网交换中心NAP等国内主要互联网运行商实现高速互联，中国科技网已成为是中国互联网行业快速发展的一支主要力量。

如图1-12，中国具有独立的国际出口，国际宽带资源丰富，带宽和用户量之比处于各大顶级国际互联网前列，通过一条中美海底光缆与美国相连，实现了64Kbps的数据传输速率，一条海底光缆与日本相连，实现了64Kbps的数据传输速率。

除了光缆，还通过卫星信道，实现了与美国2Mbps的数据传输速率，与日本实现了2Mbps的数据传输速率，与法国实现了64Kbps的数据传输速率。

卫星信道属于无线信道。

卫星通信简单地说就是地球上（包括地面和低层大气中）的无线电通信站间利用卫星作为中继而进行的通信。

卫星通信系统由卫星和地球站两部分组成。

卫星通信的特点是：

通信范围大；只要在卫星发射的电波所覆盖的范围内，从任何两点之间都可进行通信；不易受陆地灾害的影响（可靠性高）；只要设置地球站电路即可开通（开通电路迅速）；同时可在多处接收，能经济地实现广播、多址通信（多址特点）；电路设置非常灵活，可随时分散过于集中的话务量；同一信道可用于不同方向或不同区间（多址联接）。

图1-12中国科技网国际信道示意图

（3）信息交换方式

信息的交换方式有线路交换（CircurtSwitching）、报文交换（MessageSwitching）和分组交换（PacketSwitching）。

线路交换最早出现在电话系统中，早期的计算机网络就是采用此方式来传输数据的，数字信号经过变换成为模拟信号后才能在线路上传输。

报文交换是一种数字化网络。

当通信开始时，源机发出的一个报文被存储在交换器里，交换器根据报文的目的地址选择合适的路径发送报文，这种方式称做存储-转发方式。

分组交换也采用报文传输，但它不是以不定长的报文做传输的基本单位，而是将一个长的报文划分为许多定长的报文分组，以分组作为传输的基本单位。

这不仅大大简化了对计算机存储器的管理，而且也加速了信息在网络中的传播速度。

由于分组交换优于线路交换和报文交换，具有许多优点，因此它已成为计算机网络的主流。

4.计算机网络协议

在现实生活中，我们常常需要遵循一些约定才能顺利完成人与人之间的交流，例如打电话。

你给一位朋友打电话，拿起电话需要听一听有没有拨号声，如果有就拨号。

当听到对方的震铃声后，等候对方拿起话机。

双方开始通话，双方都会约定使用一种语言。

协议就是通信双方所共同遵循的规则，协议实际上是一组指挥行为的规则或者准则。

就像打电话过程必然要服从一个通话的规则，如果不懂得这个规则，双方就无法通话。

同样，在网络通信过程中控制数据传输的规则就是网络协议。

在网络组建过程中，具体选择哪一种网络通信协议，主要取决于网络的规模、网络的兼容性和网络管理等几个方面。

局域网与广域网所采用的协议是不同的。

在局域网中，一般会使用NETBEUI\IPX/SPX和TCP/IP三种协议中的一种。

这三种协议的特点、应用场合以及运行平台，如表1-3：

表1-3三种局域网协议的比较

局域网协议

特点

应用场合

运行平台

说明

NETBEUI

高效、快速的网络协议，安装简单，无需配置。

不具备跨网段功能

有几台到百余台PC组成的单个小型局域网

受微软公司Winsows系列产品支持

IPX/SPX

在复杂网络环境下适应性强，可跨网段，具有路由功能。

安装无需配置。

适合于Nove11网络使用

Nove11Netware

IPX/SPX无法在Windows上直接使用。

微软公司提供NWLink协议与IPX/SPX兼容

TCP/IP

安装时需要复杂的设置

支持任意规模的网络

几乎所有厂商和操作系统都支持它

接入因特网的主机都安装了TCP/IP协议

TCP/IP协议是目前最常用的网络协议，他是计算机世界里的一个通用协议。

已安装网卡的计算机在安装Windows2000及以上版本时会自动安装TCP/IP协议。

TCP/IP协议安装之后还需要进行配置才能工作。

网络协议的三要素：

●语义（做什么）：

包括用于协调和差错处理，流量控制的控制信息；

●语法（怎么做）：

数据编码格式与信号电平；

●时序（何时做）：

速度的匹配和排序。

网络协议是控制计算机在网络介质上进行信息交换的规则和约定。

网络协议通常会被按OSI参考模型的层次进行划分。

OSI参考模型是国际标准化组织制定的网络体系结构参考模型，提供各种网络互联的标准，共分七层：

物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层和应用层，会话层、表示层和应用层往往被合并称为高层。

建立七层模型的主要目的是为解决异种网络互