第1章计算机网络基础.docx
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第1章计算机网络基础
第1章计算机网络基础
计算机网络已经扩展到日常生活的各个层面，时刻影响着人们的行为方式。
无论在家里、单位，还是在路上，人们都离不开网络，网络已成为生活和工作中重要的组成部分。
网络新技术的发展让这个数字化的世界变得越来越丰富。
从某种意义上来说，计算机网络的发展水平不仅反映出一个国家计算机和通信技术的水平，而且已成为衡量国家综合实力乃至现代化程度的重要标志之一。
1.1计算机网络概述
计算机网络是将若干台独立的计算机通过传输介质相互物理地连接，并通过网络软件逻辑地相互联系到一起而实现信息交换、资源共享、协同工作和在线处理等功能的计算机系统。
它给人们的生活带来了极大的便利，如办公自动化、网上银行、网上订票、网上查询、网上购物等。
计算机网络不仅可以传输数据，也可以传输图像、声音、视频等多种媒体形式的信息，计算机网络不仅广泛应用于政治、经济、军事、科学等领域，而且已应用于社会生活的方方面面。
1.1.1计算机网络的基本概念
计算机网络（ComputerNetwork）是利用通信线路和通信设备，把分布在不同地理位置的具有独立功能的多台计算机、终端及其附属设备互相连接，按照网络协议进行数据通信，利用功能完善的网络软件实现资源共享的计算机系统的集合。
计算机网络是计算机技术与通信技术结合的产物。
在计算机网络中，多台计算机之间可以方便地互相传递信息，因此，资源共享是计算机网络的一个重要特征。
用户能够通过网络来共享软件、硬件和数据资源。
现代计算机网络可以提供多媒体信息服务，如图像、语音、视频、动画等。
各种新的网络应用也不断出现，如视频点播VOD（VideoOnDemand）、网上交易（E-Marketing）、视频会议（VideoMeeting）等。
1.1.2计算机网络的演变
进入21世纪以来，计算机网络获得了飞速的发展。
回顾20世纪90年代，在我国还很少有人接触网络。
而现在，计算机通信网络和Internet已成为我们日常生活的一部分。
网络被应用于工商业的各个方面，包括电子银行、电子商务、现代化的企业管理、信息服务业等，都以计算机网络系统为基础。
从学校远程教育到政府日常办公，乃至现在的电子社区，很多方面都离不开网络技术。
可以毫不夸张地说，计算机网络在当今世界无处不在。
20世纪50年代中期，美国半自动地面防空系统（Semi-AutomaticGroundEnvironment，SAGE）开始了计算机技术与通信技术相结合的尝试，在SAGE系统中，把远程的雷达和其他测控设备的信息经由线路汇集至一台IBM计算机上进行集中处理与控制。
世界上公认的、成功的第一个远程计算机网络，是在1969年由美国高级研究计划署（AdvancedResearchProjectsAgency，ARPA）组织研制成功的。
该网络被称为ARPAnet，它是Internet的前身。
随着计算机网络技术的快速发展，计算机网络的发展大致可以划分为以下4个阶段。
1.诞生阶段
20世纪60年代中期之前的第一代计算机网络，是以单台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订票系统。
终端是一台计算机的外部设备，包括显示器和键盘，无CPU和内存。
随着远程终端的增多，为了减轻中心计算机的负载，在通信线路和计算机之间设置了一个前置处理机（FrontEndProcessor，FEP）或通信控制处理机（CommunicationControlProcessor，CCP），专门负责与终端之间的通信控制，使数据处理和通信控制分开。
在终端机较为集中的地区，采用了集中管理器（集中器或多路复用器），用低速线路把附近群集的终端连起来，通过Modem及高速线路与远程中心计算机的前端机相连。
这样的远程联机系统，既提高了线路的利用率，又节约了远程线路的投资。
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的、实现远程信息处理或进一步实现资源共享的系统。
这样的通信系统已经具备了网络的雏形。
2.形成阶段
20世纪60年代中期至70年代的第二代计算机网络，是以多台主机通过通信线路互连起来的，为用户提供服务，典型的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，而是由接口报文处理机（InterfaceMessageProcessor，IMP）转接后互连。
IMP和它们之间互连的通信线路一起负责主机间的通信服务，构成了通信子网。
通信子网互连的主机负责运行程序，提供资源共享，组成了资源子网。
这个时期，网络的概念为：
以能够相互共享资源为目的互连起来的，具有独立功能的计算机的集合体。
这就形成了计算机网络的基本概念。
3.互连互通阶段
20世纪70年代末至90年代的第三代计算机网络，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。
ARPAnet兴起后，计算机网络发展迅速，各大计算机公司相继推出了自己的网络体系结构及实现这些结构的软硬件产品。
由于没有统一的标准，不同厂商的产品之间互连很困难，人们迫切需要一种开放性的标准化实用网络环境，在这种情况下，两种国际通用的最重要的体系结构应运而生，即TCP/IP体系结构和国际标准化组织的OSI体系结构。
4.高速网络的技术阶段
20世纪90年代末至今的第四代计算机网络，是随着网络技术的不断发展出现的高速网络技术，如千兆网、万兆网、3G乃至4G网络，并且网络功能向综合化方向发展，支持多种媒体信息传输，并且速度越来越快。
1.1.3计算机网络的基本功能
计算机网络最主要的功能，是资源共享和通信，除此之外，还有负荷均衡、分布处理和提高系统安全与可靠性等功能。
其基本功能表现如下。
1.软、硬件共享
计算机网络允许网络上的用户共享网络上各种不同类型的硬件设备，可共享的硬件资源有：
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。
共享的软件允许多个用户同时使用，并能保持数据的完整性和一致性。
特别是伴随客户机/服务器（Client/Server，C/S）和浏览器/服务器（Browser/Server，B/S）模式的出现，人们可以使用客户机来访问服务器，而服务器软件是共享的。
在B/S方式下，软件版本的升级修改，只要在服务器上进行，全网用户可立即享受。
可共享的软件种类很多，包括大型专用软件、各种网络应用软件、各种信息服务软件等。
2.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，其上有极为丰富的信息，它像是一个信息的海洋，有取之不尽、用之不竭的信息和数据。
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.通信
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。
计算机网络可以传输数据以及声音、图像、视频等多媒体信息。
利用网络的通信功能，可以发送电子邮件、打电话、在网上举行视频会议等。
4.负荷均衡与分布处理
负荷均衡是指将网络中的工作负荷均匀地分配给网络中的各计算机系统。
当网络上某台主机的负载过重时，通过网络和一些应用程序的控制及管理，可以将任务交给网络上其他的计算机去处理，充分发挥网络系统上各主机的作用。
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，高效地实现一些大型应用系统的程序计算以及大型数据库的访问等。
5.系统的安全与可靠性
系统的可靠性对于军事、金融和工业过程控制等领域的应用特别重要。
计算机通过网络中的冗余部件，能够大大提高可靠性。
例如，在工作过程中，一台计算机出了故障，可以使用网络中的另一台计算机；网络中一条通信线路出了故障，可以取道另一条线路，从而提高网络系统的整体可靠性。
1.1.4计算机网络的基本应用
随着现代社会信息化进程的推进，通信和计算机技术迅猛发展，计算机网络的应用变得越来越普及，几乎深入到社会的各个领域。
1.在教育、科研中的应用
通过全球计算机网络，科技人员可以在网上查询各种文件和资料，可以互相交流学术思想和交换实验资料，甚至可以在计算机网络上进行国际合作研究项目。
在教育方面，可以开设网上学校，实现远程授课，学生可以在家里或其他可以将计算机接入计算机网络的地方，利用多媒体交互功能听课，有什么不懂的问题，可以随时提问和讨论。
学生可以从网上获得学习参考资料，并且可通过网络交作业和参加考试。
2.在办公中的应用
计算机网络可以使单位内部实现办公自动化，实现软、硬件资源共享。
如果将单位内部网络接入Internet，还可以实现异地办公。
如通过WWW或电子邮件，公司可以很方便地与分布在不同地区的子公司或其他业务单位建立联系，及时地交换信息。
在外地的员工通过网络还可以与公司保持通信，得到公司的指示和帮助。
企业可以通过Internet搜集市场信息，并发布企业产品信息。
3.在商业上的应用
随着计算机网络的广泛应用，电子数据交换（ElectronicDataInterchange，EDI）已成为国际贸易往来的一个重要手段，它以一种被认可的数据格式，使分布在全球各地的贸易伙伴可以通过计算机传输各种贸易单据，代替了传统的贸易单据，节省了大量的人力和物力，提高了效率。
通过网络，可以实现网上购物和网上支付，例如，登录“当当”网上书城（）购买图书等。
4.在通信、娱乐上的应用
在过去的20世纪中，个人之间通信的基本工具是电话，而21世纪中，个人之间通信的基本工具是计算机网络。
目前，计算机网络所提供的通信服务包括电子邮件、网络寻呼与聊天、BBS、网络新闻和IP电话等。
目前，电子邮件已广泛应用。
Internet上存在着很多的新闻组，参加新闻组的人可以在网上对某个感兴趣的问题进行讨论，或是阅读有关这方面的资料，这是计算机网络应用中很受欢迎的一种通信方式。
网络寻呼不但可以实现在网络上进行寻呼的功能，还可以在网友之间进行网络聊天和文件传输等。
IP电话也是基于计算机网络的一类典型的个人通信服务。
家庭娱乐正在对信息服务业产生着巨大的影响，它可以让人们在家里点播电影和电视节目。
新的电影可能成为交互式的，观众在看电影时，可以不时地参与到电影情节中去。
家庭电视也可以成为交互式的，观众可以参与到猜谜等活动中。
家庭娱乐中最重要的应用可能是在游戏上，目前，已经有很多人喜欢上玩多人实时仿真游戏。
如果使用虚拟现实的头盔和三维、实时、高清晰度的图像，我们就可以共享虚拟现实的很多游戏和进行多种训练。
随着网络技术的发展和各种网络应用需求的增加，计算机网络应用的范围在不断扩大，应用领域越来越拓宽，越来越深入，许多新的计算机网络应用系统不断地被开发出来，如工业自动控制、辅助决策、虚拟大学、远程教学、远程医疗、信息管理系统、数字图书馆、电子博物馆、全球情报检索与信息查询、网上购物、电子商务、电视会议、视频点播等。
1.2计算机网络的结构组成
一个完整的计算机网络系统是由网络硬件和网络软件所组成的。
网络硬件是计算机网络系统的物理实现，网络软件是网络系统中的技术支持。
两者相互作用，共同完成网络的功能。
（1）网络硬件：
一般指网络的计算机、传输介质和网络连接设备等。
（2）网络软件：
一般指网络操作系统、网络通信协议等。
1.2.1网络硬件系统
计算机网络硬件系统是由计算机（主机、客户机、终端）、通信处理机（集线器、交换机、路由器）、通信线路（同轴电缆、双绞线、光纤）、信息变换设备（Modem，即编码解码器）等构成的。
1.主计算机
在一般的局域网中，主机通常被称为服务器，是为客户提供各种服务的计算机，因此，对其有一定的技术指标要求，特别是主、辅存储容量及其处理速度要求较高。
根据服务器在网络中所提供的服务的不同，可将其划分为文件服务器、打印服务器、通信服务器、域名服务器、数据库服务器等。
2.网络工作站
除服务器外，网络上的其余计算机主要是通过执行应用程序来完成工作任务的，我们把这种计算机称为网络工作站或网络客户机，它是网络数据主要的发生场所和使用场所，用户主要是通过使用工作站来利用网络资源并完成自己的作业的。
3.网络终端
网络终端是用户访问网络的界面，它可以通过主机连入网内，也可以通过通信控制处理机连入网内。
4.通信处理机
通信处理机一方面作为资源子网的主机、终端连接的接口，将主机和终端连入网内；另一方面，它又作为通信子网中分组存储转发的节点，完成分组的接收、校验、存储和转发等功能。
5.通信线路
通信线路（链路）为通信处理机与通信处理机、通信处理机与主机之间提供通信信道。
6.信息变换设备
信息变换设备对信号进行变换，包括调制解调器、无线通信接收和发送器、用于光纤通信的编码解码器等。
1.2.2网络软件系统
在计算机网络系统中，除了各种网络硬件设备外，还必须具有网络软件。
1.网络操作系统
网络操作系统是网络软件中最主要的软件，用于实现不同主机之间的用户通信，以及全网硬件和软件资源的共享，并向用户提供统一的、方便的网络接口，便于用户使用网络。
目前，网络操作系统有三大阵营：
Unix、NetWare和Windows。
在我国，最广泛使用的是Windows网络操作系统。
2.网络协议软件
网络协议是网络通信的数据传输规范，网络协议软件是用于实现网络协议功能的软件。
目前，典型的网络协议软件有TCP/IP协议、IPX/SPX协议、IEEE802标准协议系列等。
其中，TCP/IP是当前异种网络互连中应用最为广泛的网络协议。
3.网络管理软件
网络管理软件是用来对网络资源进行管理以及对网络进行维护的软件，如性能管理、配置管理、故障管理、计费管理、安全管理、网络运行状态监视与统计等。
4.网络通信软件
网络通信软件是用于实现网络中各种设备间的通信，使用户能够在不必详细了解通信控制规程的情况下，控制应用程序与多个站进行通信，并对大量的通信数据进行加工和管理。
5.网络应用软件
网络应用软件是为网络用户提供服务的，其最重要的特征，是它研究的重点不是网络中各个独立的计算机本身的功能，而是如何实现网络特有的功能。
1.2.3计算机网络的拓扑结构
当我们组建计算机网络时，要考虑网络的布线方式，这也就涉及到了网络拓扑结构的内容。
网络拓扑结构指网络中的计算机线缆，以及其他组件的物理布局。
局域网常用的拓扑结构有总线型结构、环型结构、星型结构、树型结构。
拓扑结构影响着整个网络的设计、功能、可靠性和通信费用等许多方面，是决定局域网性能优劣的重要因素之一。
1.总线型拓扑结构
总线型拓扑结构是指网络上的所有计算机都通过一条电缆相互连接起来。
总线拓扑结构如图1-1所示。
在这种拓扑结构中，总线上任何一台计算机在发送信息时，其他计算机必须等待。
而且计算机发送的信息会沿着总线向两端扩散，从而使网络中的所有计算机都会收到这个信息，但是否接收，还取决于信息的目标地址是否与网络主机地址相一致，若一致，则接收；若不一致，则不接收。
图1-1总线型拓扑结构
信号反射和终结器：
在总线型网络中，信号会沿着网线发送到整个网络。
当信号到达线缆的端点时，将产生反射信号，这种发射信号会与后续信号发生冲突，从而使通信中断。
为了防止通信中断，必须在线缆的两端安装终结器，以吸收端点信号，防止信号反弹。
（1）特点：
不需要插入任何其他的连接设备。
网络中任何一台计算机发送的信号都沿一条共同的总线传播，而且能被其他所有计算机接收。
有时又称这种网络结构为点对点拓扑结构。
（2）优点：
连接简单、易于安装、成本费用低。
（3）缺点：
传送数据的速度缓慢，由于共享一条电缆，只能有其中一台计算机发送信息，其他的接收信息；维护困难，因为网络一旦出现断点，整个网络将瘫痪，而且故障点很难查找。
2.星型拓扑结构
星型拓扑结构如图1-2所示。
图1-2星型拓扑结构
在这种拓扑结构中，每个节点都由一个单独的通信线路连接到中心节点上。
中心节点控制全网的通信，任何两台计算机之间的通信都要通过中心节点来转接。
因此，中心节点是网络的瓶颈，这种拓扑结构又称为集中控制式网络结构，这种拓扑结构是目前使用最普遍的拓扑结构，处于中心的网络设备可以是集线器（Hub），也可以是交换机。
（1）优点：
结构简单、便于维护和管理，因为其中某台计算机或线缆出现问题时，不会影响其他计算机的正常通信，维护比较容易。
（2）缺点：
通信线路专用，电缆成本高；中心节点是全网络的瓶颈，中心节点出现故障会导致网络瘫痪。
3.环型拓扑结构
环型拓扑结构是以一个共享的环型信道连接所有设备，称为令牌环，其结构如图1-3所示。
图1-3环型拓扑结构
在环型拓扑中，信号会沿着环型信道按一个方向传播，并通过每台计算机，每台计算机会对信号进行放大后，传给下一台计算机。
同时，在网络中有一种特殊的信号，称为令牌，令牌按顺时针方向传输。
当某台计算机要发送信息时，必须先捕获令牌，再发送信息，信息发送后再释放令牌。
环型结构有两种类型，即单环结构和双环结构。
令牌环（TokenRing）是单环结构的典型代表，光纤分布式数据接口（FDDI）是双环结构的典型代表。
环型结构的显著特点，是每个节点用户都与两个相邻节点用户相连。
（1）优点：
电缆长度短。
环型拓扑网络所需的电缆长度与总线拓扑网络的差不多，但比星型拓扑结构的要短得多。
增加或减少工作站时，只需简单地连接，可使用光纤。
光纤的传输速度很高，十分适合于环型拓扑的单向传输，其传输信息的时间是固定的，从而便于实时控制。
（2）缺点：
节点过多时影响传输效率，环某处断开会导致整个系统失效，节点的加入和撤出过程复杂；检测故障困难，因为不是集中控制，故障检测需在网上各个节点进行，所以故障的检测就不是很容易。
4.树型拓扑结构
树型结构是星型结构的扩展，它由根节点和分支节点所构成，如图1-4所示。
图1-4树型拓扑结构
（1）优点：
结构比较简单，成本低。
扩充节点时方便灵活。
（2）缺点：
对根节点的依赖性大，一旦根节点出现故障，将导致全网不能工作；电缆成本高。
5.网状结构与混合型结构
网状结构是指将各网络节点与通信线路连接成不规则的形状，每个节点至少与其他两个节点相连，或者说，每个节点至少有两条链路与其他节点相连，如图1-5（a）所示。
大型互联网一般采用这种结构，如我国的教育科研网CERNET（b）、Internet的主干网，都采用网状结构。
（1）优点：
可靠性高。
因为有多条路径，所以可以选择最佳路径，减少时延，改善流量分配，提高网络性能。
适用于大型广域网。
（2）缺点：
结构复杂，不易管理和维护；线路成本高。
混合型结构是由以上几种拓扑结构混合而成的，如环星型结构，它是令牌环网和FDDI网常用的结构。
再如总线型和星型的混合结构等。
（a）网状拓扑结构（b） CERNET主干网拓扑结构
图1-5网状与混合型拓扑结构
1.3计算机网络的分类
由于计算机网络自身的特点，其分类方法有多种。
根据不同的分类原则，可以得到不同类型的计算机网络。
1.3.1按覆盖范围分类
（1）按网络所覆盖的地理范围的不同，计算机网络可分为局域网（LAN）、城域网（MAN）、广域网（WAN）。
①局域网（LocalAreaNetwork，LAN）
局域网是将较小地理区域内的计算机或数据终端设备连接在一起的通信网络。
局域网覆盖的地理范围比较小，一般在几十米到几千米之间。
它常用于组建一个办公室、一栋楼、一个楼群、一个校园或一个企业的计算机网络。
局域网主要用于实现短距离的资源共享。
图1-6给出的是一个由几台计算机和打印机组成的典型局域网。
图1-6局域网
局域网的特点是分布距离近、传输速率高、数据传输可靠等。
②城域网（WideAreaNetwork，WAN）
城域网是一种大型的 LAN，它的覆盖范围介于局域网和广域网之间，一般为几千米至几万米，城域网的覆盖范围在一个城市内，它将位于一个城市之内不同地点的多个计算机局域网连接起来，实现资源共享。
城域网所使用的通信设备和网络设备的功能要求比局域网高，以便有效地覆盖整个城市的地理范围。
一般在一个大型城市中，城域网可以将多个学校、企事业单位、公司和医院的局域网连接起来，共享资源。
图1-7给出的是由不同建筑物内的局域网组成的城域网。
图1-7城域网
③广域网（WideAreaNetwork，WAN）
广域网是在一个广阔的地理区域内进行数据、语音、图像信息传输的计算机网络。
由于远距离数据传输的带宽有限，因此，广域网的数据传输速率比局域网要慢得多。
广域网可以覆盖一个城市、一个国家，甚至于全球。
因特网（Internet）是广域网的一种，但它不是一种具体的、独立性的网络，它将同类或不同类的物理网络（局域网、广域网和城域网）互联，并通过高层协议实现不同类网络间的通信。
如图1-8所示是一个简单的广域网。
图1-8广域网连接示意
（2）按照网络中计算机所处的地位的不同，可以将计算机网络分为对等网和基于客户机、服务器模式的网络。
①对等网
在对等网中，所有的计算机的地位是平等的，没有专用的服务器。
每台计算机既作为服务器，又作为客户机；既为别人提供服务，也从别人那里获得服务。
由于对等网没有专用的服务器，所以在管理对等网时，只能分别管理，不能统一管理，管理起来很不方便。
对等网一般应用于计算机较少、安全要求不高的小型局域网。
②基于客户机/服务器模式的网络
在这种网络中，有两种角色的计算机，一种是服务器，一种是客服机。
服务器一方面负责保存网络的配置信息，另一方面也负责为客户机提供各种各样的服务。
因为整个网络的关键配置都保存在服务器中，所以，管理员在管理网络时，只需要修改服务器的配置，就可以实现对整个网络的管理了。
同时，客户机需要获得某种服务时，会向服务器发送请求，服务器接到请求后，会向客户机提供相应的服务。
服务器的种类很多，有邮件服务器、Web服务器、目录服务器等，不同的服务器可以为客户提供不同的服务。
我们在构建网络时，一般选择配置较好的计算机，在其上安装相关服务，就成了服务器。
而客户机主要用于向服务器发送请求，获得相关的服务。
如客户机向打印服务器请求打印服务，向Web服务器请求Web页面等。
1.3.2按传播方式分类
按照传播方式的不同，可将计算机网络分为“广播网络”和“点-点网络”两大类。
1.广播式网络
广播式网络是指网络中的计算机或者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一节点发出的数据信息。
目前，在广播式网络中的传输方式有以下3种。
（1）单播：
采用一对一的发送形式，将数据发送给网络中的所有目的节点。
（2）组播：
采用一对一组的发送形式，将数据发送给网络中的某一组主机。
（3）广播：
采用一对所有的发送形式，将数据发送给网络中的所有目的节点。
2.点-点网络（Point-to-pointNetwork）
点-点式网络即两个节点之间的通信方式是点对点的。
如果两台计算机之间没有直接连接的线路，那么，它们之间的分组传输就要通过中间节点来接收、存储、转发，直至抵达目的节点。
点-点传播方式主要应用于WAN中，采用的拓扑结构通常有星型
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