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计算机网络本章要点:计算机网络的产生与发展;计算机网络的组成与应用;计算机网络的分类与拓扑结构;TCP/IP参考模型;网络操作系统;传输介质;网络设备.
内容概述:本章全面系统地介绍计算机网络的基本概念和基础知识.
通过本章的学习,读者可以对计算机网络的定义、组成、功能及分类等有全面清晰的认识.
1.
1计算机网络概述上网对人们来说已不再陌生,它成为人们每天必不可少的日常活动.
通过网络,人们可以获得最新的新闻,可以购买所需的商品,还可以与相隔千里的朋友聊天、接收和发送邮件,甚至还可以咨询自己的健康状况等.

无处不在的网络与我们息息相关,不仅拉近了你我的距离,也成为了我们的助手、我们的朋友.
今天,计算机网络已成为广播、电话和电视之后更加方便快捷的信息交换和共享平台,成为政治、经济、军事、教育、科学、文化、艺术、卫生以及体育等全时空的信息支持环境,成为继南极洲和外层空间之后又一轮国际竞争的新战略空间.
"网络经济"、"电子商务"、"网络教育"及"电子邮件"等新技术和新应用不断涌现,网络已经延伸到世界的每一个角落,渗透到社会的各个层面,也从根本上改变着人们的生活与工作方式,改变着人们的思想意识和思维方法.

1.
1.
1计算机网络的产生与发展计算机网络是把地理上分散的、具有独立功能的多台计算机用通信线路和通信设备连接起来,按照网络协议进行数据通信、由功能完善的网络软件实现资源共享的系统.
它是计算机技术与通信技术发展的结晶,并在用户需求的促进下得到进一步的发展.
从20世纪60年代开始发展至今,已形成从小型局域网到全球性的广域网的规模.
仅在过去的20多年里,计算机技术就取得了惊人的发展,处理和传输信息的计算机网络形成了信息社会的基础.
由于人们运用了计算机这一工具,使得生产率和工作效率飞速增长,也正是由于人们不断地依靠计算机和计算机网络来处理个人和工作事务,也扩展了计算机和计算机网络的强大功能.

计算机网络的发展主要经历了以下几个阶段.
1.
20世纪60年代初期以美国航空公司订票系统(SABER-I)为代表的联机终端系统.
该系统以一台大型计算机作为中央计算机,外联2000多台终端遍布美国各地区.
实质上,它的构成是一种分时多用户系统,通常称为面向终端的联机系统或以单计算机为中心的联机系统.
为了使中央计算机更好地发挥效率进行数据处理与计算,通信任务从中央计算机中分离出来,形成了通信处理机,如图1-1所示.

图1-1面向终端的联机系统2.
20世纪60年代末期美国国防部高级计划署ARPA建成了分组交换网——ARPA网,该网络横跨美国东北部地区,主要连接政府机构、科研教育及金融财政部门,并通过卫星与其他国家实现网际互联.
ARPA网的主要技术创新体现在分组交换技术的应用及连接节点都是独立的计算机系统,而且信道采用宽带传输,网络作用范围大,拓扑结构灵活,通常称这种网络为计算机—计算机网络.
在此期间,美国贝尔(Bell)实验室的科研人员发明了环型网络,其基本原理被后来的令牌环网所继承.
计算机—计算机网络如图1-2所示.

图1-2计算机网络3.
20世纪70年代这是计算机网络体系结构标准化与局域网研发阶段.
这一时期,IBM公司提出了系统网络体系结构SNA(systemnetworkarchitecture)标准,DEC公司提出了数字网络体系结构DNA(digitalnetworkarchitecture)标准.
随后,国际标准化组织(ISO)成立了计算机与信息处理标准化委员会(TC97)下的开放系统互连分技术委员会(SC16),并于1981年制定了"开发系统互连参考模型(OSI/RM)"计算机网络的一系列国际标准.
与此同时,局域网的研发出现了重大成果:贝尔实验室发明了Piece环;Xerox公司发明了以太网(Ethernet);剑桥大学发明了剑桥环(Cambridge-Ring)等.
这些机构对局域网进行了深入而广泛的研究,为局域网的商业发展铺平了技术道路.

4.
20世纪80年代这是局域网标准化与发展阶段.
美国3大公司Xeros、DEC和Intel联合公布了局域网的DIX标准,以示规范.
同时,随着光纤技术的发展以及通信业务的多媒体化,使宽带通信业务得到迅速的发展,出现了光纤分布式数据接口(FDDI)的高速局域网技术,也推动了分布式对列双总线(DQDB)和多兆位数据交换服务(SMDS)等城域网技术的开发.
正是由于局域网的繁荣发展,美国电子与电气工程师协会(IEEE)计算机学会的802局域网委员会成立,并相继提出了IEEE802.
1—802.
14等局域网标准草案,其中大部分内容被ISO所认可,成为局域网国际标准.
5.
20世纪90年代这是互联网发展阶段.
随着美国信息高速公路法案的提出,各国纷纷建设信息基础设施,使得Internet获得了迅速发展.
尤其WWW(worldwideweb)技术的成熟应用,有利地促进了Internet的推广应用.
现在,Internet包括了几十万个全球范围内的局域网,这些局域网通过主干广域网互联起来.
在互联网上,每天增加上百万的新网页,成为显示社会最大的信息公告板.
与此同时,电子商务、电子政务的发展,进一步促进了信息技术的应用,通信技术的长足发展与网络技术的紧密结合,使得电信网、电视网与计算机网络向着融合统一的趋势发展.

今天是以网络为核心的时代.
网络化、信息化和数字化已成为社会经济发展与人们生活的基础,计算机网络会向着高速、宽带、智能、多媒体及移动方向发展.
人类只有运用这些信息技术,才能迎接未来的挑战.

1.
1.
2计算机网络的组成与应用从网络实现上划分,计算机网络一般由网络硬件和网络软件两部分构成.
在计算机网络中,硬件对网络的性能起着决定性的作用,是网络运行的实体;而网络软件则是支持网络运行、提高效益和开发网络资源的工具.
图1-3是某个公司局域网计算机网络系统结构.

1.
网络硬件网络硬件是组成计算机网络的物质基础.
要构成一个计算机网络,首先要将计算机及其附属硬件设备与网络中的其他计算机连接起来,实现物理连接.
不同的计算机网络系统在硬件方面是有差别的.
图1-3某公司局域网结构随着计算机技术和网络技术的发展,网络硬件日趋多样化,且功能更强、结构更复杂.
网络硬件一般包括工作站、服务器、网络互联设备、联网部件和通信介质等.
1)工作站工作站是数据处理设备,在网络的不同应用中,其数据处理的能力差异较大.
工作站通常泛指主机或计算机.
2)服务器服务器也是一种计算机,是为客户端提供各种服务的高性能计算机.
它分为专用服务器和基于计算机的普通服务器.
专用服务器常用于大众型组网环境,需要较高的性能.
基于计算机的普通服务器常用于小型网络中,性能要求不高.
从服务器提供的功能上划分,有文件服务器、电子邮件服务器和Web服务器等.

3)网络互联设备网络互联设备常用的有中继器、网桥、路由器和网关.
根据网络互联的不同层次,使用不同的网络互联设备.
4)联网部件联网部件主要包括网卡或适配器、调制解调器、连接器、收发器等.
例如,通过局域网接入Internet必须使用网卡,通过电话线接入Internet必须使用调制解调器(modem).
5)通信介质通信介质主要有同轴电缆、双绞线、光缆及微波、无线电和卫星等.
它们构成通信双方的通信信道,实现数据的传输.
2.
网络软件网络软件是实现数据双方通信要求、网络系统对共享的各种资源控制与分配以及网络设备的管理等网络功能必不可少的软环境,网络软件主要有网络操作系统软件、管理软件及应用软件等,通常包括以下几种.

网络协议软件实现网络协议功能,如TCP/IP、IPX等.
网络通信软件实现网络设备之间的通信的软件.
网络操作系统实现系统资源共享,管理用户的应用程序对不同资源的访问,如Windows2003、WindowsXP、NetWare、Unix等.
网络管理软件主要用于网络用户与网络接入的认证管理,以及监控、审计、计费等功能,如HPOpenView等.
网络安全软件主要用于保护网络系统免受各种病毒及其恶意代码的威胁与攻击,强调安全防护的主动性以及管理策略,对网络的所有层面实施保护,如McAfreeSecurity等.
网络应用软件为用户提供各种服务,如InternetExplorer、Foxmail等.
网络软件的重要特性不在于实现网络中各个独立的单机系统的功能,而是实现网络特有的资源共享、相互通信的功能.
3.
计算机网络的应用计算机网络可以应用于任何行业、任何领域,包括政治、经济、军事、科学、文教及生活等诸多方面.
它为各行各业的生产管理乃至人们的学习、工作和生活提供了物质基础,使之进入了一种崭新的方式.
随着网络技术的发展和各种应用的需求,计算机网络应用的范围也在不断地扩展,但是,计算机网络的应用主要可以分为以下两个方面:其一,应用在单位信息管理中.
计算机网络实现了资源共享,提高了信息系统的可靠性,节约了资金,增强了信息系统的可扩展性,并且为用户提供了一种功能强大的通信工具.
其二,应用在个人信息服务中.
计算机网络的远程信息访问为人们的交流提供了新的通信工具,而且计算机网络在家庭娱乐中也有很多的应用.
总之,基于计算机网络的信息服务、通信与家庭网络应用,都在促进网络、软件产业以及信息产品制造业与信息服务业的高速发展,也正在引起产业结构和从业人员结构的变化,将来会有更多的人转移到基于网络的信息服务产业上来.

1.
1.
3计算机网络的分类与拓扑结构1.
计算机网络的分类计算机网络的分类标准很多,比如按拓扑结构、介质访问方式、交换方式以及数据传输率等,但这些分类标准只给出了网络某一方面的特征,并不能反映网络技术的本质.
事实上,确实存在着一种能反映网络技术本质的网络划分标准,那就是计算机网络覆盖的范围.
按照网络覆盖范围的大小,我们将计算机网络分为局域网(LAN)、城域网(MAN)和广域网(WAN),如表1-1所示.
网络覆盖的地理范围是网络分类的一个非常重要的度量参数,因为不同规模的网络将采用不同的技术.
下面将简要介绍上述几种网络,最后讨论目前比较流行的无线网络.

表1-1计算机网络的分类分布距离覆盖范围网络类型分布距离覆盖范围网络类型10m100m10km以内房间建筑物校园局域网局域网局域网几十千米以内100km以上城市国家城域网广域网1)局域网局域网(localareanetwork,LAN)的作用范围一般为10km以内,使用双绞线、同轴电缆、光缆及红外线等介质实现部门、企业、校园的组网.
目前,常用的局域网类型有以太网(Ethernet)、令牌环网(tokenring)、光纤分布式接口(FDDI)、ATM局域网仿真(ATMlane)等.
市场占有率较大的是以太网,以太网为总线型网络,采用CSMA/CD机制,典型的低速以太网有10BASY-T、10BASE2等;高速以太网有100BASE-T及吉比特以太网(1000BASE-X、1000BASE-T).
局域网是网络互联的基础,是实现信息高速公路的基础设施.

2)城域网城域网(metropolitanareanetwork,MAN)的作用范围在几十公里以内,通常作用于一个地区或城市.
可以通过不同的硬件、软件及专门的线路或利用现有的电话线、电视电缆、光缆、微波等组成城市网络.
目前,各大城市都正在规划和建设宽带城域网,主要运用IP和ATM技术,采用密集波分复用(DWDM)技术的光缆为主要的传输介质实现宽带城域网.

3)广域网广域网(wideareanetwork,WAN)的作用范围可达到数千公里,通常是把多个局域网及城域网连接起来,并与世界各地的网络进行互联.
从某种意义上看,Internet就是全球最大的广域网.
常用的广域网技术有X.
25网络、综合业务数字网(ISDN)、数字数据网(DDN)、帧中继(RF)、同步光纤网(SONET)、异步传输模式(ATM)等.

4)无线网随着笔记本计算机(notebookcomputer)和个人数字助理(personaldigitalassistant,PDA)等便携式计算机的日益普及和发展,人们经常要在路途中接听电话、发送传真和电子邮件、阅读网上信息以及登录到远程服务器等.
然而,在汽车或飞机上是不可能通过有线介质与单位的网络相连接的,这时候就需要无线网.

无线网特别是无线局域网有很多的优点,如易于安装和使用.
但无线局域网也有许多不足之处,如它的数据传输率一般比较低,远低于有线局域网;另外,无线局域网的误码率也比较高,而且站点之间相互干扰比较严重.

无线网是当前国内外的研究热点,无线网的研究是由巨大的市场需求驱动的.
无线网的特点是,用户可以在任何时间、任何地点接入计算机网络,而这一特点使其具有强大的应用前景.
当前已经出现了许多基于无线网的产品,如个人通信系统(personalcommunicationsystem,PCS)电话、无线数据终端、便携式可视电话和个人数字助理等.
无线网的发展依赖于无线通信技术的支持.
目前无线通信系统主要有:低功率的无绳电话系统、模拟蜂窝系统、数字蜂窝系统、移动卫星系统、无线LAN和无线WAN等.
2.
计算机网络的拓扑结构计算机网络的拓扑结构是网络中节点(主机或通信设备)和通信链路所组成的几何形状.
在计算机网络中,把主机抽象为点,通信链路抽象为线,这样便形成了计算机网络的各种拓扑结构,计算机网络中常用的网络拓扑结构有以下几种.

1)总线型拓扑一条通信链路作为公共传输信道,所有节点共享公共信道进行数据传输,如图1-4所示.
该结构的特点是,每一个节点都可以向其他所有节点传输数据,实现广播式传输技术,但必须采取某种方法来分配信道的使用,以避免两个节点同时发送数据造成冲突.
这一结构简单灵活,易于扩充,便于安装,成本低.
负荷重时网络性能会下降,总线上任意一点故障会导致网络瘫痪.

2)星型拓扑每一节点都通过点到点的链路与中心节点相连,如图1-5所示.
中心节点可以是中心交换设备、主机等.
数据的传输通过中心节点的存储转发实现各节点的信息通信.
该拓扑结构简单,易于扩充,便于维护和管理.
但通信线路专用,电缆成本高,而且网络的任务与可靠性都集中在中心节点上,容易造成数据交换的瓶颈和网络整体可靠性差.

图1-4总线型拓扑图1-5星型拓扑3)环形拓扑网络节点连在一条首尾相接的闭合环型通信线路中,如图1-6所示.
环形结构有单环结构(如TokenRing)与双环结构(FDDI)两种,环中的数据都是沿一个方向逐站传输.
这种结构各站无主从关系,结构简单.
数据传输延迟固定,实时性好.
但任何线路或节点的故障,都会引起全网瘫痪,而且扩充性差.

4)树型网络网络各节点形成层次化的结构,按一定的层次连接起来,形状如一棵倒置的树,如图1-7所示.
该结构具有天然的分级结构,易于扩展.
但层不宜过多,以免转接开销过大,使高层节点的负荷过重.
图1-6环型拓扑图1-7树型拓扑5)网状型拓扑网络中的每个节点与其他节点都以冗余链路相连,如图1-8所示.
该结构的主要优点是,提高了可靠性,改善了网络流量的分配,提高了网络性能,但结构复杂,线路成本高,适用于广域网.
1.
1.
4TCP/IP参考模型传输控制协议/互联网协议(transmissioncontrolprotocol/internetprotocol,TCP/IP)是于1977—1979年形成的协议规范,是美国ARPANET上使用的传输层和网络层协议,也是ARPANET参考模型ARM的一部分.
由于在ARPANET上运行的协议很多,因此,人们常常将这些相关协议称为TCP/IP体系结构,或简称TCP/IP.
TCP/IP参考模型如图1-9所示.

TCP/IP协议之所以发展迅速,不仅是因为它受到美国军方的重视,而且因为它适应了世界范围内对数据通信的需要.
它具有很多利于自身发展的特点: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;独立于特定的网络硬件,可以运行在局域网、广域网,更适用于互联网中;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;标准化的高层协议可以提供多种可靠的用户服务.

TCP/IP参考模型可以分为4个层次:网络接口层(host-to-networklayer)、网络互联层(Internetlayer)、传输层(transportlayer)和应用层(applicationlayer).
1.
网络接口层网络接口层也称为主机—网络层,是TCP/IP参考模型的最底层,它负责通过网络发送和接收IP数据报,指出通信主机必须采用某种协议连接到网络上,而且能够传输网络数据分组.
在本层中具体使用什么协议并没有规定.
一般来说,本层包括了各种物理网协议,例如,局域网的Ethernet协议、TokenRing协议、分组交换网的X.
25协议等.
2.
网络互联层在TCP/IP参考模型中,网络互联层是参考模型的第2层,它相当于OSI参考模型网络层的无连接网络服务.
主要功能是负责在互联网上传输数据分组.
网络互联层是TCP/IP参考模型中最重要的一层,它是通信的枢纽,从底层出来的数据包要由它来选择是继续传给其他网络节点,还是直接交给传输层,对从传输层来的数据包,要负责按照数据分组的格式填充报头,选择发送路径,并交由相应的线路发送出去.
其主要功能可以归纳为三点:处理来自传输层的分组发送请求;处理接收的数据报;处理互联的路径、流量控制与拥塞问题.

在网络互联层,主要定义了网络互联协议(Internetprotocol,IP)及数据分组的格式,还定义了地址解析协议ARP、逆向地址解析协议RAR和ICMP协议.
3.
传输层在TCP/IP参考模型中,传输层是参考模型的第3层,它负责在应用进程之间的端—端通信.
主要目的是:在互联网中源主机与目的主机的对等实体间建立用于会话的端—端连接.
它与OSI参考模型的传输层功能类似,也对高层屏蔽了底层网络的实现细节,TCP/IP参考模型的传输层完全是建立在包交换通信子网基础之上的.

在TCP/IP参考模型的传输层中,定义了两个协议:1)传输控制协议(transportcontrolprotocol,TCP)它是一种可靠的、面向连接的协议,用于包交换的计算机通信网络、互联系统及类似的网络上,保证通信主机之间有可靠的字节流传输,完成流量控制功能,协调收发双方的发送与接收速度,达到正确传输的目的.

2)用户数据报协议(userdatagramprotocol,UDP)它主要用于不要求分组顺序到达的传输中,分组传输顺序检查与排序由应用层完成.
UDP是一种不可靠的无连接协议,其特点是协议简单,额外开销小,效率高,但不保证正确传输,也不排除重复信息的发生.

4.
应用层应用层是TCP/IP参考模型中的最高层,它包括了所有的高层协议,并且总有新的协议加入.
应用层协议可以分为三类:1)依赖于面向连接的TCP协议包括网络终端协议Telnet(实现对主机的远程登录功能)、电子邮件协议SMTP(负责互联网中电子邮件的传递)、文件传输协议FTP(用于交互式文件传输)等.
2)依赖与面向连接的UDP协议包括简单管理协议SNMP(对设备和应用提供相应的管理)等.
3)既可依赖于TCP协议,也可依赖于UDP协议包括域名系统DNS(实现逻辑地址到域名地址的转换)等.
1.
1.
5网络操作系统所谓网络操作系统(networkoperatingsystem,NOS),是指能使网络上各计算机方便而有效地共享网络资源,为用户提供所需各种服务的操作系统软件.
它能够利用网络底层提供的数据传输功能,为高层网络用户提供共享资源管理服务,以及其他网络服务功能.

网络操作系统是针对计算机应用从大型机向微型计算机转移的需求而设计的.
在这种系统中,经常是将一台或几台高档微型机、工作站或大型机作为局域网服务器,用于集中管理局域网中的共享资源,提供文件服务、数据库服务、打印服务与通信服务;同时,将很多台用户微型机作为工作站与局域网连接.

网络操作系统的基本任务是:屏蔽本地资源与网络资源的差异性,为用户提供各种基本的网络服务功能,完成网络共享资源的管理,并提供网络系统的安全性服务.
目前,流行的网络操作系统主要有以下几种:Microsoft公司的WindowsNTServer操作系统.
Novell公司的NetWare操作系统.
IBM公司的LANServer.
UNIX操作系统.
Linux操作系统.
网络操作系统有两个基本类型,一种是带有完整的操作系统功能的NOS,比如Microsoft公司的Windows2000Server;另一种是附加于现有操作系统之上的NOS,比如Novell公司的NetWare操作系统就附加在运行MS-DOS等操作系统之上.
在实际的网络环境中,也可以将对等网络和非对等网络混合使用.
网络服务器采用Windows2000Server、NetWare5、UNIX等操作系统,负责关键资源的共享和管理;在客户端使用Windows98、Windows2000Professional、WindowsXP等操作系统,既可以访问指定的服务器上的共享资源,又可以共享和管理自己计算机上的资源.
1.
2网络的组成要了解网络,先要了解架设网络的材料,否则难以理解网络的原理.
本节将分两部分介绍网络的组成.
1.
2.
1传输介质1.
同轴电缆用来传送数字信号的同轴电缆称为基带电缆,分为以下两种.
粗缆:标准为10BASE-5,衰减限制(传输)距离500m,容量为10Mbps.
细缆:标准为10BASE-2,衰减限制(传输)距离186m,容量为10Mbps.
基带电缆的特征阻抗为50(,电缆的末端要接端接器,即50(电阻以保证匹配.
传输的数字信号采用曼彻斯特编码.
衰减限制(传输)距离为1800m.
早期的以太网普遍采用同轴电缆,这是典型的总线结构,但它们存在着一系列的缺点,如只支持100Mbps的容量,不能传送100Mbps及以上的信号;性能不可靠,一旦电缆损坏,会造成整段网络不匹配而瘫痪,所以同轴电缆现在已被淘汰.

用来传送模拟信号的同轴电缆称为宽带电缆:用于令牌总线网,传1Mbps、5Mbps、10Mbps信号,衰减限制(传输)距离为1800m,特征阻抗为75(.
采用相位、连续频移、键控等三种调制方法.

2.
双绞线双绞线(twistedpairwire,TP)是最常用的一种传输介质,它由两根具有绝缘保护层的铜导线组成.
把两根绝缘的铜导线按一定密度相互绞在一起,一根导线在传输中辐射的电波会被另一根导线上发送的电波抵消,这样就降低了信号干扰的程度.

局域网中经常使用的双绞线有非屏蔽(unshieldedtwistedpair,UTP)和屏蔽(shieldedtwistedpair,STP)之分.
屏蔽双绞线由于它性能价格比较好,目前被广泛使用.
屏蔽双绞线用于远程中继线时,最大距离可以达到十几千米,非屏蔽双绞线的传输距离一般为100m.
屏蔽双绞线电缆的外层由铝箔包裹,用以减小辐射,但并不能完全消除辐射.