《计算机应用基础》计算机网络基础一

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1、一、计算机网络的产生及发展 1969年由美国国防部主持硏制的第一个远程分组交换网ARPANET （阿帕网） 的诞生，标志着计算机网络时代的开始。20世纪70年代出现了计算机局部网络（简 称局域网） ，在20世纪80年代得到了飞速发展，国际标准化组织（ ISO ）指定了计 算机网络的开放系统互连的模式（Open System Interconnect，简称OSI ）。计算 机网络的建立和使用是计算机技术和通信技术紧密结合的产物，在当今社会和经济发 展中起着非常重要的作用。 计算机网络，是指利用通信设备和通信线路按不同的拓扑结构分布在不同地理位 置上的、具有独立工作能力的多个计算机系统连接起来

2、，以功能完善的网络软件（网 络通信协议、信息交换方式及网络操作系统等）以实现硬软件资源共享和相互通信为 目标的系统。 计算机网络的发展概括起来经历了四个发展阶段： 1．面向远程终端的计算机网络 图6-1 面向远程终端的计算机网络 在60年代末真正的计算机网络诞生以前，当时的计算机为大型主机带多个终端 机的工作方式，所有数据处理都由主机完成，终端没有任何处理能力，仅起字符输 入、结果显示等作用。主机通过分时或批处理方式将主机资源分配并处理各个终端提 出的处理请求，这种系统称为主机—终端系统。为了能远距离通信，通过公用电话网 和调制解调器将终端远距离与主机相连，以实现远距离通信。

3、这是最早的面向终端的 计算机网络，它不是真正意义上的计算机网络，但这种面向终端的远程通信网络能解 决当时数据流量不大和任务较单一的远程通信需求。 2．基于分组交换的计算机网络 a 主机 T 谨信子网 主机 .资源子网 主机 主机 通信线路 □ LlLi 终端 主机 终端 图 6-2 基于分组交换的计算机网络 20世纪60年代末ARPANET网的诞生，标志着计算机网络时代的真正到来。计 算机网络分为以分组交换网为中心的通信子网和以计算机、终端、外部设备等集合的 资源子网这两个独立的部分，这种以分组交换通信子网为中心的计算机通信网称为第 二代计算机网络。

4、采用分组交换技术的计算机网络将其分为通信子网和资源子网，前者由通信线路 和交换结点（通信设备）组成，后者是独立的计算机以及外部设备的集合，由通信子 网将许许多多的独立的计算机设备（简称为主机）连接起来。分组交换技术成为20 世纪70年代至今计算机网络的主要形式，成为现代计算机网络技术的基础。 第二代计算机网络与第一代计算机网络的主要区别在于：网络中的通信双方都是 具有资助处理能力的计算机，而不是终端到计算机；计算机网络功能以资源共享为 主，而不是以数据通信为主。 3．计算机网络体系结构标准化 t 路田壺 :令牌环 路田器 ■ I履网 ■ 图6-3 计算机网络体系结构标准化

5、 20世纪70年代，局域网诞生并推广使用，例如以太网。1974年，IBM公司硏 制了它的系统网络体系结构，其他公司也相继推出本公司的网络体系结构。 这些不同公司开发的系统网络体系结构只能连接本公司生产的设备。为了使不同 体系结构的网络也能相互交换信息，国际标准化组织(ISO )于1977年成立专门机 构并制定了世界范围内网络互联的标准，称为开放系统互联基本参考模型 (OSI/RM，open systems interconnection/reference model)，简称 OSI，标志 着第三代计算机网络的诞生。OSI模型共分为七层，从下到上依次为物理层、数据链 路层、网络层、传

6、输层、会话层、表示层和应用层。OSI参考模型的提出，解决了不 同厂家生产的计算机网络产品之间的互连问题，同时也解决了运行不同操作系统的两 台计算机之间的互连问题。计算机网络体系结构和协议的标准化，是计算机网络发展 的重要阶段，为计算机网络顺利发展打下了坚实的理论基础。 4．计算机网络高速化和综合化的发展 20世纪90年代后，计算机网络向着高速化、综合化方向发展，特别是In ter net 的广泛应用，是第四代计算机网络的特点。网络的综合化是指采用交换技术实现的数 据传送方式将多种业务综合到一个网络中完成。如可以将语音、数据、图像、视频等 信息以二进制代码的数字形式综合到一个网络中进行传送。

7、 图 6-4 互联网流量图 网络的高速化和综合化的发展与计算机多媒体技术的迅速发展紧密相关。现在 不管是局域网或互联网，不仅可以传送传统的文字数据，大量的多媒体数据，如声 音、图像、视频的实时传送得到了广泛的应用。 二、计算机网络的分类 计算机网络的分类可按多种方法进行：按分布地理范围的大小分类、按网络的用 途分类、按网络隶属的机构或团体分类，按采用的传输媒体或管理技术分类等等。一 般按网络分布的地理范围来进行分类，可以分为局域网、城域网和广域网三种类型。 1.局域网 LAN ( Local Area Network) 图6-5 局域网 局域网（简称LAN

8、 ）通常在地域上位于园区内或者建筑物内部的有限范围，由几 米到几公里，组建方便、使用灵活。局域网发展迅速，应用日益广泛，是目前计算机 网络中最活跃的分支。 2 .城域网 MAN( Metropolitan Area Network) 电犬校园网 学院校园网 师大校园网 城诫网 窪院校园网 -頑 矿夫校园网 工程学慌校囲岡 教肓局局域岡 7七 米 采 米 基蠻樓园网 1000 Mbps 100 Mbps 图6-6 城域网 城域网是介于广域网与局域网之间的一种高速网络，城域网设计的目标是满足几 十公里范围内的大量企业、机关、公司的多个局域网互连的需求，

9、以实现大量用户之 间的数据、语音、图形与视频等多种信息的传输功能。 3 .广域网 WAN ( Wide Area Network ) 图 6-7 广域网 广域网（简称WAN ）主要用于连接同一国家内、不同国家间甚至洲际间的局域 网和城域网，其作用范围通常为几十到几千公里。广域网是从60 年代开始发展的， 其典型代表是美国国防部的ARPANET网，即现在全世界普遍使用的In ter net。中国 公网CHINANET、国家公用信息通信网（又名金桥网）CHINAGBN、中国教育科硏 计算机网CERNET都是广域网。 三、网络的拓扑结构 计算机网络的拓扑结构，即是指网上计算机或设备

10、与传输媒介形成的结点与线的 物理构成模式。主要由通信子网决定。网络的结点有两类：一类是转换和交换信息的 转接结点，包括结点交换机、集线器和终端控制器等；另一类是访问结点，包括计算 机主机和终端等。线则代表各种传输媒介，包括有形的和无形的。 计算机网络的常见的拓扑结构主要有：总线型拓扑、星型拓扑、树型拓扑、环型 拓扑、和网状型拓扑。 1.总线型拓扑（BUS ） 图 6-8 总线拓扑 总线型拓扑结构：网络采用一般分布式控制方式，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。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

11、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。其优点是结构简单灵活，易于扩充，便 于安装，所需通信器材、线缆的成本低，扩展方便（不能动态增减站点，即在网络工 作时增减站点）。缺点是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，现已很少使用。 2 .星型结构（Star） 图 6-9 星型拓扑 星型拓扑结构：的网络采用集中控制方式，每一节点都通过点到点的链路与中心 节点相连。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。该拓扑结构优点是结构形式和控制方法比较简单，便于 管理和服务；任何一个连接只涉及中央结点与

12、外部站点；站点故障易于检测与隔离， 且不会影响整个网络。缺点是通信线路专用，电缆成本高；网络的任务与可靠性都集 中在中心节点上，对中心结点要求较高，当中心结点出现故障时会造成全网瘫痪。星 型结构是小型局域网常采用的一种拓扑结构。学校教学用的计算机常用星形拓扑结 构。 3 .树型结构(Tree ) 图6-10 树型拓扑 树型结构：实际上是星型结构的发展和扩充，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。该结构中的信息交换主要在上下结点之 间进行，相邻或同层之间结点一般不进行数据交换。该结构优点是结构比较灵活，易 于进行网络范围的扩展和网络结点数的增加；通信线

13、路连接简单，具有天然的分级结 构，易于扩展，便于维护。缺点是资源共享能力差、可靠性低，任何一个工作站或链 路的故障都会影响整个网络的运行。树型结构是大中型局域网常采用的一种拓扑结 构。 4.环型结构（Ring） 图6-11 环型拓扑 环型结构：是节点连在一条首尾相接的闭合环型通信线路中。环形结构有单环结 构（如Token Ring）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，安装方便，传输率较高。数据传输延迟固 定，实时性好。但单环结构的可靠性较差，当某一结点出现故障时，会引起通信中 断。环型结构是组建大型、高速局域网的主干

14、网常采用的拓扑结构，如光纤主干环 网。 5 .网状型结构（Mesh ） 图6-12 网状拓扑 网状型拓扑：实际上是不规则形式，它主要用于广域网。网型拓扑中两任意结点 之间的通信线路不是惟一的，若某条通路出现故障或拥挤阻塞时，可绕道其他通路传 输信息，因此它的可靠性较高，但成本也较高。 、网络协议 1．网络协议 在计算机网络中要做到信息的正确传输，就必须遵守一些事先约定好的规则。为 进行网络数据交换而建立的规则、约定与标准被称为网络通信协议（Network Communication Protocol，通常简称为“网络协议”（Network Protocol））。 一个网络

15、协议主要由以下三个要素组成： ① 语法，即数据与控制信息的结构或格式（即“怎么讲”）。用来规定信息格 式；数据及控制信息的格式、编码及信号电平等。 ② 语义，即控制信息的含义，完成何种动作及做出何种响应（即“讲什 么”）。用来说明通信双方应当怎么做；用于协调与差错处理的控制信息。 ③ 同步（时序），即事件实现顺序的详细说明（即“按什么顺序”）；速度匹 配和排序等。 2 .ISO/OSI参考模型的分层内容 在20世纪70年代，各大计算机生产厂家（如IBM、DEC等）的产品都有自己 的网络协议，这样不同厂家生产的计算机系统就难以联网。为了实现不同厂家生产的 计算机系统之间以及不同网络之间

16、的数据通信，国际标准化组织ISO（ In ter natio nal Organization for Standardization ）于1981年正式公布了一个网络体系结构模型 作为国际标准，称为开放系统互连参考模型，即ISO / OSI（ Open System Interconnection ）。“开放系统互连”的含义是任何两个遵循OSI标准硏制的系统 是相互开放的，可以进行互连。 戒向箭头线表示观念上的通信线路 空心箭头克示实陌通信线路 口 □ ^■wls 图6-13 OSI网络协议 ISO／OSl 只给出了一些原则性的说明，并不是一个具体的网络。它将整个网络 的功

17、能划分成七个层次，层与层之间的联系是通过各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（用虚线连接），只有两物理层之间通过媒体进行真正 的数据通信。 ① 物理层：物理层是 ISO/OSI 参考模型的第一层。其目的是提供网内两实体间 的物理接口和实现它们之间的物理连接，按二进制位（bit）传送比特流，将数据信息 从一个实体经物理信道送往另一个实体，为数据链路层提供一个透明的比特流传送服 务。物理层考虑的是如何发送“0”和“1”，以及

18、接收端如何识别。 ② 数据链路层是 ISO/OSI 参考模型的第二层。其任务是在两个相邻结点间建 立、维持和释放数据链路连接，并无差错地传送以帧为单位的数据。每一帧包括数据 和必要的控制信息，如同步信息、地址信息、差错控制，以及流量控制信息等。 ③ 网络层是 ISO/OSI 参考模型的第三层。主要负责为分组交换网上的不同主机 提供通信。在发送数据时，网络层将运输层产生的报文封装成分组（或者称作包 （Packet））进行传送，同时解决分组在通信子网中的路由选择、拥塞控制问题以及 多个网络互连的问题。 ④ 传输层是ISO/OSI参考模型的第四层。OSI模型中的低三层属于通信子网范 畴，高三

19、层属于资源子网范畴，传输层起着衔接资源子网和通信子网的作用，实现通 信子网中端到端的透明传输。透明数据传输的意思是无论所传的数据是什么样的，都 能按原样传输到目的地，其处理过程对上层是不可见的，就好像是透明的。 ⑤ 会话层是 ISO/OSI 参考模型的第五层。主要是建立、组织和协调两个进程之 间的相互通信。会话层利用传输层提供的端到端数据传输服务，具体实施服务请求者 与服务提供者之间的通信。 ⑥ 表示层是 ISO/OSI 参考模型的第六层。其主要完成字符集转换、数据压缩与 恢复、数据加密与解密、实际终端与虚拟终端之间的转换等功能。 ⑦ 应用层是 ISO/OSI 参考模型的第七层，是 OS

20、I 模型的最高层。它直接为用户 的应用进程提供服务。从功能划分上看，下面的六层协议解决了支持网络服务功能所 需的通信和表示问题，而应用层则提供完成特定网络服务功能所需的各种应用协议。 五、传输介质 连接计算机网络的传输媒体有：非屏蔽双绞线（UTP）、屏蔽双绞线（STP）、 同轴电缆（有细缆和粗缆之分）、光纤和无线通信。 1．双绞线 在局域网中双绞线用得非常广泛，因为它们具有低成本、高速度和高可靠性等优 点。双绞线有两种基本类型：屏蔽双绞线（STP ）和非屏蔽双绞线（UTP），从中我 们可以看出双绞线中的每一对都是由两根绝缘铜导线相互缠绕而成的，这是为了降低 信号的干扰程度而采取的措施。

21、在一条双绞线电缆中有四对双绞线。STP和UTP之 间的惟一区别是：STP外层是由金属线编织的屏蔽层，加屏蔽层的原因是为了防止干 扰。工作站和服务器之间的连接通过传输介质和网络连接部件来实现。 图 6-14 屏蔽双绞线 图 6-15 非屏蔽双绞线 双绞线通过RJ45接头（俗称水晶头）与网络设备（HUB、交换机、路由器等） 和资源设备（工作站、服务器等）相连接。 图6-16网络接头RJ45 2．同轴电缆 同轴电缆由内导体铜质芯线（单股实心线或多股绞合线）、绝缘层、网状编织的 外导体屏蔽层以及起保护作用的塑料外层所组成。同轴电缆的优点是可以在相对长的 无中继器的线路上支持高带宽

22、通信，而其缺点：一是体积大，要占用电缆管道的大量 空间；二是不能承受缠结、压力和严重的弯曲，这些都会损坏电缆结构，阻止信号的 传输；最后就是成本高，而所有这些缺点正是双绞线能克服的，因此在现在的局域网 环境中，基本已被双绞线所取代。 图 6-17 同轴电缆 3．光纤 光缆是由一组光纤（光导纤维）组成的、用来传播光束的、细小而柔韧的传输介 质。光纤利用全内反射来传输经信号编码的光束。光缆具有圆柱形的形状，由三部分 组成：纤芯、包层和护套。光纤可分为多模光纤和单模光纤两种。单模光纤的纤芯直 径很小，在给定的工作波长上只能以单一模式传输，传输频带宽，传输容量大。多模 光纤是在给定的工作

23、波长上，能以多个模式同时传输的光纤，与单模光纤相比，多模 光纤的传输性能较差。 图 6-18 光纤 光纤除了通信容量非常大的优点外，还具有以下一些优点：传输损耗小，中继距 离长；抗雷电和电磁干扰性能好；无串音干扰，保密性好；体积小，重量轻。 4．无线媒体 无线媒体主要应用于难以布线的场合或远程通信。无线媒体有三种主要类型：无 线电、微波及红外线。 图 6-19 无线通讯 在一些电缆光纤难于通过或施工困难的场合，例如，高山、湖泊或岛屿等，特别 是通信距离很远，对通信安全性要求不高，利用无线电波等无线传输介质可以轻松实 现多种通信，抗自然灾害能力和可靠性也较高。无线传输网络：主要是移动无线网， 典型的有GSM和GPRS技术等。