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1、第6章 计算机网络基础知识当今世界，计算机网络无处不在，给我们的学习、生活、工作带来了翻天覆地的变化。不论你是身处校园内还是校园外都可以方便的接入计算机网络，畅游于Internet之中，获取信息、娱乐休闲、聊天通信计算机网络由计算机和通信网络两部分组成，计算机是通信网络的终端或信源。通信网络为计算机之间的数据传输和交换提供了必要的手段；同时，计算机技术不断地渗透到通信技术中，又提高了通信网络的性能。正是这两者的紧密结合，促进了计算机网络的发展和繁荣，并对人类社会的发展和进步产生了巨大的影响。通过本章的学习，你将能够：h对计算机网络具有初步的认识；h了解计算机网络的基本概念和基本技术；h了解计算
2、机局域网的相关概念和技术；h了解Internet的相关概念和接入技术。6.1 计算机网络基础1946年世界上第一台电子计算机ENIAC诞生，给人类社会带来了一次前所为有的创新。随后，微型计算机的出现，使得计算机从实验室和少数高科技人员中的手中，飞入了“寻常百姓家”，使学校、政府、企业等单位甚至是普通的个人感受到了计算机为生活带来的巨大改变。但是，以前很长一段时间，绝大多数微型机算计都是以单机的形式存在，没有网络的互联，尽管单机为人们的学习、生活、工作带来了很大的改变，但是计算机处理数据、事务的更大优势并没有能够完全体现。图6-1 Bob Metcalfe的网络示意图一些有远见的计算机工程师预见
3、计算机如果能够联合在一起工作，联网的计算机将能提供单机所无法带来的更为强大的功能和收益。其中关于计算机网络互联最重要的思想之一是由Bob Metcalfe于1976年提出的，他设计的计算机之间互联传输数据的思想如图6-1所示，他称之为Ethernet，也就是现在所说的以太网，这便是后来计算机网络甚至是Internet的关键理论。6.1.1 计算机网络的优点和面临的挑战如今，已经深具影响力的计算机网络，展现在人们面前的不仅仅是它强大的科学计算功能，对于我们，更多的体现在它可以为我们方便的共享各种资源，软件共享、硬件共享、数据共享等等。计算机网络为我们提供了以下优点：硬件共享节约成本例如，我们可以
4、为办公室只购买一台价格昂贵的彩色激光打印机，将其连入办公室的网络，这样，办公室的任何成员都可以用自己的计算机通过网络来使用它，打印出自己所需的彩色图片，而不用给每个需要打印彩色图片的人员都购买一台价格昂贵的彩色激光打印机连接在他自己使用的计算机上。不仅仅如此，网络还允许我们整个办公室的所有计算机通过网络设备共享一个Internet连接，共享使用扫描仪、照片打印机、绘图仪等。软件共享节约成本从技术上来讲，可以只购买一套单机版的软件，为实验室每台计算机都安装上它，并且使用它，但是，很明显这是不合法的，因为，单机版软件往往申明了单用户使用许可协议，它是不允许装在多台计算机上使用的。这样，软件的网络版
5、就出现了，在一个拥有多台计算机的实验室中，安装网络版的软件所需的成本要大大低于为每台计算机单独购买安装单机版软件的成本。文件共享简单可行以往，我们为了将一台计算机上的文件拷贝到另一台计算机上，往往需要借助软盘、闪盘等其他的可移动存储设备，操作起来比较繁琐，而如果我们将计算机互联成网，则互相信任的计算机间，可以方便、自由、快速的传输各种文件。网络互联可以使工作跨越地域和时间借助一些软件，可以将一个公司不同地域的工作人员联合起来，召开网络视频会议；也可以让不同时差的工作人员通过计算机网络（例如使用电子邮件）共享操作同一个文档。以上我们说的都是计算机网络的优点，那么计算机网络有什么不足的地方？它面临
6、着怎样的挑战？计算机网络最大的缺点就在于，它可能会被未经授权的用户入侵。对于单机来讲，如果想删除或损坏它的数据，往往只能通过用户使用了含有病毒的光盘或软盘等造成计算机感染病毒这种方法，而对于网络上的计算机来讲，它们面临的攻击却是有多种途径的。通过未经授权的工作站（工作站本章含义：一台已经连入本地网络的微型计算机），入侵者可以通过一些技术手段访问到存储在服务器或其他工作站上的数据。对于接入Internet的计算机局域网络，则面临着来自其他地区甚至其他国家的远程计算机带来的攻击。计算机网络比单机更容易受到网络恶意代码的攻击，在网络中极易传播的蠕虫病毒、特洛伊木马以及混合的病毒代码，都给网络带来了威
7、胁。但是，绝大多数的人还是认为网络带来的利益要远远超过网络的缺点，并且相信，只要通过一些保护安全的技术手段，例如安装防病毒软件、网络防火墙等，是可以保护计算机网络的安全的。6.1.2 计算机网络的定义计算机网络的精确定义并没有统一，一般认为：计算机网络是利用通信设备和线路将地理位置不同、功能独立的多个计算机系统连接起来,以功能完善的网络软件实现网络的资源共享和信息传递的系统。计算机网络主要包括以下三部分：h主机为用户提供服务。h通信子网提供数据传输和交换功能。h通信协议根据事先约定好的和必须遵守的规则，保证通信顺利的进行。计算机网路要实现的主要目标是资源共享，资源包括计算机硬件（如打印机等）、
8、软件和数据。6.1.3 计算机网络的分类在过去，计算机工程师们为了追求网络数据传输的速度、更高的效率，以及更高的安全性能等，提出了大量不同的计算机网络互联技术，并付诸了实施，产生了多种不同的网络类别。今天，网络互联的技术已经越来越标准化了，不同的网络技术差异在减少，但是对于不同的应用来讲，保留不同的网络类别仍然是必须的。我们可以按不同的方式对计算机网络进行分类，例如：学校实验室的计算机网络你可以说它是局域网，也可以说它是以太网，也可以说它是由双绞线而联成的网络等，分类方式不同而已。表6.1列出了几种不同的分类方式以及分类的结果。表6.1 计算机网络的分类地理范围按照联网计算机的距离和覆盖的地域
9、范围WAN、MAN、LAN拓扑结构网络互联设备之间的结构关系Star、Bus、Ring、Mesh、Tree组织方式网络互联设备如何连接工作Client/Server、Peer-to-Peer传输介质互联设备传输数据和信号所采用的介质双绞线、同轴电缆、光纤、无线射频、微波、红外线、电话线、电力线带宽网络传输数据的速度能力宽带、窄带1.按地理范围分类按照联网的计算机之间的距离和覆盖范围来分类是应用最广的一种分类方式。对于一个只有几台计算机的网络来讲，我们只需要用一些简单而又基本的设备就可以将它们互联成网。但是当网络覆盖的范围越来越大时，我们就需要考虑使用更多的网络互联器材以及一些特殊的多样化的设备
10、来推进数据的远距离传输，满足各种不同的需求。按照地理范围分类，网络一般可分为以下三种类型。局域网（LAN，local area network）局域网用于将有限范围内的各种计算机和外部设备等互联成网。其作用范围通常为几米到十几千米，提供高数据传输速率。局域网连接可以采用多种技术手段，如有线或无线连接方式。公司的办公室或学校的计算机实验室常常采用这种方式。广域网（WAN，wide area network）广域网的作用范围一般为几十千米到几千千米，可以跨省、跨国或跨洲。可以实现计算机更广阔范围上的互联，实现世界级范围内的信息数据共享。我们所熟悉的Internet就是广域网的典型应用。城域网（MA
11、N，metropolitan area network）城域网的作用范围介于LAN和WAN之间，可以认为是一种大型的局域网（LAN），通常使用与局域网相似的技术，它可以覆盖一个城市的范围，并且城域网有可能连接当地的有线电视网络，提供更丰富的数据信息资源。2.按拓扑结构分类任何一个连接在网络上的设备都称作节点，一个网络的节点往往代表以下设备：h服务器（Server）：一台用来存储数据或提供网络服务的计算机。h工作站（Workstation）：一台已经连入本地网络的计算机。h网络外设（Networked peripheral）：打印机、扫描仪等连入本地网络的设备。h网络设备（Networked d
12、evice）：一种用来广播网络数据、传输电子信号或路由数据到它的目的地的电子设备。图6-2 星状拓扑计算机网络拓扑结构是通过网络中节点与通信线路之间的几何关系来表示网络结构，反映出网络中各实体间的结构关系。简单的说网络拓扑就是网络中计算机、缆线以及其他组件的物理布局。按照网络拓扑结构，一般分为星状、总线、环状、网状和树状5种。星状拓扑（Star）星状拓扑中的所有设备都与中心节点相连，如图6-2所示。中心节点提供数据交换功能，中心节点可以是一台服务器，但更多时候是一个叫做集线器（Hub）的网络设备，它的作用是在各节点之间广播传输数据；中心节点也常采用交换机（Repeater），交换机的特点是允许
13、多对接点同时传输数据，从而提供比Hub更大的数据传输带宽。图6-3 总线结构星状拓扑的优点是：易于管理、维护，安全，其中的一个节点发生了故障，不会影响网络的运行。缺点是：中心节点必须具有很高的可靠性，因为中心节点一旦发生故障，整个网络就会瘫痪。总线拓扑（Bus）总线拓扑中的所有设备都直接连接到一条数据传输主干线缆上，如图6-3所示。在主干线缆的两端以特殊的设备终结器（Terminator）结束。Bob Metcalfe在1976年提出的网络思想就是这种总线网络理念。图6-4 环状结构总线拓扑的优点是：费用低，设备接入网络灵活，某个节点发生故障不影响其他用户。缺点是：由于所有数据交互通过总线，故
14、一次仅能有一个用户发送数据，其他用户必须等待得到发送权，才能发送数据。总线拓扑常常应用在较少的设备需要互连时，当互连设备较多时，将会导致整个网络运行缓慢，并且，一旦主干线缆发生故障，那么整个网络将会瘫痪。环状拓扑（Ring）环状拓扑中所有设备通过链路连接成环，如图6-4所示。环状拓扑中传送的数据信号始终按一个方向一个节点一个节点的向下传输，每台计算机都是一个中继器，把信号放大并传输给下一台计算机。但是由于信号通过每一台计算机，所以任何一台计算机出现故障都会影响整个网络，从而导致网络瘫痪。网状拓扑（Mesh）图6-5 网状结构图6-6 树状拓扑网状拓扑中的节点通过若干条路径与其他节点相连，数据从
15、一个节点传输到另外一个节点往往有多条路径可以选择，如图6-5所示。这种冗余的数据传输路线，使得网状拓扑非常可靠，即使其中的几条数据链路发生了故障，那么数据仍然可以通过其他的路线传输到它的目的节点。Internet的最初网络的互连规划就是建立在网状拓扑概念之上。树状拓扑（Tree）树状拓扑是星状拓扑和总线拓扑的混合体，如图6-6所示。若干个星状网络连接在总线网络的总线上，这种网络拓扑的功能弹性很大，同时具有了总线网络和星状网络的优点，可以方便的将一个个星状网络通过总线连接在一起工作。如今，大部分的校园网或商业网都是应用这种网络拓扑结构。上面的介绍的网络结构可以彼此互联成为更大的网络么？当然可以。
16、两个类似的网络可以经由网桥（Bridge）实现互连，网桥的功能是转发两个网络之间的数据，而不管传输的数据格式。如果需要把两个网络拓扑和技术不同的网络实现互联，我们往往需要使用网关（Gateway），网关是把两个不同的网络实现互联，并转换两个不同的网络之间的数据格式的网络设备或软件的统称。网关可以完全通过软件来实现，也可以完全通过硬件来实现，当然，也可以是两者的组合。网关的实现通常是使用一种叫做路由器（Router）的网络设备。路由器是一种用来连接两个或者多个网络的电子设备。例如：一个单位内部的局域网（LAN）可以使用路由器连接到Internet广域网（WAN）。在这里，路由器作为局域网和广域网的接
