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1、 第1篇 计算机网络基础知识本章学习目标本章主要讲解计算机网络的基础知识。通过本章的学习，读者应掌握以下内容：计算机网络的定义、发展简史计算机网络的组成及主要功能计算机网络拓扑结构计算机网络的分类计算机网络通信基础计算机网络标准及通信协议计算机网络新技术1.1 计算机网络1.1.1 什么是计算机网络凡将地理位置不同，并具有独立功能的多台计算机系统通过通信设备和线路连接起来，并通过功能完善的网络软件实现在网络中资源共享的系统，称为计算机网络系统。计算机网络系统由网络硬件和网络软件两部分组成。网络硬件有计算机（服务器、工作站）、网络接口卡、通信介质以及各种网络互联设备。网络软件有网络操作系统和网络
2、协议软件。如图1-1所示给出了一个计算机网络的图例。计算机网络是计算机技术和通信技术紧密结合的产物。计算机网络系统是由网络操作系统、用以组成计算机网络的多台计算机，以及各种通信设备构成的。1.1.2 计算机网络发展简史在计算机发展史中，计算机技术的发展史中，计算机技术的发展对人类的影响主要体现在三个阶段。 第一个阶段是1946年，第一代计算机的诞生在人类科学发展史上是一个重要的里程碑。在机械化、电气化时代，人们用机器代替了部分的体力劳动，而计算机的诞生，使得人们可以用它部分地代替人的脑力劳动。 第二个阶段是20世纪80年代微型计算机的出现，改变了主机模式的集中管理和运行方式，把强大的计算和处理
3、能力交到了个人手里，这为各行各业普遍使用计算机奠定了基础。计算机的普及也正是从计算机的出现开始的 第三个阶段是网络的出现，人们称网络就是计算机，深刻地反映了网络在计算机发展史中极为重要的作用和影响。到目前为止，Internet的发展经历了三个阶段，逐渐走向成熟。从1969年Internet的前身ARPANET的诞生到1983年，这是研究试验阶段；主要是进行网络技术的研究和试验；从1983年到1994年是Internet的实用阶段，它是作为用于教学、科研和通信的学术网络。从1994年以后，Internet开始进入商业化阶段，政府部门、商业企业以及个人开始广泛使用Internet。Internet
4、也正面临着多种挑战，包括网络的频宽和可扩展性、网络的安全性、网络的服务质量、多种新的网络应用需求以及引发的商业、文化和社会问题。美国为此启动了两个项目，一个是下一代Internet，即NGI，另一个是Internet2，以迎接网络时代所面临的挑战。1.1.3 计算机网络的组成及主要功能1计算机网络的组成客户机。客户机是网络中请求其他计算机上的资源或服务的计算机 。在有些情况下，它也可以充当服务器。术语“客户机”也可以指客户机工作站的使用者。服务器。网络上管理共享资源的计算机。通常，服务器比客户机拥有更强的处理能力、更多内存和硬盘空间。服务器上运行的网络操作系统不仅可以管理网络上的数据，而且可以
5、管理用户、用户组、安全和应用程序。工作站。工作站是桌面计算机，它也许会连接到某网络上，也许没有。大多数客户机是工作站计算机。网络接口卡（NIC）。网络接口卡（简称网卡）是使工作站连接到网络，并与网络中其他计算机相互通信的设备。各家生产的网络接口卡规格 不一样，但都满足网络和工作站的需求。由于不同的PC和网络需要不同类型的网络接口卡，所以不能想当然地认为在某工作站上运行正常的网络接口卡在别的工作站上也能照样运行。网络操作系统（NOS）。网络操作系统运行在服务器上，使服务器具有管理数据、用户、用户组、安全、应用程序以及其他网络的功能。现在最流 行的网络操作系统是Windows Server 200
6、3、Linux以及UNIX。主机。主机是管理共享资源的服务器。节点。节点是网络中由常称作网络地址的惟一数字标识的客户机、服务器或其他设备。拓扑结构。拓扑结构指的是计算机网络的物理布局。网络拓扑应根据组织的需求、所拥有的硬件和技术人员的不同而变化。通常，网络拓扑结构有环型、总线型或星型，或以上三种的混合模型。网络拓扑结 构会在1.2节中详细介绍。协议。协议是网络传输数据的规则。协议保证数据正确地依次从网络中一个节点传送到其他节点。为有效地维护和管理网络，必须对网络协议有深刻的理解。数据包。数据包是从网络上某台计算机传送到其他计算机的分散的数据 单元。数据包也被称作数据报、协议数据单元（PDU）、
7、帧或信元。编址。编址是给网络中每台工作站和设备分配惟一标识数字的方案。具体使用何种编址方案依赖于网络协议和网络操作系统。网络中每台计算机都应该有一个惟一的地址，这样才可能保证数据在计算机间可靠地传送。传输介质。传输介质是真正承载数据流动的介质。传输介质可以是物理上可以看得到的介质，比如电缆或电话线，也可以是物理上看不见 的介质（无线介质），比如无线电波。图1-2是几种介质的示例图。2计算机网络的主要功能（1）共享资源。建立计算机网络的主要目的在于实现“资源共享”，共享资源除了共享数据信息资源，还可利用计算机网络共享主机设备。（2）数据通信。利用计算机网络可以实现计算机用户相互间的通信，如通过网
8、络上的文件服务器交换信息和报文、收发电子邮件、相互协同工作等。 这些对办公室自动化、提高生产率起着十分重要的作用。随着Internet在世界各地的风行，传统的电话、电报、邮递等通信方式受到很大冲击，电子邮 件、BBS已为人们广泛接受，视频会议等各种通信方式正在迅速发展。（3）分布式数据处理。在获得数据和需进行数据处理的地方设置计算机，把数据处理的功能分散到各台计算机上，利用网络环境来实现分布处理，如建立性能优良、可靠性高的分布式数据库系统。1.2 计算机网络拓扑结构组建局域网时应根据网络安装的费用、网络的灵活性和可靠性来选择网络中各节点相互连接的结构类型，即网络的拓扑结构。组建局域网的拓扑结构
9、有很多种，其中最常见的有星型 （Star）网络拓扑结构、总线型（Bus）网络拓扑结构和环型（Ring）网络拓扑结构。 1.2.1 总线型网络拓扑结构总线结构是比较普遍采用的一种方式，它将所有的入网计算机均接入到一条通信线上，为防止信号反射，一般在总线两端连有终 结器匹配线路阻抗。在图l-3所示的总线型网络拓扑结构中，文件服务器和所有工作站都连在一条主干电缆上。这种拓扑类型的典型例子是以太网。总线型网络拓扑结构的特点主要表现在以下几个方面。线路利用率高：由于多个节点共用一条传输线路，因此线路利用率较高。地理覆盖范围小：公用总线的长度受到一定的限制，通常小于几千米，节点至总线的连接线也较短，因此一
10、般局限于某个单位。传输速率高：可利用高速信道来连接多个节点，其传输速率可达到 100Mbps或更高。网络建造容易：由于网络的物理结构简单，将节点连接到总线上也容易，相应的传输控制机构也简单，因此网络建造容易。1.2.2 星型网络拓扑结构星型网络拓扑结构是以一个节点为中心的处理系统，各种类型的入网机器均与该中心节点有物理链路直接相连，节点间不能直接通信，需要通过该中心节点转发，因此中心节点必须有较强的功能和较高的可靠 性。如图1-4所示 星型网络拓扑结构的特点主要表现在以下几个方面。功能高度集中：整个网络的处理和控制功能高度集中在中心节点。单信息流通路径：每个终端通常只有一条信息流通路径到达中心
11、节点，反之亦然，因此不存在路径选择问题。线路利用率低：每条通信线路只连接一个终端，使该线路利用率不高。可扩充性差：星型网络由于受到硬件接口和软件功能的限制，因而可扩充性较差。1.2.3 环型网络拓扑结构在如图1-5所示的环型网络拓扑结构中，信号沿一个方向在闭合环路电缆中传播。网上传输的数据中都赋有一个具体地址，该地址也是网上某站点的地址。环型网络拓扑结构的特点主要表现在以下几个方面。传输时延的确定性：从某源点发出的信息能在确定的时间内到达目标节点。基于这一特点，可构成实时性要求较高的网络。可靠性差：当环路上任何一个转发器或者两个转发器之间的连线发生故障时，将导致整个网络的瘫痪，因此，基本环型网
12、络是不可靠的。灵活性差：无论在增加或是减少网络节点时，都需要断开原有环路，并 对介质访问控制进行调整。网络建造容易：由于网络中的每个转发器都只与相邻的两个转发器相连接，这使网络结构简单，且介质访问控制也不复杂，所以网络建造比较容易。1.2.4 网络型网络拓扑结构网络拓扑结构分为全连接网状型和不完全连接网状型两种形式。在全连接网状型中，每一个节点和网中其他节点均有链路连接。在不完全连接网型中，两节点之间不一定有直接链路连接，它们之间的通信，可以依靠其他节点转接。最能容错的网络拓扑结构是网络型拓扑结构，在这种 拓扑结构中，网络中的每个节点都能连接到其他节点上，如图1-6所示。网络型拓朴结构的最大优
13、点是单一节点或者电缆区段的故障不会引起网络崩溃。当某个电缆区段出现故障时，数据能够通过其他节点重新确定线路，并到达最终的目的地。因而，这种拓扑结构具有较 强的容错（Fault Tolerant）能力。但是，网络型拓扑实现起来成本非常高，布线也很麻烦。一 般地，网络型拓扑仅用于大型系统，例如帧中继、ATM或者其他分组交换网络。在这些网络中，成本相对性能和容错退居到次要位置。1.2.5 混合型网络拓扑结构以上介绍的是最基本的网络拓扑结构，在组建局域网时常采用星型、环型、总线型和树型结构。树型和网络型结构在广域网中比较常见。但是在一个实际的网络中，可能是上述几种网络构型的混合。在选择拓扑结构时，主要
14、考虑的因素有：安装的相对难易程度、重新配置的难易程度、维护的相对难易程度、通信介质发生故障时受到影响的设备的情况等。1.3 计算机网络的分类网络分类方式繁多，一般有以下几种分类方式： （1）按地域范围可分为局域网、城域网和广域网3类。（2）按拓扑结构可分为总线、星型、环型、网络型等。（3）按交换方式可分为电路交换网、分组交换网、帧中继交换网、信 元交换网等。 （4）按网络协议可分为采用TCP/IP、SNA、SPX/IPX、Apple Talk等协议的网络。 （5）按应用规模可分为Intranet、Extranet等。下面详细介绍从网络的作用范围进行分类所涉及到的 几种网络类型（见表1-1）。分
15、类缩写分布距离(近 似)所处的范 围 局域网LAN10米房间100米楼宇10千米校园城域网MAN数千米城市广域网WAN几十到几千 千米城市、国 家、洲或 全球 因特网Internet1.3.1 局域网局域网LAN（Local Area Network）一般用微型计算机通过高速通信线路相连（速率通常在10Mbps以上），但在地理上则局限在较小的范围（如1km左右）内。它是由一个部门或单位组建的网络。局域网是在微型计算机大量应用后才逐渐发展起来的计算机网络。一方面，局域网容易管理与配置；另一方面，局域网容易构成简洁整齐的拓扑结构。局域网速率高，延迟时间短，因此，网络站点往往可以对等地参与对整个网络
16、的使用与监控。再加上局域网具有成本低廉、应用广泛、组网方便和使用灵活等特点，因此深受广大用户的欢迎。1局域网的典型应用场合同一房间内的所有计算机，覆盖范围一般不超过10m。同一楼宇内的所有计算机，覆盖范围一般不超过100m。同一校园、厂区、院落内的所有计算机，覆盖范围一般不超过10km。2局域网的基本特征（1）局域网是限定区域的网络。“限定区域”指Local Area，但其具体大小并无太大的意义，比较恰当的是将“限定区域”理解为一个在功能上相对独立、组织上相对封闭的空间，例如公司的大楼、学校园区等。（2）局域网的线路是专用的。“线路专用”是局域网的显著特点之一。局域网一般不使用公用通信线路，是用传输介质自行连接而成的网络。（3）局域网具有较高的数据通信速率。由于覆盖范围有限，线路较短，所以构建局域网时可选用高性能的传输介质以获取 较高的数据通信速率。如以太网的数据传输速率可达10M、100M甚至1000M。（4）局域网具有开放性。局域网的体系结构符合ISO的OSI标准，能与任何符合OSI标准的系统进行通信。1.3.
