計算機網絡基礎知識

第一章計算機網絡根底知識★本章主要內容： ●計算機網絡根本知識 ●數(shù)據通信根本知識*●計算機網絡傳輸協(xié)議1.1計算機網絡在信息時代的作用21世紀的一些重要特征就是數(shù)字化、網絡化和信息化，它是一個以網絡為核心的信息時代。網絡現(xiàn)已成為信息社會的命脈和開展知識經濟的重要根底。網絡是指“三網〞，即電信網絡、有線電視網絡和計算機網絡。開展最快的并起到核心作用的是計算機網絡。因特網(Internet)的開展進入20世紀90年代以后，以因特網為代表的計算機網絡得到了飛速的開展。已從最初的教育科研網絡逐步開展成為商業(yè)網絡。已成為僅次于全球網的世界第二大網絡。因特網的意義因特網是自印刷術以來人類通信方面最大的變革?，F(xiàn)在人們的生活、工作、學習和交往都已離不開因特網。計算機網絡向用戶提供的

最重要的功能

連通性——計算機網絡使上網用戶之間都可以交換信息，好似這些用戶的計算機都可以彼此直接連通一樣。共享——即資源共享?？梢允切畔⒐蚕?、軟件共享，也可以是硬件共享。計算機網絡的功能數(shù)據傳送資源共享負載協(xié)調提高可靠性提供網絡效勞1.2計算機網絡的定義與分類點對點連接〔這是最簡單的網絡〕總線網星形網集線器環(huán)形網使用路由器可以把不同的

計算機網絡互連起來網絡網絡網絡網絡網絡網絡網絡路由器路由器路由器路由器路由器路由器互連網(互聯(lián)網)由許多網絡通過路由器互連而成互連網(互聯(lián)網)是：“網絡的網絡〞計算機網絡是利用通信線路連接起來的相互獨立的計算機的集合。通信線路——通信傳輸介質相互獨立——各計算機地位平等、互不依賴計算機的集合——具有數(shù)據處理和運算能力計算機網絡的定義計算機網絡的分類1、按網絡的拓撲結構分類：總線型環(huán)型星型樹狀網狀混合型拓撲結構是借用數(shù)學上的一個詞匯,從英文Topology音譯而來，表示網絡傳輸介質的連接形式，即線路構成的幾何形狀?？偩€結構所有的節(jié)點都連接在一條作為公共傳輸介質的總線上。環(huán)型結構各個網絡節(jié)點通過環(huán)節(jié)點連在一條首尾相接的閉合環(huán)狀通信線路中。星型結構節(jié)點通過點對點通信線路與中心節(jié)點連接。樹型結構節(jié)點按層次進行連接，信息交換主要在上、下節(jié)點之間進行。網狀結構網狀型拓撲結構又稱完整結構。在網狀型拓撲結中,網絡節(jié)點與通信線路互連成不規(guī)那么的形狀，節(jié)點之間的連接是任意的，沒有規(guī)律。一般每個節(jié)點至少與其他兩個節(jié)點相連。網狀拓撲結構

CERNET主干網拓撲結構

計算機網絡的分類2、按照聯(lián)網的計算機之間的距離和網絡覆蓋面的不同，計算機網絡可分為三類:局域網LAN(LocalAreaNetwork)地理范圍：小，＜20KM傳輸速度：10-1000Mbps，延遲低，出錯率低連接介質：電纜〔同軸電纜—500米,雙絞線—100米,或光纖-2~10公里〕誠域網MAN(MetropolitanAreaNetwork)

地理范圍：中等，＜100KM傳輸速度：幾Kbps~Mbps連接介質：光纖,微波，公共通信網廣域網WAN(WideAreaNetwork)地理范圍：大，＞100KM傳輸速度：

>Kbps連接介質：光纖,衛(wèi)星，公共通信網局域網的工作模式

對等型局域網：網內所有節(jié)點一律平等。效勞器型局域網：突出效勞器的中心地位，是局域網的主流工作模式。工作模式說明了網絡內部各個節(jié)點的相互關系一臺主機就是網絡上的一個節(jié)點〔Node〕1.對等型局域網〔peertopeerLAN〕網內每臺計算機既可用作工作站，也可用作效勞器，資源分布更加靈活。不需要專用效勞器，本錢較低，網內同一組中的計算機可以共享相互的資源。平安性較低，適用于小規(guī)模的辦公室或家庭局域網。2.效勞器型局域網(server-centricLAN)因特網的興起帶來了C/S工作模式的廣泛應用，由于其資源利用更加合理，也在局域網中得到了推廣，現(xiàn)在流行的局域網操作系統(tǒng)都支持C/S工作模式。80年代用一臺效勞器管理著幾十臺微機，在效勞器上建立共享數(shù)據庫，存儲著大量系統(tǒng)軟件和應用軟件，提供網絡上的用戶共享，形成了文件共享方式。硬盤Server打印機PCPCPCPC文件共享方式2.效勞器型局域網(server-centricLAN)九十年代又開展了新的網絡結構一客戶機〔Client〕/效勞器〔Server〕，簡稱C/S方式，表達了請求與效勞之間的合作關系。計算機網絡中有多個效勞器，每個效勞器提供一種專項效勞。文件服務器Email服務器WWW服務器打印機pcpcpcpcpcC/S結構局域網操作系統(tǒng)(NOS)NOS的根本功能：⑴支持網絡通信⑵支持多用戶使用⑶提供統(tǒng)一、友好的網絡操作環(huán)境NovellNetwareWindowsNT/2000ServerUNIX與Linux要求較高的局域網可配置數(shù)臺效勞器，使用不同的NOS校園網校園網是為學校師生提供教學、科研和綜合信息效勞的寬帶多媒體網絡。為學校教學、科研提供先進的信息化教學環(huán)境。應具有教務、行政和總務管理功能。應滿足校內外的通信要求。校園網特點實用性技術性平安性可用性經濟性校園網結構圖計算機網絡的分類3.不同使用者的網絡公用網(publicnetwork)由電信公司出資建造的大型網絡。專用網(privatenetwork)

某個部門為本單位的特殊業(yè)務工作的需要而建造的網絡。1.3計算機網絡的組成資源子網：由計算機系統(tǒng)、終端控制器和終端設備、軟件和可供共享的數(shù)據庫等組成，負責全網面向應用的數(shù)據處理工作，向用戶提供各種可共享的數(shù)據資源。通信子網：由通信硬件〔通信設備、通信線路〕及通信軟件組成，為網中用戶共享各種網絡資源提供必要的通信手段和通信效勞。任何一個根本的計算機網絡均可以看成由資源子網和通信子網兩種功能子網組成。通信子網資源子網1.3計算機網絡的組成計算機網絡網絡設備通信線路(傳輸介質)網絡軟件客戶機服務器網卡網絡互連設備雙絞線同軸電纜光纜微波衛(wèi)星網絡傳輸協(xié)議網絡操作系統(tǒng)網絡管理軟件網絡應用軟件1.3計算機網絡的組成1、效勞器安裝了網絡操作系統(tǒng)并提供共享資源的計算機稱為效勞器〔Server〕，效勞器又指對網絡中某種效勞進行集中管理和控制的網絡主機。效勞器在客戶機/效勞器〔Client/Server〕網絡中扮演支配的角色。網絡效勞器比普通PC機擁有更強的處理能力、更多的內存和硬盤空間，它可以是微機、小型機、大中型計算機。網絡效勞器的運行效率和穩(wěn)定性直接影響著整個網絡的工作。根據效勞分工的需要，網上可以配置不同數(shù)量的效勞器，有些效勞器提供相同的效勞，有些提供不同的效勞。在小型網絡中，一個效勞器可擔當多種角色，在可能的情況下，最好專機專用。網絡中常見的效勞器〔1〕域控制器在WindowsNT/2000/2003Server的C/S網絡中，處于管理和控制核心地位的效勞器就是域控制器〔DomainController，DC〕〔2〕文件/打印效勞器通常一個網絡至少有一個文件效勞器，網絡操作系統(tǒng)及其實用程序和共享硬件資源都安裝在文件效勞器上?！?〕應用程序效勞器應用程序效勞器是實現(xiàn)c/s網絡中的CPU資源共享，將原來客戶端完成的局部數(shù)據處理任務交由效勞器處理。應用程序效勞器的典型例子就是數(shù)據庫效勞器。網絡中常見的效勞器〔4〕Web效勞器典型的Web效勞器安裝有Web效勞器軟件和各種效勞器組件，效勞器上運行頁面的腳本和代碼。當遠程客戶端的頁面請求通過因特網發(fā)送到企業(yè)局域網后，Web效勞器調出客戶端請求的頁面代碼，并運行效勞器端腳本，調用效勞器端組件，翻開并訪問數(shù)據庫效勞器，形成頁面后通過因特網返回遠程客戶端的瀏覽器。通常Web效勞器由一臺或多臺計算機充當。1.3計算機網絡的組成2、客戶機在網絡中，客戶機一般又稱為工作站，它是網絡中請求其它計算機上的資源或效勞的計算機。通?？蛻魴C的硬件配置低于效勞器的硬件配置。客戶機可以是網絡主機或者終端，也可以是沒有磁盤驅動器的無盤工作站。1.3計算機網絡的組成3、網絡通信系統(tǒng)網絡通信系統(tǒng)通常由網卡、通信線纜、交換機〔或集線器〕、路由器等組成。〔1〕網卡(networkcard)網卡常被稱為網絡適配器，是一種網絡連接設備，使客戶機能連接到網絡，并能與網絡中其它計算機相互通信的設備。所有的網卡都能夠正確地讀出數(shù)據傳送的目標地址，在以太網中還能檢測出沖突。(2)調制解調器(modem)當計算機利用公用線與網絡連接時，最簡便的方法是通過調制解調器將計算機接到線上。由于線使用模擬數(shù)據，計算機使用數(shù)字數(shù)據，所以調制解調器的根本功能應保證數(shù)據在模擬信號和數(shù)字信號之間進行轉換。〔3〕集線器集線器〔Hub〕屬于網內連接設備，主要用于連接星型拓撲網絡。集線器連接的網絡主機的協(xié)議棧完全相同，因此集線器沒有任何進行數(shù)據格式轉換的功能，僅僅是將數(shù)據從一個物理連接端口發(fā)送到另一個物理連接端口?！?〕交換機交換機〔Switch〕也屬于網內連接設備，可以用來連接其它交換機、集線器或者網絡主機。交換機連接的網絡結點上的協(xié)議棧完全相同，因此交換機也沒有任何進行數(shù)據格式轉換的功能，但交換機分割了網絡的沖突域，允許多臺主機同時傳輸數(shù)據〔集線器不行〕，因此，它的數(shù)據傳輸速度快于集線器。交換機主要應用在星型拓撲結構的以太網絡中。3、網絡通信系統(tǒng)3、網絡通信系統(tǒng)〔5〕路由器路由器是一種多端口設備，它可以連接具有不同傳輸速率、不同網段的局域網和廣域網。路由器屬于OSI模型的第3層，因此可以實現(xiàn)從一個網絡〔或子網〕向另一個網絡〔或子網〕的數(shù)據傳輸。由于路由器需要處理第3層協(xié)議或邏輯地址，所以它比交換機的速度慢一些。路由器依賴于協(xié)議，針對不同的應用環(huán)境，需要對路由器進行協(xié)議配置。路由器是大型局域網和廣域網連接的非常重要的設備，例如，因特網就是依靠遍布全世界的幾百萬臺路由器連接起來的。3．網絡通信系統(tǒng) (6)網關(gateway)又稱信關，常用于兩個或多個異種網之間的連接，在局域網——廣域網互聯(lián)、廣域網——廣域網互聯(lián)中均可使用。由于網關允許兩個被連接的網絡具有不同的通信協(xié)議，故有時也稱之為“協(xié)議轉換器〞。從本質上說，它可以看作一個具有復雜功能的“通信效勞器〞。〔7〕通信線纜常用的通信電纜有同軸電纜、雙絞線、光纜及無線傳輸介質。目前網絡環(huán)境中同軸電纜已很少使用，光纜用得越來越普遍。4、網絡操作系統(tǒng)網絡操作系統(tǒng)〔NetworkOperationSystem，NOS〕主要運行在效勞器上，它負責管理數(shù)據、用戶、用戶組、平安、應用程序以及其它網絡功能。當我們準備把多臺計算機連接起來組成網絡，實現(xiàn)多臺電腦資源共享及協(xié)同工作時，就需要使用網絡操作系統(tǒng)了。目前最流行的網絡操作系統(tǒng)是Microsoft的WindowsNT/2000Server、Novell的NetWare，以及UNIX、Linux等。4、網絡操作系統(tǒng)〔1〕WindowsNT/2000/2003ServerWindowsNTServer是一種多用途的網絡操作系統(tǒng)，它提供了可靠的文件和打印效勞，同時也提供了運行強有力的客戶機/效勞器應用程序的結構。WindowsNTServer不僅具有強大的網絡功能和易學易用性，而且還有很好的擴展性和兼容性、高可靠性和平安性、高性能和多種平臺支持以及集成聯(lián)網環(huán)境等。4．網絡操作系統(tǒng)〔2〕NetWareNetWare是一個真正的網絡操作系統(tǒng)，而不是其它操作系統(tǒng)下的應用程序。它直接對微處理器編程，伴隨著最新的微處理器一起開展，充分利用微處理器的高性能，從而到達高效的效勞。在NetWare網絡中，允許存在多個效勞器，一般的個人計算機就可以作為效勞器。NetWare能支持多種拓撲結構，具有較強的容錯能力。NetWare的主要缺點是其操作性和應用軟件的數(shù)量不如WindowsNT/2000/2003。4．網絡操作系統(tǒng)〔3〕UNIXUNIX是AT&T貝爾實驗室的研究人員在1969年開發(fā)出來的，因此比WindowsNT／2000／2003、NetWare的歷史要長得多。它是一個通用的、多用戶、分時網絡操作系統(tǒng)。事實上，UNIX要早于20世紀70年代開發(fā)的TCP／IP協(xié)議，也可以說是UNIX導致了TCP／IP協(xié)議的誕生。目前，在因特網上擔當效勞器角色的計算機有80％以上運行的都是UNIX操作系統(tǒng)。UNIX能提供所有的因特網效勞，其最主要的特點是具有很好的穩(wěn)定性、開放性和可移植性，但其用戶界面較差〔某些版本的UNIX已做了一些改進，如SCOOpenServer〕，對管理人員素質要求較高，且整體集成費用高，比較適合于大中型網絡系統(tǒng)。4．網絡操作系統(tǒng)〔4〕LinuxLinux是一個完全公開的操作系統(tǒng)，任何用戶都可以在其中添加代碼，以滿足自己的需要。Linux可以運行在網絡效勞器上，也可以運行在客戶機上。Linux作為一種類UNIX操作系統(tǒng)，可以在多種硬件平臺上運行，支持對稱多處理器的計算機系統(tǒng)；能仿真多種操作系統(tǒng)的環(huán)境，如DOS、Windows、WindowsNT等。Linux的內核源代碼是完全共享的，通過因特網全世界都可使用Linux作為文件和Web效勞器。由于Linux的內核是基于UNIX的，所以這也給企業(yè)的管理、開發(fā)人員提出了較高的要求。1.4計算機網絡的開展第一階段計算機網絡技術與理論的準備階段20世紀50年代中期至60年代中期，是計算機網絡的萌芽階段。特點與標志性成果主要表現(xiàn)在：1、數(shù)據通信技術研究與技術的日趨成熟，為計算機網絡的形成奠定技術根底；2、分組交換概念的提出為計算機網絡的研究奠定了理論根底，也標志著現(xiàn)代電信時代的到來。1.4計算機網絡的開展第二代計算機通信網絡20世紀60年代后期至70年代后期，計算機網絡的形成時期。特點與標志性成果主要表現(xiàn)在：1、ARPANET的成功運行證明了分組交換理論的正確性2、TCP/IP協(xié)議的成功為更大規(guī)模的網絡互聯(lián)打下；了堅實的根底；3、DNS、E-mail、FTP、TELNET、BBS等應用為網絡開展展現(xiàn)了美好的前景。1.4計算機網絡的開展第三代計算機網絡體系結構20世紀70年代末，計算機網絡的成熟階段。特點與標志性成果主要表現(xiàn)在：1、OSI參考模型的研究對網絡理論體系的形成與網絡協(xié)議的標準化起到了重要的推動作用；2、TCP/IP協(xié)議完善它的體系結構研究，，經受市場和用戶的檢驗，吸引大量投資，推動Internet產業(yè)的開展，成為業(yè)界事實上的標準。1.4計算機網絡的開展第四代網絡互連與高速網絡20世紀80年代末，計算機網絡的繼續(xù)開展階段光纖、信息根底設施、多媒體網絡、智能網、無線網絡技術、寬帶網絡技術、快速分組交換技術特點與標志性成果主要表現(xiàn)在：1、Internet作為國際網在各方面發(fā)揮越來越重要的作用；2、寬帶城域網已成為一個現(xiàn)代化城市重要的根底設施之一；3、無線局域網與無線城域網技術日益成熟；4、P2P網絡的研究使得新的網絡應用不斷涌現(xiàn)；5、網絡平安技術的研究與應用計入高速開展階段。1.4計算機網絡在我國的開展(1)中國公用計算機互聯(lián)網CHINANET(2)中國教育和科研計算機網CERNET(3)中國科學技術網CSTNET(4)中國聯(lián)通互聯(lián)網UNINET(5)中國網通公用互聯(lián)網CNCNET(6)中國國際經濟貿易互聯(lián)網CIETNET(7)中國移動互聯(lián)網CMNET(8)中國長城互聯(lián)網CGWNET(9)中國衛(wèi)星集團互聯(lián)網CSNET1.5計算機網絡的性能指標1.速率比特〔Bit〕是計算機中數(shù)據量的單位，也是信息論中使用的信息量的單位。Bit來源于binarydigit，意思是一個“二進制數(shù)字〞，因此一個比特就是二進制數(shù)字中的一個1或0。網絡技術中的速率指的是連接在網絡上的主機在數(shù)字信道上傳送數(shù)據的速率，也稱數(shù)據率(datarate)或比特率(bitrate)。速率的單位是b/s(比特每秒)，也可寫成bps。當數(shù)據率較高時，也可以用kb/s(k=103=千)、Mb/s(m=106=兆)、Gb/s(G=109=吉)、Tb/s(T=1012=太)。1.5計算機網絡的性能指標2.帶寬“帶寬〞(bandwidth)本來是指信號具有的頻帶寬度，單位是赫〔或千赫、兆赫、吉赫等〕?，F(xiàn)在“帶寬〞是數(shù)字信道所能傳送的“最高數(shù)據率〞的同義語，單位是“比特每秒〞，或b/s(bit/s)。1.5計算機網絡的性能指標常用的帶寬單位是千比每秒，即kb/s〔103b/s〕兆比每秒，即Mb/s〔106b/s〕吉比每秒，即Gb/s〔109b/s〕太比每秒，即Tb/s〔1012b/s〕請注意：在計算機界，K=210=1024M=220,G=230,T=240。什么是寬帶？寬帶線路：可通過較高數(shù)據率的線路。寬帶是相對的概念，并沒有絕對的標準。在目前，對于用戶接入到因特網的用戶線來說，每秒傳送幾個兆比特就可以算是寬帶速率。對寬帶傳輸?shù)腻e誤概念有些人愿意用“汽車在公路上跑〞來比喻“比特在網絡上傳輸〞，認為寬帶傳輸?shù)暮锰幘褪莻鬏敻?，好比汽車在高速公路上可以跑得更快一樣?1.5計算機網絡的性能指標3.吞吐量吞吐量(throughput)表示在單位時間內通過某個網絡〔或信道、接口〕的數(shù)據量。吞吐量更經常地用于對現(xiàn)實世界中的網絡的一種測量，以便知道實際上到底有多少數(shù)據量能夠通過網絡。吞吐量受網絡的帶寬或網絡的額定速率的限制。1.5計算機網絡的性能指標4.時延(delay或latency)時延是指數(shù)據從網絡的一端傳送到另一端所需的時間。由幾局部組成：傳輸時延(發(fā)送時延)——發(fā)送數(shù)據時，數(shù)據塊從結點進入到傳輸媒體所需要的時間。傳播時延——電磁波在信道中需要傳播一定的距離而花費的時間。處理時延——交換結點為存儲轉發(fā)而進行一些必要的處理所花費的時間。排隊時延——結點緩存隊列中分組排隊所經歷的時延。1.5計算機網絡的性能指標5.利用率信道利用率指出某信道有百分之幾的時間是被利用的〔有數(shù)據通過〕。完全空閑的信道的利用率是零。網絡利用率那么是全網絡的信道利用率的加權平均值。信道利用率并非越高越好。計算機網絡的非性能特征費用質量標準化可靠性可擴展性和可升級性易于管理和維護1.6數(shù)據通信根底數(shù)據通信是指在兩點或多點之間以二進制形式進行的信息交換。數(shù)據通信的過程是把字符或符號轉換成編碼，產生與編碼相對應的信號，信號傳送到目的地后被接收設備接收，按編碼的規(guī)那么將信號解碼，再復原成相應的字符或符號。數(shù)據(Data)——具有一定編碼、格式和位長要求的數(shù)字信息，它是傳遞〔攜帶〕信息的實體。目前，美國信息交換標準編碼ASCII碼被用于計算機內碼，也是數(shù)據通信中的編碼標準。一、根本概念字符二進制碼字符二進制碼字符二進制碼0123456701100000110001011001001100110110100011010101101100110111ABCDEFGH10000011000010100001110001001000101100011010001111001000SOHSTXETXEOTENQACKNAKETB00000010000010000001100001000000101000011000101010010111一、根本概念信號(Signal)——數(shù)據在傳輸過程中的電信號的表示形式。線上傳送的按照聲音的強弱幅度連續(xù)變化的電信號稱為模擬信號(analogsignal)。計算機所產生的電信號是用兩種不同的電平去表示0、1比特序列的電壓脈沖信號，稱為數(shù)字信號(digitalsignal)模擬信號與數(shù)字信號

模擬信號：時間上連續(xù)，包含無窮多個值

數(shù)字信號：時間上離散，僅包含有限數(shù)目的預定值tta)模擬信號b)數(shù)字信號模擬信號與數(shù)字信號數(shù)字信號狀態(tài)簡單，容易識別，但不適合長距離傳輸；模擬信號狀態(tài)復雜，不容易識別，但能夠長距離傳輸。計算機世界--數(shù)字信號顯示世界--模擬信號實際應用中模擬信號和數(shù)字信號經常混合在一起，調制解調器就是一種能進行信號轉換的設備。數(shù)字通信的優(yōu)點 ?抗噪聲〔干擾〕能力強 ?可以控制過失，提高了傳輸質量 ?便于用計算機進行處理 ?易于加密、保密性強 ?可以傳輸語音、數(shù)據、影像，通用、靈活

僅在不得已的情況下，才會采用模擬通信。如用modem通過撥號線路傳輸數(shù)字信號。調制和解調調制解調器〔Modem〕：即調制器〔Modulator〕與解調器〔Demodulator〕的組合縮寫。 將計算機輸出的數(shù)字信號變換成適應模擬信道傳輸?shù)男盘柕倪^程稱為調制，相應的設備稱為調制器。 從已調制信號恢復為數(shù)字信號的過程稱為解調，相應的設備稱為解調器。二、數(shù)據通信1、數(shù)據通信分類按照通信方式，數(shù)據通信分為并行通信和串行通信，其中串行通信分為同步通信和異步通信；按照通信的方向，數(shù)據通信分為單工、半雙工和全雙工；按照通信時對信道的使用方式，數(shù)據通信分為共享通信和點對點通信。

二、數(shù)據通信并行通信和串行通信并行通信是指使用獨立的通信線路同時傳輸多組據。并行通信普遍應用于兩個短距離設備之間的通信。串行通信是指使用一條通信線路，依次傳送多組數(shù)據。它具有本錢低、適合長距離傳輸?shù)葍?yōu)點