第1章计算机网络基本理论.docx
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第1章计算机网络基本理论
第1章计算机网络基本理论
教学提示
本章内容为计算机网络的基本理论，重点是掌握与网络技术有关的基本概念，对网络技术有个初步的认识，为后续各章的学习打下良好的基础，并通过两个实训项目掌握网络的基本构成和双绞线的使用方法。
教学目标
通过对本章内容的学习，要求掌握最基本的一些计算机网络概念，为后续的学习打下良好的基础。
要求了解计算机网络的发展过程，掌握计算机网络的组成和分类、计算机网络拓扑结构及其特点以及网络传输介质的应用，特别是掌握双绞线的应用，了解通信协议的概念和标准化组织，掌握网络通信的基本概念和主要参数、以太网的基本内容以及网络操作系统的概念，了解常用的网络操作系统。
1.1计算机网络概述
本节从计算机网络技术的发展过程开始，介绍计算机网络技术的形成和发展，重点讲述计算机网络的定义、功能、组成和分类。
1.1.1认识计算机网络
1.计算机网络的发展
计算机网络从形成、发展到广泛应用已经历了60余年，大体可以分为下述四代。
1）第一代计算机网络
20世纪50年代中后期，许多系统都将地理上分散的多个终端通过通信线路连接到一台中心计算机上，从而出现了第一代计算机网络。
它是以单个计算机为中心的远程联机系统。
第一代网络的典型应用是美国航空公司与IBM在20世纪50年代初开始联合研究，20世纪60年代投入使用的飞机订票系统SABRE-I，它由一台计算机和全美范围内2000个终端组成（这里的终端是指由一台计算机外部设备组成的简单计算机，有点类似现在所提的“瘦客户机”，仅包括CRT控制器、键盘，没有CPU、内存和硬盘）。
随着远程终端的增多，为了提高通信线路的利用率并减轻主机负担，已经使用了多点通信线路、终端集中器、前端处理机（Front-EndProcessor，FEP），这些技术对以后计算机网络发展有着深刻影响，以多点线路连接的终端和主机间的通信建立过程，可以用主机对各终端轮询或者由各终端连接成雏菊链的形式实现。
考虑到远程通信的特殊情况，对传输的信息还要按照一定的通信规程进行特别的处理。
图1.1所示为单计算机为中心的联机终端系统。
图1.1单计算机为中心的联机终端系统
当时的计算机网络定义为“以传输信息为目的而连接起来，以实现远程信息处理或进一步达到资源共享的计算机系统”，这样的计算机系统具备了通信的雏形。
2）第二代计算机网络
20世纪60年代后期，出现了大型主机，因而也提出了对大型主机资源远程共享的要求，以程控交换为特征的电信技术的发展为这种远程通信需求提供了实现手段。
第二代网络以多个主机通过通信线路互联，为用户提供服务。
但这种网络中主机之间不是直接用线路相连，而是由接口报文处理机（IMP）或通信控制处理机（CCP）转接后互联。
IMP或CCP和它们之间互联的通信线路一起负责主机间的通信任务，构成通信子网。
通信子网互联的主机负责运行程序，提供资源共享，组成了资源子网。
图1.2所示为多处理机网络。
图1.2多处理机网络
现代意义上的第二代计算机网络是从1969年美国国防部高级研究计划署（DefenseAdvancedResearchProjectAgency，DARPA）建成的ARPANet实验网开始的，该网络当时只有4个节点，以电话成路为主干网络，两年后建成15个节点，进入工作阶段，此后规模不断扩大，20世纪70年代后期，网络节点超过60个，主机100多台，地理范围跨越美洲大陆，连通了美国东部和西部的许多大学和研究机构，而且通过通信卫星与夏威夷和欧洲地区的计算机网络相互连通。
其特点主要是资源共享、分散控制、分组交换、采用专门的通信控制处理机、分层的网络协议，这些特点被认为是现代计算机网络的一般特征。
第二代计算机网络以通信子网为中心，这时的网络定义为“以能够相互共享资源为目的，互联起来的具有独立功能的计算机的集合体”。
3）第三代计算机网络
随着计算机网络技术的成熟，网络应用越来越广泛，网络规模也不断扩大，通信变得越来越复杂。
于是，各大计算机公司纷纷制定了自己的网络技术标准。
IBM公司于1974年推出了系统网络体系结构（SystemNetworkArchitecture，SNA），为用户提供了能够互联的成套通信产品。
1975年DEC公司发布了自己的数字网络体系结构（DigitalNetworkArchitecture，DNA）。
1976年UNIVAC宣布了该公司的分布式通信体系结构（DistributedCommunicationArchitecture，DCA）。
这些网络技术标准只是在一个公司范围内有效，遵从某种标准的、能够互联的网络通信产品，只是同一公司生产的同构型设备。
网络通信市场这种各自为政的状况使得用户在投资方向上无所适从，也不利于各厂商之间的公平竞争。
1977年，国际标准化组织（InternationalOrganizationforStandardization，ISO）的TC97（计算机与信息处理标准化技术委员会）下属的SC16分技术委员会开始着手制定开放系统互联参考模型（OpenSystemInterconnection/ReferenceModel，OSI/RM，也称开放系统互联参考模型）。
OSI参考模型的建立标志着第三代计算机网络的诞生。
此时的计算机网络在共同遵循OSI标准的基础上，形成了一个具有统一网络体系结构，并遵循国际标准的开放式和标准化的网络。
OSI/RM参考模型把网络划分为7个层次，并规定计算机之间只能在对应层进行通信，大大简化了网络通信原理，是公认的新一代计算机网络体系结构的基础，为普及局域网奠定了基础。
4）第四代计算机网络
20世纪80年代末，局域网技术发展成熟，出现了光纤及高速网络技术，整个网络就像一个对用户透明的、庞大的计算机系统，发展以Internet为代表的全球互联网，这就是直到现在的第四代计算机网络时期。
此时计算机网络定义为“将多个具有独立工作能力的计算机系统通过通信设备和线路由功能完善的网络软件实现资源共享和数据通信的系统”。
事实上，对于计算机网络从未有过一个标准的定义。
计算机网络是互联网、移动通信网络、固定电话通信网络的融合，是IP网络和光网络的融合，是可以提供包括语音、数据和多媒体等各种业务的综合开放的网络构架，是业务驱动、业务与呼叫控制分离、呼叫与承载分离的网络，是基于统一协议的、基于分组的网络。
2.计算机网络体系标准的形成
经过20世纪60年代和70年代前期的发展，人们对网络技术、方法和理论的研究日趋成熟。
为了促进网络产品的开发，各大计算机公司纷纷制定自己的网络技术标准，最终促成国际标准的制定，遵循网络体系结构标准建成的网络称为第三代网络。
标准化建设经历了以下两个阶段。
1）各计算机制造厂商网络结构标准化
例如，IBM公司的SNA，DEC公司的DNA，UNIVAC公司的DCA，Burroughs公司的BNA。
这类标准只在一个公司范围内有效，也就是说，遵从某种标准的、能够互联的网络通信产品，也只限于同一公司生产的同构型设备。
2）国际网络体系结构标准化
国际标准化组织为适应网络向标准化发展的需要，成立了TC97（计算机与信息处理标准化技术委员会）下属的SC16（开放系统互联分技术委员会），在研究、吸收各计算机制造厂家的网络体系结构标准化经验的基础上，开始着手制定开放系统互联的一系列标准，旨在方便异种计算机互联。
该委员会制定了“开放系统互联参考模型（OSI/RM）”，简称OSI模型。
OSI规定了可以互联的计算机系统之间的通信协议，遵从OSI协议的网络通信产品都是开放系统，而符合OSI标准的网络也被称为第三代计算机网络。
目前，几乎所有网络产品厂商都在生产符合国际标准的产品，而这种统一的、标准化的产品互相竞争市场，也给网络技术的发展带来了更大的繁荣。
3.Internet的产生
20世纪60年代开始，美国国防部高级研究计划署建立阿帕网（ARPANet），向美国国内大学和一些公司提供经费，以促进计算机网络和分组交换技术的研究。
1969年12月，ARPANet投入运行，建成了一个实验性的由4个节点连接的网络。
到1983年，ARPANet已连接了300多台计算机，供美国各研究机构和政府部门使用。
1983年，ARPANet分为ARPANet和军用MilNet（MilitaryNetwork），两个网络之间可以进行通信和资源共享。
由于这两个网络都是由许多网络互联而成的，因此它们都被称为Internet，所以ARPANet也就是Internet的前身。
1986年，美国国家科学基金会（NationalScienceFoundation，NSF）建立了自己的计算机通信网络。
NSFNet将美国各地的科研人员连接到分布在美国不同地区的超级计算机中心，并将按地区划分的计算机广域网与超级计算机中心相连（实际上它是一个三级计算机网络，分为主干网、地区网和校园网，覆盖了全美国主要的大学和研究所）。
最初，NSFNet的主干网的速率不高，仅为56kb/s。
在1989－1990年，NSFNet主干网的速率提高到1.544Mb/s，并且成为Internet中的主要部分。
NSFNet逐渐取代了ARPANet在Internet的地位，到了1990年，鉴于ARPANet的实验任务已经完成，ARPANet正式宣布关闭。
随着NSFNet的建设和开放，网络节点数和用户数迅速增长。
以美国为中心的Internet网络互联也迅速向全球发展，世界上的许多国家纷纷接入Internet，使网络上的通信量急剧飙升。
1992年，Internet上的主机超过100万台。
1993年，Internet主干网的速率提高到45Mb/s。
到1996年速率为155Mb/s的主干网建成。
1999年，MCI和WorldCom公司将美国的Internet主干网速率提高到2.5Gb/s。
到1999年年底，Internet上注册的主机已超过1000万台。
Internet的迅猛发展始于20世纪90年代。
由欧洲原子核研究组织CERN开发的万维网WWW被广泛使用在Internet上，大大方便了广大非网络专业人员对网络的使用，成为Internet发展的指数级增长的主要驱动力。
在Internet飞速发展与广泛应用的同时，高速网络的发展也引起了人们越来越多的注意。
高速网络技术发展主要表现在高速局域网、交换局域网与虚拟网络、宽带综合业务数据网（B-ISDN）和异步传输模式（ATM）等。
20世纪90年代，世界经济已经进入了一个全新的发展阶段。
世界经济的发展推动着信息产业的发展，信息技术与网络的应用已成为衡量21世纪综合国力与企业竞争力的重要标准。
人们开始认识到信息技术的应用与信息产业的发展将会对各国经济发展产生重要的作用，很多国家纷纷开始制订各自的信息高速公路建设计划。
建设信息高速公路就是为了满足人们在未来随时随地对信息交换的需要，在此基础上人们相应地提出了个人通信与个人通信网的概念，它将最终实现全球有线网与无线网的互联、邮电通信网与电视通信网的互联、固定通信与移动通信的结合。
在现有电话交换网（PSTN）、公共数据网（PDN）、广播电视网、宽带综合业务数据网（B-ISDN）的基础上，利用无线通信、蜂窝移动电话、卫星移动通信、有线电视网等通信手段，最终实现“任何人在任何地方、在任何时间里使用任一种通信方式，实现任何业务的通信”。
1.1.2计算机网络的定义及组成
1.计算机网络的定义和功能
1）计算机网络的定义
关于计算机网络的确很难有个标准的定义，不同的文献上对计算机网络的定义都不同。
作者通过总结归纳认为，可以从计算机网络所包含的各种技术分支来给计算机网络下一个相对完整的定义：
“计算机网络是一个把分散在不同地方的功能独立的计算机，通过传输介质和网络设备，按照一定的体系结构，遵循一定协议规则连接起来，通过网络操作系统进行管理和控制，以实现相互通信和资源共享目的的系统。
”
计算机网络简单说来就是一个系统，这个系统里包含了计算机、传输介质、网络设备、体系结构、协议规则和操作系统等，这个系统的根本目的是相互通信和资源共享。
2）计算机网络的功能
（1）数据交换和通信。
计算机网络中的计算机之间或计算机与终端之间，可以快速、可靠地相互传递数据、程序或文件。
（2）资源共享。
充分利用计算机网络中提供的资源（包括硬件、软件和数据）是计算机网络组网的主要目标之一。
（3）提高系统的可靠性。
在一些用于计算机实时控制和要求高可靠性的场合，通过计算机网络实现备份技术可以提高计算机系统的可靠性。
（4）分布式网络处理和负载均衡。
对于大型的任务或当网络中某台计算机的任务负荷太重时，可将任务分散到网络中的各台计算机上进行，或由网络中比较空闲的计算机分担负荷。
2.计算机网络的系统组成
计算机网络的基本组成可分为两大子系统，即资源子网、通信子网，如图1.3所示。
1）资源子网
资源子网负责全网的数据处理业务，向网络用户提供各种网络资源与网络服务。
由主机、终端/终端控制器、联网外设、各种软件资源与信息资源组成。
（1）主机。
主机分为大型机、中型机、小型机、工作站或微机。
主机是资源子网的主要组成单元，它通过高速通信线路与通信子网的通信控制处理机相连接。
普通用户终端通过主机连入网内。
主机要为本地用户访问网络其他主机设备与资源提供服务，同时要为网中远程用户共享本地资源提供服务。
（2）终端/终端控制器。
终端控制器连接一组终端，负责这些终端和主计算机的信息通信，或直接作为网络节点。
终端是直接面向用户的交互设备，可以是由键盘和显示器组成的简单终端，也可以是微型计算机系统。
（3）联网外设。
联网外设是网络中的一些共享设备，如大型的硬盘机、高速打印机和大型绘图仪等。
（4）计算机网络的软件。
①网络协议软件：
实现网络协议功能，如TCP/IP、IPX/SPX等。
②网络通信软件：
用于实现网络中各种设备之间进行通信的软件。
③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。
典型的操作系统有Windows、Netware、UNIX等。
④网络管理软件和网络应用软件：
网络管理软件是用来对网络资源进行管理，对网络进行维护的软件。
网络应用软件是为网络用户提供服务的，是网络用户在网络上解决实际问题所用的软件。
2）通信子网
通信子网完成网络数据传输、转发等通信处理任务，由通信控制处理机、通信线路与其他通信设备组成。
（1）通信控制处理机：
又被称为网络节点。
一方面作为与资源子网的主机、终端连接的接口，将主机和终端联入网内；另一方面它又作为通信子网中的分组存储转发节点，完成分组的接收、校验、存储、转发等功能，实现将源主机报文准确发送到目的主机的作用。
（2）通信线路：
计算机网络采用了多种通信线路，如电话线、双绞线、同轴电缆、光纤、无线通信信道、微波与卫星通信信道等。
一般在大型网络中和相距较远的两节点之间的通信链路，都利用现有的公共数据通信线路。
（3）信号变换设备：
对信号进行变换以适应不同传输媒体的要求。
比如，将计算机输出的数字信号变换为电话线上传送的模拟信号的调制解调器、无线通信接收和发送器、用于光纤通信的编码解码器等。
图1.3资源子网和通信子网
1.1.3计算机网络的分类
计算机网络按不同分类方式可以有不同的类型。
常用的计算机网络分类方式如下。
（1）按网络的作用范围的不同，可分为局域网、城域网和广域网。
（2）按网络的传输技术的不同，可分为广播式网络和点到点网络。
（3）按网络的使用范围的不同，可分为公用网和专用网。
（4）按通信介质的不同，可分为有线网和无线网。
（5）按企业管理分类的不同，可分为内联网、外联网和因特网。
下面简单介绍常见网络类型的特点和应用。
1.局域网
局域网（LocalAreaNetwork，LAN）通常安装在一个建筑物或校园（园区）中，如一个实验室、一栋大楼、一个校园或一个单位，覆盖范围一般为10km以内，如图1.4所示。
图1.4使用路由器连接的局域网
LAN是计算机通过高速线路相连组成的网络，网络传输速率较高，范围为10Mb/s～10Gb/s。
通过LAN，各种计算机可以共享资源，如共享打印机和数据库。
2.城域网
城域网（MetropolitanAreaNetwork，MAN）规模局限在一座城市的范围内，覆盖范围为几十公里至数百公里，如图1.5所示。
MAN是对局域网的延伸，用来连接局域网，在传输介质和布线结构方面牵涉范围较广。
3.广域网
广域网（WideAreaNetwork，WAN）覆盖范围为数百公里至数千公里，甚至上万公里。
WAN的覆盖范围可以是一个地区或一个国家，甚至世界几大洲，故广域网也称为远程网，如图1.6所示。
WAN在采用的技术、应用范围和协议标准方面有所不同。
在WAN中，通常是利用邮电部门提供的各种公用交换网，将分布在不同地区的计算机系统互联起来，达到资源共享的目的。
广域网使用的主要技术为存储转发技术。
图1.5城域网
图1.6广域网
4.广播式网络
广播式网络（BroadcastNetwork，BN）仅有一条通信信道，网络上的所有计算机都共享这个通信信道，如图1.7所示。
当一台计算机在信道上发送分组或数据包时，网络中的每台计算机都会接收到这个分组，并且将自己的地址与分组中的目的地址进行比较，如果相同，则处理该分组；否则将它丢弃。
在广播式网络中，若某个分组（Packet，包）发出以后，网络上的每一台机器都接收并处理它，则称这种方式为广播（Broadcasting），若分组是发送给网络中的某些计算机，则被称为多点播送或组播（Multicasting），若分组只发送给网络中的某一台计算机，则称为单播（Unicasting）。
图1.7广播式网络
5.点到点网络
在点到点网络（PointtoPointNetwork）中，两台计算机之间通过一条物理线路连接。
若两台计算机之间没有直接连接的线路，分组可能要通过一个或多个中间节点的接收、存储、转发，才能将分组从信源发送到目的地，如图1.8所示。
由于连接多台计算机之间的线路结构可能非常复杂，存在着多条路由，因此在点到点的网络中如何选择最佳路径显得特别重要。
图1.8点到点网络
6.公用网和专用网
公用网是指由电信部门组建，一般由政府电信部门管理和控制的网络，网络内的传输和交换装置可提供（如租用）给任何部门和单位使用，如公共电话交换网（PSTN）、数字数据网（DDN）、综合业务数字网（ISDN）等。
专用网是指由某个单位或部门组建，不允许其他部门或单位使用的网络，如金融、石油、铁路等行业都有自己的专用网。
专用网可以租用电信部门的传输线路，也可以自己铺设线路，但后者的成本非常高。
7.有线网
有线网是指采用双绞线、同轴电缆、光纤等有形介质连接的计算机网络。
（1）双绞线。
它是目前最常见的联网方式，它比较经济，安装方便，传输率和抗干扰能力一般，广泛应用于局域网中。
还可以通过电话线上网，通过现有电力网导线建网。
（2）同轴电缆。
可以通过专用的粗电缆或细电缆组网。
此外，还可通过有线电视电缆，使用电缆调制解调器（CableModem）上网。
（3）光纤。
光纤网采用光导纤维作传输介质。
光纤传输距离长，传输率高，可达每秒数千兆比特，抗干扰性强，不会受到电子监听设备的监听，是高安全性网络的理想选择。
8.无线网
无线网使用电磁波传播数据，它可以传送无线电波和卫星信号。
无线网的联网方式有以下4种。
（1）无线电话：
通过手机上网已成为热点。
目前已成为最常用的联网方式。
（2）无线电视网：
普及率高，但无法在一个频道上与用户进行实时交互。
（3）微波通信网：
通信保密性和安全性较好。
（4）卫星通信网：
能进行远距离通信，但价格昂贵。
9.内联网
内联网也叫Intranet，是指企业的内部网。
它是由企业内部原有的各种网络环境和软件平台组成的。
例如，传统的客户机/服务器模式，逐步改造、过渡、统一到Internet上的浏览器/服务器模式。
在内部网络上采用通用的TCP/IP作为通信协议，利用Internet的WWW技术，以Web模型作为标准平台。
一般具备自己的IntranetWeb服务器和安全防护系统，为企业内部服务。
10.外联网
外联网（Extranet）是相对企业内部网而言的，Extranet是不同单位间为了频繁交换业务信息而基于互联网或其他公共设施构建的单位间专用网络通道。
它是采用Internet技术，又有自己的WWW服务器，但不一定与Internet直接进行连接的网络。
同时必须建立防火墙把内联网与Internet隔离开，以确保企业内部信息的安全。
11.互联网
互联网（Internet）是目前最流行的一种国际互联网。
Internet起源于美国，自1995年开始启用，发展非常迅速，特别是随着Web浏览器的普遍应用，Internet已在全世界范围得到应用。
利用在全球性的各种通信系统基础上，像一个无法比拟的巨大数据库，并结合多媒体的“声、图、文”表现能力，不仅能处理一般数据和文本，而且也能处理语音、静止图像、电视图像、动画和三维图形等。
1.2计算机网络的拓扑结构
拓扑学把实体抽象成与其大小、形状无关的点，将连接实体的线路抽象成线，进而研究点、线、面之间关系；在计算机网络中，将主机和终端抽象为点，将通信介质抽象为线，形成点和线组成的图形叫作网络拓扑。
常见的计算机网络的拓扑结构如图1.9所示。
图1.9网络的拓扑结构
1.2.1星型拓扑网络
星型拓扑网络各节点通过点到点的链路与中心节点相连，如图1.10所示。
中心节点可以是转接中心，起到连通的作用，也可以是一台主机，此时就具有数据处理和转接的功能。
图1.10星型拓扑结构
星型拓扑网络的优点是很容易在网络中增加新的站点，数据的安全性和优先级容易控制，易实现网络监控。
但是它也存在缺点，即对中心节点的依赖性强，一旦中心节点出现故障，则会导致整个网络瘫痪。
1.2.2树型拓扑网络
树型拓扑网络中的各节点形成了一个层次化的结构，树中的各个节点都为计算机，如图1.11所示。
图1.11树型拓扑结构
树中低层计算机的功能和应用有关，一般都具有明确定义的和专业性很强的任务，如数据的采集和变换等，而高层的计算机具备通用的功能，以便协调系统的工作，如数据处理、命令执行和综合处理等。
一般来说，层次结构的层不宜过多，以免转接开销过大，使高层节点的负荷过重。
1.2.3总线型拓扑网络
总线型拓扑网络中所有的站点共享一条数据通道，如图1.12所示。
一个节点发出的信息可以被网络上的多个节点接收。
由于多个节点连接到一条公用信道上，因此必须采取某种方法分配信道，以决定哪个节点可以发送数据。
图1.12总线型拓扑结构
总线型网络结构简单，安装方便，需要铺设的线缆最短，成本低。
因此，它是早期最普遍使用的一种网络。
其缺点是实时性较差，总线的任何一点故障都会导致网络瘫痪，而且不易扩展。
1.2.4环型拓扑网络
在环型拓扑网络中，节点通过点到点通信线路连接成闭合环路。
环中数据将沿一个方向逐站传送，如图1.13所示。
图1.13环型拓扑结构
环型拓扑网络结构简单，传输延时确定，但是环中每个节点与连接节点之间的通信线路最终都会成为网络可靠性的屏障。
对于环型拓扑网络，网络节点的加入、退出、环路的维护和管理都比较复杂。
1.2.5网状型拓扑网络
网状型拓扑网络中，节点之间的连接是任意的，没有规律，如图1.14所示。
图1.14网状型拓扑结构
网状型拓扑的主要优点是，任意
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