计算机网络与Internet应用

一、计算机网络

1.计算机网络的定义

网络定义：计算机网络是指将地理位置不同的具有独立功能的多台计算机及其外部设备，通过通信线路连接起来，在网络操作系统，网络管理软件及网络通信协议的管理和协调下，实现资源共享和信息传递的计算机系统。

在理解计算机网络定义的时候，要注意以下3点。

（1）自主：计算机之间没有主从关系，所有计算机都是平等独立的。

（2）互连：计算机之间由通信信道相连，并且相互之间能够交换信息。

（3）集合：网络是计算机的群体。

2.计算机网络的发展

计算机网络出现的历史不长，但发展速度很快。在40多年的时间里，它经历了一个从简单到复杂、从单机到多机、从地区到全球的发展过程。经历了以下四个过程：

① 具有通信功能的单机系统

② 具有通信功能的多机系统

③ 以共享资源为主的计算机网络阶段

④ 以局域网及其互连为主要支撑环境的分布式计算阶段

3.计算机网络的组成

计算机网络由3部分组成：网络硬件、通信线路和网络软件。

4.计算机网络的功能与分类

1．按照网络的分布范围分类

（1）局域网（Local Area Network，LAN）

特点：分布距离近，传输速度高，连接费用低，数据传输可靠，误码率低

（2）城域网（Metropolitan Area Network，MAN）

特点：可扩展性强，业务多，支持语音业务，安全性好

（3）广域网（Wide Area Network，WAN）

特点：覆盖范围广，通信距离远，适应综合业务服务要求

2．按网络的拓扑结构分类

抛开网络中的具体设备，把网络中的计算机等设备抽象为点，把网络中的通信媒体抽象为线，这样从拓扑学的观点去看计算机网络，就形成了由点和线组成的几何图形，从而抽象出网络系统的具体结构。计算机网络常采用的基本拓扑结构有总线结构、环形结构、星形结构。

5.计算机网络体系结构与TCP/IP

1. 计算机体系结构

1974 年，IBM 公司首先公布了世界上第一个计算机网络体系结构（System Network Architecture，SNA），凡是遵循SNA 的网络设备都可以很方便地进行互连。1977 年3 月，国际标准化组织（ISO）的技术委员会TC97 成立了一个新的技术分委会SC1专门研究“开放系统互连”，并于1983 年提出了开放系统互连参考模型，即著名的ISO 7498 国际标准（我国相应的国家标准是GB 9387），记为OSI/RM。在OSI 中采用了三级抽象：参考模型（即体系结构）、服务定义和协议规范（即协议规格说明），自上而下逐步求精。OSI/RM 并不是一般的工业标准，而是一个为制定标准用的概念性框架。

在OSI/RM中，采用了如表所示的7个层次的体系结构。

它们由低到高分别是物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层、应用层。每层完成一定的功能，每层都直接为其上层提供服务，并且所有层次都互相支持。第4层到第7层主要负责互操作性，而第1层到第3层则用于创造两个网络设备间的物理连接。

OSI/RM参考模型对各个层次的划分遵循下列原则：

① 网中各节点都有相同的层次，相同的层次具有同样的功能；

② 同一节点内相邻层之间通过接口通信；

③ 每一层使用下层提供的服务，并向其上层提供服务；

④ 不同节点的同等层按照协议实现对等层之间的通信。

2． TCP/IP参考模型

TCP/IP是目前异种网络通信使用的唯一协议体系，使用范围极广，既可用于局域网，又可用于广域网，许多厂商的计算机操作系统和网络操作系统产品都采用或含有TCP/IP。

TCP/IP 已成为目前事实上的国际标准和工业标准。

TCP/IP 也是一个分层的网络协议，不过它与 OSI 模型所分的层次有所不同。

6.网络传输介质

传输介质是网络连接设备间的中间介质，也是信号传输的媒体，常用的介质有如下几种：双绞线、同轴电缆、光纤以及微波和卫星。

7.网卡

8.交换机

9.路由器

1. 工作在网络层上

路由器工作在第3层（即网络层），它能分析数据中的IP地址，如果它接收到一个数据包，就检查其中的IP地址，如果目标地址是本地网络的就不理会，如果是其他网络的，就将数据包转发出去。

2. 路由器能连接不同类型的网络

路由器能够连接不同类型的局域网和广域网，如以太网、ATM网、FDDI网、令牌环网等。数据从一种类型的网络传输至另一种类型的网络，必须进行帧格式转换，路由器就有这种能力。

3. 路由器具有路径选择能力

路由器可以选择通畅快捷的近路，会大大提高通信速度，减轻网络系统通信负荷，节约网络系统资源

10.局域网的概述

11.载波侦听多路访问/冲突检测协议（CSMA/CD）

载波侦听多路访问/冲突检测协议（CSMA/CD）是一种介质访问控制技术，也就是计算机访问网络的控制方式。介质访问控制技术是局域网最重要的一项基本技术，也是网络设计和组成的最根本问题，因为它对局域网体系结构、工作过程和网络性能产生决定性的影响。

局域网的介质访问控制：

（一）要确定网络的每个节点能够将信息发送到介质上去的特定时刻

（二）如何对公用传输介质进行访问，并加以利用和控制

12.以太网

以太网(Ethernet)指的是由Xerox公司创建并由Xerox、Intel和DEC公司联合开发的基带局域网规范，是当今现有局域网采用的最通用的通信协议标准。以太网络使用CSMA/CD（载波监听多路访问及冲突检测）技术，并以10M/S的速率运行在多种类型的电缆上。以太网与IEEE802.3系列标准相类似。

包括标准的以太网（10Mbit/s)、快速以太网（100Mbit/s）和10G（10Gbit/s）以太网。

二、Internet及其应用

1.什么是Internet

Internet（因特网）采用TCP/IP 作为共同的通信协议，它将世界范围内，许许多多的计算机网络连接在一起。用户只要与Internet 相连，就能主动地利用这些网络资源，还能以各种方式和其他Internet 用户交流信息。但Internet 又远远超出一个提供丰富信息服务机构的范畴。它更像一个面对公众的自由松散的社会团体，一方面有许多人通过Internet 进行信息交流和资源共享，另一方面又有许多人和机构将时间及精力投入到Internet 中进行开发、运用和服务。

2．Internet 的起源和发展

Internet 是由美国国防部高级研究计划署于1969 年12 月建立的实验性网络ARPAnet 发展演化而来的。ARPAnet 是全世界第一个分组交换网，是一个实验性的计算机网，用于军事目的。

1988年，NSF 把在全国建立的五大超级计算机中心用通信干线连接起来，组成全国科学技术网NSFnet，并以此作为Internet 的基础，实现同其他网络的连接。现在，NSFnet 连接了全美上百万台计算机，拥有几百万用户，是Internet 最主要的成员网。采用Internet 的名称是在MILnet（由ARPAnet 分离出来）实现和NSFnet 连接后开始的。此后，其他联邦部门的计算机网相继并入Internet，如能源科学网（Esnet）、航天技术网（NASAnet）、商业网（COMnet）等。之后，NSF 巨型计算机中心一直肩负着扩展Internet 的使命。

3. Internet在我国的发展过程

第一阶段为1986年6月～1993年3月，是研究试验阶段

第二阶段为1994年4月～1996年，是起步阶段

第三阶段从1997年至今，是快速增长阶段。

4.Internet的接入

1．有线接入

有线接入主要分为包括电话交换网接入、有线电视网接入、光纤接入、局域网接入、电力线接入。

2．无线接入

无线接入主要分为无线局域网接入、无线自组织网接入、移动通信网接入等。

5.IP地址与MAC地址

1．网络IP地址

由于网际互连技术是将不同物理网络技术统一起来的高层软件技术，因此在统一的过程中，首先要解决的就是地址的统一问题。

IP地址是一个32位的二进制数，是将计算机连接到Internet的网际协议地址。IP地址由网络标识（netid）和主机标识（hostid）两部分组成，网络标识用来区分Internet上互连的各个网络，主机标识用来区分同一网络上的不同计算机（即主机）。

IP地址通常分为以下3类。

（1）A类：IP地址的前8位为网络号，其中第1位为“0”，后24位为主机号，其有效范围为：1.0.0.1~126.255.255.254。此类地址的网络全世界仅可有126个，每个网络可接28×28×（28﹣2）=16 777 214个主机节点，所以通常供大型网络使用。

（2）B类：IP地址的前16位为网络号，其中第1位为“1”，第2位为“0”，后16位为主机号，其有效范围为：128.0.0.1~191.255.255.254。该类地址全球共有26×28=16 384个每个可连接的主机数为28×（28﹣2）=65 024个－所以通常供中型网络使用。

（3）C类：IP地址的前24位为网络号，其中第1位为“1”，第2位为“1”，第3位为“0”，后8位为主机号，其有效范围为：192.0.0.1~222.255.255.254。该类地址全球25×28×28=2 097 152个每个可连接的主机数为254台，所以通常供小型网络使用。

2．子网掩码

（1）在子网中，为识别其网络地址与主机地址，引出一个新的概念：子网掩码（SUBNET MASK）或网络屏蔽字（NETMASK）。

（2）子网掩码的长度也是32位，其表示方法与IP地址的表示方法一致。子网掩码的作用在于，利用它来区分IP地址中的网络地址与主机地址。其操作过程为，将32位的IP地址与子网掩码进行二进制的逻辑与操作，得到的便是网络地址。

（3）子网掩码通常是用来进行子网的划分，它还有另外一个用途，即进行网络的合并，这一点对于新申请IP地址的单位很有用处。

3．IP 地址的申请组织及获取方法

IP 地址必须由国际组织统一分配。 IP 组织分 A、 B、 C、 D、 E 共五类， A 类为最高级别的 IP地址。

（1）分配最高级 IP 地址的国际组织—国际网络信息中心（ Network Information Center， NIC）负责分配 A 类 IP 地址，有权重新刷新 IP 地址。

（2）分配 B 类 IP 地址的国际组织 InterNIC、 APNIC 和 ENIC。目前全世界有三个自治区系统组织： ENIC 负责欧洲地区的分配工作， InterNIC 负责北美地区， APNIC 负责亚太地区（设在日本东京大学）。我国被分配了 B 类地址。

（3）分配 C 类地址。由各国或地区的网管中心负责分配。

4．MAC地址

在所有计算机系统的设计中，标识系统（identification system）是一个核心问题。在标识系统中，地址就是为识别某个系统的一个非常重要的标识符。在局域网中，硬件地址又称为物理地址或MAC地址（因为这种地址用在MAC帧中）。

现在IEEE的注册管理委员会（Registration Authority Committee，RAC）是局域网全球地址的法定管理机构，它负责分配地址字段的6个字节中的前3个字节（即高位24bit）。世界上凡要生产局域网网卡的厂家都必须向IEEE购买由这3个字节构成的一个号（即地址块），这个号的正式名称是机构唯一标识符OUI（Organizationally Unique Identifier），通常也叫做公司标识符（company_id）。

5．IPv6

IP 是Internet 的核心协议。现在使用的IP（即IPv4）是在20 世纪70 年代末期设计的。无论从计算机本身的发展还是从Internet 的规模和网络传输速率来看，现在IPv4 已不适用了。这里最主要的问题就是32bit 的IP 地址不够用。

要解决IP 地址耗尽的问题，可以采用以下三个措施。

① 采用无分类编址CIDR，使IP 地址的分配更加合理。

② 采用网络地址转换NAT 方法，可节省许多全球IP 地址。

③ 采用具有更大地址空间的新版本的IP，即IPv6。

尽管上述前两项措施的采用使得IP 地址耗尽的日期推后了一些时日，但却不能从根本上解决IP地址即将耗尽的问题。因此，治本的方法应当是上述的第3 种方法。

6．IPv4 向IPv6 的过渡

由于现在整个因特网上使用老版本IPv4 的路由器的数量太多，因此，“规定一个日期，从这一天起所有的路由器一律都改用IPv6”显然是不可行的。这样，向IPv6 过渡只能采用逐步演进的办法，同时，还必须使新安装的IPv6 系统能够向后兼容，这就是说，IPv6 系统必须能够接收和转发IPv4分组，并且能够为IPv4 分组选择路由。