[江西专升本/信息技术]计算机网络基础

1、概论

目前主要从资源共享观点定义计算机网络：

用通信路线和通信设备将分布在不同地点的具有独立功能的多个计算机系统相互连接起来，在功能完善的网络软件的支持下实现彼此之间的数据通信和资源共享的系统；

我们可以这么说，“计算机网络”就是通过“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，实现数据通信和资源共享的计算机系统。

发展历程

“以数据通信为主的第一代计算机网络”

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1954年，由美国军方研制。

这种以单个计算机为中心，面向终端设备的网络结构从严格意义上来讲是一种联机系统。主要功能是数据通信。

“以资源共享为主的第二代计算机网络”

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由美国国防部高级研究计划局（ARPA）于1968主持研制，次年将分散在不同地区的4台计算机连接起来，形成了Internet的前身ARPAnet（阿帕网），它标志着计算机网络正式进入第二代。（详情见第二部分的Internet的起源与发展）

第二代计算机网络是以分组交换网为中心的计算机网络，与初代的区别在于，通信双方都是具有自主处理能力的计算机而非终端机；

主要功能由数据通信变为资源共享。

“体系标准化的第三代计算机网络”

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为了解决不同体系的网络难以互联的问题，国际标准化组织（ISO）在1977年里设立了分委员会，专门研究网络通信的体系结构。并在1983年提出OSI开发系统互连参考模型，从此计算机网络走向标准化。

“以Internet为核心的第四代计算机网络”

进入20世纪90年代，Internet将世界各地的计算机和网络连接，形成了覆盖世界的大型网络，实现全球范围内的数据通信和资源共享，且随着“信息高速公路（国家信息基础设施，简称NⅡ，是指高速计算机通信网络及其相关系统）”的提出与实施，它将当今世界带入了以网络为核心的信息时代。

目前此阶段的特点为：高速互连、智能与更广泛的应用。

发展趋势

①三网合一，网络发展的重要趋势：

通信网络、计算机网络和有线电视网络逐渐向单一的统计IP网络发展。

IP网络可将数据、语音、图像、视频都封装在IP数据包中，并通过分组交换和路由技术，采用全球性寻址，使各种网络无缝衔接。

②光通信技术，其发展有两个大方向：

Ⅰ：主干传输向高速率、大容量的光传送网发展，最终实现全光网络；

Ⅱ：接入向低成本、综合接入、宽带化光纤接入网发展，最终实现光纤到家庭和光纤到桌面；

③IPv6协议，TCP/IP协议簇是互联网的基石之一：

我们当前所使用的是IPv4协议，地址位数是32位，理论上约有232个地址。

而IPv6协议采用128位地址长度，理论上约有2128个地址。

除了解决地址短缺的问题外，IPv6同时也解决了IPv4中端到端IP连接、服务质量（QoS）、安全性等缺陷。目前很多网络设备都已支持IPv6。

性能指标

①速率（最重要）

速率指计算机在数字信道上传输数据的速度，单位是bps，Kbps，Mbps，Gbps。（通常省略bps）

②带宽

带宽指通信线路所能传送数据的能力，表示在单位时间内从计算机网络某一点到另一点所能通过的最高数据量，其单位与速率相同。

③吞吐量

吞吐量表示在单位时间内通过某个网络或信道的实际的数据量。

④时延（延迟/迟延）

时延是指数据从网络的一端传送到另一端所需的时间。网络中的时延由以下部分组成：

Ⅰ——发送时延

主机或路由器发送数据帧所需的时间，从发送第一帧开始，到发完最后一帧为止。

发送时延=数据帧长度(bit)/发送速率(bit/s)

Ⅱ——传播时延

电磁波在信道中传播一定的距离需要花费的时间。

传播时延=信道长度(m)/电磁波在信道上的传播速率速率(m/s)

Ⅲ——处理时延

主机或路由器在收到分组时要花费的处理时间。

Ⅳ——排队时延

分组进入路由器后在输入队列中排队等待处理，以及在路由器确定转发接口后在输出队列中排队灯带转发的时间。

计算机网络的功能

①数据传输

用于实现计算机之间的信息传送。

②资源共享——不仅是计算机网络最重要的功能，也是计算机网络最突出的特点。

计算机资源主要是指计算机的硬件、软件和数据资源。资源共享也是计算机网络中最重要的功能，也是组建计算机网络的驱动力之一，使得网络用户可以克服地理位置的差异性，共享网络中的计算机资源。

③分布式处理

对于综合性的大型科学计算和信息处理问题，可以采用一定的算法，将任务分给网络中不同的计算机，以达到均衡使用网络资源，实现分布处理的目的。

④提高处理能力的可靠性和可用性

可靠性对于军事、金融和工业过程控制等部门的应用特别重要。计算机通过网络中的冗余部件，尤其是借助虚拟化技术可大大提高可靠性。

计算机网络的组成

从逻辑上——由通信子网和资源子网组成

①通信子网：

通信子网提供计算机网络的通信能力，完成网络主机之间的数据传输、交换、通信控制和信号变换等工作，主要包括通信线路、网络连接设备、网络协议和通信软件等。

它是由节点处理机和通信链路组成的一个独立的数据通信系统。

②资源子网：

资源子网提供访问网络和处理数据的能力，由主机、终端控制器和终端组成。

主机，负责本地或全网的数据处理，运行各种应用程序或大型数据库系统，向网络用户提供各种软硬件资源和网络服务；

终端控制器，用于把一组终端连入通信子网，并负责控制终端信息的接收和发送，包括打印机、大型存储设备等。

从物理连接上——由计算机系统、网络节点和通信链路组成

①计算机系统：

主要负责数据处理工作，可以是具有强大功能的大型计算机，也可以是一台微机。其任务是进行信息的采集、存储和加工处理。

②网络节点：

主要负责网络中信息的发送、接收和转发。

它是计算机与网络的接口，计算机通过网络节点向其他计算机发送信息，鉴别和接收其他计算机发送来的信息。

③通信链路：

是连接两个节点的通信信道，通信信道包括通信线路和相关的通信设备，通信设备又包括中继器和调制解调器（Modem）等。

计算机网络的分类

根据网络的覆盖范围划分——局域网、域域网和广域网

①局域网（LAN）——根据IEEE802标准定义，LAN包括以太网、令牌环网、光纤分布式接口网络、异步传输模式网以及无线局域网等。

覆盖几百米到几公里，使用双绞线或同轴电缆作为通信线路。

特点是：连接范围小，传输速率低，误码率低、可靠性好、组网灵活方便，建设成本低。

②域域网（MAN）：

可覆盖一个城市，使用光纤或微波做诶网络主干道，一般可将同一城市内的主机、数据库以及LAN等互相连接。

特点是：所用技术与LAN类似，但对媒介访问控制在实现方法上又有所不同。

③广域网（WAN）——Internet可以说是最大的WAN。

用于连接不同城市之间的LAN或MAN，通信子网主要采用分组交换技术，常常借用传统的公共传输网（如电话网）。广域网可覆盖一整个地区或国家。

特点是：数据传输相对较慢，传输误码率也较高。

根据网络的拓扑结构划分——总线型、环型、星型、树型以及网络型

①总线型拓扑：

采用单一信道作为传输介质，所有主机或站点通过专门的连接器接到“总线”上。任一站点的信号都可以沿着传输介质传播，且能被其他站点接收。

优势：结构简单、易于实现、站点扩展灵活、可靠性高。

劣势：故障检测和隔离较为困难，总线负载能力较低，数据传输最大等待时间不确定。应用于对时间要求不太高和网络负担不太重的场合。

②环形拓扑：

环形拓扑是一个包含若干节点和链路的单一封闭环，每个节点只和相邻的两个节点连接。

优势：容易安装和监控，传输最大延迟时间是固定的，传输控制机制简单，实时性强。

劣势：网络中任何一台计算机的故障都会影响整个网络的正常工作，故障检测较为困难，节点的增删不方便。

③星型拓扑：

星型拓扑是由各个节点通过专用链路连接到中央节点上而形成的网络结构。信息从计算机通过中央节点传送到网络上的所有计算机。

优势：传输速度快、误差小、扩容比较方便、易于管理和维护、网络中的某一台计算机或者一条线路的故障不会影响到整个网络运行。

劣势：中央节点一旦发生故障，整个网络都会瘫痪；需要耗费大量的电缆。

④树型拓扑：

在树型拓扑中，任何一个节点发送信息后都要传送到根节点，然后从根节点返回整个网络。

优势：扩容方便，容错性强，很容易将错误隔离在小范围内。

劣势：依赖根节点，若其出故障，那么整个网络都将瘫痪。

⑤网络型拓扑——常见于广域网

网状拓扑由节点额连接节点的点到点链路组成，每个节点都有一条或几条链路同其他节点相连。

优势：节点路径多，局部的故障不会影响整个网络的正常工作，可靠性高，扩容方便。

劣势：网络的结构和协议比较复杂，建网成本高。

根据传输介质划分——有线网和无线网

①有线网：

采用双绞线、同轴电缆、光纤等作为传输介质。

②无线网：

主要采用红外线、微波和光波作为传输载体，联网方式灵活方便，但可靠性和安全性还有待完善。此外还可以通过卫星进行数据通信。

根据网络的使用性质划分——公用网和专用网

①公用网（Public Network）

这是一种付费网络，属于经营性网络，由电信部门或其他提供通信服务的经营部门组建、管理和控制，任何单位和个人都可付费租用一定带宽的数据信道，如电信网、广电网、联通网。

②专用网（Private）

这是由某个部门根据本系统的特殊业务需要而建造的网络，一般不对外提供。例如军队、政府、银行、电力等系统的网络。

8、计算机网络协议

概念：

要保证有条不紊地进行数据交换，合理地共享资源，各个独立的计算机系统之间必须达成某种默契，严格遵守事先约好的一整套通行规程（网络协议,Protocol），包括严格规定要交换的数据格式、控制信息的格式和控制功能以及通信过程中时间执行的顺序等。

网络协议由三个要素组成：

①：语法，即用户数据控制与控制信息的结构或格式；

②：语义，即需要发出何种控制信息，以及完成的动作和响应的动作；

③：时序，即对事件实现顺序的详细说明；

网络协议的分层：

计算机网络的协议是分层的，层与层之间相对独立，各自完成特定的功能，每一层都为上一层提供服务，协议分层有助于网络的实现和维护、技术发展、网络产品的生产，还可以促进标准化的工作。

9、计算机网络的体系结构

计算机网络协议是按照层次结构模型来组织的，我们将“网络层次结构模型”与“计算机网络分层协议”的集合成为网络的体系结构或参考模型。

以下是三大参考模型，其中OSI/ISO参考模型和TCP/IP参考模型在计算机网络体系结构中占据主导地位。

一、OSI/ISO参考模型——（开放式通信系统互联参考模型（Open System Interconnection Reference Model））

1、物理层：

物理层的功能是提供网内两实体间的“物理接口”，实现它们的物理连接，传输单位是比特（bite），将数据信息从一个实体经过物理信道传输至另一个实体，为数据链路层提供一个透明的比特流传送服务。

2、数据链路层：

数据链路层的功能是对物理层的比特流进行校验，并采用“检错重发”等技术，使原本可能出错的数据链路层变成不出错的数据链路，从而对上层提供无差错的数据传输。

数据链路层以“帧”为单位传输数据。

3、网络层

网络层的功能是选择合适的路由，使发送端的传输层传下来的分组能够正确无误地按照目的地址发送到接收端，使传输层以上各层在设计时不再需要考虑传输路由。

主要功能是路由选择、拥塞控制和网络互连。

网络层的传送单位是“分组”或“包”。

4、传输层

传输层的功能是在发送端和接收端之间建立一条不会出错的路由，对上层提供可靠的报文传输服务。与数据链路层提供相邻节点间比特流的无差错传输不同，传输层保证的是对发送端和接收端之间的无差错传输，主要控制的是包的丢失、错序、重复等问题。

5、会话层

会话层虽然不参与具体的数据传输，但它要对数据传输进行管理。会话层建立在两个相互通信的应用进程之间，组织并协调其交互。

6、表示层

表示层的功能主要是为上层用户解决用户信息的语法表示问题，其主要功能是完成数据交换、数据压缩和数据加密。

7、应用层

应用层作为OSI参考模型中的最高层，确定了进程之间的通信性质，以满足用户的需要，负责用户信息的语义表示，并在两个通信者之间进行语义匹配。

二、TCP/IP参考模型——TCP/IP协议（传输控制协议/网际协议，或网络通信协议）

TCP/IP协议是Internet最基本也是最常用的协议，是Internet国际互联网络的基础，是计算机之间进行通信必须遵守的协议。

需要注意的是，这并不是一个协议，而是有一百多个协议组成的协议簇，其中TCP协议和IP协议使用最为广泛。

尽管OSI参考模型提出了网络分层的思想，但难以实现，而TCP/IP协议在经过两次修订后成为Internet的国际标准和工业标准，并诞生了TCP/IP参考模型。

1、网络接口层

网络接口层又被称为“主机——网络层”，负责对硬件的沟通，接收IP数据报并进行传输，从网络上接收物理帧，抽取IP数据报转交给下一层，对实际的网络媒体管理，定义如何使用实际网络来传送数据。

从图中我们也可以发现，网络接口层刚好对应OSI模型中的物理层以及数据链路层。

2、网际层（网络层）

网际层负责提供基本的数据封包传送服务，让每一块数据报都能够达到目的主机（不检查是否正确接收），如网际协议（IP）、网络控制报文协议（ICMP）、网际组报文协议（IGMP）。

此网际层也对应OSI模型中的网络层。

3、传输层

传输层又被称为“主机——主机层”，负责传输过程中流量的控制、差错处理、数据重传等工作。如传输控制协议（TCP）、用户数据报协议（UDP）等。

TCP协议和UDP协议是传输层中最重要的两个协议，负责给数据报加入传输数据并把他传输给下一层，该层负责传送数据，并检查数据是否被接收。

TCP协议是一种可靠的面向连接的协议；

UDP协议是一种不可靠的面向无连接的协议；

此传输层也对应OSI模型中的传输层。

4、应用层

应用层是应用程序间进行沟通的层，如简单邮件传输协议（SMTP）、文件传输协议（FTP）、网络远程访问协议（Telnet）、超文本传输协议（HTTP）等。

此应用层也对应OSI模型中的会话层、表示层和应用层。

局域网的组成——网络硬件与网络软件

网络硬件——由网络主体设备、网络连接设备和网络传输介质组成

①网络主体设备

局域网中的计算机设备也称为网络的主体设备，根据在网络中的功能不同，又分为服务器（中心站）和客户机（工作站）。

服务器：它是网络中提供共享资源的特殊计算机，是整个网络系统的核心，对客户机进行管理并提供网络服务。

服务器的性能要高于普通计算机，且速度快、容量大、可靠性高。

客户机：它是用户入网操作的节点，也称为网络终端设备。除了传统的个人计算机，还有智能手机、个人数字助理PSA、笔记本电脑等终端设备。用户通过客户端软件可以向服务器请求各种服务，例如邮件服务和打印服务等。

主体设备有两种工作方式：

A客户机/服务器模式，简称C/S模式，用户通过客户端软件可以向服务器请求提供各种服务。

B浏览器/服务器模式，简称B/S模式，不需要安装客户端软件，只需要客户端有浏览软件就可以完成大部分工作任务。

②网络连接设备

1、网卡（NIC）——提供固定的网络地址

网卡又称网络适配器（或网络接口卡），是连接计算机与网络的硬件设备。一般插在计算机或服务器的扩展槽中，通过网线与网络交换数据、共享资源。

网卡的作用主要是提供固定的网络地址，每个网卡上都有一个固定的全球唯一的MAC地址。

其接收网线上传来的数据，并把数据转换为本机可识别和处理的格式，通过计算机总线传输给本机。同时也能把本机要向网上传输的数据按照一定的格式转换为网络设备可处理的数据形式，通过网线传送到网上。

2、调制解调器（Modem）——是电话拨号上网的必要硬件设备

调制解调器俗称“猫”，是一种计算机硬件，能“调制”把计算机的数字信号转换成沿电话线传送的模拟信号，而这些模拟信号又可以被另一个Modem接收并“解调”转换成计算机可懂的语言，进而完成计算机之间的通信。

故调制解调器的功能是实现模拟信号与数字信号的转换。

3、中继器（Repeater）——放大电信号

电信号在介质中传输一段距离后会自然衰减并附加噪音，而中继器完成对物理线路的连接，对衰减的信号进行放大，保持与原数据相同。

其属于物理层设备，一般用于延伸同型局域网，但不可无限延长。

4、网桥（Bridge）——用来连接相互独立的网段从而扩大网络的最大传输距离

网桥是在“数据链路层”实现网络互连的存储——转发设备，被广泛用于局域网的互连。

作为网段与网段之间的连接设备，它实现数据报从一个网段到另一个网段的选择性发送，即只让需要通过的数据包通过而将不必通过的数据包过滤掉，来平衡个网段之间的负载，从而实现网络间数据传输的稳定和高效。

5、集线器（HUB）——主要提供信号放大和中转的功能

集线器是局域网中计算机和服务器的连接设备，每个工作站用双绞线连接到集线器上，由集线器对工作站进行集中管理。

集线器上的端口彼此相互独立，不会因某一个端口故障而影响其他用户，且其中仅包含物理层协议。

6、路由器（Router）——为不同网络的节点之间通信选择一条最佳路径

路由器是在网络层实现不同网络或网段的网络连接的设备，属于网际互连设备。可以将局域网与其他网络相连，以使它们能够相互通信，从而构成一个更大对的网络。

路由器适合于连接复杂的大型网络。

7、交换机（Switch）——主要功能包括物理编制、错误校验、帧序列以及流控制等

交换机基本取代了集线器和网桥，并在此基础上增强了路由选择功能。

交换与路由的区别在于，交换发生在OSI模型的数据链路层，而路由发生在网络层。

目前有些交换机还可以对虚拟局域网（VLAN）的支持、对链路汇聚的支持，甚至具有防火墙的功能。

8、网关——用于连接不同结构体系的网络或进行局域网与主机之间的连接

③网络传输介质——有线传输介质与无线传输介质

主要的有线传输介质：

1、双绞线

双绞线是由两根互相绝缘的铜线拧在一起所组成的，是目前常用的联网线缆。

通常使用5类非屏蔽双绞线（也称网线），由不同颜色的4对线组成，线缆两端安装RJ-45接头（也称水晶头）

双绞线用于连接工作站的网卡和集线器，传输速率能达到100Mbps，最大长度可达100m，可使用中继器延长距离，此时的最大距离为500m。

2、同轴电缆

同轴电缆以硬铜线为中心导体（也称内芯），外包一层绝缘介质，这层绝缘材料又用密织的网状导体环绕作为屏蔽层，网外再覆盖一层保护性材料作为防护层。

同轴电缆具有较好的屏蔽、且传输距离远，但由于安装维护不便，所以在现局域网中以较少出现。

3、光纤

光纤是由透明的石英玻璃拉成细丝所制成的，其信息传播利用了光的全反射原理。

当光从一种高折射率介质射向低折射率介质时，只要入射角足够大，即可产生全反射，那么光就可以在光纤中不断传播下去。

光纤相较于其他传输介质的优点是：重量轻、体积小、传输速率快、传输距离远、带宽高、损耗小、无串音干扰、保密性好等，且由于传输的是光信号，不受其他电磁干扰，也不会干扰其他通信系统。

但其也存在缺点是：单向传输、成本过高、连接技术比较复杂等。

光纤目前和将来都将是最具竞争力的传输介质，目前主要用于长距离的数据传输和网络的主干线、在高速局域网中也有应用。

但由于光纤非常细，难以提供足够的抗拉强度，因此通常将其做成光缆。

主要的无线传输介质：

1、无线电频率通信

无线电频率是指从1kHZ~1GHz的电磁波谱。在此频段范围中包括短波波段、超高频波段、甚高频波段。

无线电频率通信中的扩展频谱通信技术是当前无线局域网的主流技术。

2、红外通信

红外通信以红外线作为传输载体，以红色二极管或红外激光管作为发射源，以发电二极管作为接收设备。

红外通信传输距离短、只能直线传输、不能透射不透明的物体，所以实现起来比较简单，成本较低。

3、微波通信

微波通信微波是沿直线传播的，收发双方必须直视，所以在地球表面的传输距离只有50km左右。

因为工业和天气干扰的主要频谱成分比微波的频谱低很多，所以微波抗干扰性更强，传输质量高。

与远距离通信电缆相比，微波通信的投资更小、可靠性强。但隐蔽性和保密性却很差。

4、卫星通信

卫星通信是航天技术和电子技术相结合而产生的一种重要通信方式，它是以人造卫星作为中继站，地球作为终端站，实现两个或多个地球站之间的长距离，大容量的区域性通信乃至全球通信。

卫星通信具有传输距离远、覆盖范围大、灵活可靠、不受地理环境条件限制等独特优点。