第8章计算机网络及其应用(第三版64)

计算机导论 第8章计算机网络及其应用 内容提要本章主要介绍计算机通信与网络的基本知识以及计算机网络的应用和操作 通过本章的学习 了解计算机通信的基础知识 计算机网络的体系结构与使用方式 并能运用Internet的服务功能进行上网操作 计算机导论 性质 它是一种通信系统 与电话 电视系统不同 它是一种数据通信系统 它是计算机系统的延伸与扩展 网络就是计算机 SUN公司 需要使用多种复杂的技术 利用通信设备和网络软件 把位置分散的多台计算机连接起来的一个系统 8 1计算机网络的产生与发展 计算机导论 计算机网络的发展经历了以下几个发展阶段 1 第一代计算机网络 面向终端的计算机网络1954年 收发器终端制作出来 人们利用它将穿孔卡片上的数据通过电话线发送到远程计算机进行处理 计算机与通信的结合就这样开始了 计算机导论 2 第二阶段 计算机与计算机通信网20世纪60年代中期 各个独立的计算中心除了完成自己的任务外 还需要互相联系 因此提出了计算机之间进行通信的要求 若干主计算机之间互联 以达到资源共享的目的 计算机导论 1964年8月 英国国家物理实验室NPL的戴维斯 Davies 提出了分组 Packer 的概念 找到了新的适合于计算机通信的交换技术 1969年12月 美国国防部高级研究计划署ARPA的分组交换网ARPANET投入运行 连接4台计算机 1973年连接的计算机发展到40台 1975年100台不同型号的计算机入网 ARPANET是Internet的雏形 就是最早的享有盛名的两级结构的计算机网络 计算机导论 3 第三阶段 标准化网络阶段计算机网络系统是非常复杂的系统 为实现计算机网络通信 实现网络资源共享 计算机网络采用的是对解决复杂问题的十分有效的分层解决问题的方法 1974年 美国IBM公司公布了它研制的系统网络体系结构 不久 各种不同的分层网络系统体系结构相继出现 对同一体系结构的网络产品互连是非常容易实现的 而不同系统体系结构的产品却很难实现互联 为此 国际标准化组织ISO于1977年成立了专门的机构来研究该问题 在1984年正式颁布了 开放系统互联基本参考模型 的国际标准OSI 这就产生了第三代计算机网络 计算机导论 4 第四阶段 网络互联与高速网络阶段进入20世纪90年代 计算机技术 通信技术以及计算机网络技术得到了迅猛的发展 特别是1993年美国宣布建立国家信息基础设施NII后 全世界许多国家纷纷制订和建立本国的NII 从而极大的推动了计算机网络技术的发展 使计算机网络进入了一个崭新的阶段 这就是计算机网络互联与高速网络阶段 目前 全球以Internet为核心的高速计算机互联网络已经形成 Internet已经成为人类最重要的 最大的知识宝库 网络互联和高速计算机网络就成为第四代计算机网络 计算机导论 计算机导论 8 2计算机网络的定义 功能及分类 8 2 1计算机网络的定义 计算机网络是计算机技术与通信技术相结合的产物 精确的定义尚未统一 有多种不同的理解和定义 这里 我们从网络组成和连网的角度给出如下定义 计算机网络是用通信设备和线路将分散在不同地点的有独立功能的多个计算机系统互相连接起来 按照网络协议进行数据通信 实现资源共享的计算机集合 计算机导论 主要包括三个部分 各种类型的计算机 主机 如大型机 微型机 笔记本电脑等 用于数据处理 向用户提供服务 若干通信设备和线路 用于将多个计算机连接在一起 进行数据传输 网络协议 是为保证网络中的数据通信而制定的一系列规则和约定 计算机导论 8 2 2计算机网络的功能 1 信息传输信息传输是计算机网络最基本的功能 可以使分散在不同地理位置的计算机之间相互通信 传输数据 文字 图像等各种信息 2 资源共享网络中的用户可以共享各种软件 硬件和信息等资源 例如 共享高速的大型计算机 大容量的存储设备 价格昂贵的外部设备 分布在各地的信息资源 网上数据库和某些应用软件等 特别地 Internet上的WWW WorldWideWeb 环球信息网 服务 是目前最典型 最成功的全球共享信息资源的例子 3 分布式处理对许多大型的信息处理任务 可以借助于网络中的多台计算机共同协作完成 解决单机无法完成的任务 另外 当某台计算机负担过重或该计算机正在处理某项工作时 可通过网络将任务转交给空闲的计算机来完成 提高处理问题的效率 4 提高可靠性一方面可以把重要数据存放在多台计算机中 另一方面当某台计算机程序故障时 其任务可交给其他的计算机 计算机导论 8 2 3计算机网络术语 结点 指连接到网络上的任何设备 客户端 请求和使用来自其他结点资源的结点 服务器 和其他结点共享资源 即提供资源 的结点 如文件服务器 打印机服务器 通信服务器 Web服务器 数据库服务器 网络操作系统 除完成单机操作系统的功能外 用于控制和协调网络上计算机的活动 分布式处理 计算机的能力和资源分布于不同位置 主机 通常是指一个大型的中心计算机 或Internet上具有固定IP地址的结点 计算机导论 8 2 4计算机网络的分类 1 按使用的传输介质可分为 有线网 双绞线 同轴电缆 光纤 无线网 微波 2 按网络的使用性质可分为 公用网 专用网 虚拟专网 VPN 3 按网络的使用对象可以分为 企业网 政府网 金融网 校园网 4 按照信号频带占用的方式 基带网 宽带网5 按网络中使用的操作系统 Netware网 WindowsNT网 UNIX网 计算机导论 6 按网络所覆盖的地域范围可以分为 局域网 LAN 广域网 WAN 城域网 MAN 局域网 LAN 使用专用通信线路把较小地域范围 一幢楼房 一个楼群 一个单位或一个小区 中的计算机连接而成的网络 广域网 WAN 把相距遥远的许多局域网和计算机用户互相连接在一起的网络 广域网有时也称为远程网 城域网或市域网 MAN 作用范围在广域网和局域网之间 其作用距离约为5km 50km 例如一个城市范围的计算机网络 计算机导论 将分散的用户计算机 网 接入特定城 广 域网的各种网络通信设施 几种网络之间的相互关系 计算机导论 星型 数台小型 微型计算机或外部设备连接到称为主机或文件服务器的中央单元 网中所有的通信都通过中央单元 目前广泛应用在局域网中 层次型 像星型网络一样 由一系列计算机连接到中央主机所组成 然而 这些计算机又是另外更小的计算机 外部设备的主机 总线型 总线是指所有设备连接的共同电缆 网上的所有信息传输都沿着这一电缆 总线 环型 网上每一设备连接其他两个设备 形成一个环 网中不存在中心服务器或计算机 信息沿着环传递 网状型 每个结点都至少有两条线路和其他结点相连 一般用于广域网 7 按照拓扑结构 星型网 层次型网 总线型网 树型网 环型网 网状型网 计算机导论 8 3计算机网络的组成 计算机网络由网络硬件和网络软件两大部分组成 8 3 1网络硬件 计算机网络的物质基础 主要包括 主机 服务器和工作站传输介质 双绞线 同轴电缆 光纤 微波网络接口设备 网络适配器和调制解调器网络互连设备 集线器 交换机 路由器等 计算机导论 1 主机 1 服务器定义 为网络提供各种共享资源和多种网络服务的计算机 是网络的核心设备 通常由具有高速处理能力和较大的存储容量的高性能计算机担任 分类 按照提供的服务分为 文件服务器打印服务器数据库服务器Web服务器电子邮件服务器 计算机导论 2 工作站 定义 连接在网络上 由用户使用的一般计算机 它可以访问服务器的共享资源 也可单机工作 访问时 必须先登录 并按权限访问服务器 工作站不对其它计算机提供服务 但可以互相通信 共享网络资源 计算机导论 2 网络接口设备 1 网络适配器定义 网络接口卡 NetworkInterfaceCard NIC 简称网卡 是计算机与传输介质连接的接口设备 通常插入到计算机的总线插槽内或某个外部接口的扩展卡上 网络上每台服务器或工作站都必须安装网卡 通过网卡发送和接收信息 一台计算机上可以插入多块网卡 不同的网络使用不同类型的网卡 计算机导论 网络适配器 网卡 笔记本电脑使用的网卡 计算机导论 网卡的连接 BNC接口 RJ45接口 BNC接口 RJ45接口 计算机导论 2 调制解调器 MODEM 调制解调器是调制器和解调器的简称 调制器负责把计算机输出的数字信号调制成模拟载波信号 因而将数字信号转变为能在电话线上传输的模拟信号 解调器负责将接收到的模拟载波信号还原为数字信号 分类 外置式 内置式 插卡式用于普通电话线拨号上网 计算机导论 3 计算机网络的互联设备 集线器是对网络进行集中管理的重要工具 其功能是随机选出某一端口的设备 并让它独占全部带宽 与集线器的上联设备 交换机 路由器等 进行通信 集线器有共享式和交换式两种方式 交换机有两种工作方式 一种是直接通过 当信息包进入交换器以后 交换器只检查目的地址 所以这种方式速度较快 另一种方式是存储转发 路由器可以对两个相同或不同类型的网络进行连接 它主要完成信息包的选路和流量控制等处理 网关是一种将不同网络体系结构的计算机网络连接在一起的设备 网桥则是连接相同网络体系结构的计算机网络的设备 计算机导论 双绞线和RJ45插头 水晶头 是目前以太网使用最多的传输介质 计算机导论 8 3 2网络软件 网络软件是实现网络功能的重要部分 主要包括 网络操作系统 网络用户与计算机网络间的接口 管理 协调和控制网络计算机 有效共享网络软硬件资源 并为用户提供网络服务 网络协议 网络中各部分传输信息必须遵守的一组规则和约定 网络管理软件 监视和控制网络的运行情况 保证网络资源的有效利用 优化网络性能 提供安全 可靠地网络服务 网络应用软件 提供专门服务 计算机导论 8 4因特网 Internet Internet原名 互联网 网际网 国家名词委员会正式定名为 因特网 从原先 互联网 这个名字就可以看出 因特网是指通过网络互联设备把不同的多个网络或网络群体互联起来形成的大网络 目前联入的计算机几乎覆盖了全球180余个国家和地区 联入的计算机存储了最丰富的信息资源 是世界最大的计算机网络 通俗地说 Internet就是把全球上亿台计算机连接而成的一个超大网络 是一个全球性的 特定的 开放的 被国际社会认可和广泛使用的计算机互联网络 是世界最大的计算机网络 计算机导论 1 1969年 美国国防部建立ARPANET 2 1980年 TCP IP协议投入使用 3 1981年 APRANET被划分成民用网 ARPANET 和军用网 MILNET Internet诞生 5 现已有168个国家连入了INTENET 4 1985年 美国国家科学基金会组成NSFNET 并与ARPANET相连 8 4 1因特网的形成与发展 计算机导论 6 因特网在中国的发展 计算机导论 8 4 2因特网的结构及协议 1 因特网的结构在美国 Internet主要是由如下三层网络构成的 1 主干网 主干网是Internet的最高层 它是由NSFNET 国家科学基金会 Milner 国防部 NSI 国家宇航局 及ESNET 能源部 等政府提供的多个网络互联构成的 主干网是Internet基础和支柱网 2 中间层网 中间层网是由地区网络和商业用网络构成的 3 底层网 它处于Internet的最下层 主要是由大学和企业的网络构成 计算机导论 计算机导论 2 因特网的协议 因特网将不同结构的计算机和不同类型的计算机连接起来 除了物理连接问题要解决外 必须解决好计算机间通信的问题 而解决问题的关键就是通信协议 TCP IP协议很好的解决了这个问题 因特网使用IP协议将全球多个不同的各种网络互联起来 IP协议详细规定了计算机在通信时应遵循的全部具体细节 对因特网中的分组进行了精确定义 所有使用因特网的计算机都必须运行IP协议 计算机导论 1 使用电话拨号接入2 通过ADSL宽带接入3 通过局域网方式接入4 通过CableModem接入 8 4 3Internet接入 计算机导论 1 电话拨号接入 家庭用户利用本地电话网通过调制解调器拨号接入广域网 调制解调器 MODEM 的组成与功能 调制器 MOdulator 数字信号 模拟信号解调器 DEModulator 模拟信号 数字信号 计算机导论 MODEM的传输速率 每秒钟传送的数据量 目前主流产品速率是56K 实际使用时 由于电话线路的质量或网络服务提供商提供的带宽 或所连网络等因素的影响 传输速率会降低 MODEM的类型 外置式 内置式 PCMCIA插卡式 计算机导论 电话拨号接入方式的缺点 电话网采用传统电路交换 每条话路带宽64K 建立在此基础上的MODEM传输机制 发展到极限是56K的下传速率 其中还包括控制指令 真正有效数据还少 线上传送模拟信号 受外界电磁环境干扰较大 下载速度慢 容易掉线 计算机导论 数字用户线 DSL 技术 通过本地电话环路提供数字服务的新技术之一 类型有多种变化统称xDSL 不对称数字用户线 ADSL 提供高速发送和接收数字信息的能力 是一种为接收信息远多于发送信息的用户而优化的技术 为下行流提供比上行流更高的传输速率 数据上传速度 640Kbps 1Mbps数据下行速度 1Mbps 8Mbps 理想状态下达10Mbps 2 不对称数字用户线技术 ADSL 计算机导论 ADSL的安装 专门为ADSL申请一条单独的线路 在已有的电话线上改造 需配置 ADSLMODEM 计算机中需安装10M 100M的以太网网卡 网卡与ADSLMODEM间用双绞线连接 设置有关参数 计算机导论 计算机导论 ADSL特点 优点 与普通电话共存于一条电话线 即电话的使用与数据传输互不影响 传输数据不通过电话交换机 上网不需付电话费数据传输速率根据线路的情况自动调整 计算机导论 ADSL利用普通电话线作为传输介质 通过一种自适应的数字信号调制解调技术 能在电话线上得到3个可以同时工作的信息通道 电话通道速率为640Kbps 1 0Mbps的上行通道速率为1 8Mbps的高速下行通道 计算机导论 接入方式有两种 使用路由器把局域网与Internet连接起来 路由器是一个网络互连设备 工作在网络层 可以将两个或多个不同类型 不同结构的网络互相连接起来 通过局域网的服务器 高速调制解调器和电话线路把局域网与Internet连接起来 3 通过局域网方式接入 计算机导论 利用有线电视网高速传送数字信息的技术 同轴电缆 有线电视系统的传输介质 的优点 具有很高的容量 使用频分多路复用技术同时传送多个电视频道 由于有线电视系统的设计容量远高于使用的电视频道数目 未使用的带宽可用来传输数据 抗电子干扰能力强 4 电缆调制解调技术 CableMODEM 计算机导论 使用CableMODEM传输数据时 将同轴电缆的整个频带划分为3部分 分别用于 数字信号上传 使用频带5 42MHz数字信号下传 使用频带550 750MHz电视节目 模拟信号 下传 使用频带50 550MHz 数字信号和模拟信号同时传送 互不冲突 数据的上传和下载时的速率通常为 数据下行传输速率 36Mb s上传信道传输速率 320kb s 10Mb s 计算机导论 集调制 解调功能 加密 解密功能 网卡及集线器等功能于一身 无须拨号上网 不占用电话线 可永久连接 理论上没有距离限制 覆盖地域广 电缆调制解调技术的优点 计算机导论 CABLEMODEM带宽充足 最高可达36Mbps 但属于共享式的总线型网络 同一接入点若上网用户增多 每个用户能分配的带宽有限 使数据传输速率不够稳定 现有有线电视网是单向广播式 要实现INTERNET接入 必须进行双向改造 这项工程投资巨大 电缆调制解调技术的缺点 计算机导论 使用 光纤 同轴混合 线路 HFC HybridFiberCoaxial 改造有线电视网络 把干线更换为光纤 保留现存的同轴电缆连接用户 在光纤和同轴电缆间加入新的接口设备 并将所有放大器改造为双向工作 当然 改造需要大量的投资 电缆调制解调的双向改造 计算机导论 IP地址 Internet上每台主机都必须有一个唯一的地址 这个地址称为IP地址 域名 域名系统 DNS 使用字符串来表示主机的地址 它与IP地址一一对应 IP地址和域名是地址的两种形式 URL Web中使用URL UniversalResourceLocation 的特殊地址 它是一个文件在Internet网上的标准通用地址 8 4 4因特网的主机地址和域名系统 计算机导论 1 IP地址格式 每个IP地址占用四个字节 32位 用四组十进制数表示 每组数字取值范围0 255 组与组之间用圆点 作为分隔符 例如 11001010 01110000 00000000 00100100相应的十进制表示为 202 112 0 36 1 IP地址 计算机导论 2 IP地址的分类IP地址 网络标识 netID 主机标识 hostID IP地址分为A B C D E五类 常用有三类 计算机导论 类别第一字节范围网络地址长度最大主机数目适用规模A1 126 00000001 01111111 1个字节1677214 224 2大型网络B128 191 10000000 10111111 2个字节65534 216 2中型网络C192 223 11000000 11011111 3个字节254 28 2小型网络 计算机导论 2 域名地址IP地址为Internet提供了统一的寻址方式 直接使用IP地址便可以访问Internet中的主机资源 但是由于IP地址只是一串数字 没有任何含意 对于用户来说 记忆起来十分困难 所以几乎所有的Internet应用软件都不要求用户直接输入主机的IP地址 而是直接使用具有一定意义的主机名 Internet的域名结构由TCP IP协议集中的域名系统 DNS DomainNameSystem 进行定义 通过域名服务器 DNS 完成由域名向IP地址的转换工作 一个域名最多由25个子域名组成 计算机导论 域名地址的一般格式 计算机名 组织机构名 二级域名 顶极域名 顶级域名可在网络信息中心 NIC 注册 NIC又将顶级域名分派给各国的指定管理机构 这些管理机构又对其管辖的域继续划分成二级域名 并将二级域的管理权授予下属的管理机构等等 如 中国的顶级域名cn由中国互联网络中心CNNIC管理 划分成二级子域名com edu gov等 edu又划分成多个三级子域 如将nankai的管理权授予南开大学 南开大学又分配主机名为dzx 即 计算机导论 Internet中计算机的地址和命名 计算机导论 计算机导论 因特网中没有有绝对权威的管理机构 接入因特网是各国独立的管理内部事物 全球具有权威性和影响力的因特网管理机构主要是因特网协会ISOC 因特网协会ISOC InternetSociety 是由各国自愿者组成的组织 该协会通过对标准的制定 全球的协调和知识的教育与培训等工作 实现推动因特网的发展 促进全球化的信息 交流 ISOC本身不经营因特网 只是通过支持相关的机构完成相应的技术管理 因特网体系结构委员会IAB InternetArchitectureBoard 是ISOC中的专门负责协调因特网技术管理与技术发展的 IAB的主要任务是根据因特网发展的需要制定技术标准 发布工作文件 进行因特网技术方面的国际协调和规划因特网发展战略 计算机导论 因特网工程任务组IETF和因特网研究任务组IETF是IAB中的两个具体部门 他们分别负责技术管理和技术发展方面的具体工作 因特网的运行管理由因特网各个层次上的管理机构负责 包括世界各地的网络运行中心 NOC 和网络信息中心 NIC 其中 NOC负责检测管辖范围内网络的运行状态 收集运行统计数据 实施对运行状态的控制等 NIC负责因特网的注册服务 名录服务 数据库服务 以及信息提供服务等 因特网域名注册机构 ICANN 成立于1998年10月 此前 网络解决方案公司NSI在1993年与美国政府签订独家域名注册服务接管 因特网号码分配机构LANA 并垄断了COM NET ORG 域名 计算机导论 3 域名服务 主机间的通讯通过IP地址进行 域名系统 DomainNameSystem DNS 把域名翻译成IP地址的软件 域名服务器 DomainNameServer 运行域名系统的主机 每个网络要设置一个域名服务器 通过域名服务器来实现入网主机名字和IP地址的转换 计算机导论 8 4 5因特网提供的服务 1 E mail通过公司网络 因特网或其他类型的网络发送消息的方式称作电子邮件或E mail 邮件服务三要素 邮件通信协议 邮件服务器和客户端程序 邮件通信协议 发送邮件协议SMTP和接收邮件协议POP3 邮件服务器 电子邮件的发送和接收是由ISP InternetServiceProvider 的邮件服务器担任的 ISP的邮件服务器24小时不停地运行 用户才可能随时发送和接收邮件 而不必考虑收件人的计算机是否打开 ISP的电子邮件服务器起到网上 邮局 的作用 客户端程序 Foxmail OutlookExpress等 Ema