计算机网络_网络知识基础

1、第 1 章 计算机网络基础1.1 什么是计算机网络1.1.1 计算机的产生与发展1.1.2 计算机网络的定义1.1.3 计算机网络的功能 1.1.4 计算机网络的应用与发展1.2 计算机网络的组成与结构1.2.1 计算机网络的物理组成1.2.2计算机网络的逻辑组成1.3 计算机网络的分类第 1 章 计算机网络基础1.4 计算机网络的拓扑结构1.4.1 计算机网络拓扑的基本构型1.4.2 计算机网络拓扑的分类1.4.3 总线型拓扑结构1.4.4 星形拓扑结构1.4.5 环形拓扑结构1.1 什么是计算机网络 1.1.1 计算机的产生与发展n以单台计算机为中心的联机终端网络以单台计算机为中心的联机终

2、端网络n多个主计算机通过线路互联的计算机网多个主计算机通过线路互联的计算机网络络n具有统一的网络体系结构、遵循国际标具有统一的网络体系结构、遵循国际标准化协议的计算机网络准化协议的计算机网络n因特网时代（因特网时代（InternetInternet）以单台计算机为中心的联机终端网络 在这个阶段，联机终端是一种主要在这个阶段，联机终端是一种主要的系统结构形式。所谓终端就是不具有的系统结构形式。所谓终端就是不具有处理和存储能力的计算机。这种以单主处理和存储能力的计算机。这种以单主机互联系统为中心的互联系统，即主机机互联系统为中心的互联系统，即主机面向终端系统。如图所示：面向终端系统。如图所示：联机

3、终端网络的缺点：一、主机负荷较重，既要承担通信任务，又要进一、主机负荷较重，既要承担通信任务，又要进行数据处理；行数据处理；二、通信线路的利用率低，尤其在远距离时，分二、通信线路的利用率低，尤其在远距离时，分散的终端都需要独占一条通信线路，不仅通信散的终端都需要独占一条通信线路，不仅通信费用昂贵而且通信线路利用率低；费用昂贵而且通信线路利用率低；三、这种结构属集中控制方式，可靠性低。三、这种结构属集中控制方式，可靠性低。多个主计算机通过线路互联的计算机网络 将多个单主机互联系统相互连接起将多个单主机互联系统相互连接起来，以多处理机为中心的网络，并利用来，以多处理机为中心的网络，并利用通信线路将

4、多台主机连接起来，为终端通信线路将多台主机连接起来，为终端用户提供服务，如图所示：用户提供服务，如图所示：具有统一的网络体系结构、遵循国际标准化协议的计算机网络 在第三代网络出现以前，各厂家为在第三代网络出现以前，各厂家为了霸占市场，采用自己独特的技术并开了霸占市场，采用自己独特的技术并开发了自己的网络体系结构，网络无法实发了自己的网络体系结构，网络无法实现不同厂家设备互连，这样就阻碍了大现不同厂家设备互连，这样就阻碍了大范围网络的发展。后来，为了实现网络范围网络的发展。后来，为了实现网络大范围的发展和不同厂家设备的互连，大范围的发展和不同厂家设备的互连，19771977年国际标准化组织年国际

5、标准化组织ISOISO提出一个标准提出一个标准框架框架OSIOSI（Open System Open System Interconnection/ Reference ModelInterconnection/ Reference Model， 开放系统互连参考模型）共七层。开放系统互连参考模型）共七层。19841984年年正式发布了正式发布了OSIOSI，使厂家设备、协议达到，使厂家设备、协议达到全网互连。全网互连。因特网时代（Internet） 第四代网络是随着数字通信出现和光第四代网络是随着数字通信出现和光纤的接入而产生的，其特点：网络化、综纤的接入而产生的，其特点：网络化、综合化、高

6、速化及计算机协同能力。合化、高速化及计算机协同能力。 InternetInternet的网络体系结构采用的网络体系结构采用TCP/IPTCP/IP协议集。协议集。TCP/IPTCP/IP协议集由一组以协议集由一组以TCPTCP和和IPIP为代表的协议构成，采用四层结构。它简为代表的协议构成，采用四层结构。它简单实用，能满足不同服务需求的数据传输，单实用，能满足不同服务需求的数据传输，已成为业内公认的标准。使用已成为业内公认的标准。使用TCP/IPTCP/IP可方可方便地将不同类型的主机和网络互联。便地将不同类型的主机和网络互联。TCP/IP 四层协议的表示方法举例 应用层运输层网际层网络接口层

7、主机A主机B路由器网络 2网络 1应用层运输层网际层网络接口层网际层网络接口层4321沙漏计时器形状的TCP/IP协议族 HTTPSMTPDNSRTPTCPUDPIP网际层网络接口层运输层应用层网络接口 1网络接口 2网络接口 3Everything over IP IP 可为各式各样的应用程序提供服务IP over Everything IP 可应用到各式各样的网络上因特网时代（续）n因特网的基础结构大体上经历了三个阶因特网的基础结构大体上经历了三个阶段的演进。段的演进。n但这三个阶段在时间划分上并非截然分但这三个阶段在时间划分上并非截然分开而是开而是有部分重叠有部分重叠的，这是因为网络的的

8、，这是因为网络的演进是逐渐的而不是突然的。演进是逐渐的而不是突然的。因特网发展的第一阶段n第一个分组交换网第一个分组交换网 ARPANETARPANET 最初只是一个单个最初只是一个单个的分组交换网。的分组交换网。 nARPAARPA 研究多种网络互连的技术。研究多种网络互连的技术。n1983 1983 年年 TCP/IP TCP/IP 协议成为协议成为标准协议标准协议。n同年，同年，ARPANETARPANET分解成两个网络：分解成两个网络：nARPANETARPANET进行实验研究用的科研网进行实验研究用的科研网nMILNETMILNET军用计算机网络军用计算机网络n19831984 19

9、831984 年，形成了年，形成了因特网因特网 InternetInternet。n1990 1990 年年 ARPANETARPANET 正式宣布关闭。正式宣布关闭。 因特网发展的第二阶段n1986 1986 年，年，NSF NSF 建立了国家科学基金网。建立了国家科学基金网。 NSFNETNSFNET。它是一个三级计算机网络：。它是一个三级计算机网络： n主干网主干网n地区网地区网n校园网校园网n19911991 年，美国政府决定将因特网的主干网转年，美国政府决定将因特网的主干网转交给私人公司来经营，并开始对接入因特网的交给私人公司来经营，并开始对接入因特网的单位收费。单位收费。n1993

10、 1993 年因特网主干网的速率提高到年因特网主干网的速率提高到 45 Mb/s45 Mb/s（T3 T3 速率）。速率）。 三级结构的因特网n各网络之间需要使用各网络之间需要使用路由器路由器来连接来连接。n有时在结构图中可不画出路由器。有时在结构图中可不画出路由器。校园网校园网校园网校园网校园网校园网国家主干网地区网地区网地区网路由器三级结构的因特网n主机到主机的通信可能要经过多种网络。主机到主机的通信可能要经过多种网络。校园网校园网校园网校园网校园网校园网国家主干网地区网地区网地区网因特网发展的第三阶段n从从19931993年开始，由美国政府资助的年开始，由美国政府资助的 NSFNETNS

11、FNET逐逐渐被若干个商用的渐被若干个商用的 ISP ISP 网络所代替。网络所代替。 n1994 1994 年开始创建了年开始创建了 4 4 个网络接入点个网络接入点 NAP NAP (Network Access Point)(Network Access Point)，分别由，分别由 4 4 个电信个电信公司经营。公司经营。nNAP NAP 就是用来交换因特网上流量的结点。在就是用来交换因特网上流量的结点。在NAP NAP 中安装有性能很好的交换设施。到本世纪中安装有性能很好的交换设施。到本世纪初，美国的初，美国的 NAP NAP 的数量已达到十几个。的数量已达到十几个。n从从 1994

12、 1994 年到现在，因特网逐渐演变成多级结年到现在，因特网逐渐演变成多级结构网络。构网络。 多级结构的因特网大公司地区 ISP网络接入点NAP（对等点）公司校园网主干服务提供者校园网校园网校园网校园网本地 ISP地区 ISP地区 ISP地区 ISP本地 ISP本地 ISP大公司大公司网络接入点NAP（对等点）n主机到主机的通信可能经过多种主机到主机的通信可能经过多种 ISPISP。今日的多级结构的因特网n大致上可将因特网分为以下五个接入级 n网络接入点网络接入点 NAPNAPn国家主干网（主干国家主干网（主干 ISPISP）n地区地区 ISPISPn本地本地 ISPISPn校园网、企业网或校

13、园网、企业网或 PC PC 机上网用户机上网用户1.1.2 计算机网络的定义 在计算机网络发展过程中，人们在不在计算机网络发展过程中，人们在不同阶段或从不同角度对计算机网络提出了同阶段或从不同角度对计算机网络提出了不同的定义，其中比较典型的有不同的定义，其中比较典型的有 3 3 类：类：广义的观点、资源共享的观点和用户透明广义的观点、资源共享的观点和用户透明性的观点。性的观点。n广义的观点：计算机网络是以实现远程计算机网络是以实现远程通信为目的，一些互连的、独立自治的通信为目的，一些互连的、独立自治的计算机的集合。计算机的集合。n资源共享的观点：计算机网络是把地理计算机网络是把地理位置上分散的

14、，能够相互共享资源的方位置上分散的，能够相互共享资源的方式连接起来，并且各自具有独立功能的式连接起来，并且各自具有独立功能的计算机系统的集合。计算机系统的集合。n用户透明的观点：计算机网络是一组相计算机网络是一组相互连接在一起的计算机系统的集合，使互连接在一起的计算机系统的集合，使得整个网络像一个大的计算机系统一样，得整个网络像一个大的计算机系统一样，因此它对用户是透明的。因此它对用户是透明的。 1.1.3 计算机网络的功能n资源共享资源共享n数据通信数据通信n进行数据信息的集中和综合处理进行数据信息的集中和综合处理 n均衡负载，相互协作均衡负载，相互协作n提高了系统的可靠性和可用性提高了系统

15、的可靠性和可用性n进行分布式处理进行分布式处理 1.1.4 计算机网络的应用与发展 计算机网络应用的特征：n应用的多样性应用的多样性n新应用的产生速度加快新应用的产生速度加快n应用的领域日趋广泛应用的领域日趋广泛典型的网络应用：n方便的信息检索方便的信息检索n现代化的通信方式现代化的通信方式n办公自动化办公自动化n电子商务与电子政务电子商务与电子政务 n企业的信息化企业的信息化n远程教育与远程教育与 E-learningE-learningn丰富的娱乐和消遣丰富的娱乐和消遣 n军事指挥自动化军事指挥自动化1.2 计算机网络的组成与结构计算机网络的组成可以从物理组成和计算机网络的组成可以从物理组

16、成和逻辑组成两个角度进行理解。逻辑组成两个角度进行理解。1.2.1计算机网络的物理组成 计算机网络的物理构成主要是从资计算机网络的物理构成主要是从资源构成的角度讲，由源构成的角度讲，由网络硬件系统网络硬件系统和和网网络软件系统络软件系统组成。组成。硬件系统：硬件系统：构成局域网的所有物理设备总和构成局域网的所有物理设备总和硬件系统的组成部分：硬件系统的组成部分：服务器、工作站、传服务器、工作站、传输介质、网卡、交换机、集线器、调制解输介质、网卡、交换机、集线器、调制解调器、路由器、光纤、终端调器、路由器、光纤、终端 计算机网络的软件系统包括计算机网络的软件系统包括网络通网络通信协议信协议、网络

17、操作系统网络操作系统和和网络应用软件网络应用软件。网络通信协议：网络通信协议：计算机与计算机之间通计算机与计算机之间通信时应遵循的协议，如目前因特网上使信时应遵循的协议，如目前因特网上使用的用的TCP/IPTCP/IP协议等。协议等。网络操作系统：网络操作系统：能使网络上多台计算机能使网络上多台计算机方便而有效的共享网络资源，为用户提方便而有效的共享网络资源，为用户提供所需各种服务的操作系统软件。目前，供所需各种服务的操作系统软件。目前，最为流行的网络操作系统为最为流行的网络操作系统为Windows NTWindows NT、UNIXUNIX、LinuxLinux等。等。网络应用软件：网络应用

18、软件：构建在网络操作系统上构建在网络操作系统上的应用程序，不同的应用软件，可以满的应用程序，不同的应用软件，可以满足网络用户不同的需求，如网络数据库足网络用户不同的需求，如网络数据库软件，网络通信软件等。软件，网络通信软件等。1.2.2 计算机网络的逻辑组成 从功能上将计算机网络逻辑划分为从功能上将计算机网络逻辑划分为资源子网资源子网和和通信子网通信子网，如图所示：，如图所示：资源子网与通信子网结构将应用与通信功能从逻辑上分离，产生了通信将应用与通信功能从逻辑上分离，产生了通信子网与资源子网的概念子网与资源子网的概念Host资源子网资源子网通信子网通信子网网络逻辑划分：资源子网与通信子网n资源

19、子网提供用户访问网络和处理数据的能力。提供用户访问网络和处理数据的能力。包括加入网络的所有的计算机、终端外设及包括加入网络的所有的计算机、终端外设及各种软件和数据资源各种软件和数据资源 n通信子网提供网络的通信功能（数据的传输与转发）提供网络的通信功能（数据的传输与转发）包括通信处理机通信设备与通信线路包括通信处理机通信设备与通信线路 CCCHHH资源子网资源子网通信子网通信子网在通信子网外可有在通信子网外可有多个资源子网，共多个资源子网，共享通信子网的服务享通信子网的服务HH1.3 计算机网络的分类计算机网络的分类方法很多，按照不同计算机网络的分类方法很多，按照不同的分类标准，可以将计算机网

20、络分为多的分类标准，可以将计算机网络分为多种不同的类型。种不同的类型。n按通信传输介质划分：按通信传输介质划分：可分为有线网络可分为有线网络和无线网络和无线网络n按使用网络的对象分类：按使用网络的对象分类：可分为专用网可分为专用网和公用网和公用网n按网络的拓扑结构分类：按网络的拓扑结构分类：星形拓扑、环星形拓扑、环形拓扑、总线型拓扑。网状拓扑、树形形拓扑、总线型拓扑。网状拓扑、树形拓扑等都是以上述拓扑等都是以上述3 3类拓扑结构的扩展。类拓扑结构的扩展。n按数据传输方式分类：按数据传输方式分类：分为分为“广播网络广播网络”和和“点对点网络点对点网络”n按网络的覆盖范围进行分类：按网络的覆盖范围

21、进行分类：分为局域分为局域网、城域网和广域网网、城域网和广域网广域网、城域网、接入网以及局域网的关系 城域网城域网接入网接入网接入网接入网接入网接入网广域网局域网局域网校园网企业网1.4 计算机网络的拓扑结构1.4.1 计算机网络拓扑的基本构型 网络拓扑是指从计算机网络中抽象网络拓扑是指从计算机网络中抽象出来的网络结点与线构成的网络几何形出来的网络结点与线构成的网络几何形状，或者说它在物理上的连通性。状，或者说它在物理上的连通性。 网络的拓扑结构按几何形状主要有网络的拓扑结构按几何形状主要有以下几种基本构型：以下几种基本构型：星形拓扑型、总线星形拓扑型、总线拓扑型、环形拓扑型、树形拓扑型、网拓

22、扑型、环形拓扑型、树形拓扑型、网状拓扑型。状拓扑型。二、常见的网络拓扑结构二、常见的网络拓扑结构总线型星星 型型环环 型型树树 型型网状型网状型为什么要研究网络的拓朴结构 n网络拓朴结构反映了计算机网络中各设备网络拓朴结构反映了计算机网络中各设备结点之间的内在结构关系，是决定网络性结点之间的内在结构关系，是决定网络性能的主要因素能的主要因素 。n构造网络时，首先要选择采用何种网络拓构造网络时，首先要选择采用何种网络拓朴结构来物理连接所有的节点与计算机。朴结构来物理连接所有的节点与计算机。 1.4.2 计算机网络拓扑的分类 根据通信子网中通信信道类型，网根据通信子网中通信信道类型，网络拓扑可以分

23、为两类：广播信道通信子络拓扑可以分为两类：广播信道通信子网的拓扑与点对点线路通信子网的拓扑。网的拓扑与点对点线路通信子网的拓扑。 采用广播信道通信子网的基本拓扑采用广播信道通信子网的基本拓扑结构有结构有4 4种：总线型、环形、树形、无线种：总线型、环形、树形、无线通信与卫星通信型。这一类主要以局域通信与卫星通信型。这一类主要以局域网的总线型拓扑结构为代表。网的总线型拓扑结构为代表。 采用点对点线路通信子网的基本拓采用点对点线路通信子网的基本拓扑结构也有扑结构也有4 4种：网状形、星形、环形与种：网状形、星形、环形与树形。目前实际存在与使用的广域网结树形。目前实际存在与使用的广域网结构，大多采用

24、网状拓扑结构。构，大多采用网状拓扑结构。1.4.3 总线型拓扑结构 由于所有的结点共享一条公用的传输由于所有的结点共享一条公用的传输链路，所以一次只能由一个设备传输。链路，所以一次只能由一个设备传输。这样就需要某种形式的访问控制策略，这样就需要某种形式的访问控制策略，来决定下一次哪一个结点可以发送。一来决定下一次哪一个结点可以发送。一般情况下，总线型网络采用载波监听多般情况下，总线型网络采用载波监听多路访问路访问/ /冲突检测（冲突检测（CSMA/CDCSMA/CD）控制策略。）控制策略。 总线型网络信息发送的过程为：发送总线型网络信息发送的过程为：发送时，发送结点对报文进行分组，然后一时，发

25、送结点对报文进行分组，然后一次一个地址依次发送这些分组，有时要次一个地址依次发送这些分组，有时要与其他工作站传来的分组交替地在通信与其他工作站传来的分组交替地在通信介质上传输。当分组经过各结点时，目介质上传输。当分组经过各结点时，目标结点将识别分组的地址，然后将属于标结点将识别分组的地址，然后将属于自己的分组内容复制下来。自己的分组内容复制下来。总线型拓扑结构总线型拓扑结构总线型拓扑结构的优点：n布线容易、电缆用量小布线容易、电缆用量小n可靠性高可靠性高n易于扩充易于扩充n易于安装易于安装总线型拓扑结构的局限性：n故障诊断困难故障诊断困难n故障隔离困难故障隔离困难n中继器配置中继器配置n通信介

26、质或中间某一接口点出现故障，通信介质或中间某一接口点出现故障，整个网络随即瘫痪整个网络随即瘫痪n终端必须是智能的终端必须是智能的1.4.4星形拓扑结构 星形拓扑结构是中央结点和通过点星形拓扑结构是中央结点和通过点到点链路连接到中央结点的各结点组成。到点链路连接到中央结点的各结点组成。 利用星形拓扑结构的交换方式有电路交利用星形拓扑结构的交换方式有电路交换和报文交换，尤以电路交换更为普遍。换和报文交换，尤以电路交换更为普遍。 一旦建立了通道连接，可以没有延迟地一旦建立了通道连接，可以没有延迟地在连通的两个结点之间传送数据。工作在连通的两个结点之间传送数据。工作站到中央结点的线路是专用的，不会出站到中央结点的线路是专用的，不会出现拥挤的瓶颈现象。现拥挤的瓶颈现象。 星形拓扑结构信息发送的过程为： 某一工作站有信息发送时，将向中央结某一工作站有信息发送时，将向中央结点申请，中央结点响应该工作站，并将点申请，中央结点响应该工作站，并将该工作站与目的工作站或服务器建立会该工作站与目的工作站或服务器建立会话。此时，就可以进行无延时的会话了。话。此时，就可以进行无延时的会话了。星型拓扑结构星型拓扑结构