第4章4.2计算机网络基础

4.2计算机网络基础4.2.1

计算机网络的组成与分类4.2.2局域网的基本原理4.2.34种以太网介绍4.2.1网络的组成与分类1什么是计算机网络2计算机网络的分类3计算机网络的组成4传输速率与带宽5网络的两种工作模式什么是计算机网络？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需要使用多种复杂的技术利用通信设备和网络软件，把多台计算机连接起来的一个系统计算机网络的组成计算机、手机、电子书、监控器等“终端设备”数据通信链路：用于传输数据的介质：双绞线、光缆、无线电波等通信控制设备：如网卡、集线器、交换器、调制解调器、路由器等，确保通信正确、可靠、有效地进行网络通信协议——共同遵循的一组的规则和约定通信如何开始、如何结束？数据如何表示？命令如何表示？通信对象如何区分？其身份如何鉴别？发生错误如何处理？等等。例如：TCP/IP,HTTP,FTP，POP3等网络操作系统和网络应用软件：实现通信协议、管理网络资源等实现各种网络应用，如浏览器、电子邮件程序、QQ、搜索引擎等计算机网络的管理——

网络操作系统网络操作系统(Networkoperatingsystem,

NOS)是指运行在服务器上的操作系统，有时也称之为“服务器操作系统”网络操作系统的责任是：支持大量客户机同时发出服务请求并快速作出响应管理并协调资源的分配与共享管理、监测与记录客户机的操作 (记录用户每一次登录和退出的时间，以及每一次使用服务器资源的情况)数据保护和错误处理等当前使用的主流网络操作系统主流网络操作系统：Linux，源代码开放，可免费得到许多应用软件UNIX系统，稳定性和安全性好，可用于大型网络微软公司的Windows系统的服务器版（如WindowsNTServer、Windows2000Server，WindowsServer2003、2008、2012等）网络管理员(超级用户)的职责：为用户建立账号(开户)、分配资源使用权限、撤销账号(销户)、维护网络正常工作和保证信息安全计算机组网的目的（1）数据通信使计算机之间可以相互传送数据，方便地交换信息（2）资源共享用户可以共享网络中其他计算机的软件、硬件和数据资源（3）实现分布式信息处理大型问题可以借助于分散在网络中的多台计算机协同完成分散在各地各部门的用户通过网络合作完成一项共同的任务（4）提高计算机系统的可靠性和可用性计算机出现故障时，网络中的计算机可以互为后备计算机负荷过重时，可将部分任务分配给空闲的计算机计算机网络的分类按使用的传输介质可分为：有线网■无线网按网络的使用性质可分为：公用网■专用网■虚拟专网(VPN)按网络的使用对象可以分为：企业网■政府网■金融网■校园网■

···按网络所覆盖的地域范围可以分为：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几种网络之间的相互关系广域网城域网城域网接入网接入网接入网局域网校园网PC将分散的用户计算机(网)接入特定城域网的各种网络通信设施个人区域网网络的主要性能指标之一：

传输速率与带宽数据传输速率即数据率(datarate)，也称为比特率(bitrate)，是计算机网络中最重要的性能指标，指数据链路中每秒传输的二进位数目速率的单位是b/s，或kb/s,Mb/s,Gb/s等千比每秒，即kb/s（103b/s）兆比每秒，即Mb/s（106b/s）吉比每秒，即Gb/s（109b/s）太比每秒，即Tb/s（1012b/s）在计算机网络中，“带宽”指的是数据链路所能达到的“最高数据传输速率”，有时也称为“信道容量”带宽与采用的传输介质、传输距离、多路复用方法、调制解调方法等密切相关，传输速率与发送/接收器速率、网络的拥挤程度等有关例：数字图像传输时间的计算 假设数据传输速率为56kb/s，传输一幅分辨率为640×480的6.5万种颜色的未压缩图像的时间是：

(640x480x16)/56000=87.8秒选讲：

计算机网络的其他性能指标误码率(errorrate)指数据传输中规定时间内出错数据占被传输数据总数的比例端－端延迟(end-enddelay)指数据从信源传送到信宿所花费的时间吞吐量(throughput)表示在单位时间内通过某个网络(或信道、接口)的数据量。吞吐量受网络的带宽或网络额定速率的限制其他：如服务质量QoS等计算机网络的两种工作模式资源：硬件、软件、数据都是计算机的资源网络中的计算机可以扮演2种不同的角色：客户机：需要使用其它计算机资源的计算机服务器：提供资源（如数据文件、磁盘空间、打印机、处理器等）给其它计算机使用的计算机每一台连网的计算机，其“身份”或者是客户机，或者是服务器，或者两种身份兼而有之计算机网络有两种基本的工作模式：对等（peer-to-peer，简称P2P）模式客户/服务器（Client/Server，简称C/S）模式

对等工作模式（P2P）网络中每台计算机既可以作为客户机也可以作为服务器例：Windows操作系统中的“网上邻居”ABLAN或WAN特点：可共享的资源主要是文件和打印机，由资源所在计算机自己管理，使用比较简单不需要专门的硬件服务器，也不需要网络管理员保证可靠性、安全性是关键A计算机可使用B的打印机B计算机可访问A计算机硬盘中的文件因特网应用中的P2P工作模式P2P是通过网络中计算机与计算机之间直接交换来相互共享计算机资源的一种应用模式以前P2P模式以局域网使用居多，近些年它已在因特网上广泛使用，例如：文件共享：BitTorrent(BT下载)，eMule(电驴)，迅雷即时通信：QQ、MSNMessenger流媒体服务：Skype（网络IP电话）对等协同计算P2P业务已占互联网业务流量的60%以上（P2P模式）（C/S模式）服务器举例：BT下载的工作原理ACBD客户/服务器工作模式（C/S）特点：网络中的计算机有专门分工，有的是客户机，有的是服务器服务器大多是一些专门设计的性能较高的计算机，并发处理能力强，存储容量大，网络数据传输速率高服务器按用途分为：Web服务器、打印服务器、邮件服务器、文件服务器、数据库服务器等文件服务器打印服务器客户机客户机提出服务请求，使用服务器所提供的资源服务器用于提供资源，为客户机服务Client/Server的工作过程客户机用户必须预先在服务器上注册，由网络管理员为该用户分配访问网络资源的权限。每个注册用户都有自己的账号和口令，并获得使用某些服务的授权需要获得服务时，用户应先登录(login，输入用户名和口令)，登录成功后才能访问服务器上的资源客户机向服务器提出请求(例如访问某个文件)，服务器响应请求，找到该文件，然后将文件传送给客户机(服务器)LAN或WAN(客户机)

请求

请求

结果

结果C/S模式例1：文件服务文件服务(又叫做“共享存储服务”)客户机可以使用服务器中可共享的数据文件，使用方法如同使用本地磁盘一样必须在获得服务器授权的情况下进行文件服务器有访问权限无访问权限(如果是共享服务器中的程序，则一般是将该程序下载到客户机中然后再在客户机中运行，需购买软件的多用户版本和软件许可证)C/S模式例2：打印服务打印服务：共享打印机打印服务器（管理程序）共享的打印机客户机2客户机1打印管理程序的一般原则是先来先服务(排队处理)可以更改打印任务的顺序，也可取消某个正在排队的打印任务例3：ATM柜员机例：银行ATM自动柜员机的工作过程:ATM机是金融计算机网络上的客户机，它是一台嵌入式计算机，供存款、取款、查询等使用服务器在银行的计算中心，是一台大(巨)型计算机，具有一个非常庞大的数据库取款操作时的工作过程：ATM将用户身份信息送到服务器服务器检查是否为合法用户，给出提示用户输入取款数服务器检查是否在允许范围，若可，记帐，发命令给ATM输出现款···WAN4.2.2局域网的基本原理局域网(LAN)的特点与组成单位自建自管，地理范围有限使用专门铺设的传输介质进行连网数据传输速率高(10Mbps～10Gbps)、延迟时间短数据传输误码率低(10-8～10-11)路由器防火墙服务器共享打印机局域网集线器/交换机广域网广域网双绞线、同轴电缆、光纤或者无线电波连接的每台设备都装有网络接口卡(网卡)，计算机通过网卡和传输介质相互连接计算机不同局域网采用不同的拓扑结构总线型局域网环型局域网星型局域网树形局域网(令牌网、FDDI)(交换式以太网)(共享总线以太网)(千兆/万兆以太网)以太网原理(1)：MAC地址以太网中，每台计算机都需要安装1块网卡，每块以太网卡都有1个全球惟一的编号，称为MAC地址，也称为该计算机的物理地址MAC地址使用48位表示，例如：0002AC39FEAE（16进制）前三个字节(即高位24位)由IEEE分配给厂家后三个字节(即低位24位)由厂家分配给网卡网卡便携机网卡网卡即计算机的通信控制器网络中每台计算机都应安装网卡网卡的功能大多已集成在芯片组中，即所谓的“集成网卡”以太网原理(2)：

帧格式在以太网上传输数据，也采用将数据分组（包）的方法，以太网上的分组，称为“MAC帧”每个MAC帧格式如下：发送的数据CRC接收计算机MAC地址发送计算机MAC地址循环冗余校验码，可提高数据传输的可靠性有效载荷网卡从网络上每收到一个MAC帧，就检查其中的MAC地址：如果是送往本机的帧，则收下进行处理否则，就将此帧丢弃，不做任何处理4.2.3四种以太网介绍近几年局域网技术的变化与发展方向是：

◆技术单一化（交换式以太网）

◆传输高速化（千兆网、万兆网）

◆主干采用树形结构

◆无线局域网（WLAN）开始普及以太网之1：总线式以太网以集线器(hub)为中心，每台计算机通过以太网卡和双绞线连接到集线器的一个端口，通过集线器与其他节点相互通信

集线器ABCD把一个端口接收到的帧向所有端口分发出去，并对信号进行放大，以扩大网络的传输距离，起着中继器的作用

有效载荷(传输的数据)校验信息发送计算机MAC地址接收计算机MAC地址AD(以太网数据帧)总线以太网之2：交换式以太网以以太网交换机(Ethernetswitch)为中心构成以太网交换机是一种高速电子交换器，连接在交换机上的所有计算机均可同时相互通信总线式以太网交换式以太网Hub向所有计算机发送数据帧（广播），由计算机选择接收交换机按MAC地址将数据帧直接发送给指定的计算机1次只允许1对计算机进行数据帧传输允许多对计算机同时进行数据帧传输实质上是总线式拓扑结构星形拓扑结构所有计算机共享一定的带宽每个计算机各自独享一定的带宽（例如：1→3；2→5；4→6同时传输）以太网交换机123456以太网之3：千(万)兆位以太网Web服务器邮件服务器数据库服务器网管工作站防火墙千兆交换机路由器光缆光缆光缆光缆双绞线百兆交换机双绞线光缆光缆网络信息中心双绞线教学楼图书馆化学楼物理楼实验室万兆交换机不同速率的以太网交换机可以按层次方式互相连接起来，构成“校—院系—室、组”的多层次的局域网传输介质(光纤)的长度可达几公里以太网之4:无线局域网组成：无线网卡+无线接入点等无线网卡交换机无线接入点无线接入点使用扩频方式通信，具有抗干扰、抗噪声能力。室外覆盖距离通常可达100～300米，室内一般为30米左右每台计算机都需要有1块无线网卡无线局域网还不能完全脱离有线网络，它只是有线网络的补充无线接入点（WirelessAccessPoint，简称WAP或AP）提供从无线节点对有线局域网和从有线局域网对无线节点的访问，实际上就是一个无线交换机。无线接入点APAP实际上就是一个无线集线器或交换机产品形式：无线集线器无线路由器ADSLModem电源天线无线路由器或CableModem变通解决办法：笔记本电脑设置为AP3G手机作为AP小结：几种以太网的比较名称网络速率物理层数据链路层共享总线以太网10Mbps5类双绞线,<100m总线拓扑,广播通信MAC帧，MAC地址CSMA/CD交换式以太网10～100Mbps5类双绞线或光纤,<100m,星形拓扑MAC帧，MAC地址CSMA/CD千(万)兆以太网1～10Gbps光纤，或4对5类线，星形拓扑MAC帧，MAC地址半双工方式下使用CSMA/CD协议无线局域网11,54,108Mbps无线电波（5.8GHz或2.4GHz频段）MAC帧，MAC地址附:以太网卡和以太网交换机以太网使用的传输介质同轴电缆（早期使用） 速率为10Mbps的以太网，价格高双绞线（5类线）

大量用于速率为10Mbps和100Mbps的以太网光纤 用于速率为千兆(1Gbps)和万兆(10Gbps)的以太网双绞线和RJ45插头(水晶头)是目前以太网使用最多的传输介质以太网使用的网卡功能：按照以太网的传输协议(IEEE802.3标准)，实现计算机之间的数据通信按传输速率分为：10Mbps网卡(10Base-T)100Mbps网卡(100Base-T)10/100Mbps自适应网卡100/1000Mbps自适应网卡按产品形态分为：独立网卡集成网卡(由芯片组实现网卡功能)笔记本电脑使用的网卡台式机使用的网卡选讲：

网卡的具体功能1在计算机与网络之间建立一个通信链路(link)，通过传输介质发送信息和接收信息2将数据分成帧(frame)、以帧为单位发送和接收信息3将计算机的输出转换为适合网络传输的信号(并－串转换、码型转换、电平转换···)每块网卡均由生产厂家分配一个全球惟一的MAC地址，该地址就是使用这块网卡的节点MAC地址,也是这台计算机的物理地址网卡转换成串行信号通过网线发送到网络计算机需发送的信息以并行方式送至网卡选讲：

以太网卡结构示意图发送的数据CRC同步码帧类型接收计算机MAC地址发送计算机MAC地址

8B6B6B2B46~1500B4B帧头部帧数据区以太网数据帧的格式：MAC地址用48位表示，例如：0002AC39FEAE（16进制形式）循环冗余校验发送控制冲突检测接收控制发送器接收器以太网控制部件网线接口

主机接口以太网卡的逻辑结构：曼彻斯特编码/解码器选讲：

以太网交换机数据帧：以太网帧格式以太网交换机的工作过程：接收某个节点输入的1个帧通过CRC检测数据传输有无错误若有错，通知发送计算机重新发送若无错