第7章-网络基础知识

第7章网络基础7.1计算机网络概述7.2计算机网络的组成7.3计算机网络协议及体系结构7.4常用局域网的操作与应用7.5计算机网络安全7.1计算机网络概述计算机网络的定义计算机网络的功能与应用计算机网络的分类7.1.1计算机网络的定义计算机网络是把分布在不同地点，并具有独立功能的多个计算机系统通过通信设备和线路连接起来，在功能完善的网络软件和协议的管理下，以实现网络中资源共享为目标的系统。计算机互连网络系统基本模型AB存储器A机能使用B机的存储器B机能使用A机的打印机现代计算机网络逻辑结构示意图以太网以太网以太网以太网路由器路由器路由器路由器路由器路由器通信子网7.1.2计算机网络的功能与应用计算机网络的功能数据通信传输各种类型的信息,包括数据信息和图形、图像、声音、视频流等各种多媒体信息。资源共享硬件资源、软件资源、数据资源和信道资源分布与协同处理把要处理的任务分散到各个计算机上运行，而不是集中在一台大型计算机上。提高系统的可靠性和可用性计算机网络的应用计算机网络的应用办公自动化数字通信分布式计算信息查询远程教育虚拟现实电子商务企业管理与决策7.1.3计算机网络的分类根据地理范围分类

根据网络连接的地理范围,可将计算机网络分成局域网、城域网、广域网三种类型。

1、局域网（LocalAreaNetwork，LAN）局域网的作用范围是10km以内，通常用于组建企业网和校园网。局域网连接示意图服务器工作站工作站工作站打印机2、城域网（WideAreaNetwork，WAN）城域网是局域网的延伸,用于局域网之间的连接,网络规模局限在一座城市范围内,覆盖的地理范围从几十至几百千米。城域网络路由器计算机城域网链接示意图

3、广域网（WideAreaNetwork，WAN）

广域网是指在一个很大地理范围（从数百公里到数千公里，甚至上万公里）由许多局域网组成的网络。广域网是将远距离的网络和资源连接起来的任何系统，主要用在一个地区、行业甚至在全国范围内组网,达到资源共享的目的。公用交换网MANLANMANLAN广域网连接示意图广域网、城域网和局域网的连接关系示意图

WAN

MAN

MANLANLANLANLAN4、互联网

又称为网际网，是用网络互连设备将各种类型的广域网和局域网互联起来形成的，可以说网际网就是网络的网络。例如，Internet就是网际网的典型代表。根据拓扑结构分类

在计算机网络中，抛开网络中的具体设备，把服务器、工作站等网络单元抽象为“点”，把网络中的电缆、双绞线等传输介质抽象为“线”。

计算机网络的拓扑结构就是指计算机网络中的通信线路和结点相互连接的几何排列方法和模式。拓扑结构影响着整个网络的设计、功能、可靠性和通信费用等许多方面，是决定局域网性能优劣的重要因素之一。1、总线型拓扑结构

总线型拓扑结构是指所有结点共享一根传输总线,所有的站点都通过硬件接口连接在这根传输线上。

优点：结构简单，价格低廉、安装使用方便。

缺点：故障诊断和隔离比较困难。总线型拓扑结构示意图打印机磁盘工作站工作站工作站工作站终接器终接器服务器2、星型拓扑结构

星型拓扑结构是符合令牌协议的高速局域网络。它是以中央结点为中心，把若干外围结点连接起来的幅射式互连结构。

优点：单点故障不影响全网，结构简单。增删节点及维护管理容易；故障隔离和检测容易，延迟时间较短。

缺点：成本较高，资源利用率低；网络性能过于依赖中心节点。星型拓扑结构示意图工作站工作站工作站工作站服务器集线器3、环型拓扑结构

环型拓扑结构将所有网络结点通过点到点通信线路连接成闭合环路,数据将沿一个方向逐站传送，每个结点的地位和作用相同，且每个结点都能获得执行控制权。

优点：简化路径选择控制，传输延迟固定,实时性强,可靠性高。

缺点：节点过多时,影响传输效率。环某处断开会导致整个系统的失效，节点的加入和撤出过程复杂。环型拓扑结构示意图工作站工作站工作站服务器工作站工作站4、树型拓扑结构

树型结构是星型结构的扩展，它由根结点和分支结点所构成。

优点：结构比较简单，成本低。扩充节点方便灵活。

缺点：对根的依赖性大。树型拓扑结构示意图工作站工作站打印机服务器集线器集线器集线器集线器5、网状拓扑结构

网状拓扑结构中的所有结点之间的连接是任意的,没有规律。实际存在与使用的广域网基本上都采用网状拓扑结构。

优点：具有较高的可靠性。某一线路或节点有故障时，不会影响整个网络的工作。

缺点：结构复杂，需要路由选择和流控制功能，网络控制软件复杂，硬件成本较高，不易管理和维护。网状拓扑结构示意图工作站工作站工作站路由器工作站路由器路由器路由器按传输介质分类1、有线网（WiredNetwork）⑴双绞线：其特点是比较经济、安装方便、传输率和抗干扰能力一般，广泛应用于局域网中。⑵同轴电缆：俗称细缆，现在逐渐淘汰。⑶光纤电缆：特点是光纤传输距离长、传输效率高、抗干扰性强，是高安全性网络的理想选择。2、无线网（WirelessNetwork）

如无线电话网、语音广播网、无线电视网、微波通信网和卫星通信网等。按交换方式分类

可分成电路交换网（如电话系统）、报文交换、分组交换（如因特网，ATM网络）。1、电路交换

电路交换是根据电话交换原理发展起来的一种直接交换方式。电路交换的过程分为3个步骤：在传输任何数据之前，要先经过呼叫过程建立一条端到端的电路。在整个数据传输过程中，所建立的电路必须始终保持连接状态。数据传输结束后，由某一方发出拆除请求然后逐节拆除到对方节点。(1)电路建立(2)数据传输(3)电路拆除2、报文交换

报文交换类似于发送信件，是以报文为单位发送信息，不管发送数据的长度是多少都把它当作一个逻辑单元（报文）。

每个报文由报头、正文和报尾三部分组成。报头中包含发送计算机的地址和接收信息的计算机地址。通信子网根据报头目的地址选择路径在两个结点之间的一段链路上逐段传输，不需要在两个主机之间建立多个结点组成的通道。主机A主机BCCCDCGCA通信子网CFCBCE报文交换过程3、分组交换

分组交换是报文交换的改进。它将报文分成若干个分组,每个分组的长度有一个上限,有限长度的分组使得每个节点所需的存储能力降低了，以提高交换速度。分组交换适用于交互式通信，如终端与主机通信。

分组交换是在电路交换和报文交换的基础上发展起来的,因而结合了两者的优点,并且有数据报方式和虚电路方式。1010010101…

0110011010首部数据首部数据首部数据报文分组分组的构成按通信协议分类

根据协议把网络分成以太网（采用CSMA/CD协议）、令牌环网（采用令牌环协议）、分组交换网（采用X.25协议）等。按带宽速率分类

根据传输速率，可分为低速网、中速网和高速网。低速网传输速率低于10Kb/s，中速网络传输速率为几至几十Mb/s，高速网络传输速率为100M至几个Gb/s。根据网络的带宽，可分为基带网（窄带网）和宽带网。一般说来，高速网是宽带网，低速网是窄带网。按适用范围分类

按使用范围，可划分为公用网（如中国公用分组交换网CHINAPAC）和专用网（如公司内部网）。7.2计算机网络的组成计算机网络的基本组成计算机网络协议及体系结构常用局域网的操作与应用计算机网络安全7.2.1计算机网络的基本组成一个典型的计算机网络主要是由计算机系统、数据通信系统、网络软件及协议三大部分组成。计算机系统是网络的基本构成，为网络内的其他计算机提供共享资源；数据通信系统是连接网络基本模块的桥梁，它提供各种连接技术和信息交换技术；网络软件是网络的组织者和管理者，在网络协议的支持下，为网络用户提供各种服务。1、计算机系统

计算机系统主要完成数据信息的收集、存储、处理和输出任务，并提供各种网络资源。计算机系统中，根据在网络中的用途，可分为服务器和工作站。网络服务器（Server）

为网络提供共享资源并对这些资源进行管理的计算机，是网络的核心。服务器有文件服务器、通信服务器、数据库服务器、打印服务器、磁盘服务器等，其中文件服务器是最基本的。工作站（WorkStation）

与服务器相对应，其他网络计算机被称为网络工作站，简称工作站，一些场合下，也被称为客户机（相对于服务器而言）。2、数据通信系统

数据通信系统主要包括网络适配器、传输介质和网络互连设备等。网络适配器

网络适配器俗称网卡或网络接口板，它是将服务器、工作站连接到通信介质上并进行电信号的匹配、实现数据传输的部件。

网卡通常就是一块插件板，插在PC机的扩展槽中。计算机通过网卡上的电缆接头接入网络的电缆系统。传输介质

传输介质充当网络中数据传输的通道。传输介质决定了网络的传输速率、网络段的最大长度、传输的可靠性及网卡的复杂性。

一般来说，中、高速局域网中使用双绞线、同轴电缆；在对网速要求很高的场合，如视频会议，则采用光纤；在远距离传输中，使用光纤和卫星通信线路；在有移动节点的网络中采用无线通信。网络互连设备

网卡和传输介质将多台计算机连接起来后，通常网络中还需要用到一些专用的通信设备，其作用通常是将网与网之间的互连及路径的选择。

常用的互连设备有集线器、中继器、交换机等。3、网络软件

网上信息的流通、处理、加工、传输和使用则依赖于网络软件。网络软件大致分为网络操作系统、网络数据库管理系统和网络应用软件3个层次。网络操作系统

网络操作系统决定网络的使用方法和使用性能的关键。

网络操作系统主要由服务器操作系统、网络服务软件、工作站软件、网络环境软件组成。网络操作系统能够让服务器和客户机共享文件和打印功能，也提供如通信、安全性和用户管理等服务。

常见的网络操作系统有WindowsServer，NetWare和Unix、Linux等。网络数据库管理系统

网络数据库管理系统可以看作是网络操作系统的助手或网上的编程工具。通过它，可以将网上各种形式的数据组织起来，科学、系统、高效的进行存储、处理、传输和使用。

目前国内比较常见的网络数据库管理系统有SQLServer，Oracle，Sybase，Informix、DB2等。网络应用软件

是指能够为网络用户提供各种服务的软件，它用于提供或获取网络上的共享资源。如浏览软件、传输软件、远程登录软件等。4、网络协议

网络协议是网络通信的数据传输规范，网络协议软件是用于实现网络协议功能的软件。

目前,典型的网络协议软件有TCP/IP协议、IPX/SPX协议、IEEE802标准协议系列等。其中,TCP/IP是当前异种网络互连应用最为广泛的网络协议软件。7.2.2资源子网和通信子网

计算机网络要完成数据处理与数据通信两大基本功能，因此在逻辑结构上可以将其分成两部分：资源子网和通信子网。资源子网

是计算机网络的外层，它由提供资源的主机和请求资源的终端组成。资源子网的任务是负责全网的信息处理。通信子网

是计算机网络的内层，它的主要任务是将各种计算机互连起来完成数据传输、交换和通信处理。CCPCCPCCPCCPCCP通信子网资源子网主机主机主机主机CCP—通信控制处理机资源子网和通信子网7.2.3网络传输介质及连接设备1、网络传输介质

传输介质是网络通信用的信号线路，它提供了数据信号传输的物理通道。

按照传输介质的特征，可分为有线传输介质和无线传输介质两大类：有线传输介质包括双绞线、同轴电缆和光纤等；无线传输介质包括无线电、微波、红外线、卫星通信和移动通信等。有线传输介质双绞线

双绞线可分为非屏蔽双绞线（UnshieldedTwistedPair，简称为UTP）和屏蔽双绞线（ShieldedTwistedPair，简称为STP）。

同轴电缆

同轴电缆由内、外两个导体同轴组成。其中，内导体是一根导线，外导体是一个圆柱面，两者之间有填充物。

外导体能够屏蔽外界电磁场对内导体信号的干扰。光纤电缆

是网络传输介质中性能最好、应用前途最广泛的一种。

光纤由纤芯、包层及护套组成。纤芯由玻璃或塑料组成，包层则是玻璃的，护套由塑料组成，用于防止外界的伤害和干扰。

有线传输介质性能比较无线传输介质

无线传输介质有无线电波、微波、红外线及无线激光等。

传输介质性能比较2、网络连接设备中继器集线器交换机路由器网关调制解调器中继器

中继器（Repeater）又叫转发器，是局域网互联的最简单的设备。

利用中继器，可以增强网络线路上衰减的信号，它的两端即可以连接相同的传输媒体，也可以连接不同的媒体，例如一端使用同轴电缆，另一端使用双绞线。集线器

集线器(Hub)是局域网中重要的部件之一，其实质是一个多端口的中继器。中继器通常带有两个端口,用于连接一对同轴电缆，而随着双绞线以太网的出现,中继器被做成具有多个端口的装置，用在星型布线系统中,并称其为集线器。system4system5system6

HUB1Serversystem1system2system3

HUB2交换机

交换机（Switch）是专门为计算机之间能够相互通信且独享带宽而设计的一种包交换设备。目前交换机已取代传统集线器在网络连接中的霸主地位，成为组建和升级以太局域网的首选设备。

交换机能够解决网络传输碰撞冲突的问题，提高网络的利用率。交换机的每个端口都有一条独占的带宽，当两个端口工作时，只有发出请示的端口和目的端口之间相互响应，而不影响其他端口的工作，因此，能够隔离冲突域，有效地抑制广播风暴的产生。路由器

路由器（Router）用于连接多个逻辑上分开的网络，可以是几个使用不同协议和体系结构的网络。

路由器用于连接不同子网，具有判断网络地址和选择路径的功能，能过滤和分隔网络信息流。它能对不同网络或网段之间的数据信息进行“翻译”，以使它们能够相互读懂对方的数据，从而构成一个更大的网络。网关

网关的主要作用是实现网络层以上的不同协议之间的翻译和转换工作。

一般来说，网关只进行一对一转换，或是少数几种特定应用协议的转换，网关很难实现通用的协议转换。

用于网关转换的应用协议有电子邮件、文件传输和远程工作站登录等。互联设备互联层次应用场合功能优点缺点中继器物理层互联相同LAN的多个网段信号放大；延长信号传送距离互联容易；价格低；基本无延迟互联规模有限；不能隔离不需要的流量；无法控制信息传输网桥数据链路层各种局域网的互联连接局域网；改善局域网性能互联容易；协议透明；隔离不必要的流量；交换效率高会产生广播风暴；不能完全隔离不必要的流量；管理控制能力有限有延迟路由器网络层LAN与LAN互联LAN与WAN互联WAN与WAN互联路由选择；过滤信息；网络管理；适合于大规模复杂网络互联；管理控制能力强；充分隔离不必要的流量；安全性好网络设置复杂；价格高；延迟大；网关传应输用层层互联高层协议不同的网络；连接网络与大型主机在高层转换协议可以互联差异很大的网络；安全性好通用性差；不易实现网络连接设备比较调制解调器

调制解调器（Modem）通常称为“猫”，它的作用是将计算机的数字信号和能够以电话线路传递的模拟信号相互转换。调制就是把数字信号转换成电话线上传输的模拟信号，用于发送数据；解调是把模拟信号转换成数字信号，用于接收信息。

家庭使用电话、光纤接入Internet均要使用相应的调制解调器。调制解调器有传统的速率为56kbps的调制解调器、ISDN调制解调器、电缆调制解调器，ADSL调制解调器光纤调制解调器等。7.3计算机网络协议及体系结构网络协议OSI参考模型TCP/IP参考模型常用网络通信协议7.3.1网络协议

网络协议是计算机网络中，通信各方事先约定的通信规则的集合。协议通常分为对等层间的对话协议和相邻层间的接口协议。

网络协议主要由以下三个要素组成：

①语法。规定如何进行通信，即对通信双方采用的数据格式、编码等进行定义。

②语义。规定用于协调双方动作的信息及其含义，它是发出的命令请求、完成的动作和返回的响应组成的集合,即对发出的请求、执行的动作以及对方的应答做出解释。

③时序。规定事件实现顺序的详细说明，即确定通信状态的变化和过程,例如通信双方的应答关系、是采用同步传输还是异步传输等。7.3.2OSI参考模型网络体系结构

网络体系结构是为了完成计算机间的协同工作，把计算机间互连的功能划分成具有明确定义的层次，规定了同层次进程通信的协议及相邻层之间的接口服务。

网络体系结构是网络各层及其协议的集合,所研究的是层次结构及其通信规则的约定。网络系统的层次结构

根据网络的各种功能，设计一种层次模型，这个层次模型包括两个方面的内容：

①按照功能将网络系统分解为功能相对独立的层次结构。属于同一层次的发方和收方间的通信必须遵守该层的约定和规程。

②不同层次之间逐层过渡，下层向其相邻的上层提供服务，以支持上层功能的实现。

采用层次结构的目的是使各厂家在研制计算机网络系统时有一个共同遵守的标准。OSI参考模型

为了解决不同体系结构的网络的互联问题,国际标准化组织ISO(注意不要与OSI搞混）于1984年制定了开放系统互连参考模型OSI/RM（OpenSystemsInterconnectionReferenceModel），简称为OSI。 “开放”这个词表示能使任何两个遵守参考模型和有关标准的系统都具备互联的能力。

OSI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。OSI参考模型的分层结构

OSI将整个网络按照功能划分成7个层次，每个层次完成不同的功能。

这7层由低层至高层，分别是物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层和应用层。TCP/IP模型1、TCP/IP协议的起源美国国防部高级研究计划局(ARPA)从20世纪60年代开始致力于研究不同类型计算机网络之间的相互联接问题,并成功开发出了著名的TCP/IP协议。2、TCP/IP协议的特点⑴开放的协议标准：可以免费使用，并且独立于特定的计算机硬件与操作系统。⑵独立于特定的网络硬件：可以运行在局域网、广域网,更适用于互联网中。⑶统一的网络地址分配方案：使得整个TCP/IP设备在网中都具有唯一的IP地址。⑷标准化的高层协议：可以提供多种可靠的用户服务。3、TCP/IP模型的层次结构

TCP/IP模型从低到高共分为四层：网络接口层、网络层、传输层、应用层。网络互连层是整个TCP/IP协议栈的核心。它的功能是把分组发往目标网络或主机。应用层面向不同的网络应用引入不同的应用层协议。网络接口层网络层传输层应用层物理层数据链路层网络层传输层会话层应用层表示层这一层次未被定义，所以其具体的实现方法将随着网络类型的不同而不同。传输层的功能是使源端主机和目标端主机上的对等实体可以进行会话。TCP/IP模型与OSI模型对照4、TCP/IP模型的数据通信

TCP/IP模型也采用对等层通信的模式，在各层进行数据单元的封装和解除封装。

数据传输过程如下图所示。5、TCP/IP各层的功能应用层传输层网络层主要功能是为用户提供网络服务，比如FTP、Telnet、DNS和SNMP等。主要功能是提供可靠的数据流传输服务,确保端到端应用进程间无差错地的通信,常称为端到端（End-to-End）通信。负责异构网或同构网进程间的通信,将传输层分组封装为数据报格式进行传送,每个数据报必须包含目的地址和源地址。网络接口层是网络访问层，其主要功能是负责与物理网络的连接。6、TCP/IP协议栈 1969年美国国防部高级研究计划局（ARPA）按照层次结构思想进行计算机网络模块化研究，开发了一组从上到下单向依赖关系的协议栈（ProtocolStack），也叫做协议族。应用层DNSFTP、TELNET、HTTP、SMTPSNMP、TFTP、NTP传输层TCPUDP网络层IP网络接口层以太网令牌环网802.2HDLC、PPP、FRAME-RELAY802.3EIA/TIA-232、499、V.35、V.217.3.4常用网络通信协议

目前，局域网中常用的通信协议主要有NetBeui，IPX/SXP及其兼容协议和TCP/IP协议3类。NetBeui协议

用户扩展接口（NetBIOSExtendedUserInterface，简称NetBEUI）协议是最初由IBM开发的非路由协议，它是专门为几台到几百余台PC所组成的单网段部门级小型局域网而设计的，不能单独使用它来构建由多个局域网组成的大型网络。

若需要路由到其他局域网，则必须安装TCP/IP或IPX/SPX协议。IPX/SPX协议

IPX/SPX协议是网间数据包交换（InternetworkPacketExchange，简称IPX）与顺序交换（SequencesPacketExchange，简称SPX）协议的组合。

其中，IPX协议负责数据包的传送，SPX负责数据包传输的完整性。IPX/SPX协议一般可以应用在大型网络（如Novell）和局域网环境中。

它是Novell公司为了适应网络的发展而开发的通信协议，有很强的适应性，安装方便，同时还具有路由功能，可以实现多网段间的通信。TCP/IP协议

TCP/IP是一个协议的集合，包括了很多协议，如HTTP、FTP、Telnet等，其中最主要的协议是TCP（传输控制协议）和IP（网际协议）。 TCP/IP是互联网的基础协议，为连接不同操作系统、不同硬件体系结构的互联网络提供了通信支持手段，其目的是使不同厂家生产的计算机能在各种网络环境下通信。 TCP/IP协议采用一种分级的命名规则，通过给每个网络节点配置一个IP地址、一个子网掩码、一个网关和一个主机名，使得它容易确定网络和子网段之间的关系，获得很好的网络适应性、可管理性和较高的网络带宽使用效率。7.4常用局域网的操作与应用本节为自学内容，请参照课本自学以下内容：网线及其制作组建简单局域网组建家庭局域网7.5