互联网技术课第1讲

国家“十一五”规划教材《网络基础与Internet应用》课件武汉大学姚永翘教授

本课程学习目标

从应用的角度，在首先了解计算机网络的各方面基础知识和Internet的发展、理论基础以及掌握组建多类局域网、连接入Internet的各种方法的情况下，而后逐步讲解国际互联网Internet的多种实用技术。使学习者掌握多种网络应用操作方法，具备全面的上网能力，为适应在即将到来的真正的电子网络时代中进行高效率学习、工作和生活打下良好的基础。第1章计算机网络基础知识本章内容简介计算机网络概述计算机网络的产生与发展计算机网络的功能构成计算机网络的拓扑结构计算机网络中的传输介质计算机网络的协议计算机网络的分类局域网的访问控制方式和常用技术

计算机网络概述

计算机网络是计算机技术与现代通信技术相结合的产物。随着计算机技术的高速发展，计算机应用日益普及，计算机技术尤其是网络技术正在对人类经济生活、社会生活等各方面产生巨大的影响。信息浏览与搜索、电子商务、远程教育等与人们的联系越来越紧密，有理由相信，在不远的将来，人们将过上真正意义上的数字化生活，掌握计算机及网络的基础知识，已经成为人们通向成功所必备的基本素质。计算机网络的定义与功能

所谓计算机网络就是利用通信线路和通信设备将不同地理位置的、具有独立功能的多个计算机系统或共享设备互联起来，并配以功能完善的网络软件（即网络操作系统、网络通信协议及信息交换方式等），使之实现资源共享、互相通信和分布式处理的整个系统。计算机网络的功能主要表现在以下三个方面：硬件资源共享、软件资源共享和数据资源共享、用户之间的信息交换。计算机网络的产生与发展追溯计算机网络的发展历史，它的演变可概括地分成四个阶段：1．从20世纪50年代中期开始，以单个计算机为中心的远程联机系统，构成面向终端的计算机网络，称为第一代计算机网络。网络雏形2．从20世纪60年代中期开始进行主机互联，多个独立的主计算机通过线路互联构成计算机网络，无网络操作系统，只是通信网。60年代后期，ARPANET网出现，称为第二代计算机网络。网络初级阶段3．20世纪70年代至80年代中期，以太网产生，ISO制定了网络互连标准OSI，世界上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迅猛发展，这阶段的计算机网络称为第三代计算机网络。4．从20世纪90年代中期开始，计算机网络向综合化高速化发展，同时出现了多媒体智能化网络，发展到现在，已经是第四代了。局域网技术发展成熟。第四代计算机网络就是以千兆位传输速率为主的多媒体智能化网络。计算机网络的功能构成计算机网络可分为两种子网：资源子网和通信子网。1.资源子网资源子网提供访问的能力，资源子网由主计算机、终端控制器、终端和计算机所能提供共享的软件资源和数据源（如数据库和应用程序）构成。主计算机通过一条高速多路复用线或一条通信链路连接到通信子网的结点上。2.通信子网通信子网是由用作信息交换的结点计算机NC和通信线路组成的独立的数据通信系统，它承担全网的数据传输、转接、加工和变换等通信处理工作。计算机网络的拓扑结构网络中各台计算机节点连接的形式和方法称为网络的拓扑结构。计算机网络的拓扑结构主要有以下几种：

星型拓扑环型拓扑总线型拓扑

树型拓扑（总线型拓扑的变种）混合型拓扑网型拓扑蜂窝状拓扑星型拓扑星型拓扑的各节点间相互独立，每个节点均以一条单独的线路与中央结点相连，其连接图象闪光的星。星型拓扑结构的中心结点是由集线器或者是交换机来承担的。星型拓扑结构有以下优点：某工作站出现故障或单独与中心结点的线路损坏时，不会对整个网络造成大的影响，而仅会影响该工作站。网络的扩展容易。结构简单，控制和诊断方便。访问协议简单。星型拓扑结构的缺点：过分依赖中心结点。线路太多，成本高。环型拓扑环型拓扑结构是由网络中若干中继器使用电缆通过点到点的链路首尾相连形成一个闭合的环。每个站对环的使用权平等，都以同样的速度串行地沿着一个方向在各节点间传输数据。环型拓扑结构有以下优点：抗故障性能好。单方向单通路的信息流使路由选择控制简单。电缆长度短，和总线拓扑结构相似。环型拓扑是单方向传输，适用于光纤，传输速度高。环型网络的缺点：环路上的一个站点出现故障，则该站点的中继器不能进行转发，相当于环在故障结点处断掉，造成整个网络瘫痪。诊断故障困难。造成整个网络瘫痪的是哪个结点故障，诊断非常困难，需要对每个结点进行检测。总线型拓扑结构采用单根传输线作为传输介质，所有的站点（包括工作站、共享设备和文件服务器）均通过相应的硬件接口直接连接到这根传输介质或称总线上，各工作站地位平等，无中心结点控制。总线型拓扑结构的总线大都采用同轴电缆。总线型拓扑结构的优点：结构简单，连接方便，易实现、易维护。易于扩充，增加新的站点容易，仅需在总线的相应接入点将工作站接入即可。使用电缆较少，价格便宜，且安装容易。总线型拓扑结构的缺点：故障诊断困难。由于不是集中控制，故障检测需在网络上各个站点进行。故障隔离困难。哪个站点出故障，只需简单地把连接拆除即可。但如果传输介质有故障，则整个这段总线要切断和变换。总线型拓扑树型拓扑树型拓扑是总线型拓扑的扩展，是在总线型网络上加上分支形成的。形状象一棵倒置的树，顶端有一个带有分支的根，每个分支还可延伸出子分支。树型拓扑是一种分层结构，适用于分级管理控制系统。树型拓扑结构的优点：组网灵活，易于扩展。可以延伸出很多分支和子分支。线路总长度比星型拓扑结构短，故它的成本较低。故障隔离容易。某一分支的节点或线路发生故障，很容易将这分支和整个系统隔离开来树型拓扑的缺点：对根的依赖性太大，如果根发生故障，则全网不能正常工作，与星型结构相似，结构较星型复杂。ABCDFGHEI混合型拓扑将以上两种单一拓扑结构类型混合起来，综合两种拓扑结构的优点可以构成一种混合型拓扑结构。常见的有星型/总线拓扑和星型环拓扑。星型/总线拓扑用一条或多条总线把多组设备连接起来，而相连的每组设备本身又呈星型分布。对于星型/总线拓扑，用户很容易配置网络设备。星型环拓扑从电路上看完全和一般的环型结构相同，只是物理走线安排成星型连接，星型环拓扑的故障诊断方便而且隔离容易；网络扩展简便；电缆安装方便。BDAC12345876网型拓扑

网型拓扑近年来在广域网中得到了广泛应用，如右图所示。BEFACGDH蜂窝状拓扑蜂窝状拓扑结构是作为一种无线网络的拓扑结构，结合无线点到点和点到多点的策略，将一个地理区域划分成多个单元，每个单元代表整个网络的一部分，在这个区域内有特定的连接设备，单元内的设备与中央节点设备或集线器进行通信。集线器在互联时，数据能跨越整个网络，提供一个完整的网络结构。目前，随着无线网络的迅速发展，蜂窝状拓扑结构得到了普遍应用。蜂窝状拓扑结构的优点：这种拓扑结构并不依赖于互连电缆，而是依赖于无线传输介质，这就避免了传统的布线限制，对移动设备的使用提供了便利条件，同时使得一些不便布线的特殊场所的数据传输成为可能。另外蜂窝状拓扑结构的网络安装相对容易，有节点移动时不用重新布线，故障的排除和隔离相对简单，易于维护。蜂窝状拓扑结构的缺点：容易受外界环境的干扰。网络拓扑结构的选择上面分析了几种常用拓扑结构和它们各自的优缺点，由此可见，不管是组建局域网或广域网，其拓扑结构的选择，需要考虑很多因素。网络要易于安装，一旦安装好了，还要满足易于扩展的要求，既要方便扩展，又要保护现有的系统，还要便于以后维护。网络的可靠性更是考虑的重要因素，要易于故障诊断，易于隔离故障，以使网络的主要部分仍能正常运行。网络拓扑结构的选择还会影响传输媒体的选择和媒体访问控制方法的确定，这些因素又会影响到各个站点在网上的运行速度和网络软硬件接口的复杂性。所以，对网络拓扑结构的掌握和选择是组建网络中的第一要素。网络中的传输媒体(介质)

传输媒体或说传输介质是通信网络中发送方和接收方之间的物理通路。计算机网络中采用的传输媒体可分为有线和无线两大类或说导向的和非导向的两大类。导向媒体在一个设备到另一个设备之间提供了一个导线管，如双绞线、同轴电缆（有粗的和细的两种）和光纤。信号沿着这些媒体中的任何一种传播，并一直处在该媒体的物理范围之内。双绞线、同轴电缆和光纤是常用的三种有线传输媒体。双绞线和同轴电缆使用金属（铜）导线，以电流的形式接受和运输信号。光纤是玻璃或塑料的线缆，以光的形式接受和运输信号。非导向媒体不使用物理导体来运输电磁波而使用无线电通信。卫星通信、无线通信、红外线通信以及微波通信的信息载体都属于非导向的无线传输媒体。双绞线

组建局域网所用的双绞线由4对线（即8根线）组成，其中每根线的材质有铜线和铜包的钢线两类。

一般来说，双绞线电缆中的8根线是成对使用的，而且每一对都相互绞合在一起，绞合的目的是为了减少对相邻线的电磁干扰。双绞线分为屏蔽双绞线（STP）和非屏蔽双绞线（UTP）。目前，在局域网中常用到的双绞线是非屏蔽双绞线（UTP），它又分：3类、4类、5类、超5类、6类和7类。双绞线的这8根线的引脚定义如下：

线路线号12345678线路色标白橙橙白绿蓝白蓝绿白褐褐引脚定义Tx+Tx-Rx+

Rx-

在局域网，双绞线主要是用来连接计算机网卡到集线器或通过集线器之间级联口的级联，有时也可直接用于两个网卡之间的连接或不通过集线器级联口之间的级联，但它们的接线方式各有不同。

常规双绞线接法错线双绞线接法同轴电缆

同轴电缆的中央是铜质的芯线（单股的实心线或多股绞合线），铜质的芯线外包着一层绝缘层，绝缘层外是一层网状编织的金属丝作外导体屏蔽层（可以是单股的），屏蔽层把电线很好地包起来，再往外就是外包皮的保护塑料外层了。

常用于局域网的同轴电缆有二种：一种是专门用在以太网环境中阻抗为50Ω的电缆，只用于数字信号发送，称为基带同轴电缆；另一种是用于频分多路复用FDM的模拟信号发送，阻抗为75Ω的电缆，称为宽带同轴电缆。光纤

光纤是一种细小、柔韧并能传输光信号的介质，一根光缆中包含有多条光纤。光纤利用有光脉冲信号表示1，没有光脉冲来表示0。光纤通信系统是由光端机、光纤（光缆）和光纤中继器组成。光端机又分成光发送机和光接收机。而光中继器用来延伸光纤或光缆的长度，防止光信号衰减。光发送机将电信号调制成光信号，利用光发送机内的光源将调制好的光波导入光纤，经光纤传送到光接收机。光接收机将光信号变换为电信号，经放大、均衡判决等处理后送给接收方。中心是光传播的玻璃芯。光纤分为单模光纤和多模光纤两类（所谓“模”是指以一定的角度进入光纤的一束光）。

通信容量非常大；抗电磁干扰性能好；保密性好，无串音干扰；信号衰减小，传输距离长；抗化学腐蚀能力强。正是由于光纤的数据传输率高（目前已达到1Gb/s），传输距离远（无中继传输距离达几十至上百公里）的特点，所以在计算机网络布线中得到了广泛地应用。目前光缆主要是用于交换机之间、集线器之间的连接，但随着千兆位局域网应用的不断普及和光纤产品及其设备价格的不断下降，光纤连接到桌面也成为网络发展的一个趋势。光纤也存在一些缺点。光纤的切断和将两根光纤精确地连接所需要的技术要求较高。光纤的特点网络协议（Protocol）在计算机网络中用于规定信息的格式及任何发送和接收信息的一套规则称为协议，即协议是通信双方约定的通信规则。网络协议可以使网络中的各个不兼容的系统互相通信。通信协议管理着计算机之间的信息交换和数据传输等各种网络操作。网络体系结构

网络协议可以使网络中的各个不兼容的系统互相通信。计算机网络是一个非常复杂的系统，为了简化设计这样复杂的计算机网络，网络研究人员提出了一种将网络功能分层设计的方法。“分层”可将庞大而复杂的问题，转化为若干较小的局部问题，而这些较小的局部问题就比较易于研究和处理，这样可以减少协议设计的复杂性。象这种将整个网络的传输功能进行分层设计的网络结构层次模型及各层协议的集合称为计算机网络的体系结构。分层的具体作用发送主机的第N层所发送的包恰好由接收主机的第N层处理，它们被称为对等层，它们之间的通信遵循对等层协议，即第N层协议。通过分层就把总的问题分成了若干小的问题。分层的另一目的是保证层间的独立性。由于只定义了本层向高层所提供的服务，至于本层怎样提供这种服务则不作任何规定，因此每一层都具有一定的独立性。这样一来，就允许任意一层或几层在工作中作各种变动，只要能向其高层提供同样的服务。每层协议只是负责并完成一部分通信工作，每层协议利用下层协议的功能，并为上一层提供服务，层层功能叠加，使整个系统的最高层能够提供分布式应用所需要的所有服务。所以各层协议协同工作才能完成全部通信工作。ISO/OSI参考模型为了解决异种机互连及通信问题，70年代后期国际标准化组织(ISO)制定了OSI参考模型。该模型采用了三级抽象，即体系结构、服务定义和协议规格说明。体系结构部分定义OSI的层次结构、各层关系及各层可能的服务；服务定义部分详细说明了各层所提供的功能；协议规格说明部分的各种协议精确地定义了每一层在通信中发送控制信息及解释信息的过程。ISO的OSI参考模型（七层）

主机A

应用层表示层会话层传输层网络层数据链路层物理层主机B

应用层表示层会话层传输层网络层数据链路层物理层

应用层协议表示层协议会话层协议传输层协议网络层协议链路层协议物理层协议OSI参考模型中各层的功能1.物理层（ThePhysicalLayer）

在物理线路上传输原始的二进制数据位（电磁信号或光信号的比特流）。2.数据链路层（TheDataLinkLayer）

在有差错的物理线路上提供无差错的数据传输（Frame帧）。3.网络层（TheNetworkLayer）

控制通信子网提供源点到目的点的数据传送（Packet数据包/报）。4.传输层（TheTransportLayer）

为用户提供端到端的数据传送服务。5.会话层（TheSessionLayer）

为用户提供会话控制服务。6.表示层（ThePresentationLayer）

为用户提供数据转换和表示服务。7.应用层（TheApplicationLayer）直接为用户提供服务。TCP/IP参考模型TCP/IP协议是一个协议集，其中最重要的是TCP协议与IP协议，TCP/IP参考模型能很好地适应世界范围内数据通信的需要，它具有如下四个特点：(1)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；(2)独立于特定的网络硬件，可以运行在局域网、广域网中，更适用于网络互联；(3)统一的网络地址分配方案，使得网络中的每台主机在网中都具有唯一的地址；(4)标准化的高层协议，可以提供多种可靠的用户服务。OSI参考模型TCP/IP参考模型的比较

OSI参考模型TCP/IP参考模型应用层会话层表示层传输层网络层数据链路层物理层

应用层传输层网络层网络接口层TCP/IP参考模型

网络接口层未定义任何特定的协议，它支持所有标准的和专用的协议网络层IP,ARP,RARP,ICMP,IGMP（网际协议、地址解析协议、逆地址解析协议、因特网控制报文协议、因特网组管理协议）传输层TCP,UDP（传输控制协议、用户数据报协议）应用层HTTP,SMTP,POP,TELNET,FTPTCP/IP参考模型的层次功能(1)应用层（Applicationlayer）

是TCP/IP参考模型的最高层，它向用户提供一些常用的应用程序接口。如：HTTP、TELNET、FTP、SMTP、DNS等。(2)网络层（Internetlayer）

负责处理互联网中计算机之间的通信，向传输层提供统一的数据报。网络层包括IP，ARP，RARP，ICMP等协议，其中最重要的是IP协议，功能有以下三个方面：处理来自传输层的分组发送请求；处理接收的数据包；处理互联的路径。

(3)传输层（Transportlayer）传输层主要功能是负责应用进程之间的端——端通信。传输层定义了两种协议：传输控制协议TCP与用户数据报协议UDP。

TCP协议是一种可靠的面向连接的协议，主要功能是保证信息无差错地传输到目的主机。UDP协议是一种不可靠的无连接协议，它与TCP协议不同的是它不进行分组顺序的检查和差错控制。(4)网络接口层（Host-to-Networklayer）网络接口层负责把IP包放到网络传输介质上和从网络传输介质上接收IP包。局域网中的三个常用协议现在正在计算机局域网中大量使用的网络协议有三个：NetBEUI协议、IPX/SPX协议和TCP/IP协议。NetBEUI协议，网络基本用户扩展接口，是Windows95/98和WindowsNT中固有的缺省协议，为网络接口卡提供硬件地址描述和小型局域网的数据传输控制服务。其体积小，效率高，速度快。IPX/SPX协议，网际包交换/顺序包交换协议集，是WindowsNT网络和Windows95/98用户获得Netware服务器的服务且适用于大型局域网、具有路由能力的协议。TCP/IP协议，传输控制协议/网际协议，是对组建网吧很实用的协议，它支持任意规模的网络，具有很强的灵活性，几乎可连接所有的服务器和工作站，具有强大的路由能力，并且，现在的Windows操作系统中提供了可以让服务器动态地自行设置各个工作站与TCP/IP协议有关参数的工具。计算机网络的分类

计算机网络发展迅速，应用广泛，计算机网络技术更新也非常快，所以，各种各样的网络在不断出现。对现有的网络，按照不同的分类方法，可以分成多种不同的类型。按规模或通信距离分类通常是按照规模大小和延伸范围来分类，把计算机网络划分为局域网、城域网和广域网，有人还特别加上一类国际互连网Internet。广域网WAN（WideAreaNetwork），分布范围通常为大几十至几千公里，传输速率往往在每秒几千位以上。例如，一个大国家的整个网或洲际网。局域网LAN(LocalAreaNetwork)，一般分布在较小的范围（如1km~5km左右）内，或为一个建筑物、一个工厂、一个单位内，甚至一个房间内的网络，它为每一个单位所独有。它一般用微型计算机通过高速通信线路相连（速率一般在10Mbps以上）。城域网或市域网MAN（MetropolitanAreaNetwork），其分布范围在广域网和局域网之间，例如，分布范围是一个城市，其作用距离为5km～50km，传输速率也在10Mbps以上。国际互连网Internet实际上是最大的广域网，但它又发展了广域网，是世界上各种各样的同构、异构网的综合，因此，又是一个特殊的广域网。

如果按照网络的拓扑结构来划分，则计算机网络可以分为星型网、环型网、总线型网、树型网、混合型网或称为综合型网、网型网等。按拓扑结构分类按通信介质分类按照通信传输的介质来划分，则计算机网络可以分为有线网和无线网。有线网包括：双绞线网、同轴电缆网、光纤网；无线网包括：卫星网、微波网等。按通信技术分类

按照网络的物理结构和传输技术来划分，计算机网络又可分为点对点式网络和广播式网络。广播式网络：在广播式网络中，所有计算机共享一个通信信道。当网络中的一台计算机向另一台计算机发送信息时，发送的信息中含有目的地址和源地址。所有计算机均收到该信息，当目的地址为本机地址时接收该信息，否则丢弃该信息。点到点通信：每条物理线路连接一台计算机。点对点式网络拓扑结构又分为星型、环型、树型、完全互连型、相交环型和不规则型等；广播式网络又分为总线型、环型和卫星网等。按信号频带分类按照信号频带占用方式来划分，则计算机网络又可以分为基带网和宽带网。宽带网现在发展得很快，宽带网又划分为很多类型。宽带接入技术发展得更快：长城宽带、蓝波万维推广的小区局域网方案LAN；中国电信、中国网通、中国铁通推广的数字用户线方案有ADSL（非对称数字用户环路）、HDSL、SDSL、VDSL；广播电视系统推广采用的CableModem；中国网通推广