第1章-计算机网络概论

计算机网络

原理与应用（第二版）何小东编著第一章

计算机网络概论

计算机从原先的单机发展到群机使用，越来越多的应用，需要计算机在一定的地理范围内互联起来工作，从而促成了计算机网络学科的诞生。最早追溯到20世纪60年代，起源于由美国国防部的ARPA网.ARPAnet是现代互联网Internet的雏形，它率先实现了计算机与计算机之间的相互通信，使计算机网络的发展从此进入了一个新纪元！1.1计算机网络的起源和演变

1.1.1计算机网络的起源当初ARPA网（ARPAnet）的五个特点:

（1）支持资源共享（2）采用分布式控制技术（3）采用分组交换技术（4）使用通信控制处理机（5）采用分层的网络通信协议

1.1.2计算机网络的演变1）计算机网络是一门综合性的交叉学科。

2）历经四十多年，分三个阶段。

3）是最活跃的学科之一。

网络就是计算机！PCNC

计算机网络经历了从简单到复杂、从单机系统到多机系统的演变过程。大致分为三个阶段:

第一阶段是，具有远程通信功能的单机系统。第二阶段是，具有远程通信功能的多机系统。

第三阶段是，以资源共享和相互通信为目的的“计算机～计算机”网络，这一阶段的计算机网络才是今天真正意义上的标准化计算机网络。图1-1具有远程通信功能的单机系统图1-2具有远程通信功能的多机系统图1-3真正标准化的计算机网络3、标准化网络阶段（见图1-3）网络互联与高速网络阶段：1、远程联机阶段（见图1-1）2、计算机多机网络阶段（见图1-2）LANPSTNPSTNLANLANLAN

高速通路图1-4高速网络系统LAN1.2计算机网络的基本概念

1.2.1计算机网络的概念

1.计算机网络的定义从现代计算机网络的角度来看，“计算机就是网络！”，当今几乎所有的计算机都连入了网络。或者说“网络就是计算机！”。计算机网络是一些自治计算机系统的互联集合,“自治”这一概念排除了计算机网络中的主从关系，即每一台计算机都是功能上独立的；而“互联”不仅指计算机之间物理上的连通，而且指两台计算机能相互通信和互相交换信息。

完整的定义：通过通信设备和传输介质把地理上分散的、功能自治的若干台计算机连接起来，以网络软件实现通信、资源共享和协同工作的系统。

1）通信子网—实现网络通信功能

包括：通信控制处理机（网卡、Modem、集线器、交换机、路由器）、通信线路等相关通信设备和通信软件（即网络中负责通信的部分）。

2）资源子网—实现资源共享功能

包括：主计算机、终端机、存储器、共享的打印机及相关软件数据资源（即网络中提供资源的部分）。

1.2.2计算机网络的特点计算机网络其独有的特点：（1)高度的可靠性（2)相对独立的功能（3)具有可扩充性（扩展性）（4)资源共享（高效率、低成本、省投资）（5)对用户的透明性

（6)操作简便

相互通信、交换信息和共享资源是人们热衷于使用计算机网络的主要原因和目的。相互通信是信息交换、交流的基础。交换信息现今更多的是访问信息。1.3计算机网络的分类

1.3.1局域网与广域网

计算机网络按照地理范围的大小，可以划分为：局域网LAN（LocalAreaNetwork）、城域网MAN（MetropolitanAreaNetwork）、广域网WAN（WideAreaNetwork）和国际互联网四种。1.局域网LAN

2.城域网MAN

3．广域网WAN4．国际互联网Internet

1.3.2公用网和专用网按应用和管理性质的不同，计算机网络划分为公用网和专用网。

1.公用网公用网也称通用网。

2．专用网专用网也称行业网。

1.3.3有线网和无线网

按网络所使用的通信传输介质，计算机网络划分为有线网和无线网。

1.有线网

2.无线网无线网是指采用无线电波、微波、激光、红外等无线介质来传输数据的网络。如卫星网络中数据的传输就是用微波进行的，而手机和微机上的红外接口可以相对传输数据。利用一定频率的无线电波传输数据也是无线网的一种。如：Wifi网。1.4计算机网络的组成

从系统的角度来看，一个计算机网络由硬件和软件两大部分组成。从逻辑功能的角度来看，计算机网络系统则由资源子网和通信子网两层网络结构组成。CCCHHH资源子网通信子网HH在通信子网上可有多个资源子网，共享通信子网的服务两层网络的概念结构

1.4.1网络的硬件组成

计算机网络系统通常由网络服务器（主机Host）、终端、存储器、通信处理机（交换机、路由器、包括网卡NIC）和通信线路等几部分组成。通信线路是传输信息的载体，也叫通信信道(Channel)、通信链路(Link)。计算机网络中的通信线路包括：有线(如：双绞线、同轴电缆、光纤等)

无线(如：微波、红外、卫星线路等)

1.4.2网络的软件组成

1）网络操作系统

2）网络协议软件

3）网络管理软件

4）网络通信软件

5）网络应用软件1）网络操作系统常用的网络操作系统有：UNIX、Windows7、Linux和WindowsServer2003等。2）网络协议软件典型的网络协议有：TCP／IP、IPX／SPX、IEEE802标准系列协议和X.25协议等。3）网络管理软件提供性能管理、配置管理、故障管理、计费管理和安全管理等功能。管理的对象可以是路由器和交换机。4）网络通信软件网络通信软件控制应用程序与多个站点进行通信，并能对通信数据进行加工和处理，使用户在不必了解通信控制规程的情况下进行通信。

5）网络应用软件

网络应用软件是在网络环境下直接面向用户的软件，可分为两类：一类是由网络软件厂商开发的通用应用工具软件，如：E-mail、QQ、Web服务器和搜索工具等；另一类是基于不同用户业务的软件，如：金融业务、电信业务、交通管理和办公自动化等软件。1.5计算机网络的功能与服务

1.5.1计算机网络的功能

1.相互通信（交换信息）

2.共享资源

3.集中处理（并行处理）

4.均衡负载

1.相互通信在计算机网络中，通过通信线路可实现主机与主机、主机与终端之间的数据和程序的快速传输。

2.共享资源计算机网络的资源共享和资源调剂功能，使得普通用户也可享用到大型计算机才拥有的软硬件资源（如：多CPU、大容量硬盘、高速打印机、绘图仪、文件及各种软件、大型数据库等）。

3.集中处理在计算机网络中运用软件，可对各联机用户实施实时的集中管理，使整个网络系统或一部分主机的协同、并行工作，提高系统处理能力。

4.均衡负载

计算机网络本身是一个复杂的系统，其中各部分的通信流量及数据处理能力可能是不同的，有一定的负荷要求。当某部分负荷过重时，系统可把新的作业通过网络节点和线路分送给负载较轻的部分去处理。1.5.2计算机网络提供的服务增值服务：QQ、微信、QQ文件传输、微博、FTP文件传输、视频传输及博客(Blog)等。这些功能是单一的计算机系统（不论它是大型机）难以实现的。（超级计算机—长沙超算中心）1.6计算机网络拓扑结构

1.6.1网络拓扑结构的定义计算机网络是把多个计算机系统按不同的连接形式连接起来的，这些不同的连接形式就称为网络的拓扑（Topologies）结构，即网络中各节点及连线的物理连接形式或几何构型。

1.6.2基本的网络拓扑结构

在计算机网络中，主要有五种拓扑结构：总线型拓扑、环型拓扑、星型拓扑、树型拓扑和网状型拓扑。

1.总线形拓扑结构

2.星型拓扑结构

3.环型拓扑结构

4.网状型拓扑结构

5.树型拓扑结构

图1-4总线型拓扑结构图1-5星型拓扑结构图1-6环型拓扑结构图1-7网状型拓扑结构图1-8树型拓扑结构实际组建网络时，网络拓扑结构不是单一类型的，而是由几种基本类型混合而成，充分发挥各种拓扑结构的特长，即所谓的”混合型拓扑结构”。如局域网常采用的拓扑结构有：总线型、星型、环型和树型，广域网常采用树型和网状型结构。1.7计算机网络的传输介质

1.7.1有线传输介质

1.双绞线2.同轴电缆3.光纤

传输介质是网络中传输信息的物理通道，有两个主要特性：一是物理特性，即物理结构、形态尺寸、覆盖范围以及连通性；二是传输特性，即可用的信号带宽、传输速率、传输损耗以及抗干扰能力等。

无屏蔽双绞线UTP和屏蔽双绞线STP的衰减特性比较:1.双绞线水晶头把多个线对扭在一起，可把各线对之间的电磁干扰相消。5类线（UTP-5）：用于10/100Mbps大型以太网等，包括4对双绞线。还有一种超5类线（属UTP-5增强型），性能较好，用于100/1000Mbps的局域网等，包括4对双绞线。最为常用的是5类线和超5类线（CAT5e）。5类线和3类线的主要区别是每单位长度的绞合次数不同。

图1-9交叉网线（反绞线）的制作RJ45是布线系统中信息插座（即通信引出端）连接器的一种，连接器由接头(水晶头）和插座组成，插头有8个凹槽和8个触点。RJ是RegisteredJack的缩写，意思是“注册的插座”。在FCC（美国联邦通信委员会标准和规章）中RJ是描述公用电信网络的接口，计算机网络的RJ45即标准8位模块化接口。

RJ-45接口是8芯线，而电话线的接口是4芯的，通常只接2芯线（ISDN的电话线接4芯线）。网卡上带两个状态指示灯，通过这两个指示灯颜色说明网卡的工作状态。RJ-45接口网卡：2.同轴电缆（细缆）

图1-10同轴电缆RG58结构图BNC接头，是一种用于同轴电缆的连接器.

3.光纤

图1-11（a）折射角大于入射角（b）光波在纤芯中传播（c）62.5/125μm渐变增强型多模光纤光缆光纤

图1-12光缆剖面图

光缆实物图（图1-13）：

图1-13光缆实物图SC接口FC接口在多模光纤中，纤芯的直径是50～100μm，与人的头发丝相当，由石英玻璃制成。光纤按传输模式分为单模光纤和多模光纤两种。单模光纤的纤径小（8～10μm），以单一模式（单色激光作为光源）传输，传输频带宽，传输距离远，但价格较高。而多模光纤以多个模式传输（发光二极管作为光源），可传输多路信号，传输距离近，价格便宜。与单模光纤相比，性能差一些。多模光纤又分为：阶跃光纤和渐变光纤（按折射率不同）。

当传输频率超过100MHz时，5类双绞线随着频率的增加衰减愈来愈大；而光纤在300MHz以内，衰减基本不变。

图1-14光纤与双绞线频率与衰减关系图光纤的优点：（1）光纤传输频带非常宽，通信容量大；（2）光纤的传输速率高，已经获得T级(1000Gbps)传输速率；（3）光纤的误码率低，传输衰减小，传输距离长；（4）光纤不受外界电磁波的干扰，不易被窃听或被截获数据，安全保密性好；（5）光纤的体积小，重量轻。光纤不足：(1)连接两根光纤时需要专用设备，安装要求高，操作难度大；(2)分支困难且需要有光电转换器，成本较高。

1.7.2无线传输介质

在计算机网络中，常用的无线传输介质有：无线电波、微波、红外光和激光等。其中红外线和激光易受环境（雨、雾和障碍等）的影响。如：遥控器。常用的是无线电波和微波。

1.无线电波无线电波是电磁波的一部分，它是频率在0～300MHz频段的电磁波。根据频率可人为地划分为几个波段，对应于不同的波段有不同的用途。

表1-2频段使用表无线电波常用在短距离或称近距离无线通信中，如：蓝牙（Bluetooth）和Wi-Fi通信中。其中Wi-Fi使用的是2.4GUHF射频频段，频率范围为2.4GHz～2.4835GHz，故带宽为83.5MHz，属高频波段。蓝牙的无线电波覆盖半径大约为15m，而Wi-Fi的半径则可达100m，并且Wi-Fi传输速度快（可达54Mbps）。但Wi-Fi的传输质量和数据安全性能比蓝牙要差。需注意的是，Wi-Fi信号仍是由有线网提供的。手机中的移动数据流量是什么原理?为什么数据流量的覆盖范围比WiFi大，是不是运营商有个大的路由器在发射信号？

移动数据流量是通过基站，基站覆盖范围大，信号接收也比WIFI好。而WIFI是通过自已的无线路由器发射信号，再通过小区路由器、中继器，通过通信运营商的路由器连入互联网。2.微波通信微波的频带很宽，其频率范围为：300MHz～3000GHz。微波在空间中是直线传播的，而地球表明呈弧形，因而微波传播距离往往受限，长途通信时必须建立多个中继站。微波进行通信具有容量大、质量好并可传至很远的距离。主要有两种方式：地面微波接力通信和卫星微波通信。1）地面微波接力通信在地面建立若干微波中继站，进行信号的接力传输。建在地面上的中继站间距离一般为50Km。

2）卫星微波通信

卫星微波通信是利用位于3万6千公里高空的人造地球同步卫星，作为太空无人值守微波中继站，是一种特殊形式的微波接力通信。卫星微波通信具有通信容量大、传输距离远、覆盖范围广等优点，特别适合于全球通信、电视广播及恶劣地理环境下使用。如：美国的全球定位系统GPS、中国正在组建的“北斗”导航系统，以及欧洲的“伽利略”系统等。

3.红外线和激光

红外信号和激光信号通常是沿直线进行传播的，它比微波具有更强的方向性，难以窃听，难以插入数据和进行干扰。如：现在许多PC机上和手机上都配置有IrDA(红外线)接口，但红外线和激光对雨雾等环境的干扰特别敏感，传输距离较短。4.蓝牙无线通信蓝牙（Bluetooth）是一种短程无线传输技术，提供点到多点的无线声音及数据传输，支持723Kbps的速度，主要用于传输数据和语音（如蓝牙手机）。Bluetooth设备的传输范围大约15m。蓝牙采用无线代替有线，具有很强的移植性，并且适用于多种场合