大学计算机基础教程课件第5章 计算机网络基础与应用

15.1概述25.2计算机网络的组成35.3网络体系结构和协议45.4互联网的应用第五章计算机网络基础与应用本章要点计算机网络的相关概念1要点计算机网络的组成2要点网络体系结构和协议3要点互联网的应用4要点5.1概述计算机网络的发展历史计算机网络的概念互联网与因特网局域网本节知识点5.1.1计算机网络的发展历史计算机网络的发展历程大致可划分为4个阶段：第一阶段：诞生阶段20世纪60年代中期之前的第一代计算机网络是以单个计算机为中心的远程联机系统。典型的应用是由一台计算机和全美国范围内2000多个终端组成的飞机定票系统。终端是一台计算机的外部设备包括显示器和键盘，没有CPU和内存，可见终端设备没有自主处理的功能，只能在键盘上输入命令，通过通信线路传输给中心计算机，然后计算机将处理结果再传给终端。这是最初的“计算机与通信线路的协同工作网”。当时，人们把计算机网络定义为“以传输信息为目的而连接起来，实现远程信息处理或进一步达到资源共享的系统”。

5.1.1计算机网络的发展历史计算机网络的发展历程大致可划分为4个阶段：第二阶段：形成阶段20世纪60年代中期至70年代的第二代计算机网络是由多个主机通过通信线路互联起来为用户提供服务。典型代表是美国国防部高级研究计划局协助开发的ARPANET。主机之间不是直接用线路相连，而是由接口报文处理机(IMP)转接后互联的。IMP和它们之间互联的通信线路一起负责主机间的通信任务，构成了通信子网。通信子网互联的主机负责运行程序，提供资源共享，组成了资源子网。这个时期，网络的概念是“以能够相互共享资源为目的互联起来的具有独立功能的计算机之集合体”。

5.1.1计算机网络的发展历史计算机网络的发展历程大致可划分为4个阶段：第三阶段：互联阶段20世纪70年代末至90年代的第三代计算机网络是具有统一的网络体系结构并遵循国际标准的开放式和标准化的网络。ARPANET兴起后，计算机网络发展迅猛，各大计算机公司相继推出自己的网络体系结构及实现这些结构的软硬件产品。由于没有统一的标准，不同厂商的产品之间互联很困难，人们迫切需要一种开放性的标准化的实用网络环境，这样应运而生了两种国际通用的最重要的网络体系结构，即TCP/IP体系结构和国际标准化组织的OSI体系结构。所有的厂商在生产用于网络的产品时，无论是硬件产品还是软件产品，都遵循统一的国际标准，这样就实现了网络与网络之间的互联。

5.1.1计算机网络的发展历史计算机网络的发展历程大致可划分为4个阶段：第四阶段：高速发展阶段20世纪90年代末至今是第四代计算机网络的高速发展时期，局域网技术、光纤及高速网络技术、多媒体网络、智能网络等逐步发展并日趋成熟，整个网络就像一个对用户透明的大的计算机系统。此时计算机网络定义为“将多个具有独立工作能力的计算机系统通过通信设备和线路由功能完善的网络软件实现资源共享和数据通信的系统”。事实上，对于计算机网络也从未有过一个标准的定义。5.1.2计算机网络的相关概念1．计算机网络2．互联网与因特网3．局域网1、计算机网络5.1.2计算机网络的相关概念众所周知，当今社会是一个以网络为核心的信息时代。我们每天都在使用的网络有：电信网络、有线电视网络和计算机网络，即所谓的“三网”。这三种网络向我们提供的服务是不同的，电信网络使我们可以打电话、发传真；有线电视网络使我们能够收看到丰富精彩的电视节目；计算机网络使我们的生活和工作方式发生了翻天覆地的变化，我们每一个人都能够深刻体会到。我们使用计算机网络在线聊天、网上购物、收发邮件和文件、检索资料、在线听歌或收看影视剧等等。在“三网”中，发展最快并起到核心作用的是计算机网络。随着技术的发展，电信网络和有线电视网络都逐渐融入了现代计算机网络的技术，这就产生了“三网合一”的想法。1、计算机网络5.1.2计算机网络的相关概念关于计算机网络，从未有过国际公认的标准的定义，实际上也没有哪一句话能够准确定义当今的计算机网络。随着网络技术的不断发展，计算机网络这个词汇不断融入新的内涵。如今，网络已无处不在，手机在网络上，办公设备在网络上，汽车在网络上，家里的电气设备在网络上，摄像监控设备在网络上，探测地质资源与环境的传感器在网络上，探测敌军动向的传感器也在网络上。2、互联网与因特网5.1.2计算机网络的相关概念我们需要明确的是网络和网络可以通过路由器互连起来，构成一个覆盖范围更大的网络（“网络的网络”），即互联网（或互连网）。而当今世界最大的覆盖范围最广的互联网是Internet，所以用一句话概括就是：网络把许多计算机连接在一起，而Internet把许多网络连接在一起。2、互联网与因特网5.1.2计算机网络的相关概念互联网的关键是TCP/IP协议，它较好地解决了一系列异种机、异构网互连的理论与技术问题，所产生的关于分组交换、网络协议分层等思想，成为当代计算机网络的关键标准。1983年TCP/IP协议成为ARPAnet上的标准协议，因此人们把1983年作为因特网的诞生时间。2、互联网与因特网5.1.2计算机网络的相关概念到了20世纪90年代，Internet的重大事件之一是开发出了Web服务（WorldWideWeb），它使得Internet走进了家庭，应用于各行各业。WWW包含四大关键部件：超文本标签语言（HTML）、超文本传输协议（HTTP）、Web服务器和浏览器。虽然经过了多年的演进，但核心概念仍然沿用至今。成百上千的应用在此平台上开发出来。例如：在线证券、在线银行、多媒体应用、信息检索、在线教育等等。许多公司在Internet上从事商务活动并获得巨大收益。3、局域网5.1.2计算机网络的相关概念20世纪80年代后，以IBMPC为代表的个人计算机（简称PC机）得到了蓬勃发展和普及。随着PC机性能的提高、价格的下降，其数量急剧增加，应用范围迅速扩展到社会的各个方面。基于信息交换、资源共享的需求，一些部门开始建立连接本部门有限区域内PC机的计算机网络，由于网络的覆盖范围有限，一般是一个办公室或一栋办公楼，因此将其称为局域网。3、局域网5.1.2计算机网络的相关概念由于局域网数据传输速度快、结构简单灵活、安装使用方便、工程造价低廉，随着个人计算机的普及，计算机局域网得到了迅速的发展和广泛的应用。这个时期最有影响力的是以太网（Ethernet）的出现。对计算机网络技术而言，以太网的发明与建设，几乎和Internet的出现具有同样重大的意义。人们在自己的组织内部建设局域网，又将局域网连接到Internet。因此，局域网已经和Internet不可分割。Internet是网络的网络，局域网是Internet的组成部分。5.2计算机网络的组成计算机网络的硬件组成服务器、主机或端系统、传输介质、交换机、路由器计算机网络软件网络操作系统、网络协议软件、网络应用软件本节知识点5.2.1计算机网络的硬件组成1、服务器服务器是指在网络中提供服务的设备，它是整个网络提供信息的核心设备。服务器的工作负荷很重，这就要求它具有高性能、高可靠性、高吞吐能力、大存储容量等特点，应选用CPU、存储器等多方面性能都很好，系统配置较高，并在设计时充分考虑散热等因素的专业服务器来担当，以保证网络的效率和可靠性。服务器要为网络提供服务，在服务器上存储大量的共享信息，我们熟知的Web服务器、数据库服务器和邮件服务器等都是最典型的服务器。5.2.1计算机网络的硬件组成2、主机或端系统设备除了服务器之外，所有连接到网络并访问网络资源的设施均称为主机（Hosts）也称为端系统（endsystems）。若干年前，主机还以流行的PC机为主。当时局域网相对独立，一般没有连接互联网。局域网上的主机有其自己的命名方法，称为网络工作站。如今端系统变化很大。除了PC机之外还包括像PDAs（PersonaldigitalAssistants）、TVs、移动计算机、手机、车载机、环境监测传感设备、电子相框、家用电子、安防设施、游戏机等等一些非传统设备。某一时刻全球有数亿计的端系统在访问互联网。5.2.1计算机网络的硬件组成3、传输介质传输介质按其特征可分为有形传输介质和无形传输介质两大类，有形传输介质包括双绞线、同轴电缆或光纤等，无形传输介质包括无线电、微波、卫星通信等。它们具有不同的传输速率和传输距离，分别支持不同的网络类型。5.2.1计算机网络的硬件组成4、交换机交换机(Switch，意为“开关”)是一种用于电信号转发的网络设备。它可以为接入交换机的任意两个网络节点提供独享的电信号通路。最常见的交换机是以太网交换机，还有电话语音交换机、光纤交换机等。用在网络中的交换机的主要功能包括物理编址、网络拓扑结构、错误校验、帧序列以及流量控制。目前交换机还具备了一些新的功能，如对VLAN（虚拟局域网）的支持、对链路汇聚的支持，甚至有的还具有防火墙的功能。5.2.1计算机网络的硬件组成5、路由器路由器（Router）用于连接多个逻辑上分开的网络。所谓逻辑网络是代表一个单独的网络或者一个子网，当数据从一个子网传输到另一个子网时，可通过路由器的路由功能来完成。因此，路由器具有判断网络地址和选择IP路径的功能，它能在多网络互联环境中，建立灵活的连接，可用完全不同的数据分组和介质访问方法连接各种子网。作为不同网络之间互相连接的枢纽，路由器系统构成了基于TCP/IP的国际互联网络Internet的主体脉络，也可以说，路由器构成了Internet的骨架。它的处理速度是网络通信的主要瓶颈之一，它的可靠性则直接影响着网络互连的质量。因此，在园区网、地区网、乃至整个Internet研究领域中，路由器技术始终处于核心地位，其发展历程和方向，成为整个Internet研究的一个缩影。5.2.2计算机网络软件1、网络操作系统网络操作系统是运行在网络硬件基础之上的，为网络用户提供共享资源管理服务、基本通信服务、网络系统安全服务及其他网络服务的软件系统。网络操作系统是网络的核心，其他应用软件系统都需要网络操作系统的支持才能实现其功能。在网络系统中，每个用户都可以享用系统中的各种资源，所以，网络操作系统必须对用户进行控制，否则，就会造成系统混乱，造成信息数据的破坏和丢失。为了协调系统资源，网络操作系统需要通过软件工具对网络资源进行全面的管理，以及进行合理的调度和分配。5.2.2计算机网络软件2、网络协议软件支持网络正常运行的另一关键部件就是网络协议。网络协议有其层次结构，底层协议（特别是物理层协议）主要依赖硬件来实现，而高层协议（如网络层、传输层和应用层协议）主要由软件来完成。全世界任何一个组织，若想接入互联网，必须遵从互联网协议标准。目前，互联网协议标准（Internetstandards）由IETF（InternetEngineeringTaskForce）以RFC（RequestsForComments）文档的形式予以颁布。5.2.2计算机网络软件3、网络应用软件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，我们每天都在使用它们。常见的网络应用软件有：用于在线交流的腾讯QQ、用于查看网页的浏览器、用于下载网络资源的迅雷、在线收看影视剧的PPTV、在线收听歌曲的酷狗等等。5.3网络体系结构和协议协议网络体系结构的概念ISO/OSI参考模型TCP/IP参考模型本节知识点5.3.1协议计算机网络最基本的功能就是资源共享、信息交换。为了实现这些功能，网络中的计算机之间经常要进行各种通信和对话，如果没有统一的约定，就好比一个城市的交通系统没有任何交通规则，大家为所欲为，各行其是，其结果肯定是乱作一团。人们常把国际互联网络叫做信息高速公路，要想在上面实现共享资源、交换信息，必须遵循一些事先制定好的规则标准，这就是协议。5.3.1协议5.3.2网络体系结构的概念计算机网络中采用层次结构，具有以下优点：（1）各层之间相互独立。高层并不需要知道低层是如何实现的，而仅需要知道该层通过层间的接口所提供的服务。（2）灵活性好。当任何一层发生变化时（例如由于技术的进步促进实现技术的变化），只要接口保持不变，则此层以上或以下各层均不受影响。另外，当某层提供的服务不再需要时，甚至可将这层取消。（3）各层都可以用最合适的技术来实现，各层实现技术的改变不影响其他层。（4）易于实现和维护。由于整个系统被分解为若干个易于处理的部分，这种结构使得一个庞大而又复杂系统的实现和维护变得容易控制。（5）有利于促进标准化。这主要是因为每一层的功能及其提供的服务都已有了精确的说明。5.3.3ISO/OSI参考模型5.3.3ISO/OSI参考模型OSI参考模型的特性如下：（1）它是一种异构系统互连的体系结构，提供了互连系统通信规则的标准框架。（2）它定义了一种抽象结构，而并非具体实现的描述。（3）不同系统上相同层实体称为同等层实体，同等层实体之间的通信由该层协议来管理。（4）同一系统上相邻层之间接口定义了原语操作和低层向高层提供的服务。（5）定义了面向连接和无连接的数据交换服务。（6）直接的数据传送仅在最低层实现。（7）每层完成所定义的功能，修改本层的功能并不影响其他层。5.3.4TCP/IP参考模型5.3.4TCP/IP参考模型5.3.4TCP/IP参考模型TCP/IP协议的各层功能：（1）应用层。TCP/IP的设计者认为高层协议应该包括会话层和表示层的细节，他们简单创建了一个应用层来处理高层协议、有关表达、编码和对话的控制。TCP/IP将所有与应用相关的内容都归为一层，并保证为下一层适当地将数据分组（打包）。这一层也被称为处理层。（2）传输层。传输层负责处理可靠性、流量控制和重传等典型问题。其中一种协议为传输控制协议（TCP），它能提供优秀和灵活的方式以创建可靠的、流量顺畅和低错误率的网络通信过程。这一点和OSI模型的传输层非常类似。（3）网络互联层。网络互联层用于把来自互联网络上的任何网络设备的源分组发送到目的设备，而且这一过程与它们所经过的路径和网络无关。该层会自动完成路由选择的功能。（4）网络接口层。这一层的名称非常广泛，并且有点让人困惑，它也被称为主机—网络层。在OSI模型中，该层的功能表现为两层，涉及到选择一条物理线路并通过该物理线路从一台设备传送到一台直接相连设备的有关的所有问题。它包括局域网和广域网的技术细节，以及OSI模型中物理层和数据链路层的所有细节。。5.4互联网的应用搜索引擎网上学习网上生活本节知识点5.4.1搜索引擎的使用如果想在网上搜索并获取某方面的信息，大家一定会想到搜索引擎。搜索引擎是指根据一定的策略、运用特定的计算机程序从互联网上搜集信息，在对信息进行组织和处理后，为用户提供检索服务，将用户检索相关的信息展示给用户的系统。5.4.2网上学习网上学习是指利用计算机和网络，通过在线交流，在线听课等方式获得知识、解决问题、提高自己。网上学习打破了传统教育模式的时间和空间条件的限制，是传统学校教育功能的延伸，使教学资源得到了充分利用。由于教学组织过程具有开放性、交互性、协作性、自主性等特点，可以说是一种以用户为中心的教育形式。5.4.2网上学习网上学习优点主要有：（1）个人掌握学习主动权只要能上网，就可以学习，在时间和地点上没有任何限制，学习不再和其他活动冲突。（2）个性化学习一般情况下，网络上的教学内容按课时或小节划分，明白的可以不听，不明白的可以多听几遍，直到听懂，可以完全根据自己的需要来选择。（3）课程答疑便捷网上的各类课程都有答疑专区，可以随时向老师咨询，一般都会得到满意的答复。（4）功能完善，操作简便课程选择、进度控制、课堂预习、听课笔记、帐户管理、在线测试，功能完善，操作更简便。5.4.2网上学习当今比较流行的MOOC（massiveopenonlinecourses）是指大型开放式网络课程。2012年，美国的顶尖大学陆续设立网络学习平台，在网上提供免费课程，Coursera、Udacity、edX三大课程提供商的兴起，给