第9章 计算机网络

21世纪高等学校计算机规划教材

2lstCentunI'nnersihPlannedTextbookofComputerScience

计算机科学概论

第9章计算机网络

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教学目的

•描述计算机网络的定义、功能和分类；

•描述并理解OSI/RM七层参考模型和TCP/IP四层模型；

•区分网络接口卡、中继器、网桥、路由器、交换机和网关等局

域网设备；

•理解TCP/IP、DNS、SMTP、POP3、HTTP、IPv4、IPv6等

Internet相关协议和地址；

•理解电子邮件、远程登录、文件传输、信息服务，以及QQ、

MSN、博克、维克等Internet基本服务和应用；

•了解Internet的发展趋势。

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教学内容

计算机网计算机网

络的基本络体系结

构

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学习重点

•OSI/RM七层参考模型和TCP/IP四层模型

•理解TCP/IP、DNS、SMTP、POP3、HTTP、IPv4、IPv6

等Internet相关协议和地址

•Internet的概念和发展

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第一节什么是计算机网络

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1什么是计算机网络

什么是计算机网络？

计算机网络是计算机技术与通信技术紧密结合的产物，是计

算机通信网络发展的高级阶段。现在的计算机网络尚未具备完善

的..网...缝..操..作..点..统髭。鼾公毓暗源共享‘所以‘它们仍

是计算就通信网,

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1什么是计算机网络

1.1计算机网络发展历史：

■第一阶段：分组交换网

・第二阶段：形成计算机网络的体系结构

・第三阶段：Internet推广与普及阶段

■第四阶段：Internet大发展阶段

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什么是计算机网络

计算机网络的发展过程

重要历史事件:1969ARPANET建立，只连接4台主机

ARPANET扩大为20台交换节点

1983ARPANET分出MILNET

TCP/IP作为协议标准

CERN提出分布式超媒体技术

CERN发布了文本浏览器

第一个图形浏览器Mosaic诞生

1994NSFNET改由MCI和Sprint维护

MCI组建新的因特网主干vBNS

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什么是计算机网络

1.2计算机网络的定义

•计算机网络就是利用通信线路和设备，将分散在不同地点、并具

有独立功能的多个计算机系统互连起来，按照网络协议，在功能

完善的网络软件支持下，实现资源共享和信息交换的系统。

,正在广泛实施的国际互联网Internet,就是一个全球性的计算机

通信网。

•从宏观上看，计算机网络包括：计算机系统、通信链路和网络节

点。从逻辑上看，计算机网络包括：资源子网和通信子网。

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1什么是计算机网络

微型机，小型机.

计算机网络示意图

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什么是计算机网络

1.3计算机网络功能

•信息交换

•资源共享

•计算机的可靠性和

可用性得到提高

•分布式处理

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什么是计算机网络

1.4计算机网络的分类:

•按照其覆盖的地理范围，计算机网络可以分为广域网(WAN,wide

areanetwork)、城域网(MAN,metropolitanareanetwork)

和局域网(LAN,localareanetwork)。

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什么是计算机网络

•局域局：简称LAN,通常在地域上位于园区或者建筑物内部的有限

范围内。

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什么是计算机网络

•城域网：简称MAN,在地理域分布上比LAN更广。

・礴区.

k1

质度区♦

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什么是计算机网络

•广域网：简称WAN,用于连接同一国家、不同国家间甚至洲际间的

局域网和城域网。

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什么是计算机网络

网络类型范围传输速度成本

局域网4km内，同一栋建筑物内快便宜

城域网4—20km,同一市内中等昂贵

广域网20km以上，可跨越国家慢昂贵

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什么是计算机网络

广域网、城域网、接入网以及局域网的关系：

广域网

城域网--------城域网

///%.

接入网接入网接入网接入网接入网接入网

111•••111।।।…~।Lr

=J二__、aaaaafi

局域网校园网企业网局域网

(

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什么是计算机网络

从使用范围和用途来分，计算机网络又可分为:

•校院网

・企业网

・公用网

・专用网

•内联网(intranet)

•外联网(extranet)等。

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1什么是计算机网络

1.5以太网（基带总线局域网）

以太网的含义：

•IEEE802.3类型的网络

•基带系统，采用曼彻斯特编码

•核心技术是采用一种称为载波监听多路访问/冲突检测CSMA/CD,

保证了只能有一个站在电缆上传输

两类以太网：

•快速以太网100Base・T

•千兆以太网1Gbps

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什么是计算机网络

以太网交换机

......:七::::匕0

~n

共享10Mbps端口

------—专用10Mbps端口

集线器集线器

计算机计算机计算机计算机计算机计算机

交换式以太网的结构示意图

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第二节计算机网络体系结构

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2计算机网络体系结构

计算机网络系统是一个很复杂的信息系统，需要用高度结

构化的方式来进行设计，即将一个比较复杂的系统设计问

题分解成一个个容易处理的子问题，“分而治之”逐个地

加以解决。

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2计算机网络体系结构

2.1计算机网络体系结构概述：

•从功能上，一个网络系统的总体结构，可以用如下分层“体系结构”来描述：

A={S,E,L,P}

・A—网络体系结构，实质上是一种网络功能层次化结构模型。

•S—系统，是包含一个或多个实体的具有统一信息处理和通信功能的物理

整体。

•E——实体，在计算机系统中，任何能完成某一特定功能的进程或程

序，都可称为一人逻辑“实体”，如“文件传输进程”、“网络服务”

等都是实体；其中能完成发送和接收信息的实体，称为“通信实体”。

•L——层，是一个系统中能够提供某一种或某一类服务功能的“功能

群”o例如，能够专门完成二进制比特信号在物理传输媒体介质中传

输的一个功能群，可归纳为一个服务层——物理层。

•P——协议，是为完成在两实体间通信或服务而必须遵循的规则和约

定。协议可以分为对等层间对话协议和相邻层间的接口协议.

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2计算机网络体系结构

1.网络协议的概念

•计算机网络中为进行数据传输而建立的一系列规则、标准或约

定称为网络协议（Protocol）。网络协议通常由语义、语法和定时

关系3部分组成。语义定义做什么，语法定义怎么做，而定时关系定

义何时做。

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2计算机网络体系结构

2.网络层次的概念

•不同系统中的实体的通信任务十分复杂，相互间不可能作为一个整

体来处理，否则任何一方的改变，就要修改整个软件包。

­层次结构使用结构化的设计和实现技术，即把协议按功能分为若干

层次，每层完成一定的功能（同层协议），并对其上层提供支持（

接口）。

•由于通信功能是分层实现的，因而进行通信的两个系统就必须具有

相同的层次结构，两个不同系统上的相同层称为同等层或对等层。

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2计算机网络体系结构

系统A系统B

.

计算机网络层次

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2计算机网络体系结构

3.计算机网络采用层次化结构的优越性包括:

•(1)各层之间相互独立。

•(2)灵活性好。

•(3)易于实现和维护。

•(4)有利于网络标准化。

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2计算机网络体系结构

2.2开放系统互联参考模型(OSI/RM)

•由于很多网络使用不同的硬件和软件，没有统一的标准，结果

造成很多网络不能兼容，而且很难在不同的网络之间进行通信。

•为了解决这些问题，人们迫切希望出台一个统一的国际网络标

准，为此，国际标准化组织(ISO,internationalstandards

organization)和一些科研机构、大的网络公司做了大量的工

作，提出了开放式系统互连参考模型(ISO/OSIRM,

internationalstandardsorganization/opensystem

interconnectreferencemodel)和TCP/IP体系结构。

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2计算机网络体系结构

甲乙

书写信件、贴阅读信件

牌送邮箱

收集信件、盖邮信件分拣、

戳票、信件分拣信件投递

信件打包送运邮件拆包

输部门分发邮件

路由选择、运

输st

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2计算机网络体系结构

1ISO/OSI参考模型的结构

•在OSI参考模型中，计算机之间传送信息的问题分为7个较小且更容

易管理和解决的小问题。每一个小问题都由模型中的一层来解决。

OSI将这7层从低到高叫做物理层、数据链路层、网络层、传输层、

会话层、表示层和应用层。

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2计算机网络体系结构

网络应用U

数据表示“

互联主机通信＜

点到点连接U

寻址与路由“

接入介质”

0和1的传输♦

OSI模型网络层次

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2计算机网络体系结构

•按照OSI参考模型，网络中各节点都有相同的层次，不同节点的同等层次具有

相同的功能，同一节点内相邻层之间通过接口通信；每一层可以使用下层提

供的服务，并向其上层提供服务；不同节点的同等层按照协议实现对等层之

间的通信（虚拟通信）。

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2计算机网络体系结构

主机A主机B

数据链路层

数据链路层-协议-数据链路层

物理层协议

物理层物理层

物理介质

相同层之间的虚拟通信

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2计算机网络体系结构

•在网络中，数据都是从源端发出，经过网络传达到目的端。若主

机A要与主机B的交换数据，交换过程如下图所示：

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2计算机网络体系结构

2.3TCP/IP模型

•TCP/IP协议是目前最流行的商业化网络协议，尽管它不是某一标

准化组织提出的正式标准，但它已经被公认为目前的工业标准或

“事实标准”。因特网之所以能迅速发展，就是因为TCP/IP协议

能够适应和满足世界范围内数据通信的需要。TCP/IP协议具有以

下几个特点。

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2计算机网络体系结构

TCP/IP体系结构的特点：

•(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，以

及互联网中。

•(3)统一的网络地址分配方案，使得整个TCP/IP设备在网中都

有惟一的地址。

•(4)标准化的高层协议，可以提供多种可靠的用户服务。

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2计算机网络体系结构

LTCP/IP体系结构的层次划分

与ISO/OSI参考模型不同，TCP/IP体系结构将网络划分为应用层、

传输层、互联层、和网络接口层4层

第4层*

第3层.

第2层・

第1层，

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2计算机网络体系结构

TCP/IP体系结构应用举例

主机A

4应用层路由器

3运输层

2网际层网际层

―网络

1网络

接口层接口层

网络1网络2

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2计算机网络体系结构

2.TCP/IP体系结构与ISO/OSI参考模型的对应关系

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2计算机网络体系结构

3.TCP/IP使用的协议以及与OSI的关系图

TCP/IP层次

应用层

FTPSMPTTELNETOSI层次

应用（表/J、、会话）层

传输层

TCPUDP传输层

互联网层IP

网络层

1数据链路层

网络接口层无限分组

EteemetSATNET物理层

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2计算机网络体系结构

4.TCP/IP模型与OSI模型的相同点

•(1)它们都是层次结构的模型。

•(2)其最底层都是面向通信子网的。

•(3)都有传输层，且都是第一个提供端到端数据传输服务的层次,

都能提供面向连接或无连接运输服务。

•(4)最高层都是向各种用户应用进程提供服务的应用层。

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2计算机网络体系结构

5.TCP/IP模型与OSI模型的不同点

•(1)两者所划分的层次数不同。

•(2)TCP/IP中没有表示层和会话层。

•(3)TCP/IP没有明确规定网络接口层的协议，也不再区分物理层、

数据链路层和网络层。

•(4)TCP/IP特别强调了互联网层，其中运行的IP协议是TCP/IP的核

心协议，且互联网层向上只提供无连接的服务，而不提供面向连接的

服务。

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第三节组建网络

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3组建网络

3.1网络拓扑结构

1、计算机网络拓扑的定义

•网络的拓扑结构是指计算机网络结点和通信链路按不同的形式所组成

的几何形状，这种不同的形式就是网络的拓扑结构(Topology)o

•网络的拓扑结构对整个网络的设计、功能、可靠性、费用等方面有着

重要的影响。选用何种类型的网络拓扑结构，要根据实际需要而定。

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3组建网络

2、计算机网络拓扑结构的分类

・网络拓扑构型可以根据通信子网中通信信道类型分为两类：点——点

线路的通信子网与广播信道的通信子网。

•采用点——点线路的通信子网的基本拓扑构型有四类：星型、环型、

树型与网状型。

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3组建网络

(1)星型拓扑结构

•在星型网络中，各网

络主机与中央结点通一

过点对点方式连接，

任意两台网络主机间

的通信都要经过中央

网络结点。中央结点

上网络交换设备执行

集中式通信控制策略,

而周边结点上的网络

主机负责数据发送和

接收。

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3组建网络

（2）树型拓扑结构

•树型拓扑也叫多级星型拓扑，树型拓扑结的网络是由多个层次的

星型结构纵向连接而成，树的每个节点都是计算机或转接设备。

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(3)环型拓扑结构

•环型拓扑是以共享的中央信道将网络主机首尾连接成为一个环状的

网络布局方式称为环型拓扑结构，

•环型网络结构中各结点都可以发送和接收信息。

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(4)网状型拓扑结构

•网状型拓扑结构网络叫分布式网络，分为全网状型和部分网状

型结构，它是由分布在不同地点的计算机系统互连接而成。

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3组建网络

计算机网络的拓扑结构

工作站工作站服务器aH

集线器

工作站

打印机工作站tj

总线型4q

星形

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3组建网络

3.2网络物理组成

•1、服务器

•2、工作站

•3、网络接口卡（简称网卡）

•4、传输介质

・5、共享资源与外围设备

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连接设备、传输介质

介质双绞线以太网卡集线器/交换机/路由器

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3组建网络

3.3网络连接

•计算机网络互联类型有如下三种方式：

•1)局域网互联(LAN—LAN)其中包括同种局域网的互联和异

种局域网的互联。例如使用中继器、集线器等设备可以连接多个

以太网；使用网桥和交换机可以实现一个以太网和令牌环网的连

接。

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3组建网络

・使用中继器和集线器连接多个以太网

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3组建网络

・使用交换机连接多个局域网

一个冲突域

一个冲突域

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3组建网络

•路由器将不同的网络连接在一起

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3组建网络

・2)局域网通过广域网互联(LAN—WAN-LAN)多个远程局域网

可以通过公用的广域网服务进行互联，并形成专有的广域网。

一般使用路由器和网关通过广域网ISDN、DDN和X.25等实现互

联。

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3组建网络

广域网接口

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3组建网络

•3)局域网通过广域网的服务接入Internet(LAN-WAN-Internet)

例如，使用路由器和网关通过FR、DDN和X.25等广域网接入

Interneto接入方式主要有：拨号接入、ADSL接入、Cable

Modem接入和无线局域网接入。

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3组建网络

•用户通过拨号接入Internet

AAA

Router

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3组建网络

•ADSL方式接入Internet

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3组建网络

•CableModem的接入方式

下行数据

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3组建网络

•无线局域网接入

带无线网卡的计算机

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第四节Internet及应用

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4Internet及应用

4.1Internet简介

Internet是一个全球的、开放的信息互连网络，它在全球范围内

将成千上万个计算机网络互连在一起，因此又被称为网络的网络或网

络的集合。

•因特网的英文名称Internet

•使用TCP/IP协议

•发展阶段：

20世纪70年代初期ARPANET

20世纪80年代NSFNET

1987年以后，引进一些商业网络（如UUNET等）

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4Internet及应用

世界各地的计算机通常可用以下三种直接或间接的方式连接Internet,

成为Internet的一个用户：

・将计算机连到一个服务器为Internet主机的局域网；

•通过电话拨号方式进入一个Internet的主机；

•通过电话拨号方式进入一个提供Internet服务的联机服务系统。

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4Internet及应用

4.2Internet传输协议与地址

1.Internet相关协议

(1)TCP/IP协议

•逻辑编址

•路由选择

•域名解析

・错误检测和流量控制

•支持应用程序

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4Internet及应用

(2)SMTP协议

(3)POP3协议

(4)HTTP协议

(5)FTP协议

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4Internet及应用

应用层TdnctFTPSMTPDNSSNMP

传输层TCPUDP

IGMP(CMP

互联层IP

1ARP

I'okenFrame

EthernetATM

网络接口层RingRelay

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4Internet及应用

2.用户地址、网络层地址与物理地址

地址-用户地址与IP地址间的关系

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4Internet及应用

IP地址

物理地址

网络层地址与物理地址的关系

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4Internet及应用

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4Internet及应用

4.3Internet应用

Internet基本服务功能

•(1)电子邮件服务

•(2)远程登录服务

•(3)文件传送服务

•Internet信息服务

•Internet新闻与电子公告类服务

其他应用

(1)即时通讯(IM)

(2)博客Blog

(3)维基(Wiki)

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4Internet及应用

4.4Internet发展新趋势

•IP协议已经被证实是Internet的标准协议，并逐渐会成为整个电信的

标准协议

•网络已经转变成为一种商品

•大量的增值服务出现

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本章小结

・计算机网络是计算机技术与通信技术紧密结合的产物，它是一种地理

上分散的、具有独立功能的多台计算机通过通信设备和线路连接起来,

座的网络软件（网络协议、操作系统等）的情况下实现资源

共学统。

票机圈翁的功熊主聚件现在几个史面：信息交换、资源共享、计算

•机it药可靠性和可用性得到擅高和分布式处理。

・计算机网络按其覆盖范围大小可分为局域网（LAN）、城域网

（MAN）、广域网（WAN）三大类，Internet属于广域网。采用以

太网技术的局域网是应用最广泛的一类计算机网络。

•OSI/RM参考模型共分成7层：物理层