《计算机网络基础》课件-第1章

第1章计算机网络概述1.1认识计算机网络1.2计算机网络的发展历程1.3计算机网络的组成1.4计算机网络的功能及分类1.5计算机网络的拓扑结构1.6计算机网络的应用本章小结

1.1认识计算机网络

一、计算机网络的定义学术界对于计算机网络的精确定义目前尚未统一，最简单、直接的定义是：计算机网络是一些互相连接的、具有自治功能的计算机的集合。这透露出计算机网络的三个基本特征：多台计算机，通过某种方式连接在一起，能独立工作。

计算机网络的专业定义是：利用通信设备和通信介质将地理位置不同、具有独立工作能力的多个计算机系统互连起来，并按照一定的通信协议进行数据通信，以实现资源共享和信息交换为目的的系统。计算机网络如图1.1所示。图1.1计算机网络

一个完整的计算机网络包括四部分：

●计算机系统：由计算机硬件系统和软件系统构成，如PC、工作站和服务器等。

●网络设备：具有转发数据等基本功能的设备，如中继器、集线器、交换机等。

●通信介质：通信线路，如同轴电缆、双绞线、光纤等。

●通信协议：计算机之间通信所必须遵守的规则，如以太网协议、令牌环协议等。

二、信息传播与交换方式

简单来说，计算机网络就是两台或两台以上的计算机通过某种方式连在一起，以便交换信息的网络。

有线电视网是一个单向的、广播式的网络，每一个接入用户只能作为接收者被动地接收相同的信息，网络上的两个接入点之间无法进行信息沟通，接入用户无法对整个网络施加影响。这样的网络最简单、最容易管理。

电话网比有线电视网要复杂，它是一个双向的、单播式的网络，每一个接入用户既可以接收信息，也可以对外发送信息，不过在同一时间内只能和一个接入用户进行信息交流。电话网的接入用户只能对整个网络施加极其有限、微弱的影响。在管理上电话网比有线电视网要困难一些。

而计算机网络却是一个双向的、多种传送方式并存的网络，每个接入用户可以自由地通过单播、组播和广播三种不同的方式同时与一个或者多个用户进行信息交换，每个接入用户都可以在不同程度上对整个网络施加影响。所以我们说计算机网络是一个非常复杂的、具有共享性和协作性的网络。这样的网络最复杂，功能也最强，管理难度也最大，当然也就最容易出问题。

1.2计算机网络的发展历程一、计算机网络的产生与发展1.Internet的起源与基础Internet的发展经历了三个阶段，现在逐渐走向成熟。从1969年Internet的前身ARPANET诞生到1983年是Internet的研究试验阶段，这一阶段主要是进行网络技术的研究和试验；1983年到1994年是Internet的实用阶段，这一阶段主要研究用于教学、科研和通信的学术网络；1994年以后，Internet开始进入商业化阶段，政府部门、商业企业以及个人开始广泛使用Internet。

ARPANET早期连接高校图见图1.2。图1.2ARPANET早期连接高校图

随着Internet的发展，美国早期的四大骨干网互联开始对外提供接入服务，形成Internet初期的基本结构，其示意图如图1.3所示。图1.3Internet初期结构示意图

2.我国计算机网络的产生与发展

我国的Internet发展以1987年9月14日钱天白教授发出我国第一封电子邮件为标志，此举揭开了中国人使用Internet的序幕。我国计算机网络早期以局域网络技术为主，大规模的网络建设是在1989年以后，如表1.1所示。

二、计算机网络的发展阶段

1.第一阶段：计算机技术与通信技术相结合(诞生阶段)

20世纪60年代末是计算机网络发展的萌芽阶段。此时，计算机是只具有通信功能的单机系统，一台计算机经通信线路与若干终端直接相连。该系统被称为终端—计算机网络，是早期计算机网络的主要形式，如图1.4所示。图1.4第一阶段的计算机网络

2.第二阶段：计算机网络具有通信功能(形成阶段)

第二阶段的计算机网络中的多个主机通过通信线路互联起来，为用户提供服务，主机之间不直接用线路相连，而是由IMP(接口报文处理机)转接后互联的。

这个时期，“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”是计算机网络的基本概念，如图1.5所示。图1.5第二阶段的计算机网络

这个阶段，每台主机服务的子网之间的通信均是通过各自主机之间的直接连线实现的。其网络特征是：以多台主机为中心，网络结构从“主机—终端”转向“主机—主机”。该阶段存在的问题包括：各企业的网络体系及网络产品相对独立，未有统一标准；此时的网络只能面向企业内部服务。

3.第三阶段：计算机网络互联标准化(互联互通阶段)

20世纪70年代末80年代初，网络发展到第三阶段，发展重心体现为如何构建一个标准化的网络体系结构，使不同公司或部门的网络系统之间可以互联且相互兼容，增加互操作性，以实现各公司或部门间计算机网络资源的最大共享。

这一阶段典型的标准化网络结构如图1.6所示，其中通信子网的交换设备主要是路由器和交换机。图1.6第三阶段的计算机网络

4.第四阶段：计算机网络高速和智能化发展(高速网络技术阶段)

进入20世纪90年代，随着计算机网络技术的迅猛发展，特别是1993年美国宣布建立国家信息基础设施(NII，NationalInformationInfrastructure)后，全世界许多国家都纷纷制定和建立本国的NII，从而极大地推动了计算机网络技术的发展，使网络发展进入了世界各个国家的骨干网络建设、骨干网络互联与信息高速公路的发展阶段，也使计算机网络的发展进入一个崭新的阶段，即计算机网络高速和智能化阶段，如图1.7所示。图1.7网络互联与信息高速公路

三、计算机网络的发展方向

网络发展的另一个方向是实现三网合一。所谓“三网合一”，即将目前存在的电信网、广电网和互联网三大网络合并成一个网络，如图1.8所示。图1.8三网合一示例图

1.3计算机网络的组成

一、计算机网络子网系统计算机网络的基本功能可分为数据处理与数据通信两大部分，因此它所对应的结构也分成两个部分：负责数据处理的计算机与终端设备；负责数据通信的通信控制处理机(CCP)与通信线路。所以，从计算机网络的通信角度看，典型的计算机网络按其逻辑功能可以分为“资源子网”和“通信子网”，如图1.9所示。图1.9计算机网络组成示意图

1.计算机资源子网

资源子网的基本功能是负责全网的数据处理业务，并向网络用户提供各种网络资源和网络服务。资源子网由拥有资源的主计算机、请求资源的用户终端、联网的外设、各种软件资源及信息资源等组成。

(1)主计算机。主计算机系统简称主机(Host)，它可以是大型机、中型机、小型机、工作站或微机。主机是资源子网的主要组成单元，它通过高速通信线路与通信子网的通信控制处理机相连接。

(2)终端。终端(Terminal)是用户访问网络的界面。终端一般是指没有存储与处理信息能力的简单输入、输出设备，也可以是带有微处理机的智能终端。

(3)网络共享设备。网络共享设备一般是指计算机的外部设备，例如高速网络打印机、高档扫描仪等。

2.计算机通信子网

通信子网的基本功能是提供网络通信功能，完成全网主机之间的数据传输、交换、控制和变换等通信任务。

(1)通信控制处理机。通信控制处理机(CCP)在网络拓扑结构中称为网络节点，是一种在数据通信系统中专门负责网络中数据通信、传输和控制的专门计算机或具有同等功能的计算机部件。

一方面，它作为与资源子网的主机、终端的连接接口，将主机和终端连入网内；另一方面，它又作为通信子网中的分组存储转发节点，完成分组的接收、校验、存储、转发等功能，实现将源主机报文准确发送到目的主机的功能。

(2)通信线路。通信线路即通信介质，指为通信控制处理机与主机之间提供数据通信的通道。计算机网络中采用了由多种有线通信线路，如电话线、双绞线、同轴电缆、光纤等组成的通信信道，也可以使用由红外线、微波及卫星通信等无线通信线路组成的通信信道。

(3)信号变换设备。信号变换设备的功能是根据不同传输系统的要求对信号进行变换。例如调制解调器、无线通信的发送和接收设备、网卡以及光电信号之间的变换和收发设备等都属于信号变换设备。在网络中可以将信号交换设备称为通信节点。通过通信介质将通信节点连在一起就构成了通信子网。当数据到达某个规定的节点时，通信节点进行相应的处理后就可以将数据传送到计算机中进行处理。

二、计算机网络软硬件系统

1.计算机网络硬件部分

计算机网络硬件系统包括计算机、通信控制设备和网络连接设备。

计算机是信息处理设备，属于资源子网的范畴。通信控制设备(或称通信设备)是信息传递的设备。通信设备构成网络的通信子网，是专门用来完成通信任务的。

网络连接设备属于通信子网，负责网络的连接，主要包括路由器、局域网中的交换机、网桥、集线器以及网络连线等。

2.计算机网络软件部分

计算机网络软件主要包括网络操作系统、网络通信协议以及网络应用软件等。网络操作系统负责计算机及网络的管理，网络应用软件完成网络的具体应用，它们都属于资源子网的范畴；网络通信协议完成网络的通信控制功能，属于通信子网的范畴。

1.4计算机网络的功能及分类

1.4计算机网络的功能及分类一、计算机网络的功能计算机网络主要的，也是最基本的功能可归纳为以下三点。

1.资源共享资源共享是计算机网络的基本功能之一。

2.数据通信

数据通信是计算机网络的另一个基本功能。

3.分布式处理

多个单位或部门位于不同地理位置的多台计算机，通过网络连接起来，协同完成大型的数据计算或数据处理问题的这一复杂过程，称为分布式处理。

二、计算机网络的分类

计算机网络可以按照不同的方法进行分类。

1.按网络传输技术进行分类

在通信技术中，通信信道的类型有广播信道与点对点通信信道两类。网络要通过通信信道完成数据传输任务，所采用的传输技术也只可能是广播方式与点对点方式。因此，相应的计算机网络可以分为广播式网络与点对点式网络。

(1)广播式网络。在广播式网络中，所有联网的计算机都共享一个公共通信信道。

(2)点对点式网络。与广播式网络相反，点对点式网络中每条物理线路只能连接一对计算机。

2.按网络分布范围进行分类

1)局域网

局域网(LAN，LocalAreaNetwork)用于将有限范围内(如一个实验室、一幢大楼、一个校园)的各种计算机、终端与外部设备互联成网。局域网按采用的技术可分为共享局域网和交换式局域网；按传输介质可分为有线网和无线网；按拓扑结构可分为总线型、星型和环型。

局域网的主要特点如下。

(1)网络覆盖的地理范围较小，一般为几十米到几十千米。

(2)传输速率高，目前已达到10Gb/s。

(3)误码率低。

(4)拓扑结构简单，常用的拓扑结构有总线型、星型和环型等。

(5)局域网通常归属于一个单一的组织管理。

2)城域网

城域网(MAN，MetropolitanAreaNetwork)是一种大型的LAN。它的覆盖范围介于局域网和广域网之间，一般是在一个城市范围内组建的网络。城域网设计的目标是要满足几十千米范围内大量企业、机关、公司的多个局域网互联的需求，以实现大量用户之间的数据、语音、图像与视频等多种信息的传输功能。

3)广域网

广域网(WAN，WideAreaNetwork)是在一个广阔的地理区域内进行数据、语音、图像、视频等信息传送的通信网，地理范围比较大，一般在几十千米以上。

广域网的主要特点如下。

(1)覆盖的地理范围大。

(2)广域网通过公用通信网进行连接。

(3)传输速率一般在64kb/s～2Mb/s或为45Mb/s。

LAN、MAN和WAN的比较如表1.2所示。

3.按传输介质进行分类

根据网络的传输介质不同，可以将网络分为有线网和无线网。有线网根据线路的不同又分为同轴电缆网、双绞线网、光纤网和最新的全光网络；无线网则是指卫星无线网和使用其他无线通信设备的网络。

1)有线介质

(1)同轴电缆。

同轴电缆由两个导体组成：一个空心圆柱形导体(网状)围裹着一个实心导体。内部导体可以是单股的实心导线，也可以是多股导线；外部导体可以是金属箔，也可以是编织的网状线。其结构如图1.10所示。图1.10同轴电缆结构图

(2)双绞线。

双绞线是由两根相互绝缘的铜导线按照一定的标准互相缠绕在一起而成的网络传输介质。

把两根绝缘的铜导线按一定规格互相绞在一起，可降低信号干扰的程度，因为每一根导线在传输中辐射的电波会被另一根线上发出的电波抵消。如图1.11所示，8条线两两相绞，因而得名双绞线。图1.11双绞线示意图

双绞线按是否进行屏蔽划分为屏蔽双绞线(STP，ShieldedTwisted-Pair)和非屏蔽双绞线(UTP，UnshieldedTwisted-Pair)，其示意图分别如图1.12、图1.13所示。图1.12屏蔽双绞线(STP)图1.13非屏蔽双绞线(UTP)

(3)光纤。

光纤和同轴电缆相似，只是没有网状屏蔽层。光纤中心是用于光传播的玻璃芯；芯外面包围着一层折射率比较低的玻璃封套，以使光纤保持在芯内；再外面是一层薄的塑料外套，用来保护封套。光纤通常被扎成束，外面有外壳保护。纤芯通常是由石英玻璃制成的横截面积很小的双层同心圆柱体，质地脆，易断裂，因此需要外加保护层。其结构如图1.14所示。图1.14光纤结构

光纤按照模数分为单模光纤(SMF，SingleModeFibre)和多模光纤(MMF，MultiModeFibre)。单模光纤中光的传输如图1.15所示，多模光纤中光的传输如图1.16所示。图1.15单模光纤图1.16多模光纤

2)无线介质

(1)地面微波。其特点包括：

●通过地面站之间接力传送。

●接力站之间距离为50～100km。

●速率为每信道45Mb/s。

地面微波示意图见图1.17。图1.17地面微波

(2)地球同步卫星。其特点包括：

●与地面站相对位置固定。

●使用3颗卫星即可覆盖全球。

●传输延迟时间长(约为270ms)。

●广播式传输。

地球同步卫星示意图见图1.18。图1.18地球同步卫星

4.按协议进行分类

按照协议对网络进行分类是一种常用的方法，多用在局域网中。分类所依照的协议一般是指网络所使用的底层协议。例如，在局域网中主要有两种协议，一种是以太网协议，另一种是令牌环网协议。

1.5计算机网络的拓扑结构

计算机网络的拓扑结构是指计算机网络节点和通信链路所组成的几何形状，也可以描述为网络设备及它们之间的互联布局或关系。拓扑结构基本上可以分成两大类，一类是无规则的拓扑，这种拓扑结构呈网状图形，一般广域网采用这种拓扑结构，称为网状网；还有一类是有规则的拓扑，这种拓扑结构的图形一般是有规则的、对称的，局域网多采用这种拓扑结构。

一、总线型拓扑结构

总线型拓扑结构采用单一的通信线路(总线)作为公共的传输通道，所有的节点都通过相应的接口直接连接到总线上，并通过总线进行数据传输。对总线结构而言，其通信网络中只有传输媒体，没有交换机等网络设备，所有网络站点都通过介质直接与传输媒体相连，如图1.19所示。１

总线型拓扑结构的特点如下。

(1)结构简单，易于扩展和安装，费用低。

(2)共享能力强，便于广播式传输。

(3)网络响应速度快，但负荷重时性能会迅速下降。

(4)网络效率和带宽利用率低。

(5)采用分布控制方式，各节点通过总线直接通信。

(6)各工作节点平等，都有权争用总线，不受某节点制裁。

二、环型拓扑结构

在环型拓扑结构中，各个网络节点通过环节点连在一条首尾相接的闭合环状通信线路中。环节点通过点到点链路连接成一个封闭的环，每个环节点都有两条链路与其他环节点相连，如图1.20所示。图1.20环型拓扑结构

环型拓扑结构的主要特点如下。

(1)各工作站间无主从关系，结构简单。

(2)信息流在网络中沿环单向传递，延迟固定，实时性较好。

(3)两个节点之间仅有唯一的路径，简化了路径选择。

(4)可靠性差，任何线路或节点的故障，都有可能引起全网故障，且故障检测困难。

(5)可扩充性差。

三、星型拓扑结构

在星型拓扑结构中，每个节点都由一条点到点的链路与中心节点相连，任意两个节点之间的通信都必须通过中心节点，如图1.21所示。图1.21星型拓扑结构

星型结构的主要特点如下。

(1)结构简单，容易扩展、升级，便于管理和维护。

(2)容易实现结构化布线。通信线路专用，电缆成本高。

(3)中心节点负担重，易成为信息传输的瓶颈。

(4)星型结构的网络由中心节点控制与管理，中心节点的可靠性基本上决定了整个网络的可靠性，中心节点一旦出现故障，就会导致全网瘫痪。

四、树型拓扑结构

树型拓扑结构是由总线型和星型演变而来的。它有两种类型：一种是由总线型拓扑结构派生出来的，它由多条总线连接而成，不构成闭合环路而是形成分支；另一种是星型拓扑结构的扩展，各节点按一定的层次连接起来，信息交换主要在上、下节点之间进行。在树型拓扑结构中，顶端有一个根节点，它带有分支，每个分支还可以有子分支，其几何形状像一棵倒置的树或横置的树，故得名树型拓扑结构，如图1.22所示。图1.22树型拓扑结构

五、网状型拓扑结构

网状型拓扑结构又称完整结构。在网状型拓扑结构中，网络节点与通信线路互连成不规则的形状，节点之间没有固定的连接形式，一般每个节点至少与其他两个节点相连，即每个节点至少有两条链路连接到其他节点，数据在传输时可以选择多条路由，如图1.23所示。图1.23网状型拓扑结构

网状型拓扑结构的特点是节点间的通路比较多，当某一条线路出现故障时，数据分组可以寻找其他线路迂回，最终到达目的地，所以该网络具有很高的可靠性。但该网络控制结构复杂，建网费用较高，管理也复杂。因此，一般只在大型网络中采用这种结构。有时，园区网的主干网也会采用节点较少的网状拓扑结构。我国教育科研示范网CERNET的主干网和国际互联网Internet的主干网都采用网状结构。其中，CERNET主干网的拓扑结构如图1.24所示。图1.24CERNET主干网的拓扑结构

1.6计算机网络的应用

一、办公自动化办公自动化是指利用先进的科学技术，尽可能充分地利用信息资源，提高生产、工作效率和质量，取得更好的经济效益。一般来说，一个较完整的办公自动化系统应当包括信息采集、信息加工、信息传输、信息保存四个环节。

办公自动化一般可分为三个层次，即事务层、管理层和决策层。事务层为基础型，包括文字处理、个人日程管理、行文管理、邮件处理、人事管理、资源管理、其他有关机关行政事务处理等。管理层为中间层，包含了事务层。管理层系统是支持各种办公事务处理活动的办公系统与支持管理控制活动的管理信息系统相结合的办公系统。决策层为最高层，它以事务层和管理层办公系统的大量数据为基础，同时又以自带的决策模型为支持。决策层办公系统是上述系统的再结合，是具有决策或辅助决策功能的最高级系统。

二、电子数据交换(EDI，ElectronicDataInterchange)

电子数据交换是一种利用计算机进行商务处理的新方法。

电子数据交换不是指用户之间简单的数据交换，而是指发送方按照国