计算机网络基本知识

计算机网络基本知识计算机的诞生促使了人类社会信息化的一次变革，带给人们前所未有的便捷和智能。同时网络和通信技术的诞生与发展使计算机摆脱了个体性，拉近了人们之间的距离。计算机网络的快速发展为共享资源、传送和处理信息提供了强有力的工具。网络现在已经成为现代社会发展的一个重要基础，对社会生活的很多方面以及社会经济的发展产生了巨大的影响。

知识讲解计算机网络是利用通信设备和线路将地理位置不同的、功能独立的多个计算机系统互连起来，依靠功能完善的网络软件（网络通信协议、信息交换方式、网络操作系统等）实现网络中资源共享和信息传递的系统。计算机网络最重要的功能就是通过网络通信实现网络资源共享，即建立计算机网络的根本目的是共享网上的软硬件和信息资源以及交换信息等。1.1计算机网络的定义计算机网络涉及如下3个要素：（1）至少两台计算机。（2）通信手段。（3）网络协议。计算机网络是以实现数据通信和网络资源（包括硬件资源和软件资源）共享为主要目的的，主要表现在硬件资源共享、软件资源共享和用户间信息交换3个方面。

（1）硬件资源共享。硬件资源共享可以在全网范围内提供对处理资源、存储资源、输入/输出资源等昂贵设备的共享，使用户节省投资，也便于集中管理和均衡分担负荷。

（2）软件资源共享。允许互联网上的用户远程访问各类大型数据库，可以得到网络文件传送服务、远地进程管理服务和远程文件访问服务，从而避免软件研制上的重复劳动以及数据资源的重复存储，也便于集中管理。

（3）用户间信息交换。计算机网络为分布在各地的用户提供了强有力的通信手段，用户可以通过计算机网络传送电子邮件、发布新闻消息和进行电子商务活动等。1.2计算机网络的功能计算机网络是计算机技术和信息技术相结合的产物，它使人们的生活发生了巨大的变化。计算机网络从20世纪50年代起步至今已经有60多年的发展历程，从其体系结构来看，可分为如下4个时代：1.3计算机网络的发展1.联机终端系统2.主机互连网络3.体系结构标准化网络4.网络互连阶段计算机网络根据不同原理可按多种方法进行分类，一般有以下两种分类方法：1.4计算机网络的分类

1.按分布范围分类计算机网络按分布的地理范围大小可分为局域网、城域网和广域网3类。

（1）局域网。局域网（localareanetwork，LAN）是最常见、应用最广的一种网络。现在局域网随着整个计算机网络技术的发展和提高得到了充分的应用和普及，几乎每个单位都有自己的局域网。

所谓局域网，就是在局部地区范围内的网络，它所覆盖的地区范围较小。局域网在计算机数量配置上没有太多的限制，少的可以只有两台，多的可达几百台，在网络所涉及的地理距离上一般来说是几米至10km以内。局域网一般位于一个建筑物或一个单位内，不存在寻径问题，不包括网络层的应用。

局域网的特点是连接范围窄、用户数少、配置容易、连接速率高。目前最快的局域网是10Gb/s以太网。美国电气和电子工程师协会（IEEE）的802标准委员会定义了多种主要局域网，包括以太网、令牌环网、光纤分布式接口网络、异步传输模式网以及最新的无线局域网等。1.4计算机网络的分类

（2）城域网。城域网（metropolitanareanetwork，MAN）一般来说是在一个城市，但不在同一地理小区范围内的计算机互连，网络连接距离可以在10～100km。MAN与LAN相比扩展的距离更长，连接的计算机数量更多，在地理范围上可以说是LAN的延伸。在一个大型城市或都市地区，一个MAN通常连接着多个LAN。

城域网多采用ATM技术做骨干网。ATM是一个用于数据、语音、视频以及多媒体应用程序的高速网络传输方法，包括一个接口和一个协议，该协议能够在一个常规的传输信道上，在比特率不变及变化的通信量之间进行切换。ATM也包括硬件、软件以及与ATM协议标准一致的介质，其最大缺点是成本太高，所以一般在政府城域网中应用，如邮政和银行等单位。

（3）广域网。广域网（wideareanetwork，WAN）所覆盖的范围比城域网更广，一般是在不同城市之间的LAN或者MAN互连，地理范围可从几百千米到几千千米。因为广域网涉及距离较远，信息衰减比较严重，所以这种网络一般要租用专线。1.4计算机网络的分类

2.按拓扑结构分类

计算机网络的拓扑结构主要有总线型、星型、环型、树型、网状和混合型。

（1）总线型拓扑结构。总线型拓扑结构由一条高速公用主干电缆（总线）连接若干结点构成网络，如图6-11所示。总线型拓扑结构中各工作站和服务器均挂在一条总线上，各工作站地位平等，无中心结点控制，总线型拓扑结构的优点是结构简单灵活，建网容易，使用方便，性能好；当需要增加结点时，只需要在总线上增加一个分支接口便可与分支结点相连；使用的设备相对简单，可靠性高。缺点是主干总线对网络起决定性作用，总线故障将影响整个网络，网络维护与分支结点故障查找困难等。

（2）星型拓扑结构。星型拓扑结构由中央结点集线器与各个结点连接组成，如图6-12所示。这种网络结构中的各结点必须通过中央结点才能实现通信。星型拓扑结构的优点是结构简单，建网容易，便于控制和管理。其缺点是中央结点负担较重，容易形成系统的“瓶颈”，线路的利用率也不高。1.4计算机网络的分类1.4计算机网络的分类

（3）环型拓扑结构。环型拓扑结构由各结点首尾相连形成一个闭合环型线路，如图6-13所示。环型拓扑结构使公共传输电缆组成环型连接，信息传送是单向的，数据在环路中沿着一个方向在各个结点间传输，信息从一个结点传到另一个结点，每个结点需安装中继器以接收、放大和发送信号。

这种结构的优点是结构简单，建网容易，便于管理。其缺点是当结点过多时，将影响传输效率；环路封闭不便于扩充；可靠性低，一个结点故障将会造成全网瘫痪；网络维护困难，对分支结点故障定位较难。

（4）树型拓扑结构。树型拓扑结构是一种分级结构，如图6-14所示。在树型拓扑结构的网络中，任意两个结点之间不产生回路，每条通路都支持双向传输。这种结构的特点是扩充方便、灵活，成本低，易推广，适合于分主次或分等级的层次型管理系统。1.4计算机网络的分类1.4计算机网络的分类

（5）网状拓扑结构。网状拓扑结构主要用于广域网，如图6-15所示。这种结构网络的网络控制功能分散在网络各结点上，结点之间有多条线路相连，即使一条线路出现故障，通过迂回线路，网络仍能正常工作，所以网络的可靠性较高。由于网状拓扑结构比较复杂，因此建设成本较高。

（6）混合型拓扑结构。混合型拓扑结构可以是不规则的网络，也可以是“点-点”相连结构的网络。

信的基本框架，计算机网络生产厂商根据此模型标准设计产品。OSI描述了网络硬件和软件如何以层的方式协同工作进行网络通信，采用了7层的结构化技术，由底层到高层分别是物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层和应用层，如图6-16所示。需要注意，OSI参考模型并不是网络体系结构，只是指明每一层上应该做的工作。1.5计算机网络体系结构1.5计算机网络体系结构1.5计算机网络体系结构

1.物理层

物理层位于OSI模型的最底层，涉及在通信信道上传输的原始数据位，传输单位为一个二进制比特（bit）位，即信号“0”或“1”。设计时需保证当一方发送了信号“1”时，另一方接收到的也是信号“1”。物理层比特传输必须依赖于传输设备和物理媒体，但物理层不是具体的物理设备，也不是信号传输的物理媒体，而是指在物理媒体之上为上一层（数据链路层）提供一个传输原始比特流的物理连接。

2.数据链路层数据链路层是OSI模型的第二层，控制网络层与物理层之间的通信，其主要功能是将从网络层接收到的数据分割成特定的可被物理层传输的帧。帧是用来移动数据的结构包，它不仅包括原始数据，还包括发送方和接收方的网络地址以及纠错和控制信息等。1.5计算机网络体系结构

3.网络层网络层是OSI模型的第三层，其主要功能是将网络地址翻译成对应的物理地址，并决定如何将数据从发送方路由到接收方。例如，一台计算机有一个网络地址166.111.82.12和一个物理地址0080973F97F3对应，就像一个中国公民和他的身份证号对应一样，不会出现一个网络地址对应多个物理地址的情况。网络层通过综合考虑发送优先权、网络拥塞程度、服务质量以及可选路由的消耗来决定从网络中的一个结点A到网络中另一个结点B的最佳路径。

4.传输层传输层主要负责验证和解释网络中传输的数据，确保数据可靠、顺序、无差错地从一点传输到另一点。传输层常被认为是OSI模型中最重要的一层，传输协议同时进行流量控制和基于接收方可接收数据的快慢程度规定适当的发送速率。1.5计算机网络体系结构

5.会话层会话层负责在网络中的两结点之间建立通信并维持通信畅通。当通过拨号向ISP（互联网服务提供商）请求连接到互联网时，ISP服务器上的会话层将与用户PC上的会话层进行协商连接；会话层根据结点通信的优先级和通信时间的长短来设置通信期限，同时会话层监测会话参与者的身份以确保只有授权结点才可加入会话。

6.表示层表示层负责管理数据的加密与解密，如同应用程序和网络之间的翻译官，数据在表示层将按照网络能理解的方案进行格式化，除此之外，表示层协议还对图片和文件格式信息进行编码和解码。

7.应用层OSI模型的顶端即第七层是应用层，负责对软件提供接口以使程序能使用网络服务。应用层并不是指运行在网络上的某个特别的应用程序。应用层提供的服务包括文件传输、文件管理以及电子邮件的信息处理等。1.6计算机网络的硬件组成

目前较普遍的计算机网络硬件包括服务器、客户机、传输介质、网络互连设备、通信设备等，是计算机网络组成中不可或缺的部分，各自发挥着重要的作用。

1.服务器

计算机网络服务器一般是由高性能硬件环境支持的计算机，也可以用普通的PC担任服务器的角色，但性能等会受到限制。服务器上装有各种服务器应用系统、软件等为客户机提供服务操作，同时还存储大量信息供客户机调用。

2.客户机客户机是用来获取共享资源或申请服务器提供服务的计算机。客户机端运行的是用户操作系统，为客户机自身的应用处理服务。1.6计算机网络的硬件组成

3.传输介质有了服务器、客户机之后，还需要有效的线路（传输介质）才能将其互连起来形成网络。传输介质是计算机和其他网络设备互连的通信线路，用以实现网络设备之间的信息传输。常用的传输介质有双绞线、同轴电缆、光导纤维和无线通信等。

（1）双绞线。双绞线是由两条相互绝缘的导线按照一定的规格互相缠绕在一起而制成的一种通用配线，属于信息通信网络传输介质。双绞线分为非屏蔽双绞线和屏蔽双绞线两种。屏蔽双绞线电缆的外层由铝铂包裹以减小辐射，但并不能完全消除辐射，屏蔽双绞线价格相对较高，安装时要比非屏蔽双绞线电缆困难。非屏蔽双绞线电缆及其RJ-45接口分别如图6-17和图6-18所示。非屏蔽双绞线具有以下优点：无屏蔽外套、直径小、节省空间、成本低、重量轻、易弯曲和易安装，将串扰减至最小或加以消除，具有阻燃性，适用于结构化综合布线，既可以传输模拟信号，也可以传输数字信号。1.6计算机网络的硬件组成1.6计算机网络的硬件组成

（2）同轴电缆。同轴电缆由内、外两条导线构成，内导线可以是单股铜线，也可以是多股铜线，外导线是一条网状空心圆柱导体。内外导线之间有一层绝缘材料，最外层是保护性塑料外壳。同轴电缆从用途上可分为基带同轴电缆和宽带同轴电缆，即网络同轴电缆和视频同轴电缆。同轴电缆分50Ω基带电缆和75Ω宽带电缆两类，基带电缆又分细同轴电缆和粗同轴电缆。

（3）光导纤维。光导纤维又称光纤（见图6-19），是一种利用光在玻璃或塑料制成的纤维中的全反射原理而制成的光传导工具。光纤内部由透明材料做成纤芯，周围采用比纤芯的折射率稍低的材料制成的包层，射入纤芯的光信号，经包层界面不断反射，从而在纤芯中传播前进。1.6计算机网络的硬件组成

（4）无线通信。无线通信是利用电磁波信号在自由空间中传播的特性进行信息交换的一种通信方式。无线通信主要包括微波通信和卫星通信。微波是一种无线电波，它传送的距离一般只有几十千米，但微波的频带很宽，通信容量很大；微波通信每隔几十千米就要建一个微波中继站。卫星通信利用通信卫星作为中继站，在地面上两个或多个地球站或移动体之间建立微波通信联系。1.6计算机网络的硬件组成

4.网络互连设备

网络互连设备主要负责建立服务器、客户机和传输介质间的连接，网络通道中传输信息的接收和发送。网络互连设备包括网卡、调制解调器、路由器等。

（1）网卡。网卡全称网络接口卡，又称网络适配器，用于实现联网计算机和网络电缆之间的物理连接，为计算机之间的相互通信提供一条物理通道，并通过这条通道进行高速数据传输。网卡完成物理层和数据链路层的大部分功能，包括网卡与网络电缆的物理连接、介质访问控制、帧的发送与接收、错误校验、数据信号的编/解码、数据的串/并行转换等。网卡种类繁多，可以从其总线类型、网络接口、支持的带宽、应用领域等不同的角度进行划分。

①按总线接口类型分。按网卡的总线接口类型一般可分为普遍使用的PCI接口网卡（见图6-20）、服务器上使用的PCI-X总线接口网卡、笔记本电脑使用的PCMCIA接口网卡（见图6-21）和USB总线接口网卡（见图6-22）等。1.6计算机网络的硬件组成1.6计算机网络的硬件组成

②按网络接口划分。网卡最终是要与网络进行连接的，所以也就必须有一个接口使网线通过它与其他计算机网络设备连接起来。按网卡的网络接口类型划分，主要包括双绞线的RJ-45接口网卡、光纤接口网卡和无线网卡（见图6-23）3种。1.6计算机网络的硬件组成

③按带宽划分。随着网络技术的发展，网络带宽也在不断提高，网卡按照网络带宽分主要有10Mb/s网卡、100Mb/s以太网网卡、10Mb/s和100Mb/s自适应网卡、千兆以太网网卡4种。

④按网卡应用领域来分。网卡根据所应用的计算机类型可以分为应用于工作站的网卡和应用于服务器的网卡。服务器通常采用专门的网卡，相对于工作站所用的普通网卡带宽更宽，通常在100Mb/s以上。

（2）调制解调器。调制解调器用于进行数字信号与模拟信号间的转换。1.6计算机网络的硬件组成

（3）路由器。路由器是连接互联网中各局域网、广域网的设备，如图6-24所示。路由器会根据信道的情况自动选择和设定路由，以最佳路径按前后顺序发送信号。路由器是互联网的枢纽，构成了基于TCP/IP的互联网主体脉络和骨架。路由器已经广泛应用于各行各业，成为实现各种骨干网内部连接、骨干网间互连和骨干网与互联网互连互通业务的主力军。路由器分为本地路由器和远程路由器。本地路由器是用来连接网络传输介质的，如光纤、同轴电缆、双绞线等；远程路由器是用来连接远程传输介质的，并要求配备相应的设备，如电话线要配备调制解调器，无线要通过无线接收机、发射机等。1.6计算机网络的硬件组成

5.通信设备

通信设备在网络互连设备的基础上主要用于延伸传输距离，便于网络布线等，包括中继器、交换机等。

（1）中继器。中继器又称转发器，是连接网络线路的一种装置，常用于两个网络结点之间物理信号的双向转发工作，如图6-25所示。中继器根据连接传输介质的不同，可分为粗缆中继器、细缆中继器、双绞线中继器、光纤中继器、无线中继器和混合型中继器等。

（2）交换机。交换机是集线器的升级换代产品，如图6-26所示。它是一种基于MAC地址识别，能够在通信系统中完成信息交换功能的设备，可以为接入交换机的任意两个网络结点提供独享的电信号通路，常见的交换机有以太网交换机、电话语音交换机和光纤交换机等。1.7计算机网络操作系统

网络操作系统（NOS）是网络的心脏和灵魂，是网络中各计算机能方便且有效地共享网络资源，为网络用户提供所需的各种服务的软件和有关规程的特殊操作系统。网络操作系统运行在服务器上，并为联网的计算机用户，即客户机共享。一般情况下，网络操作系统是以使网络相关特性达到最佳为目的的，如共享数据文件、软件应用以及共享硬盘、打印机、调制解调器、扫描仪和传真机等设备。

网络操作系统与个人操作系统相比，除具有个人操作系统的处理机管理、存储器管理、设备管理和文件管理等功能外，还可以提供高效可靠的网络通信和多种网络服务功能，如远程作业服务、文件传输服务、电子邮件服务和远程打印服务等。

系统对特定计算环境的支持使得每一个操作系统都有适合于自己的工作场合，如WindowsXP适用于桌面计算机，Linux适用于小型的网络，WindowsServer和UNIX则适用于大型服务器应用程序等。对于不同的网络应用，需要有目的地选择合适的网络操作系统，目前主要有Windows，NetWare，UNIX和Linux几类网络操作系统。1.8计算机网络通信协议

计算机网络在硬件和软件的基础上，要使两个处在不同地理位置的实体相互通信，需要通过交换信息来协调它们的动作以达到同步，而信息的交换必须按照预先共同约定好的过程进行，于是产生了网络通信协议。

网络