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1第7章计算机网络基础知识7.1计算机网络概述7.1.1计算机网络的诞生与发展1、计算机网络发展的四个阶段第一阶段（20世纪50年代）以单个计算机为中心的远程联机系统称为面向终端的远程联机系统。20世纪50年代初，美国建立一个半自动地面防空系统SAGE（赛其系统），这种系统是计算机技术与通信技术相结合而形成的计算机网络的雏形，因此也面向终端的计算机通信网。20世纪60年代初，美国航空订票系统SABRE－1就是这种计算机通信网络的典型应用，该系统由一台中心计算机和分布在全美范围内的2000多个终端组成，各终端通过电话线连接到中心计算机上。第二阶段（20世纪60年代末）多个自主功能的主机通过通信线路互联，形成资源共享的计算机网络。资源子网：负责全网的数据处理和向网络用户提供网络资源和服务；包括所有主机、终端、终端控制器、外设和各种软件资源。计算机网络通信子网：承担资源子网的通信工作（数据传输、转接和变换等）包括各种通信设备和线路注：1969年第一个分组交换计算机网络诞生，英文名称ARPANET（阿帕网）使用了TCP/IP协议，并延续至今第三阶段（20世纪70年代）国际标准化组织ISO提出了著名的开放系统互联基本参考模型OSI。注：国际互联网INTERNET属于第三代第四阶段（20世纪80年代）二十世纪90年代，计算机网络进入新阶段，其特点是互联、高速化、智能化。注：ISDN（综合数字业务网）2、计算机网络在中国的发展①1989年11月我国第一个公用分组交换网（CNPAC）建成运行。1993年9月改名为“CHINAPAC”2②“三金”工程金桥工程：建立国家公用经济信息通信网（将邮电部的通信干线及各部门已有的专用通信网互联，成为国家公用经济信息通信的主干网）金关工程：加快发展我国外贸业务信息化和自动化管理的一项重大工程。金卡工程：金融卡业务管理体制。3、基于Internet技术的公用计算机网络中国公用计算机互联网CHINANET中国金桥信息网CHINAGBN中国教育和科研计算机网CERNET中国科学技术网CSTNET7.1.2计算机网络的概念与功能1、计算机网络的概念将地理位置不同的具有独立功能的多台计算机及其外部设备，通过通信线路连接起来，在网络操作系统、网络管理软件及网络通信协议的管理和协调下，实现资源共享和信息传递的计算机系统。2、计算机网络的主要功能①资源共享（最根本的目的）硬件资源：各种类型的计算机、大容量存储器、计算机外设等软件资源：应用软件、工具软件、语言处理程序、数据库管理系统等。数据资源：信道资源：②网络通信③分布处理把要处理的任务分散到各个计算机上运行，从而提高工作效率和降低成本④集中管理⑤均衡负荷7.1.3计算机网络的分类1、按覆盖范围分类：局域网（Lan）：不超过几公里，局限于一个办公室、一幢大楼、一个校园城域网（Man）：几十公里到几百公里，一个城市或地区广域网（Wan）：几百公里到几千公里，跨越城市、国家的网络。（Internet是世界上最大的广域网）2、按传输介质分类有线网：传输介质为双绞线、同轴电缆、光纤电缆等无线网：红外线、微波、卫星信号等3、按服务方式分类对等网客户机/服务器网4、按传播方式分类广播式网络点对点式网络5、按拓扑结构分类总线型、星型、环型、树型、网状7.1.4计算机网络拓扑结构3网络拓扑结构是指网络中的通信线路和各节点之间的几何连接方式。常见的网络拓扑结构有总线型、环型、星型、树型、网状等1、总线型结构图优点：布线容易，工程费用低，网络星扩充。缺点：若总线出现故障，整个网络瘫痪。注：广播网、以太网2、星型结构图优点：结构简单，易于扩充，便于管理。缺点：中心节点一旦出现故障将造成全网瘫痪。注：点到点式网络3、环型结构图优点：结构简单，控制方便，线路对称性好，传输效率高。缺点：环中任何一个节点出现线路故障，都可能造成网络瘫痪。注：令牌环网4、树型结构图优点：通信线路简单，网络管理软件也不复杂，维护方便。缺点：资源共享能力差，可靠性低。5、网状结构图7.2网络通信基础知识7.2.1信号1、模拟信号连续变化的物理量，一般用正弦波描述。2、数字信号以二进制来表示，一般用脉冲方波描述。3、数字化的三个步骤：采样、量化、编码调制：将数字信号转换成模拟信号解调：将模拟信号还原成数字信号4、数字信号的优点：①抗干扰、抗噪声性能好②差错可控③易加密7.2.2数据通信的三要素1、定义：将信息从一方传送到另一方的过程称为通信。2、通信的三要素：①信源：信息产生和出现的发源地。4②信道：信息传输过程中承载信息的传输媒体。③信宿：接收信息的目的地。7.2.3串行传输和并行传输1、串行传输：使用一条数据线，将数据一位一位地依次进行传输，每一位数据占据一个固定的时间长度。适用于远距离通信。2、并行传输：在传输中有多个数据位同时在设备之间进行的传输。适用于短距离传输、要求传输速度快的场合使用。7.2.4串行传输的三种工作模式根据通信双方的分工和信号传输方向的不同可将串行传输分为单工、半双工、全双工三种方式。1、单工数据通过一条信道，只能向一个方向传送的工作模式。例如：打印机打印文档。2、半双工数据在一条通信信道中可从两个方向上传送，但在某个时刻只能单向传送的工作模式。例如：步话机进行通话时，甲方讲话时乙方无法讲，甲方讲完后乙方才能讲。3、全双工通信双方能同时发送或接收信息的工作模式。通信双方都具备发送装置和装置，并且要两条通信信道。例如：打电话。7.2.5基带传输和频带传输1、基带传输基带是指电信号固有的基本频带。基带传输：将数字设备发出的数据信号原封不动地送入信道上去传输，要求信道的频带足够宽。2、频带传输利用电话线一类的模拟通信线路，把数字信号调制成音频信号后，再发送和传输，到达接收端再把音频信号解调为原来的数字信号。7.2.6通信的频段在通信领域，频段指的是电磁频率范围，单位为Hz。5按频率的大小可分为低频（长波）、中频（中波）、高频（高波）。7.2.7同步传输和异步传输1、若发送端和接收端的时钟是独立，称为异步传输（ATM）2、若时钟是同步，称为同步传输（STM）3、两者的区别：传输对象传输单位时序传输效率异步传输面向字符字符对时序的要求较低较低同步传输面向比特帧通过特定的时钟线路协调时序较高7.2.8多路复用技术多路复用技术是指两个或多个用户共享公用信道的一种机制。频分多路复用FDM时分多路复用TDM多路复用技术波分多路复用WDM码分多路复用CDM7.2.9数据交换技术1、电路交换技术①定义：电路交换技术是指在发送端和接收端之间建立起一条实际的线路进行数据传输，并且在整个数据传输期间，该线路一直为收发端占用，直到数据传输结束才被释放。电路交换技术包含线路建立、数据传输和线路拆除三个主要阶段。②优点：时延非常少；实时性强；不存在失序问题；控制简单；既可传输数字信号，也可传送模拟信号；③缺点：连接建立的时间相对于通信来说较长；信道利用率低；难以进行差错控制2、报文交换技术①定义：将用户数据报文存储在交换设备的存储器中，当所需要的传输线路空闲时，由交换设备将该报文发向下站打印机或终端。报文交换是以报文为数据交换的单位，报文携带有目标地址信息、源地址信息，在交换结点采用存储转发的传输方式。②优点：提高通信线路的利用率③缺点：通信量越大，时延越大；只适用于数字信号；各结点要有较大的缓冲区。3、分组交换技术①定义:将报文划分为一定长度的分组，以分组为单位进行存储转发发，这样既有报文交换方式电路利用率高的优点，又克服了时延较大的缺点。包括呼叫建立、数据传输、虚电路释放三个过程②优点：减少了报文的传输时间；简化了存储管理；减少了出错机率和重发数据量。③缺点：存在存储转发时延；传输的数据量大。7.2.11差错控制技术1、差错控制是指在数据通信过程中发现或纠正差错，把差错限制在尽可能小的允许范围内的技术。产生差错的原因：一为信道固有的随机热噪声；二为外界造成的冲击噪声（主要原因）。2、奇校验：让原有数据序列中1的个数为奇数。63、偶校验：让原有数据序列中1的个数为偶数。7.2.12数据通信的主要技术参数1、传输速率（单位bit/s、kbps）2、误码率3、信道带宽信道能传送的信号的频率宽度，即最高频率与最低频率之差。7.3计算机网络系统结构7.3.1计算机网络的系统组成1.一个完整的计算机网络系统是由网络硬件和网络软件所组成的。1、网络硬件网络硬件一般指网络中的计算机、传输介质、网络连接设备等组成。包括：网络服务器、工作站、网络设备、传输介质等等。①服务器服务器是网络的核心设备，提供可共享的资源，担负数据处理任务。可分为文件服务器、打印服务器、应用系统服务器、通信服务器等②工作站工作站就是共享网络资源的计算机。③网络通信设备网络通信设备主要包括网卡、调制解调器、中继器、集线器、网桥、交换机、路由器、网关等2、网络软件2.网络软件一般指网络操作系统、网络通信协议、网络应用软件等①网络操作系统网络操作系统主要包括：操作系统、网络适配器驱动、网络协议等等。常见的网络操作系统有：UNIX、NETWARE、WindowsServer。②网络管理软件③网络协议7.3.2计算机网络的逻辑结构从逻辑上讲，计算机网络由通信子网和资源子网两大部分组成。1、通信子网通信子网主要由网络结点和通信链路组成，负责全网的信息传递。①网络结点也称为转接结点或中间结点，它们的作用是控制信息的传输和在端结点之间转发信息。②通信链路即传输信息的通道，它们可以是双绞线、同轴电缆、光纤、微波、卫星通信信道。在局域网中，通信子网由网卡、传输介质、集线器、中继器、交换机、路由器等设备。2、资源子网资源子网主要由提供资源的主机和请求资源的终端组成，它们是信息传输的源结点或宿结点，负责全网的信息处理。在局域网中，资源子网是由联网的服务器、工作站、共享的打印机等组成；在广域网中，资源子网同网上的所有主机组成。7.3.3计算机网络拓扑结构77.3.4计算机网络传输介质双绞线有线传输介质同轴电缆传输介质光纤无线传输介质：无线电波、微波、红外线1、双绞线优点：性能好，成本低，组网灵活，所以被广泛采用。分类：分为非屏蔽双绞线（UTP）和屏蔽双绞线（STP）两大类。注：双绞线使用RJ-45接头连接网卡或其它设备，水晶头的线序：EIA/TIA568A的线序定义依次为绿白、绿、橙白、蓝、蓝白、橙、棕白、棕，如下表所示：绿白绿橙白蓝蓝白橙棕白棕12345678EIA/TIA568B的线序定义依次为橙白、橙、绿白、蓝、蓝白、绿、棕白、棕，如下表所示：橙白橙绿白蓝蓝白绿棕白棕123456782、同轴电缆优点：搞干扰强，误码率低，适用于长距离传输。长距离的模拟信号传输，每千米要插入一个放大器；长距离的数字信号传输，每几百米要安装一个中继器。3、光纤光纤是光导纤维的简称，由石英玻璃纤维和保护层组成。7.3.5网卡网卡是工作在物理层和数据链路层的网络组件，是局域网中连接计算机和传输介质的接口。是计算机接入网络必不可少的设备。1、分类按传输距离分：10M网卡、100M网卡、10/100M自适应网卡、1000M网卡按传输介质分：AUI（粗缆）接口、BNC（细缆）接口、RJ-45（双绞线）接口、光纤接口2、功能：数据转换、数据缓存、通信服务、实现局域网数据链路层的一部分功能。3、MAC地址每一块网卡都带有一个与其它网卡不一样的编号，这个编号在网络中称为介质访问控制（MAC）地址，又叫物理地址。是48b的二进制数，由生产厂家写入网卡的EPROM上，每个MAC地址是全球唯一的。48b物理地址，前24位，叫做“组织唯一标志符”，由IEEE的注册管理机构给网卡厂家分配的代码，用来区别不同的生产厂家；后24位由厂家自己分配，称为“扩展标识符”，同一厂家生产的不同网卡，扩展标识符是不同的。8例如：MAC地址：C0-3F-D5-50-2F-69（采用16进制）前C0-3F-D5，管理机构给网卡厂家分配的代码，用来区别不同的生产厂家后50-2F-69由厂家自己分配，称为“扩