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第1章运算机网络基础知识

内容提示：

本章归纳介绍运算机网络的基础知识，涉及运算机网络的概念、系统组成、进展、分类、功能及工作模式；网络拓扑结构、传输介质；网络的体系结构；数据通信技术基础知识等内容。

本章是整个课程学习的基础，教学大体要求如下：

（1）明白得运算机网络的大体概念、系统组成、功能和应用。

（2）了解运算机网络的进展、分类和工作模式。

（3）明白得网络拓扑结构、网络传输介质。

（4）明白得并把握网络体系结构。

（5）明白得数据通信基础知识。

运算机网络概述

运算机网络是运算机技术与通信技术彼此渗透、紧密结合而形成的一门交叉学科。

随着运算机网络技术的快速进展和普遍应用，运算机网络已成为人们现代生活的必备工具，不管是学习生活、科学研究仍是休闲娱乐，都离不开以运算机为核心的网络。

运算机网络对人类社会进展产生了庞大的推动作用。

大体概念

在现今的生活中与“网络”有关的名词铺天盖地，如电话通信网络、广播电视网络、交通指挥网络、人际关系网络，和网络游戏、网络电视、网络歌手、网络学习、网络谈天等等，那么什么是网络？

什么又是运算机网络？

广义上说网络是现实世界的一种大表现象，是一类物质的关系组合，或是一种意识的联系、分类。

如通信网络、电视网、销售网络等确实是属于前者；如人际关系网络等属于后者。

运算机网络（ComputerNetwork）是则将散布在不同地理位置具有独建功能的运算机系统，利用通信线路和设备，在网络协议和网络软件的支持下彼此连接起来，进行数据通信，进而实现资源共享的系统。

对运算机网络概念能够从以下4个方面明白得：

（1）成立运算机网络的要紧目的是实现资源共享。

那个地址的资源是指硬件资源、软件资源和数据资源等，资源共享是运算机网络的最大体特点。

（2）互连的运算机都是独立的“自治运算机”。

运算机网络包括了多台具有“自治”功能的运算机。

所谓“自治”是指这些运算机离开运算机网络以后，也能独立地工作和运行。

人们通常将这种运算机称为“主机”（Host），在运算机网络中又叫做节点或站点。

运算机网络中的共享资源就是散布在这些运算机中的。

（3）运算机之间通信必需遵循一起的网络协议。

运算机网络需要利用通信手腕，才能把运算机（节点）“有机”连接起来。

所谓“有机”的连接是指连接时彼此必需遵循所规定的约定和规那么，这些约定和规那么称为网络协议。

（4）数据通信是运算机网络应用的大体手腕，通过数据通信实现数据传输，它是运算机网络各类效劳和资源共享的前提与基础。

大体功能

运算机网络最要紧的大体功能是资源共享和数据通信，除此之外还有负载均衡、散布式处置和提高系统平安性与靠得住性等功能。

1．资源共享

资源共享是运算机网络的大体功能，其目的是连接到运算机网络中的任何运算机均能够利用网络上的资源，这些资源能够是高性能运算机、大容量磁盘、高性能打印机、高精度图形设备、通信线路、通信设备等硬件设备；也能够是大型专用软件、各类网络应用软件等；还能够是各类形式的数据，包括像文字、数字、声音、图形、图像、视频等形式的数据。

如此的益处是既方便了网络用户的利用，又提高软件、硬件和数据的利用效率，有效幸免资源重复建设。

2．数据通信

数据通信要紧实现运算机网络中运算机系统之间的数据传输，是运算机网络应用的基础，它为网络用户提供强有力的通信手腕。

通过数据通信使散布在不同地理位置的网络用户之间能够彼此通信、交流信息。

数据通信是网络实现其它功能的基础，利用网络的通信功能，运算机网络能够传输数据、声音、图像、视屏等多媒体信息，能够发送电子邮件，实现网络视频会议、远程诊断和网上谈天等。

3．负载均衡与散布式处置

负载平稳也称负载共享，是指对系统中的负载情形进行动态调整，以尽可能排除或减少系统中各节点负载不均衡的现象。

具体实现方式是将过载节点上的任务转移到其它轻载节点上，从而提高系统综合处置效率。

散布处置是指将一个大型的复杂处置任务，在操纵系统的统一治理下，将任务分派给网络上多台运算机，每一个运算机各自承担同一工作任务的不同部份，进行协同工作，共同处置成同一任务，从而实现一台运算机无法完成的复杂任务。

4．提高系统的靠得住性

网络系统中运算机具有互为备份的特性，如此提高了系统的靠得住性。

也确实是说，当某台运算机显现问题，其工作能够由网络上其它运算机承担，不致因单机故障而致使系统瘫痪，同时数据的平安性也取得了保障。

1.1.3大体组成

从运算机网络的大体组成能够从运算机网络的系统组成（即软硬件系统组成）和运算机网络的逻辑（功能）组成两个角度来熟悉。

运算机网络的系统组成要紧包括运算机系统、数据通行系统、网络软件等部份组成；运算机网络的逻辑组成要紧包括通信子网和资源子网等两部份组成，因为运算机网络的大体功能是数据通信和资源共享。

1．运算机网络的系统组成

（1）运算机系统

运算机系统是运算机网络的重要组成部份，是运算机网络不可缺少的硬件元素。

运算机网络连接的运算性能够是巨型机、大型机、小型机、工作站（或微机）和其他包括运算机系统的数据终端设备。

运算机系统在网络中的要紧作用体此刻信息处置、提供网络资源与效劳上，一方面运算机系统（主机）要为本地用户访问网络中的效劳和资源提供效劳，完成数据信息处置，另一方面为网络中远程用提供网络资源和网络效劳。

（2）数据通信系统

数据通信系统要紧完成数据通信操纵与处置，要紧由网络适配器、传输介质和网络互联设备等组成。

网络适配器俗称网卡，它是组成运算机网络最大体和必不可少的连接设备。

运算机通过网卡与传输介质连接，使运算机连入网络系统中，网卡除起到物理接口的作用，还有操纵数据传输的功能。

传输介质是组成两边通信的信道，实现数据的传输。

通常传输介质有同轴电缆、双绞线、光缆、无线电、微波等。

网络互联设备是用来实现网络中各运算机之间互联的设备，经常使用的互联设备有集线器、互换机和路由器等。

（3）网络软件

网络软件是在网络环境下运行、操纵、治理网络的运算机软件，是网络系统重要组成部份。

依照软件的功能可分为网络系统软件和网络应用软件两大类型。

①网络系统软件

网络系统软件是操纵和治理网络运行、提供网络通信、分派和治理共享资源的网络软件，它包括网络操作系统、网络协议软件、通信操纵软件和网络治理软件等。

网络操作系统是网络软件的重要组成部份，它是网络系统治理和通信操纵的集合，负责整个网络的软、硬件资源治理、网络通信和任务调度，并提供用户和网络之间的接口。

网络操作系统是运算机网络软件的核心程序，是网络软件系统的基础。

网络协议软件是实现各类网络协议功能的软件。

它是网络软件的核心部份，任何网络软件都要通过协议软件才能工作。

网络通信软件是实现网络中各结点之间的通信处置的软件。

网络治理软件用来对网络资源进行治理、对网络进行保护。

②网络应用软件

网络效劳器软件是运行在效劳器运算机，提供特定网络效劳的软件。

如WWW软件Apache、文件传输效劳Serv-U等软件。

网络客户端应用软件能够与效劳器进行通信，为用户提供利用网络效劳、访问共享资源、进行信息的传输等实现网络应用的软件。

如IE阅读器、下载软件、QQ软件等为用户提供利用网络效劳、访问共享资源和进行信息的传输等功能。

2．运算机网络的逻辑组成

运算机网络从逻辑功能角度可划分为资源子网和通信子网两部份。

资源子网是运算机网络中实现资源共享功能的设备及其软件的集合，是面向用户的部份，它负责整个网络的数据处置，向网络用户提供各类网络资源和网络效劳。

资源子网通常由运算机系统、终端设备、网络连接设备、软件资源和信息资源组成。

通信子网是运算机网络中实现网络通信功能的设备（网卡、集线器、互换机）、通信线路（传输介质）和相关软件的集合，要紧负责数据传输和转发等通信处置工作。

通信子网是信息传输的主体，要紧由通信线路和互换节点组成；通信线路用于连接网络节点，互换节点用于连接传输线路，进行信息互换。

大体应用领域

随着运算机网络技术的不断进展，运算机网络应用几乎渗透到了社会生活的各个领域，完全改变了人们的学习、生活和工作方式，成为人们现代生活中必备工具。

1．在科研和教育中的应用

在科学研究中，科技人员通过运算机网络查询各类文件和资料，交流学术思想和共享实验数据，开展国际研究与合作。

例如利用远程医疗诊断网络系统，医学专家在各自的办公室、实验室通过网络了解、观看病人的临床表现、分析病历及各类检查报告，进行远程会诊，一起研究医治方案，从而提高诊断和医疗水平。

在教育教学方面，通过运算机网络，教师将教学讲义、教学视频、网络课程等学习资源发布到网络上，学生通过网络获取所需的学习资源，为学生自主学习制造条件。

另外还能够通过成立网络教学交流平台，学生能够随时提问和讨论，解决学习进程中受时刻、地域限制的问题，为教学提供辅助教学手腕，从而提高学习质量和效率。

2．在企事业单位中的应用

企事业单位通过成立单位内部运算机网络，能够解决资源和信息共享，实现网络办公自动化。

若是将企事业内部网络联入Internet还能够实现异地办公，方便地与散布在不同地域的企事业单位成立联系。

例如政府部门通过电子政务系统发布政务信息、进行网上办公，提高办事效率；企业能够发布产品信息，搜集市场信息，进行企业治理等。

3．在商业中的应用

随着运算机网络的普遍应用，电子数据互换已成为国际商业往来的一个重要、大体的手腕，它以一种被认可的数据格式，使散布在全世界各地的商务伙伴能够通过运算机传输各类业务单据，代替了传统的纸质单据，节省了大量的人力和物力，提高了效率。

电子商务可实现网上购物、网上支付等商务活动。

此刻全世界的银行存款、取款等大体业务都在网络上进行，没有网络，银行将无法运行。

4．在通信与娱乐中的应用

目前，运算机网络所提供的通信效劳包括电子邮件、网络寻呼与谈天、BBS、网络新闻和IP等，电子邮件已普遍应用。

基于网络的娱乐正在对信息效劳业产生着庞大的阻碍，网络音乐、网络视频、网络游戏等网络娱乐已成为现代生活的大体内容。

随着网络技术的进展和各类网络应用需求的增加，运算机网络应用的范围不断扩大，应用领域愈来愈宽，愈来愈深切，许多新的运算机网络应用系统不断地被开发出来，如工业自动操纵、辅助决策、虚拟社区、治理信息系统、数字图书馆、信息查询、网上购物等，人类社会已经全面进入了网络时期。

运算机网络的产生与进展

运算机网络最先显现于20世纪50年代，当时的运算机网络仅能通过通信线路将远方终端上的数据传送给主运算机处置，称为简单的联机系统。

随着运算机技术和通信技术的不断进展，运算机网络应用的进展经历了从简单数据传输到实现资源共享，进而到标准化网络与互联网，最后进展到高速互联网的进程。

其演变进程要紧可分为：

面向终端的运算机网络、运算机通信网络、运算机互联网络和高速互联网络四个时期。

面向终端的运算机网络

第一代运算机网络是面向终端的运算机网络（又称为联机系统），由一台主机和假设干个终端组成。

其结构如图1-1所示。

在这种联机方式中，主机是网络的中心和操纵者，终端（键盘和显示器）通过通信线路与主机相连，用户通过本地的终端利用远程主机。

散布在不同地理位置的本地终端或是远程终端，通过公共网及相应的通信设备与一台运算机相连，登录到主机上，利用该主机上资源，实现了通信与运算机的结合，这种具有通信功能的单机系统称为第一代运算机网络——面向终端的运算机通信网，它将运算机技术与通信技术结合，能够让用户以终端方式与远程主机进行通信，因此可看做是运算机网络的雏形。

运算机通信网络

第二代运算机网络是以共享资源为要紧目的的运算机通信网络。

从20世纪60年代中期开始，显现了多个主机互连的系统，这是真正意义上的运算机网络，它实现了运算机与运算机的互连和运算机之间的通信。

用户通过终端不仅能够利用本主机上的软硬件资源，还可共享网络上其它主机上的软硬件资源，其结构如图1-2所示。

从图1-2能够看出，第二代运算机网络从功能上划分为两个相对独立的部份：

提供资源部份和实现数据通信部份，即通信子网和资源子网。

运算机通信网络的最初代表是美国国防部高级研究打算署开发的ARPANET，它是当今Internet的雏形。

运算机互联网络

第三代运算机网络又称互联网络或现代运算机网络，它是第二代运算机网络的延伸。

20世纪70年代中期，随着广域网与局域网的进展和微型运算机的普遍应用，利用大型机与中型机的主机一终端系统的用户数不断减少，网络结构从此发生了庞大转变：

微型运算机可通过局域网连入广域网，而局域网与广域网、广域网与广域网的互联通过路由器实现。

用户运算机需要通过校园网、企业网或Internet效劳提供商连接地域骨干网，地域骨干网通过国家骨干网连接国家间的高速骨干网，如此就形成一种以路由器为互连设备的大型、层次结构的现代运算机网络，即互联网络。

运算机互联网络的简化结构示用意如图1-3所示。

这一时期也称为网络的标准化时期，那时参与网络技术的公司、组织都各自提出了网络理论、技术体系，呈现出“诸侯割据”的局面，1984年国际标准化组织（ISO）正式公布了“开放系统互连参考模型（OSI/RM）”，为网络的进展奠定了坚实的理论和技术基础。

高速互联网络

在20世纪90年代中期至21世纪初期，运算机网络与因特网向全面互联、高速和智能化的方向进展，并取得了普遍应用。

各个国家都在制定和成立本国信息高速公路，从而极大地推动了运算机网络技术的进展，使运算机网络的进展进入一个崭新时期，这确实是第四代运算机网络，即高速互联网络时期。

图1-4计算机互联网络

运算机互联网络是通过数据通信网络实现数据通信和资源共享，现在的运算机网络大体上以电信网作为信息的载体，即运算机通过电信网络中的网、DDN、帧中继网等传输信息，如图1-4所示。

这一时期也称为网络的国际化时期，网络技术由低速向高速、由共享到互换、由窄带向宽带方向迅速进展，网络应用加倍普遍和深切。

新一代的运算机网络将知足高速、大容量、综合性、数字信息传输等多方位的需求。

目前，全世界以Internet为核心的高速运算机互联网络已形成，Internet已经成为人类最重要的、最大的知识宝库。

与第三代运算机网络相较，第四代运算机网络的特点是互连、高速、智能、业务综合化和更为普遍的应用。

运算机网络的进展趋势*

运算机网络的进展方向是“IP技术+光网络”。

从网络的效劳层面上看将是一个IP的世界，通信网络、运算机网络和有线电视网络将通过IP三网合一，从传送层面上看将是一个“光”的世界，从接入层面上看将是一个有线和无线的多元化世界。

1．三网合一

目前普遍利用的网络有通信网络、运算机网络和有线电视网络，随着网络技术的不断进展，新兴业务不断显现，新旧业务不断融合，各类网络也不断融合，而普遍利用的三类网络正慢慢向单一、统一的IP网络进展，即所谓的“三网合一”。

在IP网络中可将数据、语音、图像和视频均归结到IP数据包中，通过度组互换和路由技术，采纳全世界性寻址，使各类网络无缝连接，IP协议将成为各类网络、各类业务的“一起语言”。

能够说“三网合一”是网络进展的一个最重要的趋势。

2．光通信技术

光通信技术的进展要紧有两个大的方向：

一是骨干传输向高速度、大容量的光传送网进展，最终实现全光网络；二是接入向低本钱、综合接入、宽带化光纤接入网进展，最终实现光纤抵家庭和光纤到桌面。

全光网络是指光信息流在网络中的传输及互换始终以光信号的形式实现，再也不需要通过光/电、电/光变换，即信息从源节点到目的节点的传输进程中始终在光域内。

3．IPv6协议

目前IP协议的版本为IPv4。

IPv4的地址位数为32位，理论上约有42亿个地址。

随着互联网应用的日趋普遍和网络技术的不断进展，IPv4的问题慢慢显露出来，要紧有地址资源枯竭、路由表急剧膨胀、对网络平安和多媒体应用的支持不够等。

IPv6是下一代IP协议。

IPv6采纳128位地址长度，几乎能够不受限制地提供地址。

理论上约有×1038个IP地址，而地球的表面积以厘米为单位也仅有×1018cm2，即便按保守方式估算IPv6实际可分派的地址，每平方厘米面积上也可分派到假设干亿个地址。

IPv6不仅解决了地址欠缺问题外，同时也解决IPv4中存在的其它缺点。

其要紧功能有端到端IP连接、效劳质量、平安性、多播、移动件、即插即用等。

4．宽带接入技术

运算机网络必需要有宽带接入技术的支持，各类宽带效劳与应用才有可能开展。

因为只有接入网的带宽瓶颈问题被解决，骨干网和城域网的容量潜力才能真正发挥。

尽管当前宽带接入技术有很多种，但只若是不和光纤或光结合的技术，就很难在下一代网络中应用。

目前光纤抵家的本钱已下降至能够为用户同意的程度。

5．3G网络

3G通信系统比现用的2G和通信系统传输容量更大，灵活性更高，它以多媒体业务为基础，已形成很多标准，并将引入新的商业模式。

3G以上包括后3G、4G乃至5G系统，它们将更是以宽带多媒体业务为基础，利用更高更宽的频带，传输容量会更上一层楼，是组成下一代移动互联网的基础设施。

运算机网络分类

运算机网络的种类很多，性能各异，为了人们便于熟悉、明白得和描述运算机网络，依照不同的分类标准，能够将运算机网络划分为各类不同的类型。

依照运算机网络提供效劳的方式可分为：

客户机/效劳器网络与对等网络，具体内容将在节中讲解。

依照运算机网络的拓扑结构分为：

总线型、星型、环型、树状型（层次型）、网状型，具体内容将在节中讲解。

依照运算机网络的传输介质类型可分为：

有线网络和无线网络（参见节）。

按照运算机网络的应用范围可分为：

公用网和专用网两种类型。

依照运算机网络的覆盖地理范围将网络分为：

局域网、城域网、广域网和互联网，本节要紧介绍这四种类型的运算机网络。

1．局域网

局域网（LAN，LocalAreaNetwork），是指在某一区域内（“某一区域”指的是同一办公室、同一建筑物、同一公司和同一学校等，一样是方圆几千米之内），将各类运算机、打印机、存储设备等通过通信线路与网络连接设备相连，形成局部物理网络，在软件系统的支持下，实现局部网络中数据通信、资源共享和散布式处置的系统。

图1-5简单局域网示例

从资源共享角度看，它能够实现文件治理、应用软件共享、打印机共享、扫描仪共享、工作组内的日程安排、电子邮件和通信效劳等功能。

局域网规模可大可小，能够由办公室内的两台运算机组成，也能够由一个公司内成百上千的运算机组成。

简单的局域网如图1-5所示。

局域网能够通过数据通信网或专用的数据电路，与其它局域网、城域网等相连，组成一个更大范围的运算机网络。

归纳起来，局域网具有以下要紧特点：

（1）地理范围有限：

由于局域网的范围一样在—之内，其范围能够是一建筑物内，一个校园或大至数千米直径的一个区域。

整个网络为该单位或部门所有，仅供其内部利用。

（2）通信速度较高：

局域网通信传输率从10Mbps到100Mbps（Mbps，百万比特每秒），随着局域网技术的进一步进展，目前正在向着更高的速度进展，最近几年来已达到1000Mbps、10000Mbps。

（3）通信质量较好，传输误码率低，误码率一样为10-8到10-11之间。

（4）支持多种通信传输介质。

依照网络本身的性能要求，局域网中可利用多种通信介质，例如电缆（细缆、粗缆、双绞线）、光纤及无线传输等。

（5）网络协议简单，网络拓扑结构灵活，便于治理和扩展。

（6）技术成熟，便于安装、保护和扩充，建网本钱低、周期短。

2．城域网

城域网（MAN，MetropolitanAreaNetwork）是一种大型的局域网，它将位于一个城市之内不同地址的多个运算机局域网连接起来实现资源共享，通常利用与LAN相似的技术。

它的覆盖范围介于局域网和广域网之间，一样为几千米至几万米，城域网的覆盖范围在一个城市内。

城域网所利用的通信设备和网络设备的功能要求比局域网高，以便有效的覆盖整个城市的地理范围。

它能够知足政府机构、金融保险、大中小学校、公司企业等单位对高速度、高质量数据通信业务日趋旺盛的需求，专门是快速进展起来的互联网用户群对宽带高速上网的需求。

3．广域网

广域网（WAN，WideAreaNetwork）也称远程网，覆盖几十千米到几千千米的地理范围，可跨越一个地域、国家、洲形成国际性远程网络，实现广漠地域的数据通信和资源共享。

覆盖区域大使其要紧特点之一。

广域网的通信子网要紧利用分组互换技术，能够利用公用分组互换网、卫星通信网和无线分组互换网，将散布在不同地域的运算机网络互连起来。

通常广域网的数据传输速度比局域网低，而信号的传播延迟却比局域网要大得多。

广域网的典型速度是从56kbps到155Mbps，此刻已有622Mbps、乃至更高速度的广域网；传播延迟可从几毫秒到几百毫秒。

广域网的要紧特点是：

覆盖的地理区域大、广域网连接常借用公用电信网络、传输速度比较低、网络拓扑结构复杂等。

4．互联网

互联网因其英文单词“Internet”的谐音，又称为“因特网”。

从地理范围来讲，它是一个全世界范围最大的运算机网络，将散布在世界各地不同结构的运算机网络用各类传输介质彼此连接起来的网络，人们也将互联网称为网络中的网络。

因特网本质上是一种广域网，但它不是独立的网络，它将同种类型或不同种类型的物理网络（局域网、广域网与城域网）互联，并通太高层协议实现不同类网络间的通信，具有更高的开放程度。

互联网为运算机网络应用开辟了无穷广漠的空间，为人们提供了丰硕的信息和资源，通过互联网能够阅读信息、查询资料、进行科学研究、收发电子邮件、进行网上交流，通过网上购物，在网上娱乐等各类各样的活动。

互联网丰硕的应用已经深切到人类社会方方面面，已经成为人们日常工作、学习、生活的一种重要工具。

运算机网络工作模式

运算机网络中的运算机依照其作用分为“效劳器”和“客户机”两类，为整个网络提供资源和效劳的运算机称为“效劳器”，利用资源和同意效劳的运算机称为“客户机”。

运算机网络工作模式是指运算机网络中效劳与资源提供和利用的方式，要紧分为客户机/效劳器工作模式与对等网工作模式两种。

有时也将运算机网络工作模式称运算机网络提供效劳的模式。

1.4.1客户机/效劳器模式

在运算机网络中，至少有一台效劳器（Server）的运算机，专门用来治理、操纵网络的运行或为网络提供资源和效劳，并安装有负责网络运行的网络治理软件（专门是网络操作系统），或安装网络效劳应用软件。

运算机网络中的其它运算机利用效劳器提供的资源和效劳，进行数据处置，这些运算机为客户机（Client）。

在客户机上一样需要安装客户端软件，才能利用效劳器提供的资源和效劳。

如此由效劳器、客户机就组成了网络的一种大体工作模式，简称C/S模式，客户机/效劳器模式示用意如图1-6。

客户机

图1-6客户机/服务器模式示意图

服务器

网络

在C/S模式下，效劳器的要紧功能有：

平安操纵、用户治理、访问权限设置、资源调度、打印机治理和共享文件等。

网络效劳器依照效劳内容又有文件效劳器、打印效劳器、数据效劳器、Web效劳器之分。

Web效劳要求客户机安装阅读器（Browser）软件，因此也称为B/S模式。

在C/S模式下，资源的共享或网络应用系统的运行，通常需要通过两种程序协同工作才能完成，把安装在效劳器上的程序称为效劳器程序，把安装在客户机上的程序称为客户端程序。

1.4.2对等网模式

在对等网模式下，运算机网络中的每一台运算机都能够为网络提供资源和效劳，同时也可利用网络上的资源和效劳，每一台运算机在功能上是对等的，没有主从之分，每一台运算机既是效劳器又是客户机。

对等网工作模式示用意如图1-7所示。

对等网具有架构简单、组网本钱低、容易实现、易于保护、扩充性好、操作方便等特点，适用于运算机数量较少、散布较集中的场合，如企事业单位的一个业务部门。

对等网和客户机/效劳器两种网络应用模式在以下几方面不同：

客户机/服务器