國家“十一五”規劃教材《網絡基礎與Internet應用》課件武漢大學姚永翹教授

本課程學習目標

從應用的角度，在首先了解計算機網絡的各方面基礎知識和Internet的發展、理論基礎以及掌握組建多類局域網、連接入Internet的各種方法的情況下，而后逐步講解國際互聯網Internet的多種實用技術。使學習者掌握多種網絡應用操作方法，具備全面的上網能力，為適應在即將到來的真正的電子網絡時代中進行高效率學習、工作和生活打下良好的基礎。第1章計算機網絡基礎知識本章內容簡介計算機網絡概述計算機網絡的產生與發展計算機網絡的功能構成計算機網絡的拓撲結構計算機網絡中的傳輸介質計算機網絡的協議計算機網絡的分類局域網的訪問控制方式和常用技術

計算機網絡概述

計算機網絡是計算機技術與現代通信技術相結合的產物。隨著計算機技術的高速發展，計算機應用日益普及，計算機技術尤其是網絡技術正在對人類經濟生活、社會生活等各方面產生巨大的影響。信息瀏覽與搜索、電子商務、遠程教育等與人們的聯系越來越緊密，有理由相信，在不遠的將來，人們將過上真正意義上的數字化生活，掌握計算機及網絡的基礎知識，已經成為人們通向成功所必備的基本素質。計算機網絡的定義與功能

所謂計算機網絡就是利用通信線路和通信設備將不同地理位置的、具有獨立功能的多個計算機系統或共享設備互聯起來，并配以功能完善的網絡軟件（即網絡操作系統、網絡通信協議及信息交換方式等），使之實現資源共享、互相通信和分布式處理的整個系統。計算機網絡的功能主要表現在以下三個方面：硬件資源共享、軟件資源共享和數據資源共享、用戶之間的信息交換。計算機網絡的產生與發展追溯計算機網絡的發展歷史，它的演變可概括地分成四個階段：1．從20世紀50年代中期開始，以單個計算機為中心的遠程聯機系統，構成面向終端的計算機網絡，稱為第一代計算機網絡。網絡雛形2．從20世紀60年代中期開始進行主機互聯，多個獨立的主計算機通過線路互聯構成計算機網絡，無網絡操作系統，只是通信網。60年代后期，ARPANET網出現，稱為第二代計算機網絡。網絡初級階段3．20世紀70年代至80年代中期，以太網產生，ISO制定了網絡互連標準OSI，世界上具有統一的網絡體系結構，遵循國際標準化協議的計算機網絡迅猛發展，這階段的計算機網絡稱為第三代計算機網絡。4．從20世紀90年代中期開始，計算機網絡向綜合化高速化發展，同時出現了多媒體智能化網絡，發展到現在，已經是第四代了。局域網技術發展成熟。第四代計算機網絡就是以千兆位傳輸速率為主的多媒體智能化網絡。計算機網絡的功能構成計算機網絡可分為兩種子網：資源子網和通信子網。1.資源子網資源子網提供訪問的能力，資源子網由主計算機、終端控制器、終端和計算機所能提供共享的軟件資源和數據源（如數據庫和應用程序）構成。主計算機通過一條高速多路復用線或一條通信鏈路連接到通信子網的結點上。2.通信子網通信子網是由用作信息交換的結點計算機NC和通信線路組成的獨立的數據通信系統，它承擔全網的數據傳輸、轉接、加工和變換等通信處理工作。計算機網絡的拓撲結構網絡中各臺計算機節點連接的形式和方法稱為網絡的拓撲結構。計算機網絡的拓撲結構主要有以下幾種：

星型拓撲環型拓撲總線型拓撲

樹型拓撲（總線型拓撲的變種）混合型拓撲網型拓撲蜂窩狀拓撲星型拓撲星型拓撲的各節點間相互獨立，每個節點均以一條單獨的線路與中央結點相連，其連接圖象閃光的星。星型拓撲結構的中心結點是由集線器或者是交換機來承擔的。星型拓撲結構有以下優點：某工作站出現故障或單獨與中心結點的線路損壞時，不會對整個網絡造成大的影響，而僅會影響該工作站。網絡的擴展容易。結構簡單，控制和診斷方便。訪問協議簡單。星型拓撲結構的缺點：過分依賴中心結點。線路太多，成本高。環型拓撲環型拓撲結構是由網絡中若干中繼器使用電纜通過點到點的鏈路首尾相連形成一個閉合的環。每個站對環的使用權平等，都以同樣的速度串行地沿著一個方向在各節點間傳輸數據。環型拓撲結構有以下優點：抗故障性能好。單方向單通路的信息流使路由選擇控制簡單。電纜長度短，和總線拓撲結構相似。環型拓撲是單方向傳輸，適用于光纖，傳輸速度高。環型網絡的缺點：環路上的一個站點出現故障，則該站點的中繼器不能進行轉發，相當于環在故障結點處斷掉，造成整個網絡癱瘓。診斷故障困難。造成整個網絡癱瘓的是哪個結點故障，診斷非常困難，需要對每個結點進行檢測?？偩€型拓撲結構采用單根傳輸線作為傳輸介質，所有的站點（包括工作站、共享設備和文件服務器）均通過相應的硬件接口直接連接到這根傳輸介質或稱總線上，各工作站地位平等，無中心結點控制?？偩€型拓撲結構的總線大都采用同軸電纜?？偩€型拓撲結構的優點：結構簡單，連接方便，易實現、易維護。易于擴充，增加新的站點容易，僅需在總線的相應接入點將工作站接入即可。使用電纜較少，價格便宜，且安裝容易?？偩€型拓撲結構的缺點：故障診斷困難。由于不是集中控制，故障檢測需在網絡上各個站點進行。故障隔離困難。哪個站點出故障，只需簡單地把連接拆除即可。但如果傳輸介質有故障，則整個這段總線要切斷和變換。總線型拓撲樹型拓撲樹型拓撲是總線型拓撲的擴展，是在總線型網絡上加上分支形成的。形狀象一棵倒置的樹，頂端有一個帶有分支的根，每個分支還可延伸出子分支。樹型拓撲是一種分層結構，適用于分級管理控制系統。樹型拓撲結構的優點：組網靈活，易于擴展?？梢匝由斐龊芏喾种Ш妥臃种?。線路總長度比星型拓撲結構短，故它的成本較低。故障隔離容易。某一分支的節點或線路發生故障，很容易將這分支和整個系統隔離開來樹型拓撲的缺點：對根的依賴性太大，如果根發生故障，則全網不能正常工作，與星型結構相似，結構較星型復雜。ABCDFGHEI混合型拓撲將以上兩種單一拓撲結構類型混合起來，綜合兩種拓撲結構的優點可以構成一種混合型拓撲結構。常見的有星型/總線拓撲和星型環拓撲。星型/總線拓撲用一條或多條總線把多組設備連接起來，而相連的每組設備本身又呈星型分布。對于星型/總線拓撲，用戶很容易配置網絡設備。星型環拓撲從電路上看完全和一般的環型結構相同，只是物理走線安排成星型連接，星型環拓撲的故障診斷方便而且隔離容易；網絡擴展簡便；電纜安裝方便。BDAC12345876網型拓撲

網型拓撲近年來在廣域網中得到了廣泛應用，如右圖所示。BEFACGDH蜂窩狀拓撲蜂窩狀拓撲結構是作為一種無線網絡的拓撲結構，結合無線點到點和點到多點的策略，將一個地理區域劃分成多個單元，每個單元代表整個網絡的一部分，在這個區域內有特定的連接設備，單元內的設備與中央節點設備或集線器進行通信。集線器在互聯時，數據能跨越整個網絡，提供一個完整的網絡結構。目前，隨著無線網絡的迅速發展，蜂窩狀拓撲結構得到了普遍應用。蜂窩狀拓撲結構的優點：這種拓撲結構并不依賴于互連電纜，而是依賴于無線傳輸介質，這就避免了傳統的布線限制，對移動設備的使用提供了便利條件，同時使得一些不便布線的特殊場所的數據傳輸成為可能。另外蜂窩狀拓撲結構的網絡安裝相對容易，有節點移動時不用重新布線，故障的排除和隔離相對簡單，易于維護。蜂窩狀拓撲結構的缺點：容易受外界環境的干擾。網絡拓撲結構的選擇上面分析了幾種常用拓撲結構和它們各自的優缺點，由此可見，不管是組建局域網或廣域網，其拓撲結構的選擇，需要考慮很多因素。網絡要易于安裝，一旦安裝好了，還要滿足易于擴展的要求，既要方便擴展，又要保護現有的系統，還要便于以后維護。網絡的可靠性更是考慮的重要因素，要易于故障診斷，易于隔離故障，以使網絡的主要部分仍能正常運行。網絡拓撲結構的選擇還會影響傳輸媒體的選擇和媒體訪問控制方法的確定，這些因素又會影響到各個站點在網上的運行速度和網絡軟硬件接口的復雜性。所以，對網絡拓撲結構的掌握和選擇是組建網絡中的第一要素。網絡中的傳輸媒體(介質)

傳輸媒體或說傳輸介質是通信網絡中發送方和接收方之間的物理通路。計算機網絡中采用的傳輸媒體可分為有線和無線兩大類或說導向的和非導向的兩大類。導向媒體在一個設備到另一個設備之間提供了一個導線管，如雙絞線、同軸電纜（有粗的和細的兩種）和光纖。信號沿著這些媒體中的任何一種傳播，并一直處在該媒體的物理范圍之內。雙絞線、同軸電纜和光纖是常用的三種有線傳輸媒體。雙絞線和同軸電纜使用金屬（銅）導線，以電流的形式接受和運輸信號。光纖是玻璃或塑料的線纜，以光的形式接受和運輸信號。非導向媒體不使用物理導體來運輸電磁波而使用無線電通信。衛星通信、無線通信、紅外線通信以及微波通信的信息載體都屬于非導向的無線傳輸媒體。雙絞線

組建局域網所用的雙絞線由4對線（即8根線）組成，其中每根線的材質有銅線和銅包的鋼線兩類。

一般來說，雙絞線電纜中的8根線是成對使用的，而且每一對都相互絞合在一起，絞合的目的是為了減少對相鄰線的電磁干擾。雙絞線分為屏蔽雙絞線（STP）和非屏蔽雙絞線（UTP）。目前，在局域網中常用到的雙絞線是非屏蔽雙絞線（UTP），它又分：3類、4類、5類、超5類、6類和7類。雙絞線的這8根線的引腳定義如下：

線路線號12345678線路色標白橙橙白綠藍白藍綠白褐褐引腳定義Tx+Tx-Rx+

Rx-

在局域網，雙絞線主要是用來連接計算機網卡到集線器或通過集線器之間級聯口的級聯，有時也可直接用于兩個網卡之間的連接或不通過集線器級聯口之間的級聯，但它們的接線方式各有不同。

常規雙絞線接法錯線雙絞線接法同軸電纜

同軸電纜的中央是銅質的芯線（單股的實心線或多股絞合線），銅質的芯線外包著一層絕緣層，絕緣層外是一層網狀編織的金屬絲作外導體屏蔽層（可以是單股的），屏蔽層把電線很好地包起來，再往外就是外包皮的保護塑料外層了。

常用于局域網的同軸電纜有二種：一種是專門用在以太網環境中阻抗為50Ω的電纜，只用于數字信號發送，稱為基帶同軸電纜；另一種是用于頻分多路復用FDM的模擬信號發送，阻抗為75Ω的電纜，稱為寬帶同軸電纜。光纖

光纖是一種細小、柔韌并能傳輸光信號的介質，一根光纜中包含有多條光纖。光纖利用有光脈沖信號表示1，沒有光脈沖來表示0。光纖通信系統是由光端機、光纖（光纜）和光纖中繼器組成。光端機又分成光發送機和光接收機。而光中繼器用來延伸光纖或光纜的長度，防止光信號衰減。光發送機將電信號調制成光信號，利用光發送機內的光源將調制好的光波導入光纖，經光纖傳送到光接收機。光接收機將光信號變換為電信號，經放大、均衡判決等處理后送給接收方。中心是光傳播的玻璃芯。光纖分為單模光纖和多模光纖兩類（所謂“?！笔侵敢砸欢ǖ慕嵌冗M入光纖的一束光）。

通信容量非常大；抗電磁干擾性能好；保密性好，無串音干擾；信號衰減小，傳輸距離長；抗化學腐蝕能力強。正是由于光纖的數據傳輸率高（目前已達到1Gb/s），傳輸距離遠（無中繼傳輸距離達幾十至上百公里）的特點，所以在計算機網絡布線中得到了廣泛地應用。目前光纜主要是用于交換機之間、集線器之間的連接，但隨著千兆位局域網應用的不斷普及和光纖產品及其設備價格的不斷下降，光纖連接到桌面也成為網絡發展的一個趨勢。光纖也存在一些缺點。光纖的切斷和將兩根光纖精確地連接所需要的技術要求較高。光纖的特點網絡協議（Protocol）在計算機網絡中用于規定信息的格式及任何發送和接收信息的一套規則稱為協議，即協議是通信雙方約定的通信規則。網絡協議可以使網絡中的各個不兼容的系統互相通信。通信協議管理著計算機之間的信息交換和數據傳輸等各種網絡操作。網絡體系結構

網絡協議可以使網絡中的各個不兼容的系統互相通信。計算機網絡是一個非常復雜的系統，為了簡化設計這樣復雜的計算機網絡，網絡研究人員提出了一種將網絡功能分層設計的方法?！胺謱印笨蓪嫶蠖鴱碗s的問題，轉化為若干較小的局部問題，而這些較小的局部問題就比較易于研究和處理，這樣可以減少協議設計的復雜性。象這種將整個網絡的傳輸功能進行分層設計的網絡結構層次模型及各層協議的集合稱為計算機網絡的體系結構。分層的具體作用發送主機的第N層所發送的包恰好由接收主機的第N層處理，它們被稱為對等層，它們之間的通信遵循對等層協議，即第N層協議。通過分層就把總的問題分成了若干小的問題。分層的另一目的是保證層間的獨立性。由于只定義了本層向高層所提供的服務，至于本層怎樣提供這種服務則不作任何規定，因此每一層都具有一定的獨立性。這樣一來，就允許任意一層或幾層在工作中作各種變動，只要能向其高層提供同樣的服務。每層協議只是負責并完成一部分通信工作，每層協議利用下層協議的功能，并為上一層提供服務，層層功能疊加，使整個系統的最高層能夠提供分布式應用所需要的所有服務。所以各層協議協同工作才能完成全部通信工作。ISO/OSI參考模型為了解決異種機互連及通信問題，70年代后期國際標準化組織(ISO)制定了OSI參考模型。該模型采用了三級抽象，即體系結構、服務定義和協議規格說明。體系結構部分定義OSI的層次結構、各層關系及各層可能的服務；服務定義部分詳細說明了各層所提供的功能；協議規格說明部分的各種協議精確地定義了每一層在通信中發送控制信息及解釋信息的過程。ISO的OSI參考模型（七層）

主機A

應用層表示層會話層傳輸層網絡層數據鏈路層物理層主機B

應用層表示層會話層傳輸層網絡層數據鏈路層物理層

應用層協議表示層協議會話層協議傳輸層協議網絡層協議鏈路層協議物理層協議OSI參考模型中各層的功能1.物理層（ThePhysicalLayer）

在物理線路上傳輸原始的二進制數據位（電磁信號或光信號的比特流）。2.數據鏈路層（TheDataLinkLayer）

在有差錯的物理線路上提供無差錯的數據傳輸（Frame幀）。3.網絡層（TheNetworkLayer）

控制通信子網提供源點到目的點的數據傳送（Packet數據包/報）。4.傳輸層（TheTransportLayer）

為用戶提供端到端的數據傳送服務。5.會話層（TheSessionLayer）

為用戶提供會話控制服務。6.表示層（ThePresentationLayer）

為用戶提供數據轉換和表示服務。7.應用層（TheApplicationLayer）直接為用戶提供服務。TCP/IP參考模型TCP/IP協議是一個協議集，其中最重要的是TCP協議與IP協議，TCP/IP參考模型能很好地適應世界范圍內數據通信的需要，它具有如下四個特點：(1)開放的協議標準，可以免費使用，并且獨立于特定的計算機硬件與操作系統；(2)獨立于特定的網絡硬件，可以運行在局域網、廣域網中，更適用于網絡互聯；(3)統一的網絡地址分配方案，使得網絡中的每臺主機在網中都具有唯一的地址；(4)標準化的高層協議，可以提供多種可靠的用戶服務。OSI參考模型TCP/IP參考模型的比較

OSI參考模型TCP/IP參考模型應用層會話層表示層傳輸層網絡層數據鏈路層物理層

應用層傳輸層網絡層網絡接口層TCP/IP參考模型

網絡接口層未定義任何特定的協議，它支持所有標準的和專用的協議網絡層IP,ARP,RARP,ICMP,IGMP（網際協議、地址解析協議、逆地址解析協議、因特網控制報文協議、因特網組管理協議）傳輸層TCP,UDP（傳輸控制協議、用戶數據報協議）應用層HTTP,SMTP,POP,TELNET,FTPTCP/IP參考模型的層次功能(1)應用層（Applicationlayer）

是TCP/IP參考模型的最高層，它向用戶提供一些常用的應用程序接口。如：HTTP、TELNET、FTP、SMTP、DNS等。(2)網絡層（Internetlayer）

負責處理互聯網中計算機之間的通信，向傳輸層提供統一的數據報。網絡層包括IP，ARP，RARP，ICMP等協議，其中最重要的是IP協議，功能有以下三個方面：處理來自傳輸層的分組發送請求；處理接收的數據包；處理互聯的路徑。

(3)傳輸層（Transportlayer）傳輸層主要功能是負責應用進程之間的端——端通信。傳輸層定義了兩種協議：傳輸控制協議TCP與用戶數據報協議UDP。

TCP協議是一種可靠的面向連接的協議，主要功能是保證信息無差錯地傳輸到目的主機。UDP協議是一種不可靠的無連接協議，它與TCP協議不同的是它不進行分組順序的檢查和差錯控制。(4)網絡接口層（Host-to-Networklayer）網絡接口層負責把IP包放到網絡傳輸介質上和從網絡傳輸介質上接收IP包。局域網中的三個常用協議現在正在計算機局域網中大量使用的網絡協議有三個：NetBEUI協議、IPX/SPX協議和TCP/IP協議。NetBEUI協議，網絡基本用戶擴展接口，是Windows95/98和WindowsNT中固有的缺省協議，為網絡接口卡提供硬件地址描述和小型局域網的數據傳輸控制服務。其體積小，效率高，速度快。IPX/SPX協議，網際包交換/順序包交換協議集，是WindowsNT網絡和Windows95/98用戶獲得Netware服務器的服務且適用于大型局域網、具有路由能力的協議。TCP/IP協議，傳輸控制協議/網際協議，是對組建網吧很實用的協議，它支持任意規模的網絡，具有很強的靈活性，幾乎可連接所有的服務器和工作站，具有強大的路由能力，并且，現在的Windows操作系統中提供了可以讓服務器動態地自行設置各個工作站與TCP/IP協議有關參數的工具。計算機網絡的分類

計算機網絡發展迅速，應用廣泛，計算機網絡技術更新也非?？?，所以，各種各樣的網絡在不斷出現。對現有的網絡，按照不同的分類方法，可以分成多種不同的類型。按規模或通信距離分類通常是按照規模大小和延伸范圍來分類，把計算機網絡劃分為局域網、城域網和廣域網，有人還特別加上一類國際互連網Internet。廣域網WAN（WideAreaNetwork），分布范圍通常為大幾十至幾千公里，傳輸速率往往在每秒幾千位以上。例如，一個大國家的整個網或洲際網。局域網LAN(LocalAreaNetwork)，一般分布在較小的范圍（如1km~5km左右）內，或為一個建筑物、一個工廠、一個單位內，甚至一個房間內的網絡，它為每一個單位所獨有。它一般用微型計算機通過高速通信線路相連（速率一般在10Mbps以上）。城域網或市域網MAN（MetropolitanAreaNetwork），其分布范圍在廣域網和局域網之間，例如，分布范圍是一個城市，其作用距離為5km～50km，傳輸速率也在10Mbps以上。國際互連網Internet實際上是最大的廣域網，但它又發展了廣域網，是世界上各種各樣的同構、異構網的綜合，因此，又是一個特殊的廣域網。

如果按照網絡的拓撲結構來劃分，則計算機網絡可以分為星型網、環型網、總線型網、樹型網、混合型網或稱為綜合型網、網型網等。按拓撲結構分類按通信介質分類按照通信傳輸的介質來劃分，則計算機網絡可以分為有線網和無線網。有線網包括：雙絞線網、同軸電纜網、光纖網；無線網包括：衛星網、微波網等。按通信技術分類

按照網絡的物理結構和傳輸技術來劃分，計算機網絡又可分為點對點式網絡和廣播式網絡。廣播式網絡：在廣播式網絡中，所有計算機共享一個通信信道。當網絡中的一臺計算機向另一臺計算機發送信息時，發送的信息中含有目的地址和源地址。所有計算機均收到該信息，當目的地址為本機地址時接收該信息，否則丟棄該信息。點到點通信：每條物理線路連接一臺計算機。點對點式網絡拓撲結構又分為星型、環型、樹型、完全互連型、相交環型和不規則型等；廣播式網絡又分為總線型、環型和衛星網等。按信號頻帶分類按照信號頻帶占用方式來劃分，則計算機網絡又可以分為基帶網和寬帶網。寬帶網現在發展得很快，寬帶網又劃分為很多類型。寬帶接入技術發展得更快：長城寬帶、藍波萬維推廣的小區局域網方案LAN；中國電信、中國網通、中國鐵通推廣的數字用戶線方案有ADSL（非對稱數字用戶環路）、HDSL、SDSL、VDSL；廣播電視系統推廣采用的CableModem；中國網通推廣