计算机网络与Internet应用基础教程第1章计算机网络基础知识.ppt

计算机网络与Internet应用基础教程,总 目 录,第1章 计算机网络基础知识第2章 网络体系结构与协议第3章 数据通信与通信网基础第4章 局域网第5章 局域网组网技术第6章 网络互联第7章 Internet基础第8章 连接Internet第9章 浏览WWW第10章 收发电子邮件,第11章 搜索引擎第12章 文件下载第13章 电子公告牌系统BBS第14章 网络寻呼,第1章 计算机网络基础知识,1.1 计算机网络概述1.2 计算机网络的产生与发展1.3 计算机网络的功能与应用1.4 计算机网络的基本组成1.5 计算机网络的拓扑结构1.6 计算机网络的分类习题1,计算机网络基础知识计算机网络（Computer Network）是利用通信线路和通信设备，把分布在不同地理位置的具有独立功能的多台计算机、终端及其附属设备互相连接，按照网络协议进行数据通信，通过功能完善的网络软件实现资源共享的计算机系统的集合。它是计算机技术与通信技术相结合的产物。本章介绍的主要内容有：计算机网络的基本概念 计算机网络的产生与发展 计算机网络的功能与应用 计算机网络的基本组成 计算机网络的拓扑结构与分类,1.1 计算机网络概述,计算机网络是将若干台独立的计算机通过传输介质相互物理连接，并通过网络软件逻辑地相互联系到一起而实现资源共享的计算机系统。“网络”主要包含连接对象（即元件）、连接介质、连接的控制机制（如约定、协议、软件）和连接的方式与结构四个方面。,计算机网络连接的对象是各种类型的计算机或其他数据终端设备。计算机网络的连接介质是通信线路和通信设备，其控制机制是各层的网络协议和各类网络软件。所以计算机网络是利用通信线路和通信设备，把地理上分散的、并具有独立功能的多个计算机系统互相连接起来，按照网络协议进行数据通信，用功能完善的网络软件实现资源共享的计算机系统的集合。它是指以实现远程通信和资源共享为目的，大量分散但又互联的计算机的集合。“互联”的含义是两台计算机能互相通信。,1.2 计算机网络的产生与发展,计算机网络是计算机技术和通信技术相结合的产物。计算机网络最早出现于20世纪50年代，最早的计算机网络是通过通信线路将远方终端资料传送给主计算机处理，形成一种简单的联机系统。随着计算机技术和通信技术的不断发展，计算机网络也经历了从简单到复杂、从单机到多机的发展过程，其演变过程主要可分为三个阶段。,1.2.1 第一代计算机网络,第一代计算机网络是面向终端的计算机网络。面向终端的计算机网络又称为联机系统，建于20世纪50年代初。它是由一台主机和若干个终端组成，较典型的有1963年美国空军建立的半自动化地面防空系统（SAGE），其结构如图1-1所示。图1-1 第一代计算机网络结构示意图,分布在不同办公室，甚至不同地理位置的本地终端或者远程终端，通过公共电话网及相应的通信设备与一台计算机相连，登录到计算机上，使用该计算机上的资源，这就有了通信与计算机的结合。这种具有通信功能的单机系统（如图1-2(a)所示）或多机系统（如图1-2(b)所示）被称为第一代计算机网络面向终端的计算机通信网络，也是计算机网络的初级阶段。严格地讲，这不能算是网络，但它将计算机技术与通信技术结合了，可以让用户以终端方式与远程主机进行通信了，所以我们视它为计算机网络的雏形。,图1-2 第一代计算机网络,这里的单机系统是一台主机与一个或多个终端连接，在每个终端和主机之间都有一条专用的通信线路，这种系统的线路利用率比较低。当这种简单的单机联机系统连接大量的终端时，存在两个明显的缺点：一是主机系统负担过重，二是线路利用率低。为了提高通信线路的利用率和减轻主机的负担，在具有通信功能的多机系统中使用了集线器和前端处理器（front end processor，FEP）。集线器用于连接多个终端，让多台终端共用同一条通信线路与主机通信。前端机放在主机的前端，承担通信处理功能，以减轻主机的负担。,1.2.2 第二代计算机网络,第二代计算机网络是以共享资源为目的的计算机通信网络。面向终端的计算机网络只能在终端和主机之间进行通信，计算机之间无法通信。从20世纪60年代中期开始，出现了多个主机互联的系统，可以实现计算机和计算机之间的通信。真正意义上的计算机网络应该是计算机与计算机的互联，是计算机之间的通信，即通过通信线路将若干个自主的计算机连接起来的系统，称之为“计算机-计算机”网络，简称为计算机通信网络。它由通信子网和用户资源子网（第一代网络）构成，用户通过终端不仅可以共享本主机上的软硬件资源，还可共享通信子网上其他主机上的软硬件资源。,计算机通信网络在逻辑上可分为两大部分：通信子网和资源子网，以通信子网为核心，以资源共享为目的，如图1-3所示。计算机通信网络的最初代表是美国国防部高级计划研究署开发的ARPANET，它也是如今Internet的雏形。图1-3 第二代计算机网络结构示意图,1.资源子网资源子网由主计算机系统、终端、终端控制器、联网外设、各种软件资源与信息资源组成。资源子网负责全网的数据处理业务，向网络用户提供各种网络资源与网络服务。2.通信子网通信子网由通信控制处理机（communication control processor,CCP）、通信线路和其他通信设备组成，完成网络数据传输、转发等通信处理任务。,1.2.3 第三代计算机网络,第三代计算机网络又称现代计算机网络。随着微型计算机、广域网和局域网的广泛应用，使用大型机与中型机的主机-终端系统的用户减少，网络结构发生了巨大的变化。大量的微型计算机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是通过路由器实现的。在Internet中，用户计算机需要通过校园网、企业网或Internet服务提供者（Internet services provider,ISP）连入地区主干网，地区主干网通过国家主干网连入国家间的高速主干网，这样就形成一种由路由器互连的大型的、层次结构的现代计算机网络，即互联网络，它是第二代计算机网络的延伸。,图1-4 现代计算机网络结构示意图,1.广域网的发展ARPANET是第一个分组交换网，它的出现标志着以资源共享为目的的计算机网络的诞生，广域网的发展也是从ARPANET的诞生开始的。许多国家加强了基础设施的建设，开始建设公用数据网。早期的数据网是采用模拟的公用交换电话网，通过调制解调器（Modem）将计算机的数字信号调制为模拟信号，经交换电话网传送给另一端的Modem，经Modem的解调再将模拟信号恢复为数字信号被计算机接收，以完成通信，这种技术传输速率比较低。后来又发展为公用数据网，为广域网的发展打下了基础。当前，由于光纤介质的不断普及，使得广域网的发展进入了一个新的历史时期，大大提高了广域网的数据传输速率。,2.局域网的发展早期的计算机网络大多为广域网，局域网的出现与发展是在20世纪70年代出现了微型计算机以后。由于微型计算机的大量涌现和广泛分布，基于信息交换和资源共享的需求越来越迫切，人们要求在一栋楼或一个部门内的计算机互联，于是局域网（local area network,LAN）应运而生。局域网一经问世就得到了迅速的发展和广泛的应用。,3.标准化网络与互联网1977年国际标准化组织（ISO）为适应网络标准化的发展趋势，在研究分析已有的网络结构经验的基础上，开始研究“开放系统互联（OSI）”问题。ISO于1984年公布了“开放系统互联基本参考模型”的正式文件，即OSI参考模型(open system interconnection/reference model，OSI/RM)。OSI参考模型已被国际社会广泛地认可。它对推动计算机网络的理论与技术的发展，对统一网络体系结构和协议起到了积极的作用。从此，计算机网络进入了标准化网络阶段。图1-5是通过租用电信部门的通信线路互联起来的局域网示意图。,图1-5 计算机互联网络全世界出现了不计其数的局域网、广域网，如何将它们连接起来，以便达到扩大网络规模和实现更大范围资源共享的目的，又提出了把局域网互联起来的迫切需要。Internet 的出现正好解决了这个问题。Internet也称为“因特网”，是全球规模最大，覆盖面积最广的互联网。Internet自产生以来就呈爆炸式的速度发展。,20世纪80年代到90年代初，是互联网飞速发展的阶段。今天的Internet就是从ARPANET逐步演变过来的，当时ARPANET上的主机安装的是UNIX操作系统，并内嵌TCP/IP协议。一直延续到现在，Internet上仍然使用的是TCP/IP协议。Internet的飞速发展和广泛应用使计算机网络进入了一个崭新的阶段，它深入政府、金融、商业、企业、公司、教育等各个部门和家庭之中。,1.3 计算机网络的功能与应用 1.3.1 计算机网络的功能,计算机网络具有很多功能，其中最主要的功能是资源共享和通信。1.共享硬件与软件计算机网络允许其用户共享网络上各种不同类型的硬件设备。共享硬件的好处是节约开支，用户可以通过网络访问各种不同类型的设备。现在已经有许多专供网上使用的软件。共享软件允许多个用户同时使用，并能保持数据的完整性和一致性。,2.共享信息信息也是一种资源，Internet就是一个巨大的信息资源宝库。每一个接入Internet的用户都可以共享这些信息资源。可共享的信息资源有：搜索与查询的信息，Web服务器上的主页及各种链接，FTP服务器中的软件，各种各样的电子出版物，网上消息、报告和广告，网上大学，网上图书馆等。3.通信功能通信功能是计算机网络的基本功能之一，它可以为网络用户提供强有力的通信手段。建设计算机网络的主要目的，就是让分布在不同地理位置的计算机用户之间能够相互通信，交流信息。计算机网络可以传输数据、声音、图形和图像等多媒体信息。,1.3.2 计算机网络的应用,随着现代信息社会进程的推进，通信和计算机技术迅猛发展，计算机网络的应用也越来越普及，如今计算机网络几乎深入到社会的各个领域。1.网络在科研和教育中的应用通过全球计算机网络，科技人员可以在网上查询各种文件和资料，可以互相交流学术思想和交换实验资料，甚至可以在计算机网络上进行国际合作研究项目。在教育方面，可以开设网上学校。,2.网络在企事业单位中的应用计算机网络可以使企事业单位和公司内部实现办公自动化，做到各种软硬件资源共享，而且，如果将内部网络联入Internet还可以实现异地办公。随着计算机网络的广泛应用，电子数据交换（EDI）已成为国际贸易往来的重要手段之一。网上商店实现了网上购物、网上付款的网上消费梦想。3.网络在通信与娱乐上的应用计算机网络所提供的通信服务包括电子邮件、网络寻呼、BBS、网络新闻和IP电话等。家庭娱乐正在对信息服务业产生着巨大的影响，它可以让人们在家里点播电影和电视节目。家庭娱乐中最重要的应用可能是在游戏上。,随着网络技术的发展和各种网络应用的需求，计算机网络应用的范围在不断扩大，应用领域越来越拓宽且深入，许多新的计算机网络应用系统不断地被开发出来，如工业自动控制、辅助决策、虚拟大学、远程教学、远程医疗、管理信息系统、数字图书馆、电子博物馆、全球情报检索与信息查询、网上购物、电子商务、电视会议、视频点播等。,1.4 计算机网络的基本组成,计算机网络是一个非常复杂的系统。网络的组成，根据应用范围、目的、规模、结构以及采用的技术不同而不尽相同。但计算机网络都必须包括硬件和软件两大部分，网络硬件提供的是数据处理、数据传输和建立通信通道的物质基础，而网络软件是真正控制数据通信的；软件的各种网络功能需依赖于硬件去完成，二者缺一不可。计算机网络的基本组成主要包括四部分，常称为计算机网络四大要素。,1.计算机系统建立具有两台以上独立功能的计算机系统是计算机网络的第一个要素，计算机系统是计算机网络的重要组成部分，是计算机网络不可缺少的硬件元素。计算机网络连接的计算机可以是巨型机、大型机、小型机、工作站或微机，以及笔记本电脑或其他数据终端设备（如终端服务器）。计算机系统是网络的基本模块，是被连接的对象。它的主要作用是负责数据信息的收集、处理、存储、传播和提供共享资源。在网络上可共享的资源包括硬件资源（如巨型计算机、高性能外围设备、大容量磁盘等）、软件资源（如各种软件系统、应用程序、数据库系统等）和信息资源。,2.通信线路和通信设备计算机网络的硬件部分除了计算机本身以外，还要有用于连接这些计算机的通信线路和通信设备，即数据通信系统。其中，通信线路指的是传输介质及其介质连接部件。通信设备指网络连接设备、网络互联设备。使用通信线路和通信设备将计算机互联起来，在计算机之间建立一条物理通道，以便传输数据。通信线路和通信设备负责控制数据的发出、传送、接收或转发，包括信号转换、路径选择、编码与解码、差错校验、通信控制管理等，以便完成信息交换。通信线路和通信设备是连接计算机系统的桥梁，是数据传输的通道。,3.网络协议协议是指通信双方必须共同遵守的约定和通信规则，如TCP/IP协议、NetBEUI协议、IPX/SPX协议。它是通信双方对如何进行通信所达成的协议。比如用什么样的格式表达、组织和传输数据，如何校验和纠正信息传输中的错误，以及传输信息的时序组织与控制机制等。现代网络都是层次结构，协议规定了分层原则、层次间的关系、执行信息传递过程的方向和分解与重组等约定。在网络上通信的双方必须遵守相同的协议，才能正确地交流信息。因此，协议在计算机网络中是至关重要的。一般说来，协议的实现是由软件和硬件分别或配合完成的，有的部分由联网设备来承担。,4.网络软件网络软件是一种在网络环境下使用和运行或者控制和管理网络工作的计算机软件。根据软件的功能，计算机网络软件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。网络系统软件是控制和管理网络运行、提供网络通信、分配和管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、通信控制软件和管理软件等。（2）网络应用软件。网络应用软件是指为某一个应用目的而开发的网络软件。网络应用软件为用户提供访问网络的手段、网络服务、资源共享和信息的传输。,1.5 计算机网络的拓扑结构,网络拓扑结构是计算机网络结点和通信链路所组成的几何形状。计算机网络有很多种拓扑结构，最常用的网络拓扑结构有：总线型结构、环型结构、星型结构、树型结构、网状结构和混合型结构。,1.总线型结构总线型结构采用一条单根的通信线路（总线）作为公共的传输通道，所有的结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，如图1-6所示。图1-6 总线型拓扑结构,总线型网络使用广播式传输技术，总线上的所有结点都可以发送数据到总线上，数据沿总线传播。但是，在任何时候只允许一个站点发送数据。当一个结点发送数据并在总线上传播时，数据可以被总线上的其他所有结点接收。各站点在接收数据后，分析目的物理地址再决定是否接收该数据。粗、细同轴电缆以太网就是这种结构的典型代表。总线型拓扑结构具有如下特点：结构简单灵活，易于扩展；共享能力强，便于广播式传输。网络响应速度快，但负荷重时性能迅速下降；局部站点故障不影响整体，可靠性较高。但是，总线出现故障，将影响整个网络。易于安装，费用低。,2.环型结构环型结构是各个网络结点通过环接口连在一条首尾相接的闭合环型通信线路中，如图1-7所示。环型结构有两种类型，即单环结构和双环结构。令牌环（Token-Ring）是单环结构的典型代表，光纤分布式数据接口（FDDI）是双环结构的典型代表。图1-7 环型拓扑结构,环型拓扑结构具有如下特点：在环型网络中，各工作站间无主从关系，结构简单；信息流在网络中沿环单向传递，延迟固定，实时性较好。两个结点之间仅有惟一的路径，简化了路径选择，但可扩充性差。可靠性差，任何线路或结点的故障，都有可能引起全网故障，且故障检测困难。,3.星型结构星型结构的每个结点都由一条点到点链路与中心结点（公用中心交换设备，如交换机、Hub等）相连，如图1-8所示。信息的传输是通过中心结点的存储转发技术实现的，并且只能通过中心站点与其他站点通信。图1-8 星型拓扑结构,星型拓扑结构具有如下特点：结构简单，便于管理和维护；易实现结构化布线；结构易扩充，易升级。通信线路专用，电缆成本高。星型结构的网络由中心结点控制与管理，中心结点的可靠性基本上决定了整个网络的可靠性。中心结点负担重，易成为信息传输的瓶颈，且中心结点一旦出现故障，会导致全网瘫痪。,4.树型结构树型结构是从总线型和星型结构演变来的，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，如图1-9（a）所示；另一种是星型结构的变种，各结点按一定的层次连接起来，形状像一棵倒置的树，故得名树型结构，如图1-9（b）所示。在树型结构的顶端有一个根结点，它带有分支，每个分支还可以再带子分支。树型拓扑结构的主要特点如下：易于扩展，易故障隔离，可靠性高；电缆成本高。对根结点的依赖性大，一旦根结点出现故障，将导致全网不能工作。,图1-9 树型拓扑结构,5.网状结构网状结构是指将各网络结点与通信线路互联成不规则的形状，每个结点至少与其他两个结点相连，或者说每个结点至少有两条链路与其他结点相连，如图1-10所示。大型互联网一般都采用这种结构，如我国的教育科研网CERNET（如图1-11所示）、Internet的主干网都采用网状结构。网状拓扑结构有以下主要特点：可靠性高；结构复杂，不易管理和维护；线路成本高；适用于大型广域网。因为有多条路径，所以可以选择最佳路径，减少时延，改善流量分配，提高网络性能，但路径选择比较复杂。,图1-10 网状拓扑结构 图1-11 CERNET主干网拓扑结构,6.混合型结构混合型结构是由以上几种拓扑结构混合而成的。如环星型结构，它是令牌环网和FDDI网常用的结构；总线型和星型的混合结构等。,1.6 计算机网络的分类,计算机网络可以有不同的分类方法，常用的分类方法有：按网络覆盖的地理范围分类，按网络的拓扑结构分类，按网络协议分类，按传输介质分类，按所使用的网络操作系统分类和按传输技术分类。,1.6.1 按网络覆盖的地理范围分类,1.局域网局域网是将较小地理区域内的计算机或数据终端设备连接在一起的通信网络。局域网覆盖的地理范围比较小，一般在几十米到几千米之间。它常用于组建一个办公室、一栋楼、一个楼群、一个校园或一个企业的计算机网络。局域网的主要特点如下：覆盖的地理区域比较小，仅工作在有限的地理区域内（0.1km20km）。传输速率高，1Mbps10Gbps。误码率低。拓扑结构简单，常用的拓扑结构有：总线型、星型、环型等。局域网通常归属一个单一的组织管理。,2.广域网广域网（wide area network，WAN）是在一个广阔的地理区域内进行数据、语音、图像信息传输的通信网。广域网覆盖广阔的地理区域，通信线路大多借用公用通信网络（如PSTN、DDN、ISDN等），传输速率比较低，这类网络的作用是实现远距离计算机之间的数据传输和信息共享。广域网可以覆盖一个城市、一个国家甚至于全球。因特网是广域网的一种，但它不是一种具体独立性的网络，它将同类或不同类的物理网络（局域网、广域网与城域网）互联，并通过高层协议实现不同类网络间的通信。,广域网的主要特点是：覆盖的地理区域大，网络可跨越市、地区、省、国家甚至全球。广域网连接常借用公用网络。传输速率比较低，一般在64Kbps2Mbps，最高可达到45Mbps。但随着广域网技术的发展，广域网的传输速率正在不断地提高，目前通过光纤介质，采用POS（光纤通过SDH）技术，传输速率可以达到155Mbps，甚至2.5Gbps。网络拓扑结构复杂。,3.城域网城域网（metropolitan area network，MAN）是一种大型的LAN，它的覆盖范围介于局域网和广域网之间，一般为几千米至几万米，也就是说，城域网的覆盖范围在一个城市内。,1.6.2 按网络的拓扑结构分类,按网络的拓扑结构，可以将网络分为总线型网络、环型网络、星型网络、树型网络、网状型网络和混合型网络。例如，以总线型物理拓扑结构组建的网络为总线型网络，同轴电缆以太网系统就是典型的总线型网络；以星型物理拓扑结构组建的网络为星型网络，交换式局域网以及双绞线以太网系统都是星型网络。,1.6.3 按物理结构和传输技术分类,1.广播式网络在广播式网络中仅使用一条通信信道，该信道由网络上的所有站点共享。在传输信息时，任何一个站点都可以发送数据分组，传到每台机器上，被其他所有站点接收。这些机器根据数据包中的目的地址进行判断，如果是发给自己的则接收，否则便丢弃它。总线型以太网就是典型的广播式网络。,2.点到点网络与广播式网络相反，点到点网络由一对对机器之间的多条连接构成，在每对机器之间都有一条专用的通信信道，因此在点到点的网络中，不存在信道共享与复用的情况。当一台计算机发送数据分组后，它会根据目的地址，经过一系列中间设备的转发，直接到达目的站点，这种传输技术称为点到点传输技术，采用这种技术的网络称为点到点网络。,习题1,1.名词解释：(1)计算机网络;(2)资源子网;(3)通信子网;(4)广域网;(5)网络协议;(6)广播式网络;(7)点到点网络。2.计算机网络所连接的主要对象有哪些？计算机网络的主要通信线路和通信设备有哪些？互联的含义是什么？3.计算机网络的产生与发展经历了哪三个阶段？计算机通信网是怎样产生和发展的？计算机通信网从逻辑上可以分为哪几部分？4.举例说明世界上典型的公用数据网有哪些？说出中国的公用数据网的名称。,5.举例说明计算机网络有哪些功能？列举计算机网络应用的实例。6.计算机网络由哪些元素构成？在计算机网络中，为什么需要网络协议？7.请说出网络操作系统在网络软件中的地位。列举网络应用软件在实际工作中的应用。8.什么是计算机的网络拓扑结构？计算机网络最常见的网络拓扑结构有哪些？星型拓扑结构有哪些特点？9.计算机网络可以从哪几方面进行分类？按网络覆盖的范围，计算机网络可以分为哪几类？它们各自的特点是什么？一般的校园网属于哪类网络？,