講稿第1講 計算機網(wǎng)絡基礎知識.doc

第講：計算機網(wǎng)絡基礎知識時間：5分鐘【導 入】1課程介紹：姓名、系室。6學時課堂講述。要求：課上筆記。2講座安排：第1講 計算機網(wǎng)絡基礎知識第2講 計算機網(wǎng)絡應用第3講 信息安全3網(wǎng)絡存在我們身邊。例如：Internet、有線電話網(wǎng)、移動電話網(wǎng)時間：10分鐘【內(nèi)容講授】一、網(wǎng)絡的起源網(wǎng)絡起源的故事還得從20世紀50年代后期開始講起，在冷戰(zhàn)高峰期，美國國防部希望建立一個命令和控制網(wǎng)絡，即使在核戰(zhàn)爭的情況下它也能夠保存下來。在當時，所有的軍事通訊都使用公共電話交換網(wǎng)絡，其本質是采用電路交換技術，此網(wǎng)絡被認為是非常脆弱的。因為從資源的分配角度來看，電路交換是預先分配線路帶寬的。在通信之前先要申請建立一條從發(fā)送端到接收端的物理通路。只有在此物理通路建立之后，雙方才能通信。在通信的過程中，始終占有從發(fā)送端到接收端的固定傳輸帶寬。一旦其中的某個節(jié)點發(fā)生故障或被敵對勢力摧毀，則整個系統(tǒng)有可能被分成多個孤島。1960年左右，國防部給了蘭德公司一份合同，授權它尋找一個解決方案。蘭德公司的一位雇員Paul Baran提出了一個高度分布式和容錯的設計方案如圖所示。Baran考慮在整個系統(tǒng)中使用分組交換技術。并給美國國防部寫了幾份報告闡述他的思想，五角大樓的官員接受了這種概念。1962-1965年，美國國防部高級研究計劃署（Advanced Research Projects Agency，ARPA）和英國國家物理實驗室（National Physics Laboratory，NPL）都在對新型的計算機通信技術進行研究。英國NPL的戴維斯于1966年首次提出了“分組”之一概念。到1969年12月，ARPA的計算機分組交換網(wǎng)（ARPANET）投入運行。ARPANET連接了美國加州大學洛杉磯分校、加州大學圣巴巴拉分校、斯坦福大學和猶他大學4個節(jié)點的計算機。時間：10分鐘二、 計算機網(wǎng)絡的概念計算機網(wǎng)絡（computer network）是將地理位置不同并具有獨立功能的多個計算機系統(tǒng)通過通信設備和線路連接起來、以功能完善的網(wǎng)絡軟件，實現(xiàn)資源共享和透明服務的計算機系統(tǒng)的集合。計算機網(wǎng)絡的定義包含以下三個要點： 1、一個計算機網(wǎng)絡包含多臺具有“自主”功能的計算機。 所謂的“自主”這些計算機脫離開計算機網(wǎng)絡后，也能獨立地工作和運行。通常將網(wǎng)絡中這些“自主”的計算機稱為主機（host）。2、組成計算機網(wǎng)絡需要使用通信手段把眾多的計算機有機地連接起來。 所謂“有機地連接”使之連接時必須遵循所規(guī)定的約定和規(guī)則，這些約定和規(guī)則就是通信協(xié)議。3、建立計算機網(wǎng)絡的主要目的是為了實現(xiàn)通信聯(lián)絡、信息資源的交流、計算機數(shù)據(jù)資源的共享，或者是計算機之間的協(xié)同工作。 （實現(xiàn)資源共享是網(wǎng)絡的最基本特征）計算機網(wǎng)絡上可以共享的資源：1、 文件 通過網(wǎng)絡共享，電子郵件傳遞，文件上傳下載等方式共享；2、 信息 如通過World Wide Web 共享信息3、 外設 如：打印機、傳真機、掃描儀、攝像頭等多種外設都可以在網(wǎng)絡中共享 ）4、 計算機及其應用程序學習計算機網(wǎng)絡概念時，要注意計算機網(wǎng)絡與以下兩個概念相區(qū)別：1、多終端的計算機系統(tǒng)2、分布式計算機系統(tǒng)時間：10分鐘三、計算機網(wǎng)絡的分類計算機網(wǎng)絡的劃分方法有很多種，不同的劃分方法有不同的分類。 1、按照信息交換方式可以分為： 電路交換網(wǎng)、 分組交換網(wǎng)。 2、按照網(wǎng)絡上各主機的組網(wǎng)方式可以分為： 對等網(wǎng)絡、 客戶機服務器模式網(wǎng)絡、 瀏覽器服務器模式網(wǎng)絡 對等網(wǎng)和基于服務器的網(wǎng)絡 按照組網(wǎng)方式的不同，即網(wǎng)絡中計算機之間的地位和關系的不同，局域網(wǎng)分為對等網(wǎng)和基于服務器的網(wǎng)絡兩種。 對等網(wǎng)（Peer-to-Peer Networks）指的是網(wǎng)絡中沒有專用的服務器（Server）、每一臺計算機的地位平等、每一臺計算機既可充當服務器又可充當客戶機（Client）的網(wǎng)絡?；诜掌鳎⊿erver-based）的網(wǎng)絡是指服務器在網(wǎng)絡中起核心作用的組網(wǎng)模式?；诜掌鞯木W(wǎng)絡與對等網(wǎng)不同，網(wǎng)絡中必須至少有一臺采用網(wǎng)絡操作系統(tǒng)（如Windows NT/2000 Server、Linux、Unix等）的服務器，其中服務器可以扮演多種角色，如文件和打印服務器、應用服務器、電子郵件服務器等。3、按照網(wǎng)絡設備的拓撲覆蓋范圍（距離）劃分可以分為： 廣域網(wǎng) （WAN 即 Wide Area Network）； 城域網(wǎng) （MAN 即 Metropolitan Area Network）； 局域網(wǎng) （LAN 即 Local Area Network）； 時間：5分鐘四、廣域網(wǎng)、城域網(wǎng)、局域網(wǎng)廣域網(wǎng)是覆蓋地理范圍很大的計算機網(wǎng)絡。它的覆蓋范圍通常是一個國家或一個大洲。廣域網(wǎng)把各個城市的城域網(wǎng)相互連接起來，在通過各城市的城域網(wǎng)把城市里的許多局域網(wǎng)連接在一起，這樣實現(xiàn)眾多局域網(wǎng)之間的計算機的資源共享。城域網(wǎng)的規(guī)模和覆蓋范圍介于局域網(wǎng)和廣域網(wǎng)之間，將城市許許多多的局域網(wǎng)匯聚在一起，提供因特網(wǎng)（Internet）的接入服務。局域網(wǎng)是指覆蓋范圍很小的局部區(qū)域的計算機網(wǎng)絡，局域網(wǎng)往往只覆蓋連接一片校園、一個企業(yè)、一座或幾座樓宇內(nèi)的計算機。時間：10分鐘一般局域網(wǎng)的各個網(wǎng)絡節(jié)點之間的距離較短，傳輸比較可靠、速度較快、延遲較小。五、網(wǎng)絡拓撲結構總線形拓撲（Bus Network Topology）是將網(wǎng)絡中各個節(jié)點的設備，用一根線纜連接起來，所有的主機共享同一通訊介質。在這樣的網(wǎng)絡中，某一臺主機發(fā)送的數(shù)據(jù)會在整根網(wǎng)線上傳輸，線路上的各個設備都會收到?？偩€型網(wǎng)絡主要采用同軸電纜作為通訊介質，早期的以太網(wǎng)便采用這種形式?？偩€型結構是在早期的局域網(wǎng)中應用很廣的拓撲結構，其突出的特點為：結構簡單、成本低、安裝使用方便。但它有固有的致命缺點，存在單點故障。即在主干的線路上如果出現(xiàn)故障，整個網(wǎng)絡都會癱瘓，在網(wǎng)絡規(guī)模變大之后，這個問題越來越嚴重。星形網(wǎng)絡拓撲（Star Network Topology）中所有的設備，不像總線形網(wǎng)絡拓撲連接到一根網(wǎng)絡線纜上，而是每個設備有自己的網(wǎng)線，都連接到中央的節(jié)點上。早期的中央節(jié)點設備被稱作集線器（Hub）。 這種拓撲主要特點是：當單根線路發(fā)生故障的時候，不會影響網(wǎng)絡中的其它計算機，系統(tǒng)的可靠性較高，擴充容易；中央節(jié)點可以方便地控制和管理網(wǎng)絡，并及時發(fā)現(xiàn)和處理系統(tǒng)故障；但如果中央節(jié)點出現(xiàn)故障，則整個網(wǎng)絡癱瘓，但這種機會比網(wǎng)線故障要小得多。線纜斷開或松動只影響與線纜相連的計算機。星形拓撲機構是在目前的局域網(wǎng)中使用最廣泛的一種網(wǎng)絡拓撲結構，它已基本代替了早期局域網(wǎng)采用的總線型拓撲結構。環(huán)形網(wǎng)絡拓撲（Ring Network Topology）中計算機連成環(huán)狀，不需要終結器。信號沿環(huán)的一個方向傳播，依次通過每臺計算機。 與總線拓撲不同的是，每臺計算機都是一個中繼器，把信號放大并傳給下一臺計算機。因為信號通過每臺計算機，所以任何一臺計算機出現(xiàn)網(wǎng)絡連接故障都會影響整個網(wǎng)絡。網(wǎng)狀拓撲（Mesh Network Topology）中各節(jié)點通過傳輸線相互連接起來，并且任何一個節(jié)點都至少與其它兩個節(jié)點相連。簡單的網(wǎng)狀網(wǎng)絡如所示。網(wǎng)狀結構具有較高的可靠性，但其實現(xiàn)起來費用高、結構復雜、不易管理和維護，在局域網(wǎng)中很少采用，常見在廣域網(wǎng)中。在廣域網(wǎng)中還經(jīng)常采用部分網(wǎng)狀連接的形式，以節(jié)省經(jīng)費。時間：20分鐘六、網(wǎng)絡體系結構在計算機網(wǎng)絡環(huán)境中，計算機系統(tǒng)之間進行通信、協(xié)同工作以實現(xiàn)信息交換和資源共享，它們之間必須有共同的語言。交流什么、怎么交流及何時交流，都必須遵循某種互相都能接受的規(guī)則。這些為計算機網(wǎng)絡中進行數(shù)據(jù)交換而建立的規(guī)則、標準或約定的集合就稱為網(wǎng)絡協(xié)議（Protocol）。為降低計算機網(wǎng)絡設計的復雜性，人們往往按功能將計算機網(wǎng)絡劃分為多個不同的功能層。網(wǎng)絡中同等層之間的通信規(guī)則就是該層使用的協(xié)議，而同一計算機不同功能層之間的通信規(guī)則則稱為接口?？偟膩碚f，協(xié)議是不同機器同等層之間的通信約定，而接口是同一機器相鄰層之間的通信約定。在所有的網(wǎng)絡中，每一層的目的都是向上一層提供特定的服務。計算機網(wǎng)絡系統(tǒng)是一個十分復雜的系統(tǒng)。將一個復雜系統(tǒng)分解為若干個容易處理的子系統(tǒng)，然后“分而治之”逐個加以解決這種結構化設計方法是工程設計中常用的手段。分層就是系統(tǒng)分解的最好方法之一。網(wǎng)絡體系結構是網(wǎng)絡中分層模型以及各層功能的精確定義。對網(wǎng)絡體系結構的描述必須包括足夠的信息，使實現(xiàn)者可以為每一功能層進行硬件設計或編寫程序，并使之符合相關協(xié)議。ISO/OSI參考模型：o 應用層o 表示層o 會話層o 傳輸層o 網(wǎng)絡層o 數(shù)據(jù)鏈路層o 物理層TCP/IP參考模型：o 應用層o 傳輸層o 互聯(lián)網(wǎng)層o 物理接口層時間：30分鐘七、網(wǎng)絡設備有線網(wǎng)絡設備：網(wǎng)卡、集線器（hub）、交換 機（switch）、路由器（router） 調(diào)制解調(diào)器、中繼器、網(wǎng)橋無線局域網(wǎng)設備：無線網(wǎng)卡、無線接入點（AP）1、 中繼器中繼器（Repeater，RP）是網(wǎng)絡體系結構中物理層的設備，常用于兩個網(wǎng)絡節(jié)點之間物理信號的雙向轉發(fā)工作。如圖所示，中繼器是最簡單的網(wǎng)絡互聯(lián)設備，負責在兩個節(jié)點的物理層上按位傳遞信息，完成信號的復制調(diào)整和放大功能，以此來延長網(wǎng)絡的長度。由于存在損耗，在線路上傳輸?shù)男盘柟β蕰饾u衰減，衰減到一定程度時將造成信號失真，因此會導致接收錯誤。中繼器就是為解決這一問題而設計的。它完成物理線路的連接，對衰減的信號進行放大，保持與原數(shù)據(jù)相同。一般情況下，中繼器的兩端連接的是相同的媒體，但有的中繼器也可以完成不同媒體的轉接工作。從理論上講中繼器的使用是無限的，網(wǎng)絡也因此可以無限延長。事實上這是不可能的，因為網(wǎng)絡標準中都對信號的延遲范圍作了具體的規(guī)定，中繼器只能在此規(guī)定范圍內(nèi)進行有效的工作，否則會引起網(wǎng)絡故障。以太網(wǎng)絡標準中就約定了一個以太網(wǎng)上只允許出現(xiàn)5個網(wǎng)段，最多使用4個中繼器，而且其中只有3個網(wǎng)段可以掛接計算機終端。2、 集線器集線器（Hub）是中繼器的另一種形式，區(qū)別在于集線器能夠提供多端口服務，也稱為多口中繼器。集線器產(chǎn)品發(fā)展較快，局域網(wǎng)集線器通常分為5種不同的類型，它將對LAN交換機技術的發(fā)展產(chǎn)生直接影響。單中繼器網(wǎng)段集線器在硬件平臺中，第一類集線器是一種簡單中繼LAN網(wǎng)段，最好的例子是迭加式以太網(wǎng)集線器或令牌環(huán)網(wǎng)多站訪問部件（MAU）。某些廠商試圖在可管理集線器和不可管理集線器之間劃一條界限，以便進行硬件分類。這里忽略了網(wǎng)絡硬件本身的核心特性，即它實現(xiàn)什么功能，而不是如何簡易地配置它。多網(wǎng)段集線器多網(wǎng)段集線器是從第一類集線器直接派生而來的，采用集線器背板，這種集線器帶有多個中繼網(wǎng)段。如圖所示，多網(wǎng)段集線器通常是有多個接口卡槽位的機箱系統(tǒng)。然而，一些非模塊化迭加式集線器也支持多個中繼網(wǎng)段。多網(wǎng)段集線器的主要技術優(yōu)點是可以將用戶的信息流量分載，網(wǎng)段之間的信息流量一般要求獨立的網(wǎng)橋或路由器。端口交換式集線器端口交換式集線器是在多網(wǎng)段集線器基礎上將用戶端口和背板網(wǎng)段之間的連接過程自動化，并通過增加端口交換矩陣（PSM）來實現(xiàn)的。PSM提供一種自動工具，用于將任何外來用戶端口連接到集線器背板上的任何中繼網(wǎng)段上。這一技術的關鍵是“矩陣”，一個矩陣交換機是一種電纜交換機，它不能自動操作，要求用戶介入。它不能代替網(wǎng)橋或路由器，并不提供不同LAN網(wǎng)段之間的連接性，其主要優(yōu)點就是實現(xiàn)移動、增加和修改的自動化。網(wǎng)絡互聯(lián)集線器端口交換式集線器注重端口交換，而網(wǎng)絡互聯(lián)集線器在背板的多個網(wǎng)段之間實際上提供一些類型的集成連接。這可以通過一臺綜合網(wǎng)橋、路由器或LAN交換機來完成。目前，這類集線器通常都采用機箱形式。交換式集線器目前，集線器和交換機之間的界限已變得越來越模糊。交換式集線器有一個核心交換式背板，采用一個純粹的交換系統(tǒng)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的共享介質中繼網(wǎng)段。此類產(chǎn)品已經(jīng)上市，并且混合的（中繼/交換）集線器很可能在以后幾年控制這一市場。應該指出，集線器和交換機之間的特性幾乎沒有區(qū)別。3、 調(diào)制解調(diào)器調(diào)制解調(diào)器（Modulator / Demodulator，Modem）是網(wǎng)絡體系結構中數(shù)據(jù)鏈路層的設備，它能把計算機產(chǎn)生出來的信息翻譯成可沿普通電話線傳送的模擬信號。而這些模擬信號又可由線路另一端的另一調(diào)制解調(diào)器接收，并譯成接收計算機可懂的數(shù)字信號，這一簡單過程擴展了計算機的通信范圍。調(diào)解解調(diào)器可以分為4種：外置式、內(nèi)插式、袖珍型、機架型 調(diào)制解調(diào)器的用途調(diào)制解調(diào)器能將計算機輸出的原始數(shù)字信號變換成適應模擬信道的信號，我們把這個實現(xiàn)調(diào)制的設備稱為調(diào)制器。從已調(diào)制信號恢復為數(shù)字信號的過程稱為解調(diào)，相應的設備叫做解調(diào)器。調(diào)制器與解調(diào)器合起來稱為調(diào)制解調(diào)器。在計算機聯(lián)網(wǎng)中，往往需要將城市中的不同區(qū)域甚至在不同城市、不同國家的數(shù)據(jù)裝置連接起來，使它們能相互傳輸數(shù)據(jù)。在這些遠程連接中，不同的數(shù)據(jù)裝置的空間距離有數(shù)公里甚至幾千公里，一般用戶很難為它們鋪設專用的通信媒體。于是人們把眼光放在了早已遍布全球各個角落的電話網(wǎng)上。電話網(wǎng)除可用作電話通信外，還可用來開放數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務。由于公司電話網(wǎng)最初是為適應電話通信的要求而設計的，因此它采用的是頻分多路載波系統(tǒng)實現(xiàn)多個電話電路復用的模擬傳輸方式。每個話路的有效頻帶寬度為0.33.4KHz。但數(shù)據(jù)終端是“1”、“0”組合的數(shù)字信號，其頻帶寬度遠大于一個話路的帶寬。為了使這種“1”、“0”數(shù)字信號能在上述的模擬信道上傳送，需要把“1”、“0”數(shù)字信號變換為模擬信號的形式，在通信的另一端作相反方向的變換以便于數(shù)據(jù)終端的接收。這種功能的轉換，就需要通過使用調(diào)制解調(diào)器（Modem）來完成。4、 網(wǎng)卡網(wǎng)卡（Network Interface Card，NIC）是網(wǎng)絡體系結構中數(shù)據(jù)鏈路層的設備。網(wǎng)卡是LAN的接入設備，是單機與網(wǎng)絡間架設的橋梁。它主要完成如下功能：讀入由其它網(wǎng)絡設備（Router、Switch、Hub或其它NIC）傳輸過來的數(shù)據(jù)包，經(jīng)過拆包，將其變成客戶機或服務器可以識別的數(shù)據(jù)，通過主板上的總線將數(shù)據(jù)傳輸?shù)剿柙O備中（CPU、RAM或Hard Driver）。將PC設備（CPU、RAM或Hard Driver）發(fā)送的數(shù)據(jù)，打包后輸送至其它網(wǎng)絡設備中。目前，市面上常見的網(wǎng)卡種類繁多。按所支持的帶寬分有10M網(wǎng)卡、100M網(wǎng)卡、10/100M自適應網(wǎng)卡和1000M網(wǎng)卡。按總線類型分有PCI網(wǎng)卡、ISA網(wǎng)卡、EISA網(wǎng)卡及其它總線網(wǎng)卡。每塊網(wǎng)卡都有唯一的物理地址作為自己的標識，地址由6個字節(jié)組成，共48位。前3個字節(jié)為廠商標識，后3個字節(jié)為網(wǎng)卡標識。在全球范圍內(nèi)物理地址是唯一的。例如00-80-C8-EC-CB-3F是D-Link的一塊網(wǎng)卡，00-80-C8代表廠商D-Link，EC-CB-3F為網(wǎng)卡號。5、 網(wǎng)橋網(wǎng)橋（Bridge）也稱橋接器，是網(wǎng)絡體系結構中數(shù)據(jù)鏈路層的設備。如圖所示，網(wǎng)橋是連接兩個局域網(wǎng)的存儲轉發(fā)設備，用它可以完成具有相同或相似體系結構網(wǎng)絡系統(tǒng)的連接。一般情況下，被連接的網(wǎng)絡系統(tǒng)都具有相同的邏輯鏈路控制規(guī)程（LLC），但媒體訪問控制協(xié)議（MAC）可以不同。網(wǎng)橋是數(shù)據(jù)鏈路層的連接設備，準確地說它工作在MAC子層上。網(wǎng)橋在兩個局域網(wǎng)的數(shù)據(jù)鏈路層間按數(shù)據(jù)幀傳送信息。網(wǎng)橋是為各種局域網(wǎng)間存儲轉發(fā)數(shù)據(jù)而設計的，它對末端節(jié)點用戶是透明的，末端節(jié)點在其數(shù)據(jù)幀通過網(wǎng)橋時，并不知道網(wǎng)橋的存在。網(wǎng)橋可以將相同或不相同的局域網(wǎng)連在一起，組成一個擴展的局域網(wǎng)絡。6、 交換機交換機（Switch）也稱為交換器，是網(wǎng)絡體系結構中數(shù)據(jù)鏈路層的設備，如圖所示。1993年，局域網(wǎng)交換設備出現(xiàn)。1994年，國內(nèi)掀起了交換網(wǎng)絡技術的熱潮。其實，交換技術是一個具有簡化、低價、高性能和高端口密集特點的交換產(chǎn)品，體現(xiàn)了橋接技術的復雜交換技術在數(shù)據(jù)鏈路層操作。與網(wǎng)橋一樣，交換機按每一數(shù)據(jù)包中的MAC地址相對簡單地決策信息轉發(fā)。而這種轉發(fā)決策一般不考慮包中隱藏的更深的其它信息。與橋接器不同的是交換機轉發(fā)延遲很小，操作接近單個局域網(wǎng)性能，遠遠超過了普通橋接互聯(lián)網(wǎng)絡之間的轉發(fā)性能。交換技術允許共享型和專用型的局域網(wǎng)段進行帶寬調(diào)整。交換機能經(jīng)濟地將網(wǎng)絡分成小的沖突網(wǎng)域，為每個工作站提供更高的帶寬。協(xié)議的透明性使得交換機在軟件配置簡單的情況下直接安裝在多協(xié)議網(wǎng)絡中；交換機使用現(xiàn)有的電纜、中繼器、集線器和工作站的網(wǎng)卡，不必作高層的硬件升級；交換機對工作站是透明的，這樣管理開銷低廉，簡化了網(wǎng)絡節(jié)點的增加、移動和網(wǎng)絡變化的操作。利用專門設計的集成電路可使交換機以線路速率在所有的端口并行轉發(fā)信息，提供了比傳統(tǒng)橋接器高得多的操作性能。在理論上，單個以太網(wǎng)端口對含有64個八進制數(shù)的數(shù)據(jù)包，可提供14880bps的傳輸速率。這意味著一臺具有12個端口、支持6道并行數(shù)據(jù)流的“線路速率”以太網(wǎng)交換器必須提供89280bps的總體吞吐率（6道信息流14880bps/道信息流）。專用集成電路技術使得交換器在更多端口的情況下以上述性能運行，其端口造價低于傳統(tǒng)型橋接器。7、 路由器路由器（Router）