计算机网络与通信

·211·第8章计算机网络与通信进入21世纪，计算机网络，尤其是Internet技术的发展已成为引导社会发展的重要因素。Internet是一个全球开放性的信息互连网络，它的前身是美国国防高级研究计划局（ARPA）于1969年研制的用于支持军事研究的计算机实验网络ARPANET。现在计算机网络技术已经应用于社会的各个领域，充分实现了相互通信、资源共享的目的。本章主要内容：计算机网络基础知识数据通信网络体系结构计算机局域网网络互连Internet的连接与浏览8.1计算机网络基础知识在今天这个社会，网络已成为一切信息系统的基础，是人们日常工作、学习和生活的重要组成部分。8.1.1计算机网络的定义概括地说，计算机网络就是由不同通信媒体连接的、物理上互相分开的多台计算机组成的、对数据进行传输和处理的系统。计算机网络使用通信线路和通信设备将分布在不同地点的多台计算机系统连接在一起，各个计算机系统都遵守共同的通信协议，以实现数据通信和资源共享的系统。8.1.2计算机网络的功能计算机网络的功能主要包括以下几个方面：1.资源共享这里所说的“资源”指计算机系统的软、硬件资源资源，资源共享就是使网络中的用户能够分享网络中各个计算机系统的全部或部分资源。2.数据通信是指文字、数字、图像、语音、视频等信息通过电子邮件、电子数据交换、电子公·212·告牌、远程登录和信息浏览的方式进行的传输、收集与处理。数据通信是计算机网络最基本的功能。3.分布式处理是指将分散在各个计算机系统中的资源进行集中控制与管理，从而将复杂的问题，交给多个计算机分别同时进行处理，以提高工作效率。4.均衡任务，互相协作利用计算机网络，可以将任务量大的作业交给网络上的较空闲的计算机完成，分担工作任务，从而提高了计算机的协作性与可靠性。8.1.3计算机网络的分类通常人们按照地理范围的不同，将计算机网络分为三类：局域网、城域网和广域网。1.局域网局域网（LAN，LocalAreaNetwork）在地理上有一个有限范围，例如一个校园、一个企业等，目前局域网发展非常迅速。根据所采用的技术、应用的范围和协议标准的不同，局域网又可以分为局域地区网、高速局域网等。2.城域网城域网（MAN，MetropolitanAreaNetwork）是地理范围介于局域网和广域网之间的一种高速网络。3.广域网广域网（WAN，WideAreaNetwork）所覆盖的地理范围可以达到几千公里，例如一个洲、国家、地区，形成一个国际性的远程网络。另外，还可以按以下几种方法对计算机网络进行分类：·按照拓扑结构的不同，计算机网络可以分为：树型网络、星型网络、总线型网络和环型网络。这四种网络的结构如图8-1所示。树型网络星型网络总线型网络环型网络图8-1三种不同的网络拓扑结构·根据传输介质（如同轴电缆、双绞线、光纤、卫星、微波等）的不同，可以对·213·计算机网络进行分类。·按带宽速率，计算机网络可以分为低速网、中速网和高速网。·各种网络采用的通信协议往往不同，例如以太网使用CSMA协议，令牌环网采用令牌传递协议，Internet网采用的是TCP/IP协议等。8.2数据通信计算机网络是计算机技术与通信技术相结合的产物。计算机通信就是将一台计算机中的数据和信息通过信道传送给网络中的其他的计算机。如何将不同计算机中的信息进行高质量的传输，是数据通信技术要解决的问题。8.2.1数据通信的基本概念1.信号信号就是数据的具体表现形式。在通信技术中所使用的信号一般是电信号，是随时间变化的电压或电流。在通信系统中，各种电路、设备是实现传输的处理设置，而传输的主体是信号。信号的特性表现为它的时间性和频率性。2.信道信道就是通信系统中用来传递信息的通道，即传输信息所经过的路径，由相应的发送信息和接收信息的设备及传输介质组成。3.带宽在数据通信的过程中，信道两端的发送设备所能够达到的信号的最大发送速率称为带度，单位是Hz。例如，某信道的带宽是8000Hz，表示该信道最多可以以每秒8000次的速率发送信号。4.信道容量信道容量是指单位时间内信道上所能传输的最大字节数。通常情况下，增加信道的带宽可以增加信道容量。5.传输速率就是单位时间内传送的信息量。6.传输延迟数据通信的传输延迟就是发送和接收信号的时间、电信号的响应时间与传输介质的中转时间之和。·214·8.2.2数据传输技术1.调制和解调调制就是用数据的原始电信号控制载波的若干个参数（如幅度、频率、相位等），使这些参数按原始信号的规律发生变化。通过调制，可以使数字信号转化为模拟信号在载波上传输。而解调就是信号接收端将收到的模拟信号复原成数字信号的过程。实现调制和解调过程的设置称为调制解调器（Modem）。2.基带传输技术没有经过调制的电信号表现为方波的形式，它所占据的频带通常从直流和低频开始，所以称为基带信号。在近距离的范围内，信号的功率不会衰减太多，信号的容量也不会发生多大变化。所以在近距离传输时，计算机网络系统大多采用基带传输方式。3.频带传输技术如果要将数字信号传输到较远的地方，就要使用频带传输技术，否则信号功能衰减会使信号变弱导致对方接收不到信息。在频带传输中，如果调制后的模拟信号超出音频范围，则称为宽带传输或载波传输。宽带传输是网络通信中广泛采用的频带传输方式。4.信道复用技术在计算机网络通信中，信道的连接方式主要有两种：点对点连接和共享信道（即信道复用）。点对点连接就是通信的双方处于信道的两端，其他设备不与它们发生信道共享与交互。共享信道就是多台计算机连接到同一个信道上的不同支点上，网络中的任何用户都可以通过此信道发送信息。信道复用包括三种复用方式：频分多路复用、时分多路复用和码分多路复用。8.2.3传输介质传输介质就是通信网络中发送端和接收端之间的物理通道。通过接口，双方可以通过传输介质传输模拟信号或数字信号。目前常用的传输介质有：双绞线、同轴电缆、光纤和无线传输介质。1.双绞线双绞线是最常用的一种传输介质，由两根具有绝缘保护层的铜导线组成。它既可以用于传输模拟信号，也可以用于传输数字信号。与其他传输介质相比，双绞线在传输距离、信道宽度和数据传输速度等方面都受到一定的限制，但由于它价格较便宜，但仍被广泛使用。2.同轴电缆同轴电缆由内外两个导体组成，内导体是芯线，外导体是一系列由内导体为轴的金·215·属丝组成的圆柱纺织面，内外导体之间填充着支持物以保持同轴。同轴电缆一般安装在两个设备之间，在每个用户上安装了一个连接器，为用户提供接口。3.光导纤维光导纤维简称光纤，是目前发展最迅速、应用广泛的一种传输介质。它是一种能够传输光束的通信介质，一般由透明的石英玻璃拉成的细丝组成，由纤芯和包层构成双层的圆柱体，纤细而柔软。光纤具有频带宽、传输速率高、传输距离远的优点，而且抗干扰性好、数据保密性高、误码率低，因此越来越受到人们的青睐。4.无线传输介质无线传输介质不需要电缆或光纤，而是通过大气传输，如微波、红外线、激光等。无线传输广泛地用于电话领域，现在已开始出现局域网无线传输介质，能在一定的范围内实现快速、高性能的计算机联网。8.3网络体系结构要实现计算机网络中多个节点之间的数据控制与通信，必须遵守事先约定好的规则和标准，从而把不同厂家、不同操作系统计算机和其他相关设备连接在一起。这样的规则和标准就称为网络协议。常用的网络协议有TCP/IP（用它可以连接到Internet及广域网）、NetBEUI（可以连接到WindowsNT，Windowsforworkgroups或局域网的服务器上）、IPX/SPX（兼容通讯协议，使用它可以在NetWare，WindowsNT服务器及Windows9x计算机之间实现通讯）。国际标准化组织（ISO）于1984年10月公布了开放系统互联参考模型（OSI），作为指导信息处理、网络互联和协作的国际标准。它将整个网络通信功能划分为七个层次，如图8-2所示。应用层表示层会话层传输层网络层数据链路层物理层图8-2OSI七层网络模型·216·各层（由低到高）的功能如下：·物理层：位于网络模型的最低层，它通过传输介质将各站点连接起来，组成物理通路，以便数据流通过。·数据链路层：作用是进行差错检测和流量控制，实现二进制数据流的传输。·网络层：负责路由选择和拥塞控制，并使不同种网络实现互联。·传输层：提供一个通道，实现点到点的可靠数据传输。·会话层：为不同计算机上的用户建立会话关系，并管理数据的交换。·表示层：实现不同数据格式的编码之间的转换，以及数据的压缩、加密、解密等。·应用层：为端点用户提供服务，如文件传送、网络管理等、远程登录等。8.4网络互联设备网络互联，就是利用网络设备将不同的网络连接起来，以实现不同网络中计算机的互相通信和资源共享。在实现网络互联，首先要解决的问题是如何将用户连接到网络上，接入技术已成为目前网络技术的一大热点。1.网络服务器网络服务器就是提供并管理共享设备的工作站或专用设备。根据它所提供的共享性能，网络服务器又可分为磁盘服务器、文件服务器、打印服务器、数据库服务器等。2.工作站通常是一台带有磁盘驱动器的PC机及兼容机或终端，是网络用户的工作场所。有时工作站也可以不含有磁盘驱动器，称为“无盘工作站”。3.网络卡又称网卡或网络适配器，插在计算机的扩展槽上。用来实现与主机总线的通信连接，解释并执行主机的控制命令，实现物理层的功能（如对发送信号的传输驱动、对传进来信号的侦听与接收等）和数据链路层的功能（如形成数据帧、差错校验、发送接收等）。4.传输介质在前的8.2.3小节已作了介绍，此处不再详述。5.调制解调器它的英文名称是Modem，必须成对使用，用来实现数字信号与模拟信号的转换。在信号发送端，将数字信号调制为模拟信号；在接收端，将模拟信号解调成数字信号。·217·6.中继器中继器是物理层的连接设备，用来连接具有相同物理层协议的局域网。它的主要作用是：在信号传输了一定距离后，对信号进行整形和放大。但是它不能对信号作校验处理，即不能消除信号中的错误信息和杂音。7.集线器集线器（Hub）实际上就是一个多口的中继器，通常使用的集线器的前端有8个或16个插座，还有一个BNC插座可以通过T型头连接到同轴电缆上。集线器可以从任意一个端口上接收信号，经过整形放大，发送到与它连接的其他端口上。使用集线器可以很方便地对网络进行管理和维护。8.网桥网桥用来实现不同类型网络之间的连接，它在数据链路层对信号进行存储和转发，对高层协议无关。9.网关也称为网间协议变换器，它工作在网络层上，实现不同网络之间的连接。10.路由器路由器是工作在网络层上的设备，能将不同协议的网络进行连接，集网关、网桥、交换技术于一体，并能跨越WAN连接LAN。它是一种面向协议的设备，能识别网络层地址，能很好地控制拥塞、隔离子网、强化管理。8.5Internet的连接与浏览Internet即国际计算机互联网，在中国也称“因特网”或“万维网”，是由符合TCP／IP等网络协议的网络组成的互联网。它是目前全世界最大的网络，包含着丰富多彩的信息并提供方便快捷的服务，缩短了人们之间的距离。通过Internet，您可以与接入Internet的任何一台计算机进行交流，如发邮件、聊天、通话等。8.5.1Internet概述Internet最初起源于20世纪60年代的美国国防部的ARPANet，其目的是用于军事。20世纪70年代末，开始有计算机网络运行，它允许计算机之间进行交流，通过网际互连协议方式在网络之间把作为数据报的信息发送给指定的地址。到了20世纪90年代，Internet网络已连接了世界上4万多个网络，而中国作为第71个国家级网络加入Internet。Internet与大多数现有的商业计算机网络不同，不是为某些专用的服务而设计的。·218·Internet能够适应计算机、网络和服务的各种变化，提供多种信息服务，因此成为一种全球信息基础设施。它主要的功能是提供全球信息资源以共享，进行广泛的信息传递和交流，提供给人们一种崭新的网络生活方式。Internet采用的是网络级互连的方法，它把通信从