第4章 软硬件系统知识(下)

4.3计算机网络计算机网络是现代计算机技术与通信技术相结合的产物，是随着社会对信息共享和信息传递日益增强的需求而发展起来的。4.3计算机网络目录4.3.1计算机网络发展历程4.3.2计算机网络基本概念4.3.3物理层4.3.4数据链路层4.3.5网络层4.3.6传输层及其高层4.3.7局域网技术4.3.8因特网技术4.3.9计算机网络安全4.3.1计算机网络发展历程1946年在美国诞生了世界上第一台电子计算机，在50多年的时间中，计算机在人类生活的各个领域发挥着越来越重要的作用，人们对计算机的功能也提出了越来越高的要求，计算机网络就是在这个进程中出现并得以快速发展的。计算机网络是指把一定地理范围内的计算机通过通信线路互连起来，在相应通信协议和网络系统软件的支持下，彼此互相通信并共享资源的系统。简单地说，就是将各自独立的计算机处理节(node）通过线路连接而成的计算机的集合。计算机网络的发展经历了远程终端、局域网（LAN）、广域网（WAN）等阶段。从20世纪80年代末开始，网络技术进入新的发展阶段，以光纤通信技术、多媒体技术、综合业务数字网ISDN（IntegratedServiceDigitNetwork）、人工智能网络的出现和发展为标志。20世纪90年代以来，计算机网络进入高速发展时期，特别是国际互连网Internet的出现，使计算机网络的应用得到了飞速发展。随着信息高速公路NII（NationalInformationInfrastructure，国家信息基础结构）的建设，计算机网络将进入全球信息高速公路时代。网络技术的发展离不开计算机技术和通信技术的发展，计算机技术和通信技术发展到一定阶段，才会出现相应的网络技术。Internet的前身是1969年由美国国防部高级研究所计划局（ARPA）建立的军用实验网络ARPANET，初期只有4台主机，其设计考虑是当网络中的一部分因战争原因遭到破坏时，其余部分仍能正常工作。20世纪80年代初期，ARPA和美国国防部通信局研制成功用于异构网络的TCP/IP协议并投入使用。1986年在美国科学基金会（NSF）的支持下，用高速通信线路把分布在各地的一些超级计算机连接起来。之后，经过十几年的发展，逐步形成了Internet。今天，Internet已成为全球最大的互连网，覆盖150多个国家和地区，连接网络6万多个，接入主机400多万台，终端用户近1个亿，而且这些数字还在不断增长着。中国作为第71个国家级网于1994年4月接入Internet，目前中国接入Internet的4个主要网分别是：中国原邮电部网CHINANET，面向商业用户和一般个人用户。中国教育科研网CERNET，面向教育和科研单位用户。中国科学院网NCFC，面向科研机构用户。中国金桥信息网CHINAGBNET，面向国家公用经济信息用户。到2004年，我国上网用户人数已达4700万。Internet实际上是一个网际网，它是通过硬件设备将不同的网络互连而成的，为了在Internet上有效的传输信息，还需要通信协议的支持。目前，普遍采用的是TCP/IP协议，IP（InternetProtocol，网际协议）负责将数据报从源计算机传送到目的计算机；TCP（TransmissionControlProtocol，传输控制协议）负责解决传输过程中的数据报丢失、数据报重复传送及数据报改变顺序等问题，以保证数据传输的可靠性。4.3.2计算机网络基本概念一、计算机网络的定义计算机网络是一个复合系统，它以信息交换、资源共享和协同工作为目的，由多个具有自主功能的计算机通过通信系统互连而成。简言之，计算机网络是自主计算机的互连集合。从概念上说，计算机网络由通信子网和资源子网两部分构成。资源子网由互连的主机或提供共享资源的其他设备组成，而通信子网由通信系统组成，负责计算机间的数据传输。通信子网覆盖的地理范围可以是很小的局部区域，如一个办公室、一栋楼、一个单位，也可以是很大的区域，如一个城市、一个国家或地区，甚至可以跨越多个国家。通信子网中除了包括传输信息的物理媒体外，还包括诸如转发器、交换机之类的通信设备。通过通信子网互连在一起的计算机负责运行对信息进行处理的应用程序，它们是网络中信息流动的源和宿，这些计算机向使用者提供可供共享的硬件、软件和信息资源，构成资源子网。二、计算机网络的类型计算机网络的分类方法有多种，最常用的则是根据传输技术和覆盖范围来分类。1、根据传输技术分类（1）广播式网络：这类网络中所有连网计算机都共享一个公共通信信道，一台计算机可以同时向多台计算机发送数据。（2）点对点式网络：每条物理线路连接一对计算机，如果两台计算机之间没有直接连接的线路，它们之间的数据传输必须经过中间结点转发。2、根据覆盖范围分类（1）局域网（LocalAreaNetwork，LAN）：覆盖的地理范围较小，通常小于1公里，可以是一个房间、一栋建筑物或一个园区。局域网具有覆盖范围小、传输速率高、传输延迟小、结构简单、管理方便、造价低廉等特点。（2）城域网（CityAreaNetwork，CAN）：覆盖的地理范围在几公里到几十公里，一般在一个城市的范围内。城域网采用的通信技术与局域网类似。（3）广域网（WideAreaNetwork）：覆盖的地理范围从几十公里到几千公里，可以覆盖一个地区、一个国家，甚至更大的范围。三、计算机网络的功能和应用1、计算机网络的功能（1）通信：计算机网络为分散在各地的用户提供强有力的通信手段。生活工作在不同地方的人们通过计算机网络可以很方便地进行交流与合作（如收发电子邮件、网上教学等）。通信功能是计算机网络提供的最基本的、也是最重要的功能。（2）资源共享是计算机网络提供的另一项重要功能，也是推动计算机网络产生和发展的源动力之一。计算机网络中可供共享的资源可以是硬件，也可以是软件和信息资源。目前很多资源（共享软件、新闻消息等）都可以方便的在网上找到。2、计算机网络的应用计算机网络已经广泛应用到工业、农业、交通运输、文化教育、商业、国防以及科学研究等领域，日益深入到人类社会的各个方面。四、计算机网络的体系结构网络的体系结构是对计算机网络系统的抽象，它精确地定义了计算机网络完成的功能。现代计算机网络都采用分层体系结构。1、层次模型分层体系结构，就是将系统按其实现的功能分成若干层。其最低层是系统中最基本的功能模块，是完成系统功能的最基本的部分，它向其相邻高层提供服务。层次结构中的每一层都直接使用其低层提供的服务，完成其自身确定的功能，然后向其高层提供“增值”后的服务。分层体系结构使得系统的功能逐层加强与完善，最终完成系统要完成的功能。层次结构的好处在于使每一层实现相对独立的功能，每一层不必知道下一层功能实现的细节。只要知道下层通过层间接口提供的服务是什么以及本层应向上提供什么样的服务，就能独立地进行本层的设计开发。另外，由于各层相对简单独立，故容易设计、实现、维护、修改和扩充，也增加了系统的灵活性。计算机网络由多个互连的结点组成，它们之间要不断地交换数据和控制信息。为此，每个结点都必须遵守一些事先约定好的规则。这些规则被称为协议，它精确地描述了水平方向上(对等层)模块之间的逻辑关系。2、开放系统互连参考模型开放系统互连参考模型（OSI/RM）由国际标准化组织制订，是一个标准化的、开放式的计算机网络层次结构模型。OSI/RM由7层组成，自下而上分别为物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层和应用层。（1）物理层的功能是在物理媒体上传输原始比特（bit）流，物理层并不关心信息的意义和结构。当一方发送二进制比特流时，对方应能正确地接收。在物理层，传输的双方应该有一致的通信规程，即物理层协议。物理层协议又称物理层接口标准，主要定义数据终端设备DTE和数据通信设备DCE的物理和逻辑连接方法。物理层是为在物理媒体上建立、维持和终止传输数据比特流的连接提供电气、机械、功能和过程的手段。(2）数据链路层的主要功能就是将原始的物理连接改造成无差错的、可靠的数据传输链路。在数据链路层要将比特流组合成帧打包传送，使传送的比特信息具有意义和规范的结构。数据链路层还要解决由于发送方和接收方速度不匹配而造成数据包“淹没”接收方的问题，即流量控制。此外，数据链路层还负责检测或纠正数据帧中出现的错误，即差错控制。（3）网络层关心的是通信子网的运行控制，主要任务是如何把网络层的协议数据单元(分组)从源传送到目的。网络层实现的功能主要包括：路由选择，即为在子网上传送的分组选择合适的传送途径；拥塞控制，避免在通信子网中出现过多的分组时造成网络拥塞和死锁；网络互连，实现分组跨网传输。（4）传输层也叫运输层，是工作在端到端或主机到主机的功能层次。传输层的功能就是在通信子网的环境上实现端到端的数据传输管理、差错控制、流量控制、复用管理等，为高层用户提供可靠的、透明的、有效的数据传输服务。（5）会话层允许不同主机上各进程之间的会话，是进程到进程的层次。会话层的功能是完成会话的组织、建立、同步和维护及断开等管理功能。（6）表示层主要用于处理在两个通信系统中交换信息的表示方式。不同的机器系统采用的数据和信息编码及表示方法可能不尽相同，使用的数据结构也不一样。为了解决采用不同方法表示的数据和信息之间能互相交换(值不变)，表示层采用抽象的标准方法定义数据结构，并采用标准的编码形式。数据压缩和加密也是表示层可提供的表示变换功能。（7）应用层是开放系统互连参考模型的最高层，其功能是为特定类型的网络应用提供访问OSI环境的手段。3、TCP/IP参考模型TCP/IP参考模型是在因特网（Internet）的发展过程中逐渐形成的参考体系结构，实现多个网络的无缝连接是TCP/IP参考模型的主要设计目标。TCP/IP参考模型共分4层，自下向上分别是主机至网络层、互联层、传输层和应用层。（1）主机至网络层位于TCP/IP参考模型的最底层，负责将相邻高层提交的IP报文封装成适合在物理网络上传输的帧格式并传输，或将从物理网络接收到的帧解封，从中取出IP报文并提交给相邻高层。（2）互联层是整个TCP/IP参考模型的关键部分，负责将报文独立地从源主机传送到目的主机，不同的报文可能会经过不同的网络，而且报文到达的顺序可能与发送的顺序有所不同，但是互联层并不负责对报文的排序。互联层在功能上与OSI参考模型中的网络层相似。（3）传输层负责在源主机和目的主机的应用程序间提供端-端的数据传输服务，使主机上的对等实体可以进行会话，相当于OSI参考模型中的传输层。（4）应用层包含所有面向用户应用的高层协议。五、计算机网络的拓扑结构计算机网络的拓扑结构是指计算机网络的物理形状，即网络结点的互连方式。网络拓扑结构有星形、环形、总线、树形和网形等，我们主要介绍星形和网形结构。1、星形结构星形结构是由中心结点和通过点到点通信链路连接到中央结点的各个站点组成。中心结点采用集中式通信控制策略，中心结点负担较重，各个站点的通信负担较小。星形结构具有控制简单、故障诊断和隔离容易、方便服务等优点，但同时也具有电缆长度和安装工作量大、中心结点负担重易成为系统瓶颈、各站点的分布处理能力低等缺点。星形结构广泛应用在局域网中。2、网形结构网形结构是指网络中各个结点之间存在多条不规则的通信链路，构成一个像网一样形状的网络。由于结点之间有许多条路径相连，可以为数据流的传输选择适当的路由，从而绕过失效的部件或繁忙的结点。网形拓扑结构在广域网中得到了广泛的应用，它的优点是不受瓶颈问题和失效问题的影响，可靠性高。缺点是结构复杂，成本较高，相应的网络协议也比较复杂。六、IP地址和域名连接在Internet上的每台计算机都必须有一个唯一的地址，发送信息的计算机在通信之前必须知道接收信息计算机的地址，这个地址称作IP地址，表示为用小数点分开的的4个10进制整数。如166.111.25.41便是一个有效的IP地址，每个10进制数编码成一个字节，即最大为255，166.111.25.41对应的4个字节的2进制数为1010011001101