《实用组网技术教程与实训》第1章：计算机网络基础

2第1章计算机网络基础学习目的与要求计算机网络是当今世界最激动人心的，影响力也最为广泛的高新技术之一。本章将对计算机网络和数据通信的基本概念、计算机网络的体系结构及TCP/IP协议进行讲解，使学生对计算机网络有一个初步的了解。31.1计算机网络的发展历程问题：在学习计算机网络之前，首先应搞清楚计算机网络是怎样一步一步发展起来的？我国计算机网络的发展状况如何？计算机网络的发展方向是什么？在上个世纪60年代，美国就开始使用一台计算机作为中央处理机，通过使用调制解调器经电话线连接到各地的终端，使得全国可以进行飞机票的统一售票。1964年，英国人巴兰首先提出了分组交换的概念，就是不再依靠电话线，而是用通信电缆将需要通信的计算机连接起来，将一台计算机要传输给另一台计算机的数据分成一个个数据包，通过电缆发给目标计算机。美国军方在1969年建立了世界上第一个分组交换网，也就是因特网的前身——ARPANET(阿帕网)。随着TCP/IP在ARPANET上的运用，不同种类的计算机网络也能够连接到一起，ARPANET从军事用途转变成了商业性质的网络，并改了名称。到20世纪80年代，这个网络从美国发展到了全世界，很快就发展成了当今的因特网。41.1.1我国计算机网络的发展概况我国从20世纪80年代开始大规模引进个人计算机，早期主要从事的是信息管理。994年我国先后建成了中国科学技术网(CSTNET)、中国公用计算机互联网(CHINANET)、中国教育和科研计算机网(CERNET)和中国金桥网(CHINAGBN)等几大互联网络，并通过这些网络接入Internet。现在从国家政府机关到公共事业单位，从学校到企业，只要初具规模的单位都会建立自己的计算机网络。51.1.2计算机网络的未来计算机网络发展的一个目标就是全球数字化。数据通信技术的发展将促使现在的闭路电视网、电话网和计算机网合并成一个网。随着计算机网络的发展，多媒体技术、宽带技术、移动通信、网络安全这些技术将成为发展的热点。随着计算机网络的发展，网络安全变得越来越重要，信息的安全关系到国家的政治、军事、经济和社会的安定，还关系到每个人的切身利益。今天，许多国家都在大力发展“信息高速公路”，就是在向数字化世界进军，不断提高计算机网络技术的应用水平，使社会的信息化程度得到进一步提高。61.2计算机网络的概念问题：上面说了计算机网络的发展过程和我国计算机网络的概况，那么准确地讲，什么是计算机网络？计算网络的功能有哪些？计算网络有哪些类型？利用各种通信手段，把地理位置上分散的能独立工作的计算机，通过各种介质连接在一起，按照网络协议进行通信，达到资源共享的系统，这就是计算机网络。能独立工作的计算机(或其他的设备如打印机、传真机等)。必须遵守共同的协议(否则不同的网络就无法通信)。能达到资源共享，相互通信的目的。71.2.1计算机网络的功能(1)资源共享世界上第一个计算机网络——单机终端网络售票系统(严格讲，它还不算计算机网络，只是一个多终端系统，不过它具备了计算机网络的雏形)，就是一个资源共享的系统，它共享中心主机的硬件资源和软件资源。(2)通信和数据传输要达到资源共享，就离不开数据通信，这也是计算机网络的基本功能之一。(3)提高计算机的可靠性和可用性当网络中一台计算机出了故障，其他的计算机可以作为备用机；当一台计算机很忙的时候，我们可以启动另一台计算机来分担这台计算机的工作，这样提高了其他计算机的可用性。(4)易于分布式处理这是利用网络中的计算机共同完成一个大的处理任务，大家协调工作，成为一个整体。81.2.2计算机网络的分类(1)局域网(LocalAreaNetwork)缩写为LAN。它一般是在一个较小范围内的一个单位，或一个建筑物内，将有限的计算机及其他设备连接起来的计算机网络。(2)广域网(WideAreaNetwork)缩写为WAN。其范围从几十公里到几百公里，以至全世界。典型的广域网就是因特网，因特网也叫国际互联网，它连接着全世界各种各样、大大小小的计算机网络和主机。计算机网络通常由计算机、服务器、通信介质、网络互联设备(如集线器、交换机和路由器等)组成。91.3数据通信基础问题：要掌握计算机网络技术，除了知道网络技术的知识外，还应该了解与之相关的数据通信基础知识。比如计算机中的信息是怎样在线路上传输的，为什么有的网络信息传输快，有的网络信息传输就很慢。数字通信和模拟通信有什么区别，为什么一根电缆可以传输许多不同的信息等等。早期的通信有无线通信，如发电报、广播等；有线通信最典型的就是电话，它们都属于模拟通信。数据通信是两台计算机间进行的数据传送和交换，即把数字信号从介质的一段传送到另一段。101.3.1数据通信的基本概念(1)模拟数据和数字数据(2)信号模拟信号：我们把数值连续变化的信号叫做模拟信号。最普通的模拟信号就是音频信号。在示波器上，它就像一条条正弦曲线。电话线传输的信号就是模拟信号。数字信号：不连续变化的即跳变的信号称作数字信号。通常指电脉冲信号，如用正脉冲表示“1”，负脉冲表示“0”。它通常表示成一个个方波。(3)信道(4)信号的带宽(5)通信方式数字通信：如果信号源发出的是模拟数据，而以数字信号的形式进行传输的，我们就把它叫做数字通信。其通信系统为数字通信系统。模拟通信：如果信号源发出的是模拟数据，并以模拟信道传输，就称为模拟通信。其通信系统为模拟通信系统。数据通信：如果信号源发出的是数字数据，不管是以数字信号还是以模拟信号进行传输，都称为数据通信。计算机网络的通信就是数据通信。(6)同步的概念一种是以字符为单位的同步，即发送方要发字符前，先发出一个同步脉冲，表示通信开始，接着发出字符，发完字符，再发一个表示结束的信息。另一种同步方式是在发送信息前，先发送一个同步标志，这个标志可能是一个字节如：“01111110”，也可能是一个规定的代码。然后再接着发信息，信息发完，再发一个结束标志。这种方式发送的数据多为一个数据块，这种方式也叫位同步方式。111.3.2二进制数据转化电信号的方式目前在计算机通信中最常用的数字编码一种叫曼彻斯特的编码其编码的特点是：发送方向接收方发送一个固定周期的脉冲信号，当要发送的信息为“1”时，脉冲周期的中间会有跳变，这个跳变为从高到低；而信息为“0”时，则中间的跳变从低到高；没有信息就保持原样。另一种是差分曼彻斯特编码其特点是发送的信息为“1”时，脉冲的前沿不变；当信息为“0”时，脉冲的前沿产生跳变。121.3.3模拟数据通过数字信道来传输在日常通信中，我们常常会用数字信道来传送模拟信号，这样可保证信号的不失真。比如把一幅电视画面通过数字信道来传输，首先必须把模拟信号转换成数字信号。欲把模拟信号转换成数字信号，通常采用的是脉冲编码调制方法。就是先对模拟信号进行定期取值，只要取值频率适当，就可以保证接收方可以不失真地把信号再恢复成原样。取值后再把模拟信号量化，并转变成一个个脉冲信号。接着再把脉冲信号的值用一定位数的二进制来表示，然后再将这二进制编码转成数字脉冲信号，放到数字通信系统中传送出去。131.3.4多路信号的合并传输为了有效的利用通信线路，可将多路信号合并到一条线路上传输，这就叫多路复用技术。多路复用技术最常用的有两种：频分多路复用FDM(FrequencyDivisionMultiplexing)和时分多路复用TDM(TimeDivisionMultiplexing)。频分多路复用是将多路信号用调制解调器分别调制到不同的频率上，然后再把这些信号合并到一条线路上传输。时分多路复用则是按时间片轮流传送各路信号。141.3.5数据传输方式(1)线路交换线路交换分3个阶段：线路建立、维持通信、线路拆除。发送数据的一方要和对方进行数据通信前，先要向接受数据的一方发出通信请求，接受方收到发送方的请求后，向发送方发出应答信号，这样双方就建立起一种独占信道的通信连接。(2)报文交换发送者以报文为单位进行发送，报文通常就是一个文件。报文带有目的地址，报文到达下一个节点时，必须暂存在节点的缓冲区中，进行排队，轮到发送时，再发送到下一个节点，直至目标主机。(3)分组交换由于报文太长对交换节点的缓冲区要求较高，其延迟也较长。就有了将报文分隔成小段再进行传输，这就是分组交换。分组交换将报文分成定长的信息单位，通常称作数据包或分组。151.3.6网络传输差错的控制差错控制就是指在数据通信中要能发现差错，并采取措施纠正，把差错限制在所允许的尽可能小的范围内的技术。为了保证无差错地传输，必须有检错和纠正功能。最简单的检错法就是奇偶校验法。还有一种常用的校验方法叫循环冗余校验码，也叫CRC校验码。161.4计算机网络的体系结构问题：什么是计算机网络的体系结构？计算机网络协议的要素是什么？网络层次关系对实际应用的指导意义是什么？171.4.1计算机网络协议在计算机网络中也有协议，这些协议是为了保证计算机网络中的正常通信的。这些协议主要包括3个要素：语义：指用于协调和差错处理的控制信息(怎样通信)。语法：指数据格式、编码及信号电平等(说话方式)。时序：指速度匹配和排序(什么时候该谁说)。网络协议实质上是网络中使用的一种共同语言，是网络通信中不可缺少的部分。不同的网络也可能使用不同的协议。但如果要进行相互通信，就必须遵守统一的标准。181.4.2网络体系结构的概念一台计算机要发信息给另一台计算机，它必须按下列步骤进行：(1)将数据分解成较小的块(也称为数据包)。(2)将发方地址和收方地址放在包头上，以识别目的机器和源机器。(3)将数据送到网卡，以便通过介质传输出去。接收方计算机则按相反的步骤进行：(1)从网卡上接收数据。(2)去掉发方添加的信息。(3)将数据包重新组装，得到原来的信息。191.4.3网络层次关系对实际应用的指导意义(1)物理层这是网络传输的最底层，它与物理传输介质相连。(2)数据链路层要把它的上一层——网络层送来的数据包加上下一个节点的计算机物理地址封装成数据帧，再传给物理层。(3)网络层网络层要负责选择信息到达目的主机的路径(4)运输层也叫传输层，是七层协议的中间层，它接收会话层送来的数据，并加上端口地址和序号还有一些控制信息组装成数据段，送给网络层。(5)会话层在两个不同系统互相通信的应用进程之间建立、组织和协调交互，使它们的会话同步。(6)表示层向应用层进程提供信息的语法表示，对不同语法表示进行转换管理等，使采用不同语法表示的系统之间能进行通信。(7)应用层是开放系统与应用程序的接口，提供OSI用户服务、管理和分配网络资源。201.5TCP/IP传输控制和互联网协议问题：什么是TCP/IP协议？如何使用IP地址？如何设置子网和子网掩码？211.5.1TCP/IP协议的主要内容1.TCP/IP协议各层功能网络接口层网络层传输层应用层2.TCP/IP协议的工作过程(1)源主机上的应用层，将字节流或报文流传给传输层。(2)传输层将流或报文分为TCP段，并加上TCP头传给IP层。(3)IP层把TCP段作为数据部分，并加上带有源IP地址和目的IP地址的IP层包头，组成分组或包交给网络接口层。(4)网络接口层将IP分组作为数据，加上物理地址和帧头组成帧，交由物理网络发送到目的主机或路由器。(5)在目的主机处，网络接口层从网络上收到帧，去掉帧头，组成分组交给IP层。(6)IP层检查IP包头，查看数据是否出错。(7)传输层检查序号，确定是否正确。(8)应用层将收到的报文送交相应的应用程序。221.5.1TCP/IP协议的主要内容3.主要协议的功能TCP协议UDP协议IP协议SMTP协议FTP协议TELNET协议DNS协议231.5.2学会使用IP地址在一个特定的计算机网络中，每一台主机都有一个惟一的IP地址。IP地址分动态和静态两种。静态的IP地址设置好后就不变了动态的IP地址一般是网络中的一台叫DHCP的服务器分配的IP地址分为网络号和主机号两部分。根据不同的类型，其网络号和主机号的位数也不同。241.5.3子网的设置和掩码的应用所谓子网，就是在主机号中，