第4章4.2計算機網(wǎng)絡基礎

4.2計算機網(wǎng)絡基礎4.2.1

計算機網(wǎng)絡的組成與分類4.2.2局域網(wǎng)的基本原理4.2.34種以太網(wǎng)介紹4.2.1網(wǎng)絡的組成與分類1什么是計算機網(wǎng)絡2計算機網(wǎng)絡的分類3計算機網(wǎng)絡的組成4傳輸速率與帶寬5網(wǎng)絡的兩種工作模式什么是計算機網(wǎng)絡？性質：它是一種通信系統(tǒng)（與電話、電視系統(tǒng)不同，它是一種數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)）它是計算機系統(tǒng)的延伸與擴展需要使用多種復雜的技術利用通信設備和網(wǎng)絡軟件，把多臺計算機連接起來的一個系統(tǒng)計算機網(wǎng)絡的組成計算機、手機、電子書、監(jiān)控器等“終端設備”數(shù)據(jù)通信鏈路：用于傳輸數(shù)據(jù)的介質：雙絞線、光纜、無線電波等通信控制設備：如網(wǎng)卡、集線器、交換器、調制解調器、路由器等，確保通信正確、可靠、有效地進行網(wǎng)絡通信協(xié)議——共同遵循的一組的規(guī)則和約定通信如何開始、如何結束？數(shù)據(jù)如何表示？命令如何表示？通信對象如何區(qū)分？其身份如何鑒別？發(fā)生錯誤如何處理？等等。例如：TCP/IP,HTTP,FTP，POP3等網(wǎng)絡操作系統(tǒng)和網(wǎng)絡應用軟件：實現(xiàn)通信協(xié)議、管理網(wǎng)絡資源等實現(xiàn)各種網(wǎng)絡應用，如瀏覽器、電子郵件程序、QQ、搜索引擎等計算機網(wǎng)絡的管理——

網(wǎng)絡操作系統(tǒng)網(wǎng)絡操作系統(tǒng)(Networkoperatingsystem,

NOS)是指運行在服務器上的操作系統(tǒng)，有時也稱之為“服務器操作系統(tǒng)”網(wǎng)絡操作系統(tǒng)的責任是：支持大量客戶機同時發(fā)出服務請求并快速作出響應管理并協(xié)調資源的分配與共享管理、監(jiān)測與記錄客戶機的操作 (記錄用戶每一次登錄和退出的時間，以及每一次使用服務器資源的情況)數(shù)據(jù)保護和錯誤處理等當前使用的主流網(wǎng)絡操作系統(tǒng)主流網(wǎng)絡操作系統(tǒng)：Linux，源代碼開放，可免費得到許多應用軟件UNIX系統(tǒng)，穩(wěn)定性和安全性好，可用于大型網(wǎng)絡微軟公司的Windows系統(tǒng)的服務器版（如WindowsNTServer、Windows2000Server，WindowsServer2003、2008、2012等）網(wǎng)絡管理員(超級用戶)的職責：為用戶建立賬號(開戶)、分配資源使用權限、撤銷賬號(銷戶)、維護網(wǎng)絡正常工作和保證信息安全計算機組網(wǎng)的目的（1）數(shù)據(jù)通信使計算機之間可以相互傳送數(shù)據(jù)，方便地交換信息（2）資源共享用戶可以共享網(wǎng)絡中其他計算機的軟件、硬件和數(shù)據(jù)資源（3）實現(xiàn)分布式信息處理大型問題可以借助于分散在網(wǎng)絡中的多臺計算機協(xié)同完成分散在各地各部門的用戶通過網(wǎng)絡合作完成一項共同的任務（4）提高計算機系統(tǒng)的可靠性和可用性計算機出現(xiàn)故障時，網(wǎng)絡中的計算機可以互為后備計算機負荷過重時，可將部分任務分配給空閑的計算機計算機網(wǎng)絡的分類按使用的傳輸介質可分為：有線網(wǎng)■無線網(wǎng)按網(wǎng)絡的使用性質可分為：公用網(wǎng)■專用網(wǎng)■虛擬專網(wǎng)(VPN)按網(wǎng)絡的使用對象可以分為：企業(yè)網(wǎng)■政府網(wǎng)■金融網(wǎng)■校園網(wǎng)■

···按網(wǎng)絡所覆蓋的地域范圍可以分為：局域網(wǎng)(LAN)：使用專用通信線路把較小地域范圍（一幢樓房、一個樓群、一個單位或一個小區(qū)）中的計算機連接而成的網(wǎng)絡城域網(wǎng)或市域網(wǎng)(MAN)：作用范圍在廣域網(wǎng)和局域網(wǎng)之間，其作用距離約為5km～50km，例如一個城市范圍的計算機網(wǎng)絡廣域網(wǎng)(WAN)：把相距遙遠的許多局域網(wǎng)和計算機用戶互相連接在一起的網(wǎng)絡。廣域網(wǎng)有時也稱為遠程網(wǎng)幾種網(wǎng)絡之間的相互關系廣域網(wǎng)城域網(wǎng)城域網(wǎng)接入網(wǎng)接入網(wǎng)接入網(wǎng)局域網(wǎng)校園網(wǎng)PC將分散的用戶計算機(網(wǎng))接入特定城域網(wǎng)的各種網(wǎng)絡通信設施個人區(qū)域網(wǎng)網(wǎng)絡的主要性能指標之一：

傳輸速率與帶寬數(shù)據(jù)傳輸速率即數(shù)據(jù)率(datarate)，也稱為比特率(bitrate)，是計算機網(wǎng)絡中最重要的性能指標，指數(shù)據(jù)鏈路中每秒傳輸?shù)亩M位數(shù)目速率的單位是b/s，或kb/s,Mb/s,Gb/s等千比每秒，即kb/s（103b/s）兆比每秒，即Mb/s（106b/s）吉比每秒，即Gb/s（109b/s）太比每秒，即Tb/s（1012b/s）在計算機網(wǎng)絡中，“帶寬”指的是數(shù)據(jù)鏈路所能達到的“最高數(shù)據(jù)傳輸速率”，有時也稱為“信道容量”帶寬與采用的傳輸介質、傳輸距離、多路復用方法、調制解調方法等密切相關，傳輸速率與發(fā)送/接收器速率、網(wǎng)絡的擁擠程度等有關例：數(shù)字圖像傳輸時間的計算 假設數(shù)據(jù)傳輸速率為56kb/s，傳輸一幅分辨率為640×480的6.5萬種顏色的未壓縮圖像的時間是：

(640x480x16)/56000=87.8秒選講：

計算機網(wǎng)絡的其他性能指標誤碼率(errorrate)指數(shù)據(jù)傳輸中規(guī)定時間內出錯數(shù)據(jù)占被傳輸數(shù)據(jù)總數(shù)的比例端－端延遲(end-enddelay)指數(shù)據(jù)從信源傳送到信宿所花費的時間吞吐量(throughput)表示在單位時間內通過某個網(wǎng)絡(或信道、接口)的數(shù)據(jù)量。吞吐量受網(wǎng)絡的帶寬或網(wǎng)絡額定速率的限制其他：如服務質量QoS等計算機網(wǎng)絡的兩種工作模式資源：硬件、軟件、數(shù)據(jù)都是計算機的資源網(wǎng)絡中的計算機可以扮演2種不同的角色：客戶機：需要使用其它計算機資源的計算機服務器：提供資源（如數(shù)據(jù)文件、磁盤空間、打印機、處理器等）給其它計算機使用的計算機每一臺連網(wǎng)的計算機，其“身份”或者是客戶機，或者是服務器，或者兩種身份兼而有之計算機網(wǎng)絡有兩種基本的工作模式：對等（peer-to-peer，簡稱P2P）模式客戶/服務器（Client/Server，簡稱C/S）模式

對等工作模式（P2P）網(wǎng)絡中每臺計算機既可以作為客戶機也可以作為服務器例：Windows操作系統(tǒng)中的“網(wǎng)上鄰居”ABLAN或WAN特點：可共享的資源主要是文件和打印機，由資源所在計算機自己管理，使用比較簡單不需要專門的硬件服務器，也不需要網(wǎng)絡管理員保證可靠性、安全性是關鍵A計算機可使用B的打印機B計算機可訪問A計算機硬盤中的文件因特網(wǎng)應用中的P2P工作模式P2P是通過網(wǎng)絡中計算機與計算機之間直接交換來相互共享計算機資源的一種應用模式以前P2P模式以局域網(wǎng)使用居多，近些年它已在因特網(wǎng)上廣泛使用，例如：文件共享：BitTorrent(BT下載)，eMule(電驢)，迅雷即時通信：QQ、MSNMessenger流媒體服務：Skype（網(wǎng)絡IP電話）對等協(xié)同計算P2P業(yè)務已占互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務流量的60%以上（P2P模式）（C/S模式）服務器舉例：BT下載的工作原理ACBD客戶/服務器工作模式（C/S）特點：網(wǎng)絡中的計算機有專門分工，有的是客戶機，有的是服務器服務器大多是一些專門設計的性能較高的計算機，并發(fā)處理能力強，存儲容量大，網(wǎng)絡數(shù)據(jù)傳輸速率高服務器按用途分為：Web服務器、打印服務器、郵件服務器、文件服務器、數(shù)據(jù)庫服務器等文件服務器打印服務器客戶機客戶機提出服務請求，使用服務器所提供的資源服務器用于提供資源，為客戶機服務Client/Server的工作過程客戶機用戶必須預先在服務器上注冊，由網(wǎng)絡管理員為該用戶分配訪問網(wǎng)絡資源的權限。每個注冊用戶都有自己的賬號和口令，并獲得使用某些服務的授權需要獲得服務時，用戶應先登錄(login，輸入用戶名和口令)，登錄成功后才能訪問服務器上的資源客戶機向服務器提出請求(例如訪問某個文件)，服務器響應請求，找到該文件，然后將文件傳送給客戶機(服務器)LAN或WAN(客戶機)

請求

請求

結果

結果C/S模式例1：文件服務文件服務(又叫做“共享存儲服務”)客戶機可以使用服務器中可共享的數(shù)據(jù)文件，使用方法如同使用本地磁盤一樣必須在獲得服務器授權的情況下進行文件服務器有訪問權限無訪問權限(如果是共享服務器中的程序，則一般是將該程序下載到客戶機中然后再在客戶機中運行，需購買軟件的多用戶版本和軟件許可證)C/S模式例2：打印服務打印服務：共享打印機打印服務器（管理程序）共享的打印機客戶機2客戶機1打印管理程序的一般原則是先來先服務(排隊處理)可以更改打印任務的順序，也可取消某個正在排隊的打印任務例3：ATM柜員機例：銀行ATM自動柜員機的工作過程:ATM機是金融計算機網(wǎng)絡上的客戶機，它是一臺嵌入式計算機，供存款、取款、查詢等使用服務器在銀行的計算中心，是一臺大(巨)型計算機，具有一個非常龐大的數(shù)據(jù)庫取款操作時的工作過程：ATM將用戶身份信息送到服務器服務器檢查是否為合法用戶，給出提示用戶輸入取款數(shù)服務器檢查是否在允許范圍，若可，記帳，發(fā)命令給ATM輸出現(xiàn)款···WAN4.2.2局域網(wǎng)的基本原理局域網(wǎng)(LAN)的特點與組成單位自建自管，地理范圍有限使用專門鋪設的傳輸介質進行連網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸速率高(10Mbps～10Gbps)、延遲時間短數(shù)據(jù)傳輸誤碼率低(10-8～10-11)路由器防火墻服務器共享打印機局域網(wǎng)集線器/交換機廣域網(wǎng)廣域網(wǎng)雙絞線、同軸電纜、光纖或者無線電波連接的每臺設備都裝有網(wǎng)絡接口卡(網(wǎng)卡)，計算機通過網(wǎng)卡和傳輸介質相互連接計算機不同局域網(wǎng)采用不同的拓撲結構總線型局域網(wǎng)環(huán)型局域網(wǎng)星型局域網(wǎng)樹形局域網(wǎng)(令牌網(wǎng)、FDDI)(交換式以太網(wǎng))(共享總線以太網(wǎng))(千兆/萬兆以太網(wǎng))以太網(wǎng)原理(1)：MAC地址以太網(wǎng)中，每臺計算機都需要安裝1塊網(wǎng)卡，每塊以太網(wǎng)卡都有1個全球惟一的編號，稱為MAC地址，也稱為該計算機的物理地址MAC地址使用48位表示，例如：0002AC39FEAE（16進制）前三個字節(jié)(即高位24位)由IEEE分配給廠家后三個字節(jié)(即低位24位)由廠家分配給網(wǎng)卡網(wǎng)卡便攜機網(wǎng)卡網(wǎng)卡即計算機的通信控制器網(wǎng)絡中每臺計算機都應安裝網(wǎng)卡網(wǎng)卡的功能大多已集成在芯片組中，即所謂的“集成網(wǎng)卡”以太網(wǎng)原理(2)：

幀格式在以太網(wǎng)上傳輸數(shù)據(jù)，也采用將數(shù)據(jù)分組（包）的方法，以太網(wǎng)上的分組，稱為“MAC幀”每個MAC幀格式如下：發(fā)送的數(shù)據(jù)CRC接收計算機MAC地址發(fā)送計算機MAC地址循環(huán)冗余校驗碼，可提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃杂行лd荷網(wǎng)卡從網(wǎng)絡上每收到一個MAC幀，就檢查其中的MAC地址：如果是送往本機的幀，則收下進行處理否則，就將此幀丟棄，不做任何處理4.2.3四種以太網(wǎng)介紹近幾年局域網(wǎng)技術的變化與發(fā)展方向是：

◆技術單一化（交換式以太網(wǎng)）

◆傳輸高速化（千兆網(wǎng)、萬兆網(wǎng)）

◆主干采用樹形結構

◆無線局域網(wǎng)（WLAN）開始普及以太網(wǎng)之1：總線式以太網(wǎng)以集線器(hub)為中心，每臺計算機通過以太網(wǎng)卡和雙絞線連接到集線器的一個端口，通過集線器與其他節(jié)點相互通信

集線器ABCD把一個端口接收到的幀向所有端口分發(fā)出去，并對信號進行放大，以擴大網(wǎng)絡的傳輸距離，起著中繼器的作用

有效載荷(傳輸?shù)臄?shù)據(jù))校驗信息發(fā)送計算機MAC地址接收計算機MAC地址AD(以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀)總線以太網(wǎng)之2：交換式以太網(wǎng)以以太網(wǎng)交換機(Ethernetswitch)為中心構成以太網(wǎng)交換機是一種高速電子交換器，連接在交換機上的所有計算機均可同時相互通信總線式以太網(wǎng)交換式以太網(wǎng)Hub向所有計算機發(fā)送數(shù)據(jù)幀（廣播），由計算機選擇接收交換機按MAC地址將數(shù)據(jù)幀直接發(fā)送給指定的計算機1次只允許1對計算機進行數(shù)據(jù)幀傳輸允許多對計算機同時進行數(shù)據(jù)幀傳輸實質上是總線式拓撲結構星形拓撲結構所有計算機共享一定的帶寬每個計算機各自獨享一定的帶寬（例如：1→3；2→5；4→6同時傳輸）以太網(wǎng)交換機123456以太網(wǎng)之3：千(萬)兆位以太網(wǎng)Web服務器郵件服務器數(shù)據(jù)庫服務器網(wǎng)管工作站防火墻千兆交換機路由器光纜光纜光纜光纜雙絞線百兆交換機雙絞線光纜光纜網(wǎng)絡信息中心雙絞線教學樓圖書館化學樓物理樓實驗室萬兆交換機不同速率的以太網(wǎng)交換機可以按層次方式互相連接起來，構成“校—院系—室、組”的多層次的局域網(wǎng)傳輸介質(光纖)的長度可達幾公里以太網(wǎng)之4:無線局域網(wǎng)組成：無線網(wǎng)卡+無線接入點等無線網(wǎng)卡交換機無線接入點無線接入點使用擴頻方式通信，具有抗干擾、抗噪聲能力。室外覆蓋距離通常可達100～300米，室內一般為30米左右每臺計算機都需要有1塊無線網(wǎng)卡無線局域網(wǎng)還不能完全脫離有線網(wǎng)絡，它只是有線網(wǎng)絡的補充無線接入點（WirelessAccessPoint，簡稱WAP或AP）提供從無線節(jié)點對有線局域網(wǎng)和從有線局域網(wǎng)對無線節(jié)點的訪問，實際上就是一個無線交換機。無線接入點APAP實際上就是一個無線集線器或交換機產(chǎn)品形式：無線集線器無線路由器ADSLModem電源天線無線路由器或CableModem變通解決辦法：筆記本電腦設置為AP3G手機作為AP小結：幾種以太網(wǎng)的比較名稱網(wǎng)絡速率物理層數(shù)據(jù)鏈路層共享總線以太網(wǎng)10Mbps5類雙絞線,<100m總線拓撲,廣播通信MAC幀，MAC地址CSMA/CD交換式以太網(wǎng)10～100Mbps5類雙絞線或光纖,<100m,星形拓撲MAC幀，MAC地址CSMA/CD千(萬)兆以太網(wǎng)1～10Gbps光纖，或4對5類線，星形拓撲MAC幀，MAC地址半雙工方式下使用CSMA/CD協(xié)議無線局域網(wǎng)11,54,108Mbps無線電波（5.8GHz或2.4GHz頻段）MAC幀，MAC地址附:以太網(wǎng)卡和以太網(wǎng)交換機以太網(wǎng)使用的傳輸介質同軸電纜（早期使用） 速率為10Mbps的以太網(wǎng)，價格高雙絞線（5類線）

大量用于速率為10Mbps和100Mbps的以太網(wǎng)光纖 用于速率為千兆(1Gbps)和萬兆(10Gbps)的以太網(wǎng)雙絞線和RJ45插頭(水晶頭)是目前以太網(wǎng)使用最多的傳輸介質以太網(wǎng)使用的網(wǎng)卡功能：按照以太網(wǎng)的傳輸協(xié)議(IEEE802.3標準)，實現(xiàn)計算機之間的數(shù)據(jù)通信按傳輸速率分為：10Mbps網(wǎng)卡(10Base-T)100Mbps網(wǎng)卡(100Base-T)10/100Mbps自適應網(wǎng)卡100/1000Mbps自適應網(wǎng)卡按產(chǎn)品形態(tài)分為：獨立網(wǎng)卡集成網(wǎng)卡(由芯片組實現(xiàn)網(wǎng)卡功能)筆記本電腦使用的網(wǎng)卡臺式機使用的網(wǎng)卡選講：

網(wǎng)卡的具體功能1在計算機與網(wǎng)絡之間建立一個通信鏈路(link)，通過傳輸介質發(fā)送信息和接收信息2將數(shù)據(jù)分成幀(frame)、以幀為單位發(fā)送和接收信息3將計算機的輸出轉換為適合網(wǎng)絡傳輸?shù)男盘?并－串轉換、碼型轉換、電平轉換···)每塊網(wǎng)卡均由生產(chǎn)廠家分配一個全球惟一的MAC地址，該地址就是使用這塊網(wǎng)卡的節(jié)點MAC地址,也是這臺計算機的物理地址網(wǎng)卡轉換成串行信號通過網(wǎng)線發(fā)送到網(wǎng)絡計算機需發(fā)送的信息以并行方式送至網(wǎng)卡選講：

以太網(wǎng)卡結構示意圖發(fā)送的數(shù)據(jù)CRC同步碼幀類型接收計算機MAC地址發(fā)送計算機MAC地址

8B6B6B2B46~1500B4B幀頭部幀數(shù)據(jù)區(qū)以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀的格式：MAC地址用48位表示，例如：0002AC39FEAE（16進制形式）循環(huán)冗余校驗發(fā)送控制沖突檢測接收控制發(fā)送器接收器以太網(wǎng)控制部件網(wǎng)線接口

主機接口以太網(wǎng)卡的邏輯結構：曼徹斯特編碼/解碼器選講：

以太網(wǎng)交換機數(shù)據(jù)幀：以太網(wǎng)幀格式以太網(wǎng)交換機的工作過程：接收某個節(jié)點輸入的1個幀通過CRC檢測數(shù)據(jù)傳輸有無錯誤若有錯，通知發(fā)送計算機重新發(fā)送若無錯