《基于任務驅動模式的計算機網絡基礎》課件-第1章

項目一認知計算機網絡任務一認知計算機網絡任務二認知網絡的硬件設備項目實踐一：安裝網卡項目實踐二：制作雙絞線小結習題

任務一認知計算機網絡

計算機網絡是計算機技術與通信技術緊密結合的產物，它涉及通信與計算機兩個領域。計算機網絡在當今社會中起著非常重要的作用，它對人類社會的進步做出了巨大貢獻。從某種意義上講，計算機網絡的發(fā)展水平不僅反映一個國家的計算機科學和通信技術水平，而且已經成為衡量其國力及現代化程度的重要標志之一。

所謂計算機網絡，就是利用通信線路將地理上分散的、具有獨立功能的計算機系統(tǒng)和通信設備按不同的形式連接起來，以功能完善的網絡軟件實現資源共享和信息傳遞的系統(tǒng)。

計算機網絡有以下三個基本要素：

(1)至少有兩個具有獨立操作系統(tǒng)的計算機，且它們之間有相互共享某種資源的需求；

(2)兩個獨立的計算機之間必須有某種通信手段將其連接；

(3)支持網絡規(guī)范標準或協(xié)議。

一、計算機網絡的形成與發(fā)展

計算機網絡的發(fā)展過程大致可概括為四個階段：面向終端的計算機系統(tǒng)階段、計算機通信網絡階段、以局域網及其互聯(lián)為主要支撐環(huán)境的標準化網絡階段和高速網絡技術階段(多媒體網、智能網)。

1.面向終端的計算機系統(tǒng)階段

面向終端的計算機系統(tǒng)階段的計算機網絡結構如圖1-1所示。在圖1-1(a)所示的網絡結構中，有多臺終端機共享一臺主機(HOST)的軟硬件資源；主機與終端機之間可以通過本地局域網連接，也可以通過集中器等硬件設備實現遠程連接。主機的任務是執(zhí)行復雜的計算與通信任務，終端機的任務是執(zhí)行用戶之間數據的交互。

圖1-1面向終端的計算機網絡結構

改進后的面向終端的計算機網絡結構(圖1-1(b))將通信任務從主機中分離出來，由前置機(Front-EndProcessor，FEP)來完成。前置機的作用是完成主機的部分計算操作(通信任務，一般不包括數據計算操作)，從而將整個計算機網絡的運行效率進一步提高，更加適用于通過遠程連接的面向終端的計算機網絡結構。在網絡結構中集中器的作用是將多臺終端機連接后與主機通信。飛機訂票系統(tǒng)就是一個典型的通過遠程連接的面向終端的計算機網絡結構，主機設置在航空公司總部，終端機設置在各個訂票點(Terminals)，訂票點終端機通過電話線路與訂票系統(tǒng)主機通信，完成訂票功能。

2.計算機通信網絡階段

多個終端主機系統(tǒng)互聯(lián)形成的多主機互聯(lián)是計算機通信網絡階段網絡結構的主要特征，相對于“主機－終端”的網絡結構，這一階段轉變成了“主機－主機”的網絡結構，如圖1-2所示。

圖1-2計算機通信網絡結構

3.以局域網及其互聯(lián)為主要支撐環(huán)境的標準化網絡階段

隨著計算機通信網絡的發(fā)展和廣泛應用，人們希望在更大的范圍內共享資源。某些計算機系統(tǒng)用戶希望使用其他計算機系統(tǒng)中的資源，或者想與其他系統(tǒng)聯(lián)合完成某項任務，這樣就形成了以共享資源為目的的以局域網及其互聯(lián)為主要支撐環(huán)境的標準化網絡，如圖1-3所示。

圖1-3以局域網為主要支撐環(huán)境的標準化網絡結構

4.高速網絡技術階段

20世紀90年代至今為第四代計算機網絡。由于局域網技術發(fā)展成熟，出現了光纖及高速網絡、多媒體網絡和智能網絡，整個網絡就像一個對用戶透明的計算機系統(tǒng)，發(fā)展為以Internet為代表的互聯(lián)網，這就是現在我們所使用的網絡結構。

Internet網絡結構是以TCP/IP網絡參考模型為基礎的，該網絡分層模式為計算機網絡提供了統(tǒng)一的分層方案。

未來網絡的發(fā)展有以下幾種基本的技術趨勢：

(1)朝著低成本微機所帶來的分布式計算和智能化方向發(fā)展，即Client/Server(客戶/服務器)結構。

(2)向適應多媒體通信、移動通信結構發(fā)展。

(3)網絡結構適應網絡互聯(lián)、擴大規(guī)模以致建立全球網絡的要求，最終形成覆蓋全球的、可隨處連接的巨型網。

(4)計算機網絡應具有前所未有的帶寬以保證承擔任何新的服務。

(5)計算機網絡應是貼近應用的智能化網絡。

(6)計算機網絡應具有很高的可靠性和服務質量。

(7)計算機網絡應具有延展性來保證對迅速的發(fā)展做出反應。

(8)計算機網絡應具有很低的費用。

二、計算機網絡的功能與分類

1.計算機網絡的功能

(1)數據通信。計算機網絡主要提供傳真、電子郵件、電子數據交換(EDI)、電子公告牌(BBS)、遠程登錄和瀏覽等數據通信服務。

(2)資源共享。凡是入網用戶均能享受網絡中各個計算機系統(tǒng)的全部或部分軟件、硬件和數據資源，這是計算機網絡最本質的功能。

(3)提高性能。網絡中的每臺計算機都可通過網絡相互成為后備機。一旦某臺計算機出現故障，它的任務就可由其他計算機代為完成，這樣可以避免在單機情況下，一臺計算機發(fā)生故障引起整個系統(tǒng)癱瘓的現象，從而提高系統(tǒng)的可靠性。而當網絡中的某臺計算機負擔過重時，網絡又可以將新的任務交給較空閑的計算機完成，均衡負載，從而提高了每臺計算機的可用性。

(4)分布處理。通過算法將大型的綜合性問題交給網絡中不同的計算機同時進行處理，用戶亦可根據需要合理選擇網絡資源，快速地處理自己的任務。

2.計算機網絡的分類

1)按地理位置應用分類

(1)局域網(LocalAreaNetwork，LAN)。LAN通常安裝在一個建筑物或校園(園區(qū))中，覆蓋的地理范圍從幾十米至數公里，例如一個實驗室、一棟大樓、一個校園或一個單位。LAN是計算機通過高速線路相連組成的網絡，網上傳輸速率較高，從10

Mb/到100

Mb/s乃至1000

Mb/s。

(2)城域網(MetropolitanAreaNetwork，MAN)。MAN的規(guī)模局限在一座城市的范圍內，覆蓋的地理范圍從幾十公里至數百公里。MAN是對局域網的延伸，用來連接局域網，在傳輸介質和布線結構等方面復雜性更高。

(3)廣域網(WideAreaNetwork，WAN)。WAN覆蓋的地理范圍從數百公里至數千公里，甚至上萬公里。WAN可以是一個地區(qū)或一個國家，甚至世界幾大洲，故稱遠程網。

2)按邏輯功能分類

(1)資源子網。資源子網由主機、終端、終端控制器、聯(lián)網外設、各種軟件資源與信息資源組成。資源子網負責全網的數據處理業(yè)務，向網絡用戶提供各種網絡資源與網絡

服務。

(2)通信子網。通信子網由通信控制處理機、網絡節(jié)點處理機和通信線路組成，完成網絡數據傳輸、轉發(fā)等通信處理任務。

圖1-4所示為通信子網與資源子網。

圖1-4通信子網與資源子網

3)按拓撲結構分類

(1)星型拓撲結構。如圖1-5所示，在網絡中存在一個中心節(jié)點控制全網的通信，任何兩個節(jié)點之間的通信都要經過中心節(jié)點。星型拓撲結構的優(yōu)點是：控制簡單，故障診斷和隔離容易，方便服務。其缺點是：電纜長度和安裝工作量可觀，中央節(jié)點的負荷較重，形成信息傳輸速率的瓶頸，對中心節(jié)點的可靠性和冗余度要求較高。

圖1-5星型拓撲結構圖

(2)總線型拓撲結構。如圖1-6所示，總線型拓撲結構的所有客戶端用戶都連接在同一傳輸介質(總線)上，利用該公共傳輸介質以廣播的方式發(fā)送和接收數據。由于所有站點共享一條公用的傳輸信道，因此一次只能由一個站點占用信道進行傳輸。為了防止爭用信道產生的沖突，出現了一種在總線型網絡中使用的媒體訪問方法，即帶有沖突檢測的載波偵聽多路訪問方式，英文縮寫成CSMA/CD?？偩€型拓撲結構的優(yōu)點是：需要的電纜數少，結構簡單，有較高的可靠性，便于擴充。其缺點是：總線的傳輸距離有限，通信范圍受到限制，當接口發(fā)生故障時將影響全網，且診斷和隔離故障較困難。

圖1-6總線型拓撲結構圖

(3)樹型拓撲結構。樹型拓撲是從總線型拓撲演變而來的，形狀像一棵倒置的樹，頂端是樹根，樹根以下帶分支，每個分支還可再帶分支，如圖1-7所示。樹根接收各站點發(fā)送的數據，然后再根據MAC地址發(fā)送到相應的分支。樹型拓撲結構在中小型局域網中應用較多。樹型拓撲結構的優(yōu)點是：易于擴展，故障隔離較容易。其缺點是：各個節(jié)點對根的依賴性太大，如果根發(fā)生故障，則全網不能正常工作。

圖1-7樹型拓撲結構圖

(4)環(huán)型拓撲結構。環(huán)型拓撲結構是由站點和連接站點的鏈路組成的一個閉合環(huán)，每個站點能夠接收從閉合環(huán)傳來的數據，并以同樣的速率串行地把該數據沿閉合環(huán)送到鏈路另一端上，如圖1-8所示。環(huán)型拓撲結構的特點是：信息流在網絡中是沿著固定方向流動的，兩個節(jié)點僅有一條道路，采用令牌進行控制，控制軟件簡單，但其可靠性低，維護、故障定位較難，節(jié)點過多時響應慢。

圖1-8環(huán)型拓撲結構圖

(5)網狀型拓撲結構。網狀型拓撲結構的特點是各節(jié)點之間由許多路徑相連，可以為數據包分組流的傳輸選擇適當的路由，從而繞過過忙或失效的節(jié)點，如圖1-9所示。這種結構在廣域網中得到了廣泛的應用。網狀型拓撲結構的優(yōu)點是：不受瓶頸問題和失效問題的影響，可靠性高。其缺點是：結構和協(xié)議復雜，成本也比較高。

圖1-9網狀型拓撲結構圖

(6)綜合型拓撲結構。綜合型拓撲結構是由以上幾種拓撲結構混合而成的，如圖1-10所示。

值得說明的是，實際中網絡的結構更多的是幾種拓撲結構的混合，如“星型—環(huán)型”結構、“星型—總線型”結構和“樹型—總線型”結構等。

圖1-10綜合型網絡拓撲結構圖

三、計算機網絡的組成

計算機網絡由網絡硬件與網絡軟件組成。

1.網絡硬件

網絡硬件是指在計算機網絡中所采用的物理設備，包括網絡服務器、工作站、網絡設備和傳輸介質。

1)網絡服務器

網絡服務器提供網絡資源，是網絡運行、管理和提供服務的中樞，如圖1-11所示。它影響網絡的整體性能，一般在大型網絡中采用大型機、中型機或小型機作為網絡服務器。對于網點不多、網絡通信量不大、數據安全要求不高的網絡，可以選用高檔微機作為網絡服務器。

圖1-11網絡服務器

2)工作站

工作站也稱客戶機(Client)，由服務器進行管理和提供服務的、聯(lián)入網絡的任何計算機都屬于工作站，其性能一般低于服務器，如圖1-12所示。個人計算機接入Internet后，在獲取Internet的服務的同時，其本身就成為一臺Internet的工作站。

圖1-12工作站

3)網絡設備

(1)網卡(網絡適配器)：局域網中連接計算機和傳輸介質的接口。

(2)集線器：局域網中數據傳輸的樞紐，將信號收集放大后傳輸給其他所有端口。

(3)中繼器：用于放大信號。

(4)網橋：用于連接兩個局域網。

(5)路由器：用于局域網與廣域網的連接，包括無線路由器(見圖1-13)和有線路由器(見圖1-14)。

圖1-13無線路由器圖1-14路由器

4)傳輸介質

常見的傳輸介質有同軸電纜、雙絞線、光纖、紅外線和激光、微波等。

(1)同軸電纜。同軸電纜由銅芯、絕緣材料、網狀導體和保護套四層組成，如圖1-15所示。根據同軸電纜的帶寬的不同，它可以分為兩類：基帶同軸電纜和寬帶同軸電纜。同軸電纜的結構使得它的抗干擾能力較強。同軸電纜的造價介于雙絞線與光纖之間，使用與維護方便。

圖1-15同軸電纜

(2)雙絞線。雙絞線是由兩根相互絕緣的銅線組成的，如圖1-16所示。各個線對螺旋排列的目的是為了使各線對之間的電磁干擾最小。雙絞線的抗干擾能力取決于一束線中相鄰線對的扭曲長度及適當的屏蔽。雙絞線的價格低于其他傳輸介質，安裝、維護方便。

圖1-16雙絞線

(3)光纖。光纖是一種直徑為50～100

μm的柔軟、能傳導光波的介質，如圖1-17所示。多種玻璃和塑料可以用來制造光纖，其中使用超高純度石英玻璃纖維制作的光纖可以得到最低的傳輸損耗。光纖的帶寬為10～100

Hz；光纖的最佳傳輸波長為850

nm、1300

nm和1500

nm。光纖最普遍的連接方式是點對點連接。光纖的抗干擾能力強，衰減小，安全性和保密性好。目前，光纖的價格高于同軸電纜和雙絞線。

圖1-17光纖

(4)紅外線和激光。紅外線和激光通信有很強的方向性，都是沿直線傳播的。它們分別要把傳輸的信號轉為紅外線信號和激光信號后才能自由地在空間沿直線傳播。紅外線及激光傳輸很難被竊聽、插入數據和干擾，但對雨霧環(huán)境比較敏感。另外，紅外線和激光傳輸也不需要申請頻率分配，即不需授權即可使用。

(5)微波。微波在空間為直線傳播，一般可傳輸50

km，為實現遠距離通信必須在兩個終端之間建立若干個中繼站。中繼站把前一站送來的信號放大后發(fā)送到下一站，稱為“接力”。微波傳輸的優(yōu)點是：它的載波頻率為2～40

GHz，可同時傳輸大量的信息；通信質量高；投資少，見效快(與相同容量和長度的電纜通信比較而言)。其缺點是，只進行視距傳播；相鄰站之間不能有障礙物，隱蔽性和保護性差。

2.網絡軟件

網絡軟件可大致分為網絡系統(tǒng)軟件和網絡應用軟件兩大類。

網絡系統(tǒng)軟件是控制和管理網絡運行、提供網絡通信和網絡資源分配與共享功能的網絡軟件，它為用戶提供了訪問網絡和操作網絡的友好界面。網絡系統(tǒng)軟件主要包括網絡操作系統(tǒng)(NOS)、網絡協(xié)議軟件和網絡通信軟件等，網絡操作系統(tǒng)Windows2008和廣泛應用的協(xié)議軟件TCP/IP軟件包以及各種類型的網卡驅動程序都是重要的網絡系統(tǒng)軟件。

任務二認知網絡的硬件設備

不論是局域網、城域網還是廣域網，在物理上通常都是由網卡、集線器、交換機、路由器、網線、RJ-45接頭等網絡連接設備和傳輸介質組成的。網絡設備主要是指集線器、交換機、路由器、網橋、網卡等設備。圖1-18所示為構成局域網的網絡設備。

圖1-18構成局域網的網絡設備

1.集線器

集線器(Hub)如圖1-19所示，其主要功能是對接收到的信號進行再生整形放大，以擴大網絡的傳輸距離，同時把所有節(jié)點集中在以它為中心的節(jié)點上。它工作于“物理層”。集線器與網卡、網線等傳輸介質一樣，屬于局域網中的基礎設備，采用CSMA/CD(一種檢測協(xié)議)介質訪問控制機制。

圖1-19集線器

2.交換機

交換機(Switch)是一種用于電信號轉發(fā)的網絡設備，如圖1-20所示。它可以為接入交換機的任意兩個網絡節(jié)點提供獨享的電信號通路。

圖1-20交換機

3.路由器

路由器(Router)可以在多個網絡上交換路由數據包。路由器通過在相對獨立的網絡中交換具體協(xié)議的信息來實現這個目標。比起網橋，路由器不但能過濾和分隔網絡信息流、連接網絡分支，還能訪問數據包中更多的信息，并且可用來提高數據包的傳輸效率。路由器比網橋慢，主要用于廣域網或廣域網與局域網的互聯(lián)。

路由器可分為有線路由器(見圖1-21)和無線路由器(見圖1-22)兩種。

圖1-21有線路由器圖1-22無線路由器

4.網橋

網橋(Bridge)可以連接多種介質，還能連接不同的物理分支，如以太網和令牌網，能將數據包在更大的范圍內傳送。網橋的典型應用是將局域網分段成子網，從而降低數據傳輸的瓶頸，這樣的網橋叫做“本地”橋。用于廣域網上的網橋叫做“遠地”橋。兩種類型的網橋執(zhí)行同樣的功能，只是所用的網絡接口不同。

網橋也有有線網橋(見圖1-23)和無線網橋(見圖1-24)之分。圖1-25所示為網橋連接示意圖。

圖1-23有線網橋圖1-24無線網橋圖1-25網橋連接示意圖

5.網卡

網卡(NetworkInterfaceCard，NIC)又稱網絡適配器，是局域網中最基本的部件之一，它是連接計算機與網絡的硬件設備。無論是雙絞線連接、同軸電纜連接還是光纖連接，都必須借助于網卡才能實現數據的通信。

網卡也可分為有線網卡(見圖1-26)和無線網卡(見圖1-27)兩種。無線網卡用于連接無線網絡。

圖1-26有線網卡圖1-27無線網卡

項目實踐一：安裝網卡

實踐目標：●使學生認識并能夠自己動手安裝網卡。

實踐環(huán)境：

●PC、網卡。

安裝網卡的步驟如下：

(1)打開電腦主機箱，可看到主機箱里的PCI插槽(見圖1-28)，注意插槽上的缺口與網卡上的缺口(見圖1-29)是否吻合。

圖1-28網卡上的缺口圖1-29PCI插槽

(2)在網卡插入PCI插槽前，應注意網卡鐵片不要刮到主板，如圖1-30所示。

圖1-30網卡插入PCI插槽

(3)把網卡壓入PCI插槽，直到金屬針腳完全插入，如圖1-31所示。

圖1-31網卡壓入PCI插槽

(4)使網卡鐵片上方的螺絲孔與主機箱對接上，擰上螺絲讓其網卡變得更穩(wěn)固，如圖1-32所示。

圖1-32擰上螺絲固定網卡

(5)測試網卡是否與主板連接上?？捎靡桓苌暇W的網線插入該網卡的RJ-45接口中，正常下網卡指示燈會閃亮，如圖1-33所示。

圖1-33測試網卡是否與主板正常連接

項目實踐二：制作雙絞線

實踐目標：●使學生認識并能夠自己動手制作網線。

實踐環(huán)境：

●雙絞線、RJ-45水晶頭、剝線鉗、雙絞線專用壓線鉗、網線測試儀等。

制作RJ-45網線插頭是組建局域網的基礎技能，制作方法并不復雜。究其實質就是把雙絞線的4對8芯網線按一定的規(guī)則制作到RJ-45插頭中。所需材料為雙絞線和RJ-45插頭，使用的工具為一把專用的網線鉗。以制作最常用的遵循T568B標準的直通線為例，制作過程如下：

(1)用雙絞線網線鉗把雙絞線的一端剪齊，然后把剪齊的一端插入到網線鉗的剝線缺口中。頂住后面的擋位以后，稍微握緊網線鉗慢慢旋轉一圈，讓刀口劃開雙絞線的保護膠皮并剝除外皮，如圖1-34所示。網線鉗擋位離剝線刀口長度通常恰好等于水晶頭長度，這樣可以有效避免剝線過長或過短。

圖1-34用網線鉗把雙絞線外皮剝除

(2)剝除外包皮后可看到雙絞線的4對芯線。將絞在一起的芯線分開，按照橙白、橙、綠白、藍、藍白、綠、棕白、棕的顏色一字排列，并用網線鉗將線的頂端剪齊(如圖1-35所示)，再將每條芯線分別對應RJ-45插頭的1～8針腳，如圖1-36所示。

圖1-35排列芯線圖1-36RJ-45插頭的針腳順序

(3)使RJ-45插頭的彈簧卡朝下，然后將正確排列的雙絞線插入RJ-45插頭中，各條芯線都要插到底部。由于RJ-45