6.1 计算机网络概述（课件）-《计算机应用基础》同步教学（人民邮电版）

第六章 计算机网络 Mind Map in This Chapter 思维导图 当今时代，计算机网络无时无刻不在影响着我们的生活，各行各业的运行和发展也离不开计算机网络，例如通信、金融、教育等。计算机网络不仅使得分散在各处的计算机系统能够互相通信，而且能够让用户随时随地接入网络获得各种资源、文件及服务，极大地方便了用户完成工作和生活中的各项任务。了解和掌握计算机网络，特别是 Internet 的基本知识与应用，将为我们的学习、生活和工作带来便利。 Guidance to Chapter Five 本章导学 Learning Objectives 学习目标  了解计算机网络的基本概念。  了解计算机网络的起源与发展。  熟悉网络体系结构模型。  熟练掌握 Internet 的基础知识。  熟练掌握用 Outlook 收发电子邮件的方法。 学习目标 4 6.1 计算机网络概述 计算机网络已经覆盖我们生活、工作的方方面面。我们无时无刻不在通过计算机网络了解世界发生的变化。下面简要介绍计算机网络的发展历史。 6.1.1 计算机网络的诞生与发展 1．计算机网络的定义 计算机网络是利用通信设备和线路将地理位置不同、功能独立的多个计算机系统连接起来，利用网络协议实现信息通信和计算机软、硬件资源共享的系统。 计算机网络是计算机技术与通信技术相结合的产物，它通过负载均衡、分布处理等一系列有效手段提高网络计算机系统的安全与可靠性，实现远程通信和资源共享。 6.1 计算机网络概述 6.1.1 计算机网络的诞生与发展 2．计算机网络的诞生 6.1 计算机网络概述 通信技术要早于计算机技术，但自从有了计算机，计算机技术和通信技术就开始相互融合。计算机网络的发展可以追溯到 20 世纪 50 年代初，美国麻省理工学院设计了称为 SAGE的半自动化地面防空系统。SAGE 系统于 1963 年建成投产使用，它被认为是通信技术与计算机技术结合的先驱。 扩展： 上世纪50年代初，由美国麻省理工学院林肯实验室为美国空军设计称为SAGE的半自动化地面防空系统。当时美国空军为了增加地面防空雷达的预警时间，在北大西洋海面上采用钻井平台建立了雷达预警系统。 当时美国空军为了增加地面防空雷达的预警时间，在北大西洋海面上采用钻井平台建立了雷达预警系统。雷达站探测到的防御信息通过网络传送到SAGE指挥中心的计算机系统AN/FSQ-7上，根据原始雷达数据目标计算机系统计算入侵目标在哪些防御设施的射程之内，再将计算好的信息传送回防御点实施攻击。 7 6.1.1 计算机网络的诞生与发展 3．计算机网络的发展 （1）面向终端的单计算机通信系统阶段 除上述 SAGE 系统外，比较具有代表性的是 20 世纪 60 年代初，美国航空公司与 IBM 公司联合研究的用于民用航空的飞机订票系统 SABRE-I。1968 年美国通用电气公司运行了最大的商用数据处理网络信息服务系统，该系统具有交互处理和批处理能力，由于地理范围广，因此可以通过时差来充分利用资源。 早期面向终端的单计算机通信系统中，为了提高通信线路的利用率并减轻主机的负担，使用了多点通信线路、终端集中器以及前端处理器等技术。这些技术对以后计算机网络的发展有着深刻的影响。 6.1 计算机网络概述 8 6.1.1 计算机网络的诞生与发展 3．计算机网络的发展 （2）通信互联的计算机网络阶段 这个阶段的计算机网络已经不再是面向终端的单计算机系统，而是由多个有独立功能的计算机通过通信线路相互连接而成，其典型代表是由美国军方筹建的 ARPANET。 6.1 计算机网络概述 20 世纪 60 年代，劳伦斯·罗伯茨开始全面负责 ARPANET 的筹建。他运用接口信号处理器技术解决了网络间计算机的兼容问题，并首次使用“分组交换”（Packet Switching）作为网络数据传输标准。这两项关键技术的结合为 ARPANET 奠定了重要技术基础，创造了一种更高效、更安全的数据传递模式。1969 年 12 月，ARPANET 正式投入运行，标志着计算机网络的兴起。ARPANET 的分组交换技术使计算机网络的概念、结构和网络设计方面都发生了根本性的变化，并为后来的计算机网络打下了坚实的基础。 9 6.1.1 计算机网络的诞生与发展 3．计算机网络的发展 （3）国际标准化的互联互通计算机网络阶段 20 世纪 70 年代末至 90 年代的第三代计算机网络是具有统一的网络体系结构并遵循国际 标准的开放式和标准化的网络。 6.1 计算机网络概述 ARPANET 兴起后，计算机网络迅猛发展，各大计算机公司相继推出自己的网络体系结构及实现这些结构的软、硬件产品。由于没有统一的标准，不同厂商的产品之间互联很困难，人们迫切需要一种开放性的标准化实用网络环境，这样就应运而生了两种国际通用的最重要的体系结构，即 TCP/IP 体系结构和国际标准化组织的OSI 体系结构。 10 6.1.1 计算机网络的诞生与发展 3．计算机网络的发展 （4）高速智能计算机网络阶段 从 20 世纪 90 年代开始，计算机进入全新的高速智能发展时期，特别是以 Internet 为代表的互联网的发展。这一阶段，数字化、大容量的光纤通信网络使得政府机构、企业、大学和家庭计算机间能相互通信。1997 年中国公用计算机互联网实现了与中国金桥信息网、中国教育和科研网、中国科技网 3 个互联网络的互联互通，标志着中国互联网的真正实现。 6.1 计算机网络概述 中国互联网络信息中心 (CNNIC)作为中国信息社会重要的基础设施建设者、运行者和管理者，负责国家网络基础资源的运行管理和服务，承担国家网络基础资源的技术研发并保障安全，开展互联网发展研究并提供咨询，促进全球互联网开放合作和技术交流。 近年来，网络购物、共享单车、网约车、短视频快速增长，超级计算机、智能网络、移 动互联网、虚拟现实、人工智能、云计算、大数据和工业互联网等信息技术正引导互联网朝 着智能化、精细化的方向发展。 扩展： 据中国互联网信息中心统计，截止到2018年6月，我国的网民数量达到8.02亿，其中手机网民达到7.88亿，占比高达98.3% 。以“双十一”为代表的网络购物、共享单车、网约车、短视频快速增长，超级计算机、智能网络，移动互联网、虚拟现实、人工智能、区块链、云计算、大数据和工业互联网等信息技术正引导互联网朝着智能化、精细化的方向发展。 11 6.1.2 计算机网络的功能与分类 1．计算机网络的功能 （1）数据通信 数据通信是计算机网络的最主要的功能之一。数据通信是依照一定的通信协议，利用数据传输技术在两个终端之间传递数据信息的一种通信方式。它可实现计算机之间、计算机和终端以及终端与终端之间的数据信息传递，是继电报、电话业务之后的第三种最大的通信业务。数据通信中传递的信息均以二进制数据形式，数据通信的另一个特点是远程信息处理，是包括科学计算、过程控制、信息检索等内容的广义的信息处理。 6.1 计算机网络概述 12 6.1.2 计算机网络的功能与分类 1．计算机网络的功能 （2）资源共享 资源共享是人们建立计算机网络的主要目的之一。计算机资源包括硬件资源、软件资源和数据资源。硬件资源的共享可以提高设备的利用率，避免设备的重复投资，例如在局域网内共享打印机等设备；软件资源和数据资源的共享可以充分利用已有的信息资源，减少软件开发过程中的重复性工作，避免大型数据库的重复建设。 6.1 计算机网络概述 13 6.1.2 计算机网络的功能与分类 1．计算机网络的功能 （3）集中管理 计算机网络技术的发展和应用，已使得现代的办公手段、经营管理等发生了变化。目前，已经有了许多管理信息系统、办公自动化系统等，通过这些系统可以实现日常工作的集中管理，提高工作效率，增加经济效益。 6.1 计算机网络概述 14 6.1.2 计算机网络的功能与分类 1．计算机网络的功能 （4）实现分布式处理 计算机网络技术的发展，使得分布式计算成为可能。对于大型项目，可以将其分为许许多多个小任务再由不同的计算机分别完成，以提高完成项目的效率。分布式处理的应用已经涵盖了人们现实生活的方方面面，例如在 ATM 终端上取钱或利用手机 App 购买火车票等。 6.1 计算机网络概述 15 6.1.2 计算机网络的功能与分类 1．计算机网络的功能 （5）负载均衡 负载均衡是指工作被均匀分配给网络上的各台计算机。网络控制中心负责分配和检测，当某台计算机负荷过重时，系统会自动将任务转移给网络集群中负荷较轻的计算机去处理。 6.1 计算机网络概述 16 6.1.2 计算机网络的功能与分类 2．计算机网络的分类 计算机网络通常按照其规模大小和延伸距离远近（网络的地理位置）来分类，也可按其他方法来分类。下面我们来介绍一下常见的一些分类方法。 （1）按网络的地理位置分类：局域网LAN、城域网MAN、广域网WAN。 （2）按网络的拓扑结构分类：星形、环形、总线型、树形、网状等。 （3）按传输介质分类：有线网和无线网。 （4）按通信方式分类：点对点传输和广播式传输。 6.1 计算机网络概述 17 6.1.3 计算机网络的拓扑结构 拓扑属于几何学范畴，它是研究几何图形或空间在连续改变形状后还能保持不变的一些性质的一个学科。它只考虑物体间的位置关系而不考虑它们的形状和大小。计算机网络的拓扑结构是指用传输媒介把计算机等各种设备互相连接起来的物理布局，是指互连过程中构成的几何形状，它能表示网络服务器、工作站的网络配置和它们互相之间的连接。它定义了各种站点之间的物理位置和逻辑位置。 常见计算机局域网的基本拓扑结构有3种： 星形、总线型和环形。除此之外，还有树形、 网状等更为复杂的拓扑结构。 6.1 计算机网络概述 18 6.1.3 计算机网络的拓扑结构 星形拓扑结构的网络是由中心结点和其他从结点组成，中心结点可直接与从结点通信，而从结点间的通信必须通过中心结点才能实现，如图6-1所示。 星形拓扑结构网络的优点是便于管理，方便进行网络扩容，出现通信故障时能较快确定故障节点，易维护；缺点是对中心节点的要求很高，一旦中心节点出现故障，将会导致整个网络瘫痪。 6.1 计算机网络概述 1．星形拓扑结构 图6-1 星形网络拓扑结构图 星形网络的中心节点通常是一台高性能的集线器或交换机，其工作性能直接影响到整个计算机网络工作的效率，这种拓扑结构也是当前局域网中最为常见的联网方式。 19 6.1.3 计算机网络的拓扑结构 总线型拓扑结构的网络是一种比较简单的计算机网络结构，采用一种称为公共总线的传输介质，将所有节点通过硬件接口与总线连接，信息沿公共总线传输介质广播传送到所有节点，如图6-2所示。 总线型拓扑结构网络的优点是造价相对比较便宜，方便进行网络扩容，单个节点故障不会影响到整个网络；缺点是出现通信故障诊断困难，节点过多会导致冲突增加而通信效率下降。 6.1 计算机网络概述 2．总线型拓扑结构 图6-2 总线型网络拓扑结构图 一般而言，总线型拓扑结构中总线通信介质为同轴电缆，所有节点共享传输链路，因此每次只能由一个节点进行通信。一般情况下，总线型网络采用载波监听多路访问/冲突检测（Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection，CSMA/CD）协议作为冲突控制策略。 20 6.1.3 计算机网络的拓扑结构 环形拓扑结构网络是使用公共电缆组成一个封闭的环，各节点直接连到环上，信息沿着环路按一定方向从一个节点传送到另一个节点，如图 6-3 所示。环形网络中的数据按照设计主要是单向传输，也可以双向传输。 环形拓扑结构网络的优点是使用的连接线路相对较短，费用较低，令牌的方式提高了节点间通信的效率；缺点是网络扩容不方便，单个节点故障会影响到整个网络的通信。 6.1 计算机网络概述 3．环形拓扑结构 图 6-3 环形网络拓扑结构 由于环线公用，一个节点发出的信息必须穿越环中所有的环路接口，信息流的目的地址与环上某节点地址相符时，信息被该节点的环路接口所接收。节点通过获得令牌（Token）的方式来获得公共线路的访问控制权。令牌沿着环形总线在入网节点计算机间依次传递，节点计算机只有取得令牌后才能发送数据帧，因此不会发生介质访问冲突。由于令牌在环路上是按顺序依次传递的，因此对所有环内的计算机节点而言，访问权是公平的。 21 6.1.3 计算机网络的拓扑结构 树形拓扑是一种类似于总线型拓扑的局域网拓扑。树形拓扑结构网络可以包含分支，每个分支又可包含多个节点，如图 6-4 所示。 树形拓扑结构网络的优点是易于扩展，可以延伸出很多分支和子分支，容易在网络中加入新的分支或新的节点，易于隔离故障；缺点是若根节点出现故障，就会引起全网不能正常工作。 6.1 计算机网络概述 4．树形拓扑结构 22 6.1.3 计算机网络的拓扑结构 在网状拓扑结构中，网络中的节点之间相互连接，并且每一个节点至少与其他两个节点相连，组成一种不规则的网状形式，如图 6-5 所示。 网状拓扑结构网络的优点是网络可靠性高，可组建成各种形状，采用多种通信信道，具有多种传输速率，可改善线路的信息流量分配；缺点是组网较为复杂，组网的成本较高，不易扩容，管理起来不方便。 6.1 计算机网络概述 5．网状拓扑结构 23 6.1.4 计算机网络的传输介质 双绞线是综合布线工程中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，如图 6-6 所示。把两根绝缘的铜导线按一定密度互相绞在一起，每一根导线在传输中辐射出来的电波都会被另一根线上发出的电波抵消，有效降低了信号干扰的程度。双绞线分为屏蔽双绞线（Shielded Twisted Pair，STP）和非屏蔽双绞线（Unshielded Twisted Pair， UTP）。非屏蔽双绞线有线缆外皮 作为屏蔽层，适用于网络流量不大 的情况；屏蔽双绞线具有一个金属甲套， 对电磁干扰具有较强的抵抗能力 ，适用于网络流量较大的情况。 6.1 计算机网络概述 1．双绞线 计算机网络的传输介质是连接网络设备的中间介质，也就是信号传输的媒体。 双绞线常见的有三类线、五类线、超五类线及六类线。现在常用的为五类非屏蔽双绞线， 其最高频率带宽为 100MHz，最高传输率为 100Mbit/s，主要用于 100BASE-T 和 1000BASE-T 网络，最远网段传输距离为 100m。超五类线具有衰减小、串扰少的特点，并且具有更高的 衰减与串扰的比值和信噪比、更小的时延误差，性能得到很大提高。超五类线主要用于千兆位以太网（1 000Mbit/s）。六类双绞线可工作于 200MHz 的频率带宽之上，且采用特殊设计的 RJ-45 插头。 值得注意的是，频率带宽与线缆所传输的数据的传输速率是有区别的。频率带宽衡量的是单位时间内线路传输的二进制位的数量，传输速率衡量的则是单位时间内线路中电信号的振荡次数。 24 6.1.4 计算机网络的传输介质 广泛使用的同轴电缆有两种：一种为50Ω同轴电缆，用于数字信号的传输，主要作为基带同轴电缆；另一种为75Ω同轴电缆，用于宽带模拟信号的传输，主要作为宽带同轴电缆。 同轴电缆以单根铜导线为内芯， 外裹一层绝缘材料，外覆密集网状 导体，最外面是一层保护性塑料 ，如图6-7所示。金属屏蔽层能将 磁场反射回中心导体，同时也使 中心导体免受外界干扰，故同轴 电缆比双绞线具有更高的带宽和 更好的噪音抑制特性。 6.1 计算机网络概述 2．同轴电缆 同轴电缆的优点是可以在相对较长的线路上支持高带宽通信，最长传输距离可达800m至几千米。其缺点是体积大，要占用电缆管道的大量空间，而且不能承受缠结、压力和严重的弯曲，施工成本高。所以基于上述特点，同轴电缆现主要用于小区楼栋、单位建筑物接入信号的主线路。 25 6.1.4 计算机网络的传输介质 光纤是利用线路内部光的全反射原理来传导光束的传输介质。由于光信号在光导纤维中的传导损耗比电信号在电线中的传导损耗低得多，所以光纤多被用作长距离的信息传递。光纤有单模和多模之分。单模光纤多用于通信行业，多模光纤多用于网络布线系统。 光纤为圆柱状，由3个同心部分组成：纤芯、包层和护套，如图6-8所示。每一路光纤包括两根，一根用于接收，另一根用于发送。 用光纤作为网络介质的LAN技术主要 是光纤分布式数据接口 （Fiberoptic Data Distributed Interface，FDDI）。 6.1 计算机网络概述 3．光纤 图 6-8 光纤的组成结构 与同轴电缆比较，光纤可提供更大的带宽而且信号功率损耗极小，传输距离可达几十公里甚至几百公里。因为光纤具有传输速率高，传输距离远，抗干扰性能力强待优点，所以其是构建安全性网络的理想选择，也是世界上各大洲之间通信主干道的传输介质。 26 6.1.4 计算机网络的传输介质 无线通信主要包括微波、红外线、卫星和蓝牙通信等。 （1）微波的特点是波长短，频率高，方向性好，接近于直线传播。微波的通信带宽较大，传输质量高。由于微波接近于直线传播，遇到建筑无法绕过，从而造成能量的急剧损耗。另外，由于地面曲率的因素，约 50km 需建立一个中继站。 （2）红外通信使用波长小于 1μm 的红外线传输数据，具有较强的方向性，但易受阳光干扰。 （3）卫星通信的特点是不受地形地貌的影响。理论上只要 3 颗同步卫星，就可以覆盖整个地球。卫星作为转发的平台，将从一个地面站发来的微波或激光信号转发给另一个地面站。 （4）蓝牙通信是一种短距离无线电技术，利用蓝牙技术，能够有效地简化移动终端、计算机和穿戴设备之间的连接和通信，让人们能够方便快捷地通过各种移动设备接入因特网获取信息。 6.1 计算机网络概述 4．无线通信技术 27 6.1.5 网络通信协议与参考模型 嵌入网络的计算机的类型和所使用的操作系统及应用软件不尽相同，为了使网络中的计算机能够互通信息，双方预先约定好的、需要共同遵循的规程和规则称为网络通信协议。 网络通信协议的三要素是语义、语法和时序。 （1）语义：规定通信双方“讲什么”，即确定协议元素的类型。协议元素指控制信息、执行的命令和返回的应答。 （2）语法：规定通信双方“如何讲”，即确定协议元素的格式。协议元素的格式指数据的结构和控制信息的格式。 （3）时序：对事件发生顺序的详细说明。 6.1 计算机网络概述 1．网络通信协议 28 6.1.5 网络通信协议与参考模型 （1）OSI系统模型 1977 年，国际标准化组织（Internet Standard Organization，ISO）制定了开放系统互连（Open System Interconnection，OSI）参考模型。 OSI 参考模型将网络通信协议分为 7 层，从上到下分别是应用层、表示层、会话层、传输层、网络层、数据链路层和物理层，如图 6-9 所示。 6.1 计算机网络概述 2．常见的网络参考模型 图6-9 OSI参考模型结构图 20 世纪 70 年代，越来越多不同种类的网络因为互相连接而产生了诸多兼容的问题，行业内部开始考虑制定全球范围内的网络统一标准，以减少因差异和兼容等问题产生的不必要经济损失。 OSI 参考模型建立的初衷是希望能为网络通信协议的发展提供一个国际标准，事实上这 一目标并未实现。 该模型采用层次结构，每一层都有相应的协议、处理任务和接口标准。上一层可以调用下一层，而不与再下一层发生关系；高层调用低层提供的功能，而无须了解底层的技术细节；只要接口不变，低层功能实现方法的变更就不会影响高层执行的功能。 ① 物理层 物理层的主要功能是利用传输介质为数据链路层提供物理连接，以实现透明地传输比特流。物理层定义了所连接的传输线以及其他硬件的机械和电气等特性参数。 ② 数据链路层 数据链路层在通信的实体间建立数据链路连接，传送以帧为单位的数据，并采用相应方法使有差错的物理线路变成无差错的数据链路。 ③ 网络层 网络层的功能是路由选择、阻塞控制和网络互连等，实现主机之间分组的传输。 ④ 传输层 传输层的功能是向上层提供可靠的端到端服务，确保报文无差错传输。它向高层屏蔽了下层数据通信的细节，因此是关键的一层。 ⑤ 会话层 会话层的功能是建立、组织和协调两个会话进程之间的通信。它不参与具体的数据传输，而对数据传输进行管理。 ⑥ 表示层 表示层主要用于处理两个通信系统中交换信息的表示方式，包括数据格式变换、数据加密、数据压缩和恢复等功能。 ⑦ 应用层 应用层用于确定进程之间通信的性质，以满足用户的需要。它提供应用进程需要的信息交换和远程操作，同时还要作为应用进程的用户代理来完成一些为进行信息交换所必需的功能。 它的最大优点是将服务、接口和协议这 3 个概念明确地区分开来，服务说明某一层为上一层提供一些什么功能，接口说明上一层如何使用下层的服务，而协议涉及如何实现本层的服务。 29 6.1.5 网络通信协议与参考模型 （2）TCP/IP TCP/IP 模型的开发先于 OSI 参考模型。由于 Internet 的飞速发展，Internet所遵循的 TCP/IP 得到了广泛的应用，TCP/IP 已成为事实上的网络协议标准。 TCP/IP 模型分为 4 层，其中应用层与 OSI 参考模型中的应用层对应，传输层与 OSI 参考模 型的传输层对应，网际层与 OSI 参考模型中的网络层对应， 网络接口层与 OSI 参考模型中的 物理层和数据链接层对应。 TCP/IP 模型中没有 OSI 参考模型中的 表示层和会话层，如图 6-10 所示。 6.1 计算机网络概述 2．常见的网络参考模型 OSI参考模型的初衷是希望能为网络通信协议的发展提供一个国际标准，事实上这一目标并未实现。 TCP/IP 是一个包含 100 多个协议的协议集，其中最重要的是传输控制协（Transmission Control Protocol，TCP）与网际协议（Internet Protocol，IP），因此人们通常TCP/IP 协议集简称为 TCP/IP（Transmission Control Protocol/Internet Protocol）。 ① 应用层 应用层向用户提供常用的应用程序，如电子邮件等。应用层包括了所有的高层协议，主要有网络终端（Telent）协议，用于实现互联网中的远程登录功能；文件传输协议（File Transfer Protocol，FTP），用于实现互联网中交互式文件传输功能；简单电子邮件协议（Simple Mail Transfer Protocol，SMTP），用于实现互联网中电子邮件发送功能。 ② 传输层 传输层又称 TCP 层，它提供可靠的点到点的数据传输，确保源节点传送的报文正确到达目标节点。传输层包含两个传输协议，即 TCP 和 UDP。 ③ 网际层 网际层又称 IP 层，负责网络计算机之间的数据报传输，IP 定义了网络上 IP 地址的格式，并通过路由选择将数据报由一台计算机传送到另一台计算机。 ④ 网络接口层 网络接口层的主要功能是接收 IP 数据报并通过网络发送，或者从网络上接收物理帧，抽出 IP 数据报交给 IP 层。 30 $$