《計算機網(wǎng)絡應用教程》課件第1章

第1章計算機網(wǎng)絡概論1.1計算機網(wǎng)絡的發(fā)展1.2計算機網(wǎng)絡的定義和組成1.3計算機網(wǎng)絡的分類1.4計算機網(wǎng)絡的功能和應用1.5計算機網(wǎng)絡體系結構

1.6網(wǎng)絡設備

1.7數(shù)據(jù)通信基礎

1.1計算機網(wǎng)絡的發(fā)展1.1.1面向終端面向終端的計算機網(wǎng)絡出現(xiàn)在20世紀50年代，是早期計算機網(wǎng)絡的主要形式，是以單臺計算機為中心的遠程聯(lián)機系統(tǒng)，如圖1-1(a)所示。在這種網(wǎng)絡，主機是網(wǎng)絡的中心和控制者，終端(鍵盤和顯示器)分布在各地并與主機相連，用戶通過本地的終端使用遠程的主機。由于所有的終端共享主機資源，因此終端到主機都單獨占一條線路，使得線路利用率低，而且主機既要負責通信又要負責數(shù)據(jù)處理，效率很低。這種網(wǎng)絡組織形式是集中控制形式，可靠性較低，如果主機出問題，則所有終端都被迫停止工作。另外，這樣的系統(tǒng)除了核心處理機外，其余的終端都不具有自主處理能力。圖1-1面向終端的計算機通信網(wǎng)1.1.2面向通信網(wǎng)絡階段隨著計算機網(wǎng)絡技術的發(fā)展，到20世紀60年代中期，計算機網(wǎng)絡不再局限于單計算機網(wǎng)絡，許多單計算機網(wǎng)絡相互連接形成了由多個單主機系統(tǒng)相連接的計算機網(wǎng)絡，如圖1-2所示。多臺計算機通過通信線路連接起來為用戶提供服務，這里的多臺主計算機都有自主處理能力，它們不存在主從關系。這種系統(tǒng)的出現(xiàn)使計算機網(wǎng)絡的通信方式由終端與計算機之間的通信，發(fā)展到計算機與計算機之間的直接通信。真正意義上的計算機網(wǎng)絡應該是計算機與計算機的互聯(lián)，即通過通信線路將若干個自主的計算機連接起來的系統(tǒng)，稱為計算機—計算機網(wǎng)絡，簡稱為計算機通信網(wǎng)絡。這樣連接起來的計算機網(wǎng)絡體系有以下兩個特點：(1)多個主計算機互聯(lián)，形成了多主機互聯(lián)網(wǎng)絡。(2)網(wǎng)絡結構體系由主機到終端變?yōu)橹鳈C到主機。

圖1-2多機系統(tǒng)的互聯(lián)1.1.3面向應用(標準化)網(wǎng)絡階段

20世紀70年代后期，人們認識到第二代計算機網(wǎng)絡的不足，開始考慮如何形成一個統(tǒng)一的計算機網(wǎng)絡標準，使之更好地連接，在這種背景下，網(wǎng)絡體系結構標準化就顯得相當重要，并由此形成了體系結構標準化的計算機網(wǎng)絡。20世紀80年代，以OSI模型為參照，由國際電話電報咨詢委員會(CCITT)等組織為OSI模型的各層次開發(fā)了一系列的協(xié)議標準，組成了一個龐大的OSI基本標準集。國際標準化組織ISO制定并在1984年正式頒布了一個稱為開放系統(tǒng)互聯(lián)基本參考模型的國際標準，以實現(xiàn)在不同廠家生產(chǎn)的計算機之間實現(xiàn)互聯(lián)，如圖1-3所示。圖1-3計算機互聯(lián)網(wǎng)絡結構示意1.1.4網(wǎng)絡互聯(lián)與高速網(wǎng)絡從20世紀80年代末開始，計算機技術、通信技術和建立在互聯(lián)網(wǎng)絡技術基礎上的計算機網(wǎng)絡技術得到了迅速發(fā)展。隨著信息高速公路計劃的提出與實施，Internet在地域、用戶、功能和應用等方面的不斷拓展，Internet技術得到越來越廣泛的應用，使計算機網(wǎng)絡的發(fā)展進入了一個嶄新的階段，這就是計算機網(wǎng)絡互聯(lián)與高速網(wǎng)絡階段。如今，全球以Internet為核心的高速計算機互聯(lián)網(wǎng)絡已經(jīng)形成，Internet已經(jīng)成為人類最重要的、最大的知識寶庫。網(wǎng)絡互聯(lián)和高速網(wǎng)絡被稱為第四代計算機網(wǎng)絡。與第三代計算機網(wǎng)絡相比，第四代計算機網(wǎng)絡的特點是：網(wǎng)絡的高速化和業(yè)務的綜合化。網(wǎng)絡高速化主要指網(wǎng)絡頻帶寬和傳輸時延低，而網(wǎng)絡業(yè)務綜合化指一個網(wǎng)絡中綜合了多種媒體(如語音、視頻、圖像和數(shù)據(jù)等)的信息。

隨著信息技術革命的發(fā)展，人們已經(jīng)與互聯(lián)網(wǎng)建立起了密不可分的關系。電話、有線電視、網(wǎng)絡數(shù)據(jù)等都有不同的網(wǎng)絡，隨著多媒體網(wǎng)絡的建立和日趨成熟，三網(wǎng)融合甚至多網(wǎng)融合是一個發(fā)展方向。有人描述未來的通信和網(wǎng)絡目標是實現(xiàn)5W的個人通信，即任何人(Whoever)在任何時間(Whenever)、任何地方(Wherever)都可以和任何人(Whomever)通過網(wǎng)絡進行通信，傳送任何信息(Whatever)。1.1.5中國互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展史以1987年北京計算機應用技術研究所研究員錢天白教授通過中國學術網(wǎng)CANET向世界發(fā)出第一封E-mail為標志，中國人揭開了使用Internet的序幕。經(jīng)過幾十年的發(fā)展，我國的計算機網(wǎng)絡形成了四大主流網(wǎng)絡體系，即中科院的科學技術網(wǎng)CSTnet；國家教育部的教育和科研網(wǎng)CERnet；原郵電部的ChinaNet和原電子部的金橋網(wǎng)Chinagbnet。

Internet在中國的發(fā)展歷程可以大略地劃分為以下三個階段。第一階段為1987～1993年，也是研究試驗階段。在此期間我國的一些科研院所和部屬高等院校開始研究Internet技術，并開展了科研課題和科技合作工作，但這個階段的網(wǎng)絡應用僅僅限于小范圍內(nèi)的電子郵件服務。

第二階段為1994～1996年，是我國互聯(lián)網(wǎng)的起步階段。1994年4月，中關村地區(qū)教育與科研示范網(wǎng)絡工程實現(xiàn)了與Internet的全功能連接，從此我國被國際上正式承認為有Internet的國家。之后，ChinaNet、CERnet、CSTnet、Chinagbnet等多個Internet網(wǎng)絡項目在全國范圍相繼啟動，Internet開始進入公眾生活，并在我國得到了迅速的發(fā)展。至1996年底，我國Internet用戶數(shù)已達20萬，利用Internet開展的業(yè)務與應用也逐步增多。第三階段從1997年至今，是Internet在我國發(fā)展最為快速的階段。國內(nèi)Internet用戶數(shù)在1997年以后基本保持每半年翻一番的增長速度。據(jù)2009年7月16日消息，互聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測研究權威機構DCCI互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)中心進行了“2009年上半年中國互聯(lián)網(wǎng)市場數(shù)據(jù)在線發(fā)布”，數(shù)據(jù)顯示，中國互聯(lián)網(wǎng)用戶數(shù)達到3.5億人。

中國目前有五家具有獨立國際出入口線路的商用性Internet骨干單位，還有面向教育、科技、經(jīng)貿(mào)等領域的非營利性Internet骨干單位?，F(xiàn)在有600多家網(wǎng)絡接入服務提供商(ISP)，其中跨省經(jīng)營的有140家。今天，Internet的發(fā)展已經(jīng)不再是簡單化的數(shù)字通信了，它是一個綜合的、全面的信息服務大環(huán)境，使人類信息化水平達到一個空前的高度。1.2計算機網(wǎng)絡的定義和組成1.2.1計算機網(wǎng)絡的定義計算機網(wǎng)絡的定義沒有統(tǒng)一的規(guī)定，說法也不一樣。通常的定義是：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)和通信設備按不同形式連接起來，按照網(wǎng)絡通信協(xié)議和網(wǎng)絡操作系統(tǒng)來進行數(shù)據(jù)通信，實現(xiàn)資源共享和信息傳遞的系統(tǒng)。從應用或功能的角度，可定義計算機網(wǎng)絡為：以共享資源(硬件、軟件、數(shù)據(jù))的方式將各自具有獨立功能的多個計算機連接起來組成的多機系統(tǒng)。

概括起來說，一個計算機網(wǎng)絡必須具備以下三個基本要素。

(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用某種通信手段連接起來。

(3)網(wǎng)絡中各個獨立的計算機之間要能相互通信，必須制定相互可確認的規(guī)范標準或協(xié)議。以上三條是組成一個網(wǎng)絡的必要條件，三者缺一不可。

1.2.2計算機網(wǎng)絡的組成從資源構成的角度講，計算機網(wǎng)絡是由硬件和軟件組成的。硬件包括各種主機、終端等用戶端設備，以及交換機、路由器等通信控制處理設備，而軟件則由各種系統(tǒng)程序和應用程序以及大量的數(shù)據(jù)資源組成。從邏輯功能上來看，可將計算機網(wǎng)絡劃分為資源子網(wǎng)和通信子網(wǎng)，二者合一構成以通信子網(wǎng)為核心，以資源共享為目的的計算機通信網(wǎng)絡。典型的計算機網(wǎng)絡結構如圖1-4所示。

圖1-4計算機網(wǎng)絡結構示意圖

1．資源子網(wǎng)資源子網(wǎng)由主計算機系統(tǒng)、終端、終端控制器、聯(lián)網(wǎng)外設、各種軟件資源與信息資源組成，包括圖1-4中虛線外的各個設備。資源子網(wǎng)負責全網(wǎng)的數(shù)據(jù)處理業(yè)務，向網(wǎng)絡用戶提供各種網(wǎng)絡資源與網(wǎng)絡服務。主計算機系統(tǒng)簡稱為主機(Host)。它可以是大型機、中型機、小型機及微機。主機是資源子網(wǎng)的主要組成單元，它通過高速通信線路與通信子網(wǎng)的通信控制處理機相連接。普通用戶終端通過主機接入網(wǎng)內(nèi)。主機要為本地用戶訪問網(wǎng)絡的其他主機設備與資源提供服務，同時要為網(wǎng)絡中遠程用戶共享本地資源提供服務。終端(Terminal)是用戶訪問網(wǎng)絡的界面。終端可以是簡單的輸入輸出終端，也可以是帶有微處理機的智能終端。智能終端除具有輸入輸出信息的功能外，本身還具有存儲與處理信息的能力。終端可以通過主機連入網(wǎng)絡中，也可以通過終端控制器、報文分組組裝與拆分裝置或通信控制處理機連入網(wǎng)絡。網(wǎng)絡操作系統(tǒng)是建立在各主機操作系統(tǒng)之上的一個操作系統(tǒng)，用于實現(xiàn)不同主機之間的用戶通信以及全網(wǎng)硬件和軟件資源的共享，并向用戶提供統(tǒng)一的、方便的網(wǎng)絡接口，便于用戶使用網(wǎng)絡。網(wǎng)絡數(shù)據(jù)庫是建立在網(wǎng)絡操作系統(tǒng)之上的一種數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，可以集中駐留在一臺主機上(集中式網(wǎng)絡數(shù)據(jù)庫系統(tǒng))，也可以分布在不同的主機上(分布式網(wǎng)絡數(shù)據(jù)庫系統(tǒng))，它向網(wǎng)絡用戶提供存取、修改網(wǎng)絡數(shù)據(jù)庫的服務，以實現(xiàn)網(wǎng)絡數(shù)據(jù)庫的共享。

2．通信子網(wǎng)通信子網(wǎng)由通信控制處理機(CommunicationControlProcessor)、通信線路和其他通信設備組成，包括圖1-4中虛線內(nèi)的各個設備。通信子網(wǎng)負責網(wǎng)絡數(shù)據(jù)傳輸、轉發(fā)等通信處理任務。通信控制處理機在網(wǎng)絡拓撲結構中被稱為網(wǎng)絡節(jié)點。一方面，它作為與資源子網(wǎng)的主機、終端相連接的接口，將主機和終端連入網(wǎng)絡；另一方面，它又作為通信子網(wǎng)中的分組存儲轉發(fā)節(jié)點，完成分組的接收、校驗、存儲和轉發(fā)等功能，實現(xiàn)將源主機報文準確發(fā)送到目的主機的功能。目前通信控制處理機一般為路由器和交換機。通信線路為通信控制處理機之間、通信控制處理機與主機之間提供通信信道。計算機網(wǎng)絡采用了多種通信線路，如雙絞線、同軸電纜、光纖、無線通信信道等來連接各通信設備。

1.2.3計算機網(wǎng)絡的拓撲結構網(wǎng)絡的拓撲結構指網(wǎng)絡中節(jié)點(設備)和鏈路(連接網(wǎng)絡設備的信道)的連接方式，常見的網(wǎng)絡拓撲結構有總線型、環(huán)型、星型、樹型、網(wǎng)型和混合型等，如圖1-5所示。圖1-5網(wǎng)絡拓撲結構

1．總線型結構總線型結構是局域網(wǎng)中常用的一種拓撲結構。它采用單根傳輸線作為傳輸介質，所有的站點都通過相應的硬件接口直接連接到總線上?？偩€型網(wǎng)絡采用廣播式通信，任何一個站點發(fā)送的信號都可以沿著介質傳播，而且能被其他連接在總線上的任一站點接收。其傳輸介質一般是同軸電纜，不過現(xiàn)在也有采用光纖作為總線型傳輸介質的。

總線型結構的優(yōu)點：結構簡單靈活，實現(xiàn)容易，便于擴展，是一種小型、成熟、經(jīng)濟的解決方案。總線型結構的缺點：健壯性差，網(wǎng)絡電纜某處發(fā)生故障將導致整個網(wǎng)絡癱瘓，此外，由于整個網(wǎng)絡共享一條總線進行數(shù)據(jù)傳輸，當網(wǎng)上節(jié)點較多時，會使沖突增多、傳輸效率下降。

2．環(huán)型結構環(huán)型結構也是較為常用的一種拓撲結構。它由連接成封閉線路的網(wǎng)絡節(jié)點組成，每一節(jié)點與它左右相鄰的節(jié)點連接。在環(huán)型網(wǎng)絡中，數(shù)據(jù)沿著一個特定的方向(順時針或逆時針)傳輸，傳輸介質一般是光纖，也有采用銅纜的。城域網(wǎng)中使用這種結構較多。環(huán)型結構的優(yōu)點：結構簡單，實現(xiàn)容易，投資小，傳輸速度較快，而且速度穩(wěn)定，可構成實時性要求較高的網(wǎng)絡。環(huán)型結構的缺點：擴展性差，維護困難，任何一個節(jié)點出了故障都會造成整個網(wǎng)絡的中斷、癱瘓，當網(wǎng)絡中站點少時，難以發(fā)揮速度優(yōu)勢。

3．星型結構星型結構是目前局域網(wǎng)中使用最廣泛的一種拓撲結構。星型網(wǎng)絡都有一個中心節(jié)點(集線器Hub或交換機Switch)，網(wǎng)絡中的各工作站通過這個中心節(jié)點連接在一起，各節(jié)點呈星狀分布。網(wǎng)絡中任何兩點間的通信都要通過中心節(jié)點轉接，如果中心節(jié)點是一級互連設備(如集線器)，則星型網(wǎng)絡采用廣播方式通信；如果中心節(jié)點是二級以上互連設備(如交換機)，則星型網(wǎng)絡可以實現(xiàn)全雙工點到點通信，大大提高了通信速度。星型結構的傳輸介質目前一般使用超5類或6類非屏蔽雙絞線(UTP)，也可以使用光纖。星型結構的優(yōu)點：易于實現(xiàn)，便于維護，節(jié)點擴展、移動方便，傳輸速度很快。星型結構的缺點：過分依賴于中心節(jié)點，一旦中心節(jié)點出現(xiàn)故障，將會導致整個網(wǎng)絡的癱瘓。

4．樹型結構樹型結構是對星型結構的擴充和完善，是分級的星型結構。樹型結構網(wǎng)絡的形狀像一棵倒置的樹，頂端有個帶分支的根，每個分支還可延伸出子分支。當節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)時，首先由根接收信號，再由根向整個網(wǎng)絡以廣播的形式發(fā)送數(shù)據(jù)。樹型結構網(wǎng)絡的傳輸介質多采用雙絞線或光纖。

5．網(wǎng)型結構網(wǎng)型結構又稱為分布式結構，它沒有嚴格的、固定的構型，節(jié)點與節(jié)點之間有不止一條鏈路可以選擇，當某一鏈路或節(jié)點發(fā)生故障時不會影響整個網(wǎng)絡的工作。傳輸介質一般選擇雙絞線或光纖。網(wǎng)型結構的優(yōu)點：穩(wěn)健性好，可靠性高，資源共享方便，適用于對可靠性要求較高的網(wǎng)絡。網(wǎng)型結構的缺點：硬件成本高，網(wǎng)絡管理軟件比較復雜。

6．混合型結構混合型結構在目前局域網(wǎng)中使用非常廣泛。在實際的網(wǎng)絡組建過程中，尤其是大型局域網(wǎng)的組建過程中，單一的拓撲結構往往無法達到要求，這就要把幾種拓撲結構結合起來，構成混合型結構?；旌闲徒Y構的優(yōu)點：可滿足較大網(wǎng)絡的拓展，彌補了其他網(wǎng)絡各自的缺點?；旌闲徒Y構的缺點：網(wǎng)絡結構較復雜，難以管理。1.3計算機網(wǎng)絡的分類1.3.1計算機網(wǎng)絡的不同分類計算機網(wǎng)絡的分類方法很多，可以從不同的角度對計算機網(wǎng)絡進行分類。常用的分類方法有：按網(wǎng)絡覆蓋的地理范圍分類、按網(wǎng)絡的傳輸技術分類、按網(wǎng)絡的拓撲結構分類、按網(wǎng)絡的應用領域分類等。1.3.2按網(wǎng)絡覆蓋的地理范圍分類按網(wǎng)絡覆蓋的地理范圍分類是最常用的分類方法，也是我們最熟悉的分類方法。按這種標準可以把各種網(wǎng)絡類型劃分為局域網(wǎng)、城域網(wǎng)、廣域網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)四種。下面簡要介紹這幾種計算機網(wǎng)絡。

1．局域網(wǎng)(LocalAreaNetwork，LAN)所謂局域網(wǎng)，就是在局部地區(qū)范圍內(nèi)的網(wǎng)絡，它所覆蓋的地區(qū)范圍較小，一般是指在一個有限的地理范圍內(nèi)(幾千米以內(nèi))將計算機、外部設備和網(wǎng)絡互聯(lián)設備連接在一起的網(wǎng)絡系統(tǒng)，如在一幢大樓、一個學?；蛞粋€企業(yè)內(nèi)的網(wǎng)絡。這是最常見、應用較廣的一種網(wǎng)絡。局域網(wǎng)在計算機數(shù)量配置上沒有太多的限制，少的可以只有幾臺，多的可達幾百臺。在企業(yè)局域網(wǎng)中，一般計算機的數(shù)量在幾十到幾百臺之間。在網(wǎng)絡所涉及的地理距離上一般可以是幾米至10千米。LAN技術最直接、最顯著的作用是資源共享。

2．城域網(wǎng)(MetropolitanAreaNetwork，MAN)

MAN基本上是一種大型的LAN，使用與LAN相似的技術，它的覆蓋范圍介于局域網(wǎng)和廣域網(wǎng)之間。這種網(wǎng)絡一般是在一個城市，但不在同一地理小區(qū)范圍內(nèi)的計算機互聯(lián)。這種網(wǎng)絡的連接距離可以在10～100km之間，它采用的是IEEE802.6標準。MAN與LAN相比，擴展的距離更長，連接的計算機數(shù)量更多，在地理范圍上可以說是LAN網(wǎng)絡的延伸。在城域網(wǎng)中的許多局域網(wǎng)借助一些專用網(wǎng)絡互聯(lián)設備連接到一起，即使沒有連入局域網(wǎng)的計算機也可以直接接入城域網(wǎng)，從而訪問網(wǎng)絡中的資源。

3．廣域網(wǎng)(WideAreaNetwork，WAN)

WAN也稱為遠程網(wǎng)，所覆蓋的范圍比城域網(wǎng)(MAN)更廣，它一般是在不同城市之間的LAN或者MAN網(wǎng)絡互聯(lián)，地理范圍可從幾百千米到幾千千米。因為距離較遠，采用光纖連接的較多，通常會借用專門的通信線路來實現(xiàn)互聯(lián)，為了提高安全性能，一般會采用網(wǎng)狀拓撲結構。

4．互聯(lián)網(wǎng)(Internet)互聯(lián)網(wǎng)又因其英文單詞“Internet”的諧音，稱為“因特網(wǎng)”。在互聯(lián)網(wǎng)應用如此發(fā)展的今天，它已是我們每天都要打交道的一種網(wǎng)絡，無論從地理范圍，還是從網(wǎng)絡規(guī)模來講它都是最大的一種網(wǎng)絡。從地理范圍來說，它可以是全球計算機的互聯(lián)，這種網(wǎng)絡的最大特點就是不定性，整個網(wǎng)絡的計算機每時每刻隨著人們網(wǎng)絡的接入在不斷地變化。當您連在互聯(lián)網(wǎng)上的時候，您的計算機可以算是互聯(lián)網(wǎng)的一部分，但一旦當您斷開互聯(lián)網(wǎng)的連接時，您的計算機就不屬于互聯(lián)網(wǎng)了。但它的優(yōu)點也是非常明顯的，就是信息量大、傳播廣，無論你身處何地，只要聯(lián)上互聯(lián)網(wǎng)，你就可以對任何可以聯(lián)網(wǎng)的用戶發(fā)出你的信函和廣告。因為這種網(wǎng)絡的復雜性，所以這種網(wǎng)絡實現(xiàn)的技術也是非常復雜的。

1.3.3按網(wǎng)絡的傳輸技術分類網(wǎng)絡所采用的傳輸技術決定了網(wǎng)絡的主要技術特點，因此根據(jù)網(wǎng)絡所采用的傳輸技術對網(wǎng)絡進行劃分是一種很重要的方法。在通信技術中，通信信道的類型有兩類：廣播通信信道與點到點通信信道。當然，網(wǎng)絡要通過通信信道完成數(shù)據(jù)傳輸任務，因此網(wǎng)絡所采用的傳輸技術也只可能有兩類，即點到點(PointtoPoint)方式和廣播(Broadcast)方式。這樣，相應的計算機網(wǎng)絡也可以分為以下兩類。

1．點到點式網(wǎng)絡(PointtoPointNetwork)點到點傳播指網(wǎng)絡中每兩臺主機、兩臺節(jié)點交換機之間或主機與節(jié)點交換機之間都通過一條物理線路連接。機器(包括主機和節(jié)點交換機)沿某信道發(fā)送的數(shù)據(jù)確定無疑地只有信道另一端唯一的一臺機器收到。若兩臺計算機之間沒有直接連接的線路，可能要通過一個或多個中間節(jié)點的接收、存儲、轉發(fā)，才能將信息從信源發(fā)送到目的地。由于連接多臺計算機之間的線路結構可能是復雜的，因此從源節(jié)點到目的節(jié)點可能存在多條路由，決定信息從通信子網(wǎng)的源節(jié)點到達目的節(jié)點的路由需要有路由選擇算法。采用分組存儲轉發(fā)是點到點式網(wǎng)絡與廣播式網(wǎng)絡的重要區(qū)別之一。

在這種點到點的拓撲結構中，沒有信道競爭，幾乎不存在介質訪問控制問題。點到點信道無疑可能浪費一些帶寬，但因為在長距離信道上一旦發(fā)生信道訪問沖突，控制起來就相當困難，所以廣域網(wǎng)都采用點到點信道，用帶寬來換取信道訪問控制的簡化。

2．廣播式網(wǎng)絡(BroadcastingNetwork)廣播式網(wǎng)絡中的計算機或設備使用一條共享的通信介質進行數(shù)據(jù)傳播，當一臺計算機利用共享通信發(fā)送報文分組時，所有計算機都會“聽到”這個分組，由于發(fā)送的分組中帶有目的地址與源地址，接收到該分組的計算機檢查目的地址是否與本節(jié)點地址相同，如果相同則接受，如果不同，則放棄。傳輸方式有以下三種。

(1)單播(Unicast)：發(fā)送的信息中包含明確的目的地址，所有節(jié)點都檢查該地址。如果與自己的地址相同，則處理該信息；如果不同，則忽略。

(2)組播(Multicast)：將信息傳送給網(wǎng)絡中部分節(jié)點。

(3)廣播(Broadcast)：在發(fā)送的信息中使用一個指定的代碼標識目的地址，將信息發(fā)送給所有的目標節(jié)點。當使用這個指定代碼傳輸信息時，所有節(jié)點都接收并處理該信息。

1.4計算機網(wǎng)絡的功能和應用1.4.1計算機網(wǎng)絡的功能計算機網(wǎng)絡是計算機技術和通信技術緊密結合的產(chǎn)物，它不僅使計算機的作用范圍超越了地理位置的限制，而且大大加強了計算機本身的信息處理能力。計算機網(wǎng)絡具有單個計算機所不具備的眾多功能。

1．數(shù)據(jù)交換和通信數(shù)據(jù)交換和通信是計算機網(wǎng)絡的基本功能之一，用以實現(xiàn)計算機與終端、計算機與計算機之間傳送各種信息。這些信息包括數(shù)據(jù)、文本、圖形、動畫、聲音和視頻等。用戶還可以收發(fā)E-mail、VOD(視頻點播)、電子商務、遠程登錄和IP電話等。

2．資源共享資源共享是計算機網(wǎng)絡最常用的功能。充分利用計算機網(wǎng)絡中提供的資源(包括硬件、軟件和數(shù)據(jù))是計算機網(wǎng)絡組網(wǎng)的目標之一。計算機的許多資源是十分昂貴的，不可能為每個用戶所擁有。例如，進行復雜運算的巨型計算機、海量存儲器、高速激光打印機、大型繪圖儀和一些特殊的外部設備等，另外還有大型數(shù)據(jù)庫和大型軟件等。然而這些昂貴的資源都可以為計算機網(wǎng)絡上的用戶所共享：既可以使用戶減少投資，又可以提高這些昂貴資源的使用效率。

3．提高系統(tǒng)的可靠性和可用性在單機使用的情況下，如沒有備用機，則計算機一有故障便會導致停機。如果增加備用機，則費用也會大大增加。當計算機連成網(wǎng)絡后，各計算機可以通過網(wǎng)絡互為后備，一旦某臺計算機出現(xiàn)故障，其任務可由其他計算機代其處理，避免了單機損壞無后備機的情況，從而提高了整個網(wǎng)絡系統(tǒng)的可靠性。特別是在地理位置分布很廣且具有實時性管理和不間斷運行要求的系統(tǒng)中，建立計算機網(wǎng)絡便可保證系統(tǒng)更高的可靠性和可用性。

4．分布處理與負載均衡計算機網(wǎng)絡中，各用戶可根據(jù)需要合理選擇網(wǎng)內(nèi)資源，以便就近處理，對于大型的任務或當網(wǎng)絡中某臺計算機的任務負荷太重時，可將任務分散到較空閑的計算機上去處理，或由網(wǎng)絡中較空閑的計算機分擔負荷。使得整個網(wǎng)絡資源能互相協(xié)作，以免網(wǎng)絡中的計算機使用不均，既影響任務又不能充分利用計算機資源。

5．提高系統(tǒng)性能價格比，易于擴充，便于維護計算機組成網(wǎng)絡后，雖然增加了通信費用，但由于資源共享，明顯提高了整個系統(tǒng)的性能價格比，降低了系統(tǒng)的維護費用，且易于擴充，方便系統(tǒng)維護。1.4.2計算機網(wǎng)絡的應用隨著現(xiàn)代信息社會進程的推進，通信和計算機技術的迅猛發(fā)展，計算機網(wǎng)絡的應用日益多元化，許多網(wǎng)絡應用的新形式不斷出現(xiàn)，如電子郵件、IPPhone、視頻點播、網(wǎng)上交易、視頻會議等。其應用可歸納為下列幾個方面。

1．方便的信息檢索計算機網(wǎng)絡使我們的信息檢索變得更加高效、快捷，通過網(wǎng)上搜索、WWW瀏覽、FTP下載可以非常方便地從網(wǎng)絡上獲得所需要的信息和資料。網(wǎng)上圖書館更是以其信息容量大、檢索方便贏得人們的青睞。

2．現(xiàn)代化的通信方式電子郵件目前已經(jīng)成了一種最為快捷、廉價的通信手段。人們可以在幾分鐘，甚至幾秒鐘內(nèi)就可以把信息傳給遠方，信息的表達形式除文字，還可以是聲音、圖片。同時利用網(wǎng)絡實現(xiàn)IP電話，將語音和數(shù)據(jù)網(wǎng)絡進行集成，利用IP作為傳輸協(xié)議，通過網(wǎng)絡將語音集成到IP網(wǎng)絡上來，實現(xiàn)基于IP的網(wǎng)絡上進行語音通信，節(jié)省長途電話費用。

3．辦公自動化通過將一個企業(yè)或機關的辦公電腦及其外部設備連成網(wǎng)絡，既可以節(jié)約購買多個外部設備的成本，又可以共享許多辦公數(shù)據(jù)，并且可對信息進行計算機綜合處理與統(tǒng)計，避免了許多單調(diào)重復性的勞動。

4．電子商務與電子政務計算機網(wǎng)絡還推動了電子商務與電子政務的發(fā)展。企業(yè)與企業(yè)之間、企業(yè)與個人之間可以通過網(wǎng)絡來實現(xiàn)貿(mào)易、購物；政府部門則可以通過電子政務工程實施政務公開化，審批程序標準化，提高了政府的辦事效率并使之更好地為企業(yè)或個人服務。

5．企業(yè)的信息化通過在企業(yè)中實施基于網(wǎng)絡的管理信息系統(tǒng)(MIS)和資源制造計劃(ERP)，可以實現(xiàn)企業(yè)的生產(chǎn)、銷售、管理和服務的全面信息化，從而有效提高生產(chǎn)率。醫(yī)院管理信息系統(tǒng)，民航、鐵路的購票，學校的學生管理信息系統(tǒng)等都是管理信息系統(tǒng)的實例。

6．遠程教育基于網(wǎng)絡的遠程教育、網(wǎng)絡學習使得我們可以突破時間、空間和身份的限制方便地獲取網(wǎng)絡上的教育資源并接受教育。

7．豐富的娛樂和消遣網(wǎng)絡不僅改變了我們的工作與學習方式，也給我們帶來新的豐富多彩的娛樂和消遣方式，如網(wǎng)上聊天、網(wǎng)絡游戲、網(wǎng)上電影院、視頻點播等。

8．軍事指揮自動化基于網(wǎng)絡應用系統(tǒng)，把軍事情報采集、目標定位、武器控制、戰(zhàn)地通信和指揮員決策等環(huán)節(jié)在計算機網(wǎng)絡基礎上聯(lián)系起來，形成各種高速高效的指揮自動化系統(tǒng)，是現(xiàn)代戰(zhàn)爭和軍隊現(xiàn)代化不可缺少的技術支柱，這種系統(tǒng)在公安武警、交警、火警等指揮調(diào)度系統(tǒng)中也有廣泛應用。1.5計算機網(wǎng)絡體系結構1.5.1網(wǎng)絡協(xié)議的概念網(wǎng)絡協(xié)議是計算機進行通信時，為保障通信順利進行，事先約定好的語法規(guī)則，主要有語義、語法、時序三個組成部分。

1．語義語義是對協(xié)議元素的含義進行解釋，不同類型的協(xié)議元素所規(guī)定的語義不同。例如，需要發(fā)出何種控制信息、完成何種動作及得到何種響應等。

2．語法語法是將若干個協(xié)議元素和數(shù)據(jù)組合在一起，用來表達一個完整的內(nèi)容所應遵循的格式，也就是對信息的數(shù)據(jù)結構做一種規(guī)定。例如，用戶數(shù)據(jù)與控制信息的結構與格式等。

3．時序時序是對事件實現(xiàn)順序的詳細說明。例如，在雙方進行通信時，發(fā)送點發(fā)出一個數(shù)據(jù)報文，如果目標點能夠正確收到，則回答給源點一個已經(jīng)正確接收的信息；若接收到錯誤的信息，則要求源發(fā)送點重發(fā)一次。1.5.2OSI參考模型

20世紀70年代以來，國外一些主要計算機生產(chǎn)廠家先后推出了各自的網(wǎng)絡體系結構，但它們都屬于專用的。為使不同計算機廠家的計算機能夠互相通信，以便在更大的范圍內(nèi)建立計算機網(wǎng)絡，有必要建立一個國際范圍的網(wǎng)絡體系結構標準。國際標準化組織(ISO)在各廠家提出的計算機網(wǎng)絡體系結構的基礎上，提出了開放系統(tǒng)互連參考模型(OSI)。該模型已成為指導計算機網(wǎng)絡研究、開發(fā)和應用的標準協(xié)議。

OSI參考模型將整個網(wǎng)絡的通信功能劃分為七個層次，并規(guī)定了每層的功能以及不同層如何協(xié)同完成網(wǎng)絡通信。七層由低到高分別是物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡層、傳輸層、會話層、表示層、應用層，如圖1-6所示。圖1-6OSI參考模型

1．物理層(physicallayer)物理層是OSI參考模型的最低層，是提供網(wǎng)內(nèi)兩系統(tǒng)間的物理接口，利用傳輸介質為數(shù)據(jù)鏈路層提供物理鏈接，實現(xiàn)比特流的傳輸。物理層是所有網(wǎng)絡的基礎，其協(xié)議主要規(guī)定了計算機或終端與通信設備之間接口的標準，包括機械的、電氣的、功能的和規(guī)程的特性。

2．數(shù)據(jù)鏈路層(datalinklayer)數(shù)據(jù)鏈路層是OSI參考模型的第二層，介于物理層與網(wǎng)絡層之間，它把從物理層傳送來的原始數(shù)據(jù)打包成幀。設立數(shù)據(jù)鏈路層的主要目的是將一條原始的、有差錯的物理線路變?yōu)閷W(wǎng)絡層無差錯的數(shù)據(jù)鏈路。為了實現(xiàn)這個目的，數(shù)據(jù)鏈路層必須執(zhí)行鏈路管理、幀傳輸、流量控制、差錯控制等功能。在OSI參考模型中，數(shù)據(jù)鏈路層向網(wǎng)絡層提供以下基本的服務：

(1)數(shù)據(jù)鏈路建立、維護與釋放的鏈路管理工作。

(2)數(shù)據(jù)鏈路層服務數(shù)據(jù)單元幀的傳輸。

(3)差錯檢測與控制。

(4)數(shù)據(jù)流量控制。

(5)在多點連接或多條數(shù)據(jù)鏈路連接的情況下，提供數(shù)據(jù)鏈路端口標識的識別，支持網(wǎng)絡層實體建立網(wǎng)絡連接。

(6)幀接收順序控制。

3．網(wǎng)絡層(networklayer)網(wǎng)絡層是OSI參考模型的第三層，它的主要工作是將數(shù)據(jù)分成一定長度的分組，并通過路由選擇算法，為分組選擇最適當?shù)穆窂剑狗纸M穿過通信子網(wǎng)，傳到目的地。網(wǎng)絡層的主要功能包括路由選擇、擁塞控制和網(wǎng)絡互連等。

4．傳輸層(transportlayer)傳輸層是OSI參考模型的第四層，從該層起向上各層所使用的數(shù)據(jù)單位統(tǒng)稱為報文。傳輸層為主機間提供端到端的傳送服務，透明地傳送報文。傳輸層向高層屏蔽了下層數(shù)據(jù)的細節(jié)，為不同進程間的數(shù)據(jù)交換提供可靠的傳送手段。

5．會話層(sessionlayer)會話層是OSI參考模型的第五層，它是面向信息處理的OSI高層和面向數(shù)據(jù)通信的OSI低層的接口。當兩個應用進程進行相互通信時，希望有一個作為第三者的進程能組織它們的通話，協(xié)調(diào)它們之間的數(shù)據(jù)流，以便使應用進程專注于信息交互，設立會話層就是為了達到這個目的。會話層的主要功能是向會話的應用進程之間提供會話組織和同步服務，對數(shù)據(jù)的傳送提供控制和管理，以達到協(xié)調(diào)會話過程、為表示層實體提供更好服務的目的。

6．表示層(presentationlayer)表示層位于OSI參考模型的第六層。它主要為應用進程之間傳送的信息提供表示方式的服務，以保證所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)經(jīng)傳送后其意義不改變。主要包括數(shù)據(jù)格式轉換、數(shù)據(jù)加密與解密、數(shù)據(jù)壓縮與恢復等功能。

7．應用層(applicationlayer)應用層在OSI參考模型中位于最高層，是直接面向用戶的層，是計算機網(wǎng)絡與最終用戶的接口。應用層負責兩個應用進程之間的通信，提供網(wǎng)絡應用服務。例如，Web、電子郵件、文件傳輸及其他網(wǎng)絡軟件服務。

OSI參考模型中應用進程的數(shù)據(jù)在各層之間實際傳送如圖1-7所示。這里為了簡便，將7層OSI參考模型簡化為只有物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡層、傳輸層及應用層5層的結構，并且假定兩個主機是直接相連的。假定計算機1的應用進程AP1向計算機2的應用進程AP2傳送數(shù)據(jù)。AP1先將其數(shù)據(jù)交給第5層(應用層)。第5層加上必要的控制信息H5就變成了第4層的數(shù)據(jù)單元。第4層(傳輸層)收到這個數(shù)據(jù)單元后，加上本層的控制信息H4，再交給第3層(網(wǎng)絡層)，成為第3層的數(shù)據(jù)單元。依此類推。不過到了第2層(數(shù)據(jù)鏈路層)后，控制信息分成兩部分，分別加到本層數(shù)據(jù)單元的首部(H2)和尾部(T2)，而第1層(物理層)由于是比特流的傳送，因此不再加控制信息。圖1-7數(shù)據(jù)在各層之間的傳遞過程示意圖當這一串比特流經(jīng)網(wǎng)絡的物理媒體傳送到目的站時，就從第1層依次上傳到第5層。每一層根據(jù)控制信息進行必要的操作，并將控制信息剝?nèi)?，然后將該層剩下的?shù)據(jù)單元上交給更高的一層。最后，把應用進程AP1發(fā)送的數(shù)據(jù)交給目的站的應用進程AP2。雖然應用進程數(shù)據(jù)要經(jīng)過圖1-7所示的復雜過程才能送到對方的應用進程，但這些復雜的過程對用戶來說都被屏蔽掉了，以至應用進程AP1好像是直接把數(shù)據(jù)交給了應用進程AP2。同理，任何兩個同樣的層次(如在兩個系統(tǒng)的第3層)可直接將數(shù)據(jù)傳遞給對方(即圖中表示的水平虛線)。這就是所謂的“對等層”(peerlayers)之間的通信。以前經(jīng)常提到的各層協(xié)議，實際上就是在各個對等層之間傳遞數(shù)據(jù)時的各項規(guī)定。

1.6網(wǎng)絡設備1.6.1網(wǎng)絡適配器網(wǎng)絡適配器(NetworkInterfaceCard，NIC)也叫網(wǎng)卡，是OSI參考模型中數(shù)據(jù)鏈路層的設備，如圖1-8所示。

圖1-8網(wǎng)絡適配器連接示意圖網(wǎng)卡是局域網(wǎng)的接入設備，是單機與網(wǎng)絡間架設的橋梁。它主要完成以下功能：

(1)讀入由其他網(wǎng)絡設備(Router、Switch、Hub或其他NIC)傳輸過來的數(shù)據(jù)包，經(jīng)過拆包，將其變成客戶機或服務器可以識別的數(shù)據(jù)，通過主板上的總線將數(shù)據(jù)傳輸?shù)剿璧脑O備中(CPU、RAM或HardDriver)。

(2)將PC設備(CPU、RAM或HardDriver)發(fā)送的數(shù)據(jù)打包后輸送至其他網(wǎng)絡設備中。目前，市面上常見的網(wǎng)卡種類繁多。按帶寬分為10Mb/s網(wǎng)卡、100Mb/s網(wǎng)卡、10/100Mb/s自適應網(wǎng)卡和1000Mb/s網(wǎng)卡。按總線類型分為PCI網(wǎng)卡、ISA網(wǎng)卡、EISA網(wǎng)卡及其他總線網(wǎng)卡，現(xiàn)在網(wǎng)卡大多數(shù)已經(jīng)集成在計算機的主板上，接口以RJ-45為主。1.6.2中繼器由于信號在傳輸過程中存在損耗，在線路上傳輸?shù)男盘柟β蕰饾u衰減，衰減到一定程度時將造成信號失真，因此會導致接收錯誤。中繼器就是為解決這一問題而設計的。中繼器是互聯(lián)網(wǎng)中最簡單的網(wǎng)間連接器，主要完成物理層的功能，負責在兩個節(jié)點的物理層上按位傳遞信息，對衰減的信號進行放大，保持與原數(shù)據(jù)相同。中繼器工作在OSI參考模型的物理層，其連接結構如圖1-9所示。圖1-9中繼器的連接結構1.6.3集線器集線器(Hub)是中繼器的一種擴展形式，區(qū)別在于集線器提供多端口服務，也稱為多口中繼器。集線器在OSI參考模型中的位置如圖1-10所示。圖1-10集線器的連接結構集線器產(chǎn)品較多，局域網(wǎng)集線器通常分為5種不同的類型，它對局域網(wǎng)交換機技術的發(fā)展影響較大。

1．簡單中繼局域網(wǎng)段集線器在硬件平臺中，第一類集線器是一種簡單中繼局域網(wǎng)段集線器，如疊加式以太網(wǎng)集線器或令牌環(huán)網(wǎng)多站訪問部件。

2．多網(wǎng)段集線器多網(wǎng)段集線器是從第一類集線器直接派生而來的，采用集線器背板，這種集線器帶有多個中繼局域網(wǎng)段。多網(wǎng)段集線器通常是有多個接口卡槽位的機箱系統(tǒng)。一些非模塊化疊加式集線器也支持多個中繼局域網(wǎng)段。多網(wǎng)段集線器的主要技術優(yōu)點是可以將用戶的信息流量分載，需要獨立的網(wǎng)橋或路由器。

3．端口交換式集線器端口交換式集線器是在多網(wǎng)段集線器基礎上將用戶端口和背板網(wǎng)段之間的連接過程自動化，并通過增加端口交換矩陣來實現(xiàn)。端口交換矩陣提供一種自動工具，用于將用戶端口連接到集線器背板上的任何中繼網(wǎng)段上。這一技術的關鍵是“矩陣”，一個矩陣交換機是一種電纜交換機，它不能自動操作，而要求用戶介入。端口交換式集線器不能代替網(wǎng)橋或路由器，因為它不提供不同局域網(wǎng)段之間的連接性。其主要優(yōu)點是實現(xiàn)了移動、增加和修改的自動化。

4．網(wǎng)絡互聯(lián)集線器端口交換式集線器注重端口交換，而網(wǎng)絡互聯(lián)集線器在背板的多個網(wǎng)段之間實際上提供一些類型的集成連接。這可以通過一臺綜合網(wǎng)橋、路由器或局域網(wǎng)交換機來完成。目前，這類集線器通常都采用機箱形式。

5．交換式集線器集線器和交換機之間的界限已變得越來越模糊。交換式集線器有一個核心交換式背板，采用一個純粹的交換系統(tǒng)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的共享介質中繼網(wǎng)段。1.6.4網(wǎng)橋在局域網(wǎng)中，網(wǎng)橋是最為常用的網(wǎng)間連接器，它工作在OSI參考模型的數(shù)據(jù)鏈路層，實現(xiàn)局域網(wǎng)的連接，由于網(wǎng)橋涉及高層協(xié)議的轉換，因此可實現(xiàn)同一類型網(wǎng)絡(即連接協(xié)議一致，且使用相同的網(wǎng)絡操作系統(tǒng))的互聯(lián)。網(wǎng)橋的功能是在局域網(wǎng)之間存儲、轉發(fā)幀并實現(xiàn)數(shù)據(jù)鏈路層上的協(xié)議轉換。網(wǎng)橋通過數(shù)據(jù)鏈路層的LLC子層選擇子網(wǎng)路徑，把一個網(wǎng)絡傳來的信息幀發(fā)送到另一個網(wǎng)絡上去，并對幀作校驗。網(wǎng)橋的連接結構如圖1-11所示。

圖1-11網(wǎng)橋的連接結構網(wǎng)橋與中繼器比較，具有以下特點。

(1)可以實現(xiàn)同一類型局域網(wǎng)的互聯(lián)。

(2)智能進行幀的轉發(fā)。網(wǎng)橋在收到一個幀后，先讀取該幀的尋址信息，若這一幀的目的地址是在發(fā)送該幀的同一網(wǎng)段內(nèi)，網(wǎng)橋就不會進行轉發(fā)，從而有效地提高了網(wǎng)絡的性能。由于網(wǎng)橋的這種過濾能力，因而當一個網(wǎng)絡段的某一工作站發(fā)生故障時，不會影響到網(wǎng)橋所連接的另一網(wǎng)段上的用戶，起到了隔離錯誤的作用。1.6.5交換機交換機是一個具有簡單、低價、高性能和端口密集特點的交換產(chǎn)品，它采用了一種體現(xiàn)了橋接技術的復雜交換技術。交換機按每一數(shù)據(jù)包中的MAC地址相對簡單地決策信息轉發(fā)。交換機工作在ISO/OSI參考模型的數(shù)據(jù)鏈路層，如圖1-12所示，它通過MAC地址(也叫網(wǎng)絡物理地址)工作，網(wǎng)絡的MAC地址在每一個網(wǎng)絡設備出廠時已固定，大部分局域網(wǎng)技術(如以太網(wǎng)、令牌環(huán)網(wǎng)、FDDI等)都規(guī)定MAC地址在數(shù)據(jù)包的前端，所以交換機可迅速識別數(shù)據(jù)包從哪里來，又到哪里去。圖1-12交換機的連接結構傳統(tǒng)的局域網(wǎng)技術是基于共享訪問方式的，如Ethernet、TokenRing、FDDI等。在這種傳統(tǒng)網(wǎng)絡中常常會遇到帶寬不足或帶寬瓶頸問題，特別是在使用最廣泛的Ethernet中，由于介質訪問控制采用載波監(jiān)聽多路訪問/沖突檢測方式(CSMA/CD)，隨著網(wǎng)絡節(jié)點的增加，等待時間呈指數(shù)增加，這時情況會急劇惡化。在局域網(wǎng)交換技術產(chǎn)生以前，通常采用網(wǎng)橋或路由器進行網(wǎng)段的劃分與隔離，這雖在某種程度上改善了帶寬問題，但這樣一方面會增加設備的投資和維護費用，另一方面效果并不很明顯且缺乏靈活性。交換機將大型的網(wǎng)絡劃分成比較小的網(wǎng)段，從而將工作組同其他工作組在本地的流量上隔離開來，提高了總體帶寬。網(wǎng)橋和交換機的本質區(qū)別是：后者通常具有兩個以上的端口，支持多個獨立的數(shù)據(jù)流，具有較高的吞吐量。另外，同傳輸設備集為一體的交換機，其包處理速度比網(wǎng)橋利用軟件實現(xiàn)該功能的速度快很多。交換機還可以與集線器連接使用，用以延長以太網(wǎng)的傳輸距離。使用UTP(100Base-TX)，可使連接距離長達320?m；使用多模光纖，可使無中繼連接距離長達2?km；使用單模光纖，則可使無中繼連接距離長達20?km。集線器同交換機結合起來使用帶來的好處是使每個用戶的成本降低了，同時又增加了每個以太網(wǎng)的交換機端口用戶。1.6.6路由器路由器是一種典型的網(wǎng)絡層設備，在OSI參考模型中被稱為中介系統(tǒng)。路由器完成網(wǎng)絡層中繼任務，負責在兩個網(wǎng)絡之間轉發(fā)報文，并選擇最佳路由線路。

1．路由器的連接結構隨著網(wǎng)絡系統(tǒng)的擴大，特別是連成大規(guī)模廣域網(wǎng)時，網(wǎng)橋在路由選擇、系統(tǒng)容錯及網(wǎng)絡管理等方面已遠遠不能滿足實際需要。因此要用新的網(wǎng)間連接器——路由器來實現(xiàn)以上需求。路由器工作在OSI參考模型的網(wǎng)絡層，通常它只能連接相同協(xié)議的網(wǎng)絡。路由器的連接結構如圖1-13所示。圖1-13路由器的連接結構路由器分本地路由器和遠程路由器：本地路由器用來連接網(wǎng)絡傳輸介質，如光纜、同軸電纜、雙絞線；遠程路由器用來連接遠程傳輸介質，并要求配置相應的設備，如電話線要配調(diào)制解調(diào)器，無線路由器則要配置無線接收機、發(fā)射機。路由器比網(wǎng)橋更為復雜，但更具靈活性，有更強的網(wǎng)絡互聯(lián)能力。它利用網(wǎng)際協(xié)議將整個網(wǎng)絡分成幾個邏輯子網(wǎng)；而網(wǎng)橋只是把幾個物理網(wǎng)絡連接起來，提供給用戶的還是一個邏輯網(wǎng)絡。路由器用于將信息包從一個子網(wǎng)轉發(fā)到另一個子網(wǎng)，實現(xiàn)網(wǎng)絡層的協(xié)議轉換。

2．路由器的作用路由器用于連接多個邏輯上分開的網(wǎng)絡，所謂邏輯網(wǎng)絡是指一個單獨的網(wǎng)絡或者一個子網(wǎng)。當數(shù)據(jù)從一個子網(wǎng)傳輸?shù)搅硪粋€子網(wǎng)時，可通過路由器來完成。路由器具有判斷網(wǎng)絡地址和選擇路徑的功能，它能在多網(wǎng)絡互聯(lián)環(huán)境中建立靈活的連接，可用完全不同的數(shù)據(jù)分組和介質訪問方法連接各種子網(wǎng)。路由器只接受源站或其他路由器的信息，而不關心各子網(wǎng)使用的硬件設備，但要求運行與網(wǎng)絡層協(xié)議相一致的軟件。路由器的主要工作是為經(jīng)過路由器的每個數(shù)據(jù)幀尋找一條最佳傳輸路徑，并將數(shù)據(jù)有效地傳送到目的站點。由此可見，選擇最佳路徑的策略即路由算法是路由器的關鍵所在。路由器中保存著各種傳輸路徑相關數(shù)據(jù)的路由表，供路由選擇時使用。路由表中保存著子網(wǎng)的標志信息、網(wǎng)上路由器的個數(shù)和下一個路由器的名字等內(nèi)容。路由表可以由系統(tǒng)管理員固定設置，由系統(tǒng)動態(tài)修改，或者由路由器自動調(diào)整，也可以由主機控制。路由表的分類如下：

(1)靜態(tài)路由表。由系統(tǒng)管理員事先設置好的固定的路由表稱為靜態(tài)(Static)路由表，一般是在系統(tǒng)安裝時根據(jù)網(wǎng)絡的配置情況預先設定的，它不會隨網(wǎng)絡結構的改變而改變。

(2)動態(tài)路由表。根據(jù)網(wǎng)絡系統(tǒng)的運行情況而自動調(diào)整的路由表稱為動態(tài)路由表。路由器根據(jù)路由選擇協(xié)議(RoutingProtocol)提供的功能，自動學習和記憶網(wǎng)絡運行情況，在需要時自動計算數(shù)據(jù)傳輸?shù)淖罴崖窂健?/p>

3．路由器的功能路由器的功能包括以下幾個方面：

(1)在網(wǎng)絡間截獲發(fā)送到遠程網(wǎng)段的報文，起轉發(fā)作用。

(2)選擇最佳路由引導通信。為了實現(xiàn)這一功能，路由器要按照某路由通信協(xié)議查找路由表。路由表中列出了整個互聯(lián)網(wǎng)絡中包含的各個節(jié)點，以及節(jié)點間的路徑情況和相關的傳輸費用。如果到特定的節(jié)點有一條以上路徑，則基于預先確定的準則選擇最優(yōu)(最經(jīng)濟)的路徑。由于各種網(wǎng)絡段和其相互連接情況可能發(fā)生變化，因此路由情況的信息需要及時更新，可根據(jù)所使用的路由信息協(xié)議進行定時更新或按變化情況來更新。網(wǎng)絡中的每個路由器按照這一規(guī)則動態(tài)地更新它所擁有的路由表，以便保持有效的路由信息。

(3)在轉發(fā)報文的過程中，為了便于在網(wǎng)絡間傳送報文，路由器要按照預定的規(guī)則把大的數(shù)據(jù)包分解成適當大小的數(shù)據(jù)包，到達目的地后再把分解的數(shù)據(jù)包包裝成原有形式。多協(xié)議的路由器可以連接使用不同通信協(xié)議的網(wǎng)絡段，作為不同通信協(xié)議網(wǎng)絡段通信連接的平臺。

(4)路由器的主要任務是把通信引導到目的網(wǎng)絡，然后到達特定的節(jié)點地址。后一項功能是通過網(wǎng)絡地址分解完成的。例如，把網(wǎng)絡地址部分的分配指定成網(wǎng)絡、子網(wǎng)和區(qū)域的一組節(jié)點，其余的用來指明子網(wǎng)中的特別站。分層尋址允許路由器對有很多節(jié)點的網(wǎng)絡存儲尋址信息。1.6.7網(wǎng)關網(wǎng)關(Gateway)是連接兩個協(xié)議差別很大的計算機網(wǎng)絡時使用的設備。它可以將具有不同體系結構的計算機網(wǎng)絡連接在一起。在OSI參考模型中，網(wǎng)關屬于高層(應用層)的設備，工作在OSI參考模型的第七層。網(wǎng)關使不同的體系結構和環(huán)境之間的通信成為可能。它把數(shù)據(jù)重新進行包裝并且進行轉換。

1．網(wǎng)關的連接結構網(wǎng)關的實現(xiàn)非常復雜，工作效率也很難提高，一般只提供有限的幾種協(xié)議的轉換功能。常見的網(wǎng)關設備都是用在網(wǎng)絡中心的大型計算機系統(tǒng)之間的連接上，為普通用戶訪問更多類型的大型計算機系統(tǒng)提供幫助。網(wǎng)關的連接結構如圖1-14所示。圖1-14網(wǎng)關的連接結構

2．網(wǎng)關的連接方式網(wǎng)關的連接方式有兩種：一種是無連接的網(wǎng)關；一種是面向連接的網(wǎng)關。網(wǎng)關可連接異種通信協(xié)議、異種格式化數(shù)據(jù)結構、異種語言、異種體系結構。1.7數(shù)據(jù)通信基礎1.7.1數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)模型一個數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)可劃分為三部分：源系統(tǒng)、傳輸系統(tǒng)和目的系統(tǒng)。圖1-15所示是一個簡單的數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)模型。實際上數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的組成因用途而異。下面對各個系統(tǒng)進行介紹。

圖1-15數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)模型

1．源系統(tǒng)源系統(tǒng)一般包括信源和信號變換器。信源就是發(fā)出待傳送信息的人或設備。信號變換器的作用是將信源發(fā)出的信息變換成適合在信道上傳輸?shù)男盘?，例如，調(diào)制解調(diào)器。

2．目的系統(tǒng)目的系統(tǒng)一般包括信宿和信號變換器。信宿是接收所傳送信息的設備。大部分信源和信宿都是計算機或其他的數(shù)據(jù)終端設備(DTE)。

3．傳輸系統(tǒng)傳輸系統(tǒng)由通信線路及其附屬設備組成，是通信兩端的信道。它也可以是簡單的傳輸線或復雜的網(wǎng)絡系統(tǒng)。另外，一個通信系統(tǒng)客觀上不可避免地存在噪聲干擾，這些干擾分布在數(shù)據(jù)傳輸?shù)母鱾€部分。在數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)模型中，將系統(tǒng)中各種噪聲統(tǒng)一考慮為施加于傳輸系統(tǒng)的噪聲。1.7.2數(shù)據(jù)通信的基本概念

1．數(shù)據(jù)(data)、信息(information)、信號(signal)通信的目的是交換信息，而信息是人們對現(xiàn)實世界事物的存在方式或運動狀態(tài)的某種認識。表示信息的形式可以是文字、數(shù)值、圖形、圖像、聲音、動畫等。數(shù)據(jù)是把事件的某些屬性規(guī)范化后的表現(xiàn)形式，是裝載信息的實體，信息是數(shù)據(jù)的內(nèi)在含義或解釋。

(1)模擬數(shù)據(jù)是在某個區(qū)間內(nèi)連續(xù)的值。如聲音和視頻就是頻率和振幅連續(xù)改變的波形。模擬數(shù)據(jù)大多數(shù)用傳感器收集，如溫度和壓力都是模擬數(shù)據(jù)。

(2)數(shù)字數(shù)據(jù)是離散的值。它用一系列符號代表信息，而每個符號只可以取有限的值，如文本信息和整數(shù)。信號是數(shù)據(jù)的具體物理表現(xiàn)，有著確定的物理描述，如電壓、磁場強度等。信號按其編碼機制可分為模擬信號和數(shù)字信號兩種。

(1)模擬信號是連續(xù)變化的信號，模擬信號的取值可以有無限多個，如聲音的信號電平就是一個連續(xù)變化的波形，如圖1-16(a)所示。

(2)數(shù)字信號是一種離散的脈沖序列，如計算機中要表示1和0，就可以分別用高電平和低電平來表示，如圖1-16(b)所示。

圖1-16模擬信號和數(shù)字信號

2．信道在通信過程中，許多情況下需要使用信道，信道和電路并不等同。信道一般都是用來表示向某一個方向傳送信息的媒體。因此，一條通信電路往往包含一條發(fā)送信道和一條接收信道。一個信道可以看成是一條電路的邏輯部件。信道可以分成傳送模擬信號的模擬信道和傳送數(shù)字信號的數(shù)字信道兩大類。但應注意，數(shù)字信號在經(jīng)過數(shù)/模轉換后就可以在模擬信道上傳送，而模擬信號在經(jīng)過模/數(shù)轉換后也可以在數(shù)字信道上傳送。將數(shù)字數(shù)據(jù)轉換為模擬信號的過程稱為調(diào)制。反過來，將模擬數(shù)據(jù)轉換為數(shù)字信號的過程稱為解調(diào)。信道上傳送的信號還有基帶信號和寬帶信號之分。簡單來說，所謂基帶信號就是將數(shù)字信號1或0直接用兩種不同的電壓來表示，然后送到線路上去傳輸。而寬帶信號則是將基帶信號進行調(diào)制后形成的頻分復用模擬信號?；鶐盘栠M行調(diào)制后，其頻譜搬移到較高的頻率處。由于每一路基帶信號的頻譜被搬移到不同的頻段，因此合在一起后并不會互相干擾。這樣做就可以在一條電纜中同時傳送許多路的數(shù)字信號，從而提高線路的利用率。1.7.3數(shù)據(jù)通信的主要技術指標

1．數(shù)據(jù)傳輸速率數(shù)據(jù)傳輸速率是指每秒能傳輸二進制代碼的位(比特)數(shù)。它反映了數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)每秒內(nèi)所傳送的信息量的多少。單位是“比特每秒”(bit/s，b/s)，又稱為比特率。更常用的比特率的單位還有kbit/s、Mbit/s、Gbit/s、Tbit/s。

2．調(diào)制速率調(diào)制速率即信號在調(diào)制過程中每秒信號狀態(tài)變化的次數(shù)，單位是波特(baud)，通常又稱為波特率或波形速率。

3．信道容量信道容量用來表征一個信道傳輸數(shù)字信號的能力，它以數(shù)據(jù)傳輸速率作為指標，表示一個信道的最大數(shù)據(jù)傳輸速率，單位是“比特每秒”(bit/s)。信道容量與數(shù)據(jù)傳輸速率的區(qū)別是，前者表示信道的最大數(shù)據(jù)傳輸速率，是信道傳輸數(shù)據(jù)能力的極限，而后者是實際的數(shù)據(jù)傳輸速率。

4．誤碼率誤碼率是衡量數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)在正常工作情況下傳輸可靠性的指標。其定義為傳輸出錯的碼元數(shù)占傳輸總碼元數(shù)的比例。假設傳輸總碼元數(shù)為N，傳輸出錯的碼元數(shù)為Ne，則誤碼率Pe?=?Ne/N。傳輸出錯是指信號在物理信道傳輸?shù)倪^程中，由于受到線路本身所產(chǎn)生的隨機噪聲(熱噪聲)的影響，導致信號的幅度、頻率和相位會發(fā)生衰減或畸變。相鄰線路間的干擾，以及各種外界因素(如大氣中的閃電、開關的跳變、外界的強電流磁場的變化、電源電壓的波動等)也會造成信號的失真。信號的任何一點變化或失真，都會造成接收端接收到的二進制數(shù)位(碼元)與發(fā)送端實際上發(fā)出的二進制數(shù)位不一致，如1變?yōu)?，或0變?yōu)?。1.7.4數(shù)據(jù)通信方式數(shù)據(jù)通信按照數(shù)據(jù)流的組織方式分為并行通信與串行通信；按照信號傳送方向與時間的關系，可以分為三種：單工通信、半雙工通信和全雙工通信。按照通信兩端通信的同步方式分為異步通信與同步通信；按照數(shù)據(jù)在通信信道上是否經(jīng)過了調(diào)制處理，可分為基帶傳輸和頻帶傳輸?shù)取?/p>

1．串行通信與并行通信串行通信和并行通信的工作方式如圖1-17所示。

1)串行通信串行通信是在一根數(shù)據(jù)傳輸線上，每次傳送一位二進制數(shù)據(jù)，即數(shù)據(jù)一位接一位地傳送，如圖1-17(a)所示。在傳輸距離遠和傳輸數(shù)字數(shù)據(jù)時，都采用串行通信方式。在同樣的時鐘頻率下，與同時傳輸多位數(shù)據(jù)的并行通信相比，串行通信方式的速度要慢得多。但由于串行通信節(jié)省了大量通信設備和通信線路，在技術上更適合遠距離通信，因此，計算機網(wǎng)絡普遍采用串行通信方式傳輸數(shù)據(jù)。

2)并行通信并行通信方式是將8位、16位或32位的數(shù)據(jù)按照數(shù)位寬度同時進行傳輸，每一個數(shù)位都有相應的數(shù)據(jù)傳輸線和發(fā)送、接收設備，如圖1-17(b)所示。在計算機設備內(nèi)部或主機與高速外設(如打印機、磁盤存儲器)之間，一般都采用并行通信，它可以獲得很高的數(shù)據(jù)傳輸速率。并行通信一般只限于1?m以內(nèi)的極短距離內(nèi)進行。如果要進行遠距離的并行通信，則要求采用多元調(diào)制或復用的信號編碼與變換技術。

圖1-17串行通信與并行通信

2．單工、半雙工、全雙工通信

1)單工通信在通信線路上，數(shù)據(jù)只可按一個固定的方向傳送而不能進行相反方向傳送的通信方式稱為單工通信，如圖1-18(a)所示。如無線電廣播或有線電廣播、電視廣播等就屬于這種類型。圖1-18單工、半雙工和全雙工通信示意圖

2)半雙工通信通信的雙方都可以發(fā)送信息，但雙方不能同時發(fā)送(當然也不能同時接收)，這種通信方式稱為半雙工通信，如圖1-18(b)所示。對講機就屬于這種類型。

3)全雙工通信通信的雙方可以同時發(fā)送和接收信息的通信方式稱為全雙工通信，如圖1-18(c)所示。日常生活中使用的電話就屬于這種類型。1.7.5數(shù)據(jù)