第7章網絡基礎7.1計算機網絡概述7.2計算機網絡的組成7.3計算機網絡協議及體系結構7.4常用局域網的操作與應用7.5計算機網絡安全7.1計算機網絡概述計算機網絡的定義計算機網絡的功能與應用計算機網絡的分類7.1.1計算機網絡的定義計算機網絡是把分布在不同地點，并具有獨立功能的多個計算機系統通過通信設備和線路連接起來，在功能完善的網絡軟件和協議的管理下，以實現網絡中資源共享為目標的系統。計算機互連網絡系統基本模型AB存儲器A機能使用B機的存儲器B機能使用A機的打印機現代計算機網絡邏輯結構示意圖以太網以太網以太網以太網路由器路由器路由器路由器路由器路由器通信子網7.1.2計算機網絡的功能與應用計算機網絡的功能數據通信傳輸各種類型的信息,包括數據信息和圖形、圖像、聲音、視頻流等各種多媒體信息。資源共享硬件資源、軟件資源、數據資源和信道資源分布與協同處理把要處理的任務分散到各個計算機上運行，而不是集中在一臺大型計算機上。提高系統的可靠性和可用性計算機網絡的應用計算機網絡的應用辦公自動化數字通信分布式計算信息查詢遠程教育虛擬現實電子商務企業管理與決策7.1.3計算機網絡的分類根據地理范圍分類

根據網絡連接的地理范圍,可將計算機網絡分成局域網、城域網、廣域網三種類型。

1、局域網（LocalAreaNetwork，LAN）局域網的作用范圍是10km以內，通常用于組建企業網和校園網。局域網連接示意圖服務器工作站工作站工作站打印機2、城域網（WideAreaNetwork，WAN）城域網是局域網的延伸,用于局域網之間的連接,網絡規模局限在一座城市范圍內,覆蓋的地理范圍從幾十至幾百千米。城域網絡路由器計算機城域網鏈接示意圖

3、廣域網（WideAreaNetwork，WAN）

廣域網是指在一個很大地理范圍（從數百公里到數千公里，甚至上萬公里）由許多局域網組成的網絡。廣域網是將遠距離的網絡和資源連接起來的任何系統，主要用在一個地區、行業甚至在全國范圍內組網,達到資源共享的目的。公用交換網MANLANMANLAN廣域網連接示意圖廣域網、城域網和局域網的連接關系示意圖

WAN

MAN

MANLANLANLANLAN4、互聯網

又稱為網際網，是用網絡互連設備將各種類型的廣域網和局域網互聯起來形成的，可以說網際網就是網絡的網絡。例如，Internet就是網際網的典型代表。根據拓撲結構分類

在計算機網絡中，拋開網絡中的具體設備，把服務器、工作站等網絡單元抽象為“點”，把網絡中的電纜、雙絞線等傳輸介質抽象為“線”。

計算機網絡的拓撲結構就是指計算機網絡中的通信線路和結點相互連接的幾何排列方法和模式。拓撲結構影響著整個網絡的設計、功能、可靠性和通信費用等許多方面，是決定局域網性能優劣的重要因素之一。1、總線型拓撲結構

總線型拓撲結構是指所有結點共享一根傳輸總線,所有的站點都通過硬件接口連接在這根傳輸線上。

優點：結構簡單，價格低廉、安裝使用方便。

缺點：故障診斷和隔離比較困難。總線型拓撲結構示意圖打印機磁盤工作站工作站工作站工作站終接器終接器服務器2、星型拓撲結構

星型拓撲結構是符合令牌協議的高速局域網絡。它是以中央結點為中心，把若干外圍結點連接起來的幅射式互連結構。

優點：單點故障不影響全網，結構簡單。增刪節點及維護管理容易；故障隔離和檢測容易，延遲時間較短。

缺點：成本較高，資源利用率低；網絡性能過于依賴中心節點。星型拓撲結構示意圖工作站工作站工作站工作站服務器集線器3、環型拓撲結構

環型拓撲結構將所有網絡結點通過點到點通信線路連接成閉合環路,數據將沿一個方向逐站傳送，每個結點的地位和作用相同，且每個結點都能獲得執行控制權。

優點：簡化路徑選擇控制，傳輸延遲固定,實時性強,可靠性高。

缺點：節點過多時,影響傳輸效率。環某處斷開會導致整個系統的失效，節點的加入和撤出過程復雜。環型拓撲結構示意圖工作站工作站工作站服務器工作站工作站4、樹型拓撲結構

樹型結構是星型結構的擴展，它由根結點和分支結點所構成。

優點：結構比較簡單，成本低。擴充節點方便靈活。

缺點：對根的依賴性大。樹型拓撲結構示意圖工作站工作站打印機服務器集線器集線器集線器集線器5、網狀拓撲結構

網狀拓撲結構中的所有結點之間的連接是任意的,沒有規律。實際存在與使用的廣域網基本上都采用網狀拓撲結構。

優點：具有較高的可靠性。某一線路或節點有故障時，不會影響整個網絡的工作。

缺點：結構復雜，需要路由選擇和流控制功能，網絡控制軟件復雜，硬件成本較高，不易管理和維護。網狀拓撲結構示意圖工作站工作站工作站路由器工作站路由器路由器路由器按傳輸介質分類1、有線網（WiredNetwork）⑴雙絞線：其特點是比較經濟、安裝方便、傳輸率和抗干擾能力一般，廣泛應用于局域網中。⑵同軸電纜：俗稱細纜，現在逐漸淘汰。⑶光纖電纜：特點是光纖傳輸距離長、傳輸效率高、抗干擾性強，是高安全性網絡的理想選擇。2、無線網（WirelessNetwork）

如無線電話網、語音廣播網、無線電視網、微波通信網和衛星通信網等。按交換方式分類

可分成電路交換網（如電話系統）、報文交換、分組交換（如因特網，ATM網絡）。1、電路交換

電路交換是根據電話交換原理發展起來的一種直接交換方式。電路交換的過程分為3個步驟：在傳輸任何數據之前，要先經過呼叫過程建立一條端到端的電路。在整個數據傳輸過程中，所建立的電路必須始終保持連接狀態。數據傳輸結束后，由某一方發出拆除請求然后逐節拆除到對方節點。(1)電路建立(2)數據傳輸(3)電路拆除2、報文交換

報文交換類似于發送信件，是以報文為單位發送信息，不管發送數據的長度是多少都把它當作一個邏輯單元（報文）。

每個報文由報頭、正文和報尾三部分組成。報頭中包含發送計算機的地址和接收信息的計算機地址。通信子網根據報頭目的地址選擇路徑在兩個結點之間的一段鏈路上逐段傳輸，不需要在兩個主機之間建立多個結點組成的通道。主機A主機BCCCDCGCA通信子網CFCBCE報文交換過程3、分組交換

分組交換是報文交換的改進。它將報文分成若干個分組,每個分組的長度有一個上限,有限長度的分組使得每個節點所需的存儲能力降低了，以提高交換速度。分組交換適用于交互式通信，如終端與主機通信。

分組交換是在電路交換和報文交換的基礎上發展起來的,因而結合了兩者的優點,并且有數據報方式和虛電路方式。1010010101…

0110011010首部數據首部數據首部數據報文分組分組的構成按通信協議分類

根據協議把網絡分成以太網（采用CSMA/CD協議）、令牌環網（采用令牌環協議）、分組交換網（采用X.25協議）等。按帶寬速率分類

根據傳輸速率，可分為低速網、中速網和高速網。低速網傳輸速率低于10Kb/s，中速網絡傳輸速率為幾至幾十Mb/s，高速網絡傳輸速率為100M至幾個Gb/s。根據網絡的帶寬，可分為基帶網（窄帶網）和寬帶網。一般說來，高速網是寬帶網，低速網是窄帶網。按適用范圍分類

按使用范圍，可劃分為公用網（如中國公用分組交換網CHINAPAC）和專用網（如公司內部網）。7.2計算機網絡的組成計算機網絡的基本組成計算機網絡協議及體系結構常用局域網的操作與應用計算機網絡安全7.2.1計算機網絡的基本組成一個典型的計算機網絡主要是由計算機系統、數據通信系統、網絡軟件及協議三大部分組成。計算機系統是網絡的基本構成，為網絡內的其他計算機提供共享資源；數據通信系統是連接網絡基本模塊的橋梁，它提供各種連接技術和信息交換技術；網絡軟件是網絡的組織者和管理者，在網絡協議的支持下，為網絡用戶提供各種服務。1、計算機系統

計算機系統主要完成數據信息的收集、存儲、處理和輸出任務，并提供各種網絡資源。計算機系統中，根據在網絡中的用途，可分為服務器和工作站。網絡服務器（Server）

為網絡提供共享資源并對這些資源進行管理的計算機，是網絡的核心。服務器有文件服務器、通信服務器、數據庫服務器、打印服務器、磁盤服務器等，其中文件服務器是最基本的。工作站（WorkStation）

與服務器相對應，其他網絡計算機被稱為網絡工作站，簡稱工作站，一些場合下，也被稱為客戶機（相對于服務器而言）。2、數據通信系統

數據通信系統主要包括網絡適配器、傳輸介質和網絡互連設備等。網絡適配器

網絡適配器俗稱網卡或網絡接口板，它是將服務器、工作站連接到通信介質上并進行電信號的匹配、實現數據傳輸的部件。

網卡通常就是一塊插件板，插在PC機的擴展槽中。計算機通過網卡上的電纜接頭接入網絡的電纜系統。傳輸介質

傳輸介質充當網絡中數據傳輸的通道。傳輸介質決定了網絡的傳輸速率、網絡段的最大長度、傳輸的可靠性及網卡的復雜性。

一般來說，中、高速局域網中使用雙絞線、同軸電纜；在對網速要求很高的場合，如視頻會議，則采用光纖；在遠距離傳輸中，使用光纖和衛星通信線路；在有移動節點的網絡中采用無線通信。網絡互連設備

網卡和傳輸介質將多臺計算機連接起來后，通常網絡中還需要用到一些專用的通信設備，其作用通常是將網與網之間的互連及路徑的選擇。

常用的互連設備有集線器、中繼器、交換機等。3、網絡軟件

網上信息的流通、處理、加工、傳輸和使用則依賴于網絡軟件。網絡軟件大致分為網絡操作系統、網絡數據庫管理系統和網絡應用軟件3個層次。網絡操作系統

網絡操作系統決定網絡的使用方法和使用性能的關鍵。

網絡操作系統主要由服務器操作系統、網絡服務軟件、工作站軟件、網絡環境軟件組成。網絡操作系統能夠讓服務器和客戶機共享文件和打印功能，也提供如通信、安全性和用戶管理等服務。

常見的網絡操作系統有WindowsServer，NetWare和Unix、Linux等。網絡數據庫管理系統

網絡數據庫管理系統可以看作是網絡操作系統的助手或網上的編程工具。通過它，可以將網上各種形式的數據組織起來，科學、系統、高效的進行存儲、處理、傳輸和使用。

目前國內比較常見的網絡數據庫管理系統有SQLServer，Oracle，Sybase，Informix、DB2等。網絡應用軟件

是指能夠為網絡用戶提供各種服務的軟件，它用于提供或獲取網絡上的共享資源。如瀏覽軟件、傳輸軟件、遠程登錄軟件等。4、網絡協議

網絡協議是網絡通信的數據傳輸規范，網絡協議軟件是用于實現網絡協議功能的軟件。

目前,典型的網絡協議軟件有TCP/IP協議、IPX/SPX協議、IEEE802標準協議系列等。其中,TCP/IP是當前異種網絡互連應用最為廣泛的網絡協議軟件。7.2.2資源子網和通信子網

計算機網絡要完成數據處理與數據通信兩大基本功能，因此在邏輯結構上可以將其分成兩部分：資源子網和通信子網。資源子網

是計算機網絡的外層，它由提供資源的主機和請求資源的終端組成。資源子網的任務是負責全網的信息處理。通信子網

是計算機網絡的內層，它的主要任務是將各種計算機互連起來完成數據傳輸、交換和通信處理。CCPCCPCCPCCPCCP通信子網資源子網主機主機主機主機CCP—通信控制處理機資源子網和通信子網7.2.3網絡傳輸介質及連接設備1、網絡傳輸介質

傳輸介質是網絡通信用的信號線路，它提供了數據信號傳輸的物理通道。

按照傳輸介質的特征，可分為有線傳輸介質和無線傳輸介質兩大類：有線傳輸介質包括雙絞線、同軸電纜和光纖等；無線傳輸介質包括無線電、微波、紅外線、衛星通信和移動通信等。有線傳輸介質雙絞線

雙絞線可分為非屏蔽雙絞線（UnshieldedTwistedPair，簡稱為UTP）和屏蔽雙絞線（ShieldedTwistedPair，簡稱為STP）。

同軸電纜

同軸電纜由內、外兩個導體同軸組成。其中，內導體是一根導線，外導體是一個圓柱面，兩者之間有填充物。

外導體能夠屏蔽外界電磁場對內導體信號的干擾。光纖電纜

是網絡傳輸介質中性能最好、應用前途最廣泛的一種。

光纖由纖芯、包層及護套組成。纖芯由玻璃或塑料組成，包層則是玻璃的，護套由塑料組成，用于防止外界的傷害和干擾。

有線傳輸介質性能比較無線傳輸介質

無線傳輸介質有無線電波、微波、紅外線及無線激光等。

傳輸介質性能比較2、網絡連接設備中繼器集線器交換機路由器網關調制解調器中繼器

中繼器（Repeater）又叫轉發器，是局域網互聯的最簡單的設備。

利用中繼器，可以增強網絡線路上衰減的信號，它的兩端即可以連接相同的傳輸媒體，也可以連接不同的媒體，例如一端使用同軸電纜，另一端使用雙絞線。集線器

集線器(Hub)是局域網中重要的部件之一，其實質是一個多端口的中繼器。中繼器通常帶有兩個端口,用于連接一對同軸電纜，而隨著雙絞線以太網的出現,中繼器被做成具有多個端口的裝置，用在星型布線系統中,并稱其為集線器。system4system5system6

HUB1Serversystem1system2system3

HUB2交換機

交換機（Switch）是專門為計算機之間能夠相互通信且獨享帶寬而設計的一種包交換設備。目前交換機已取代傳統集線器在網絡連接中的霸主地位，成為組建和升級以太局域網的首選設備。

交換機能夠解決網絡傳輸碰撞沖突的問題，提高網絡的利用率。交換機的每個端口都有一條獨占的帶寬，當兩個端口工作時，只有發出請示的端口和目的端口之間相互響應，而不影響其他端口的工作，因此，能夠隔離沖突域，有效地抑制廣播風暴的產生。路由器

路由器（Router）用于連接多個邏輯上分開的網絡，可以是幾個使用不同協議和體系結構的網絡。

路由器用于連接不同子網，具有判斷網絡地址和選擇路徑的功能，能過濾和分隔網絡信息流。它能對不同網絡或網段之間的數據信息進行“翻譯”，以使它們能夠相互讀懂對方的數據，從而構成一個更大的網絡。網關

網關的主要作用是實現網絡層以上的不同協議之間的翻譯和轉換工作。

一般來說，網關只進行一對一轉換，或是少數幾種特定應用協議的轉換，網關很難實現通用的協議轉換。

用于網關轉換的應用協議有電子郵件、文件傳輸和遠程工作站登錄等。互聯設備互聯層次應用場合功能優點缺點中繼器物理層互聯相同LAN的多個網段信號放大；延長信號傳送距離互聯容易；價格低；基本無延遲互聯規模有限；不能隔離不需要的流量；無法控制信息傳輸網橋數據鏈路層各種局域網的互聯連接局域網；改善局域網性能互聯容易；協議透明；隔離不必要的流量；交換效率高會產生廣播風暴；不能完全隔離不必要的流量；管理控制能力有限有延遲路由器網絡層LAN與LAN互聯LAN與WAN互聯WAN與WAN互聯路由選擇；過濾信息；網絡管理；適合于大規模復雜網絡互聯；管理控制能力強；充分隔離不必要的流量；安全性好網絡設置復雜；價格高；延遲大；網關傳應輸用層層互聯高層協議不同的網絡；連接網絡與大型主機在高層轉換協議可以互聯差異很大的網絡；安全性好通用性差；不易實現網絡連接設備比較調制解調器

調制解調器（Modem）通常稱為“貓”，它的作用是將計算機的數字信號和能夠以電話線路傳遞的模擬信號相互轉換。調制就是把數字信號轉換成電話線上傳輸的模擬信號，用于發送數據；解調是把模擬信號轉換成數字信號，用于接收信息。

家庭使用電話、光纖接入Internet均要使用相應的調制解調器。調制解調器有傳統的速率為56kbps的調制解調器、ISDN調制解調器、電纜調制解調器，ADSL調制解調器光纖調制解調器等。7.3計算機網絡協議及體系結構網絡協議OSI參考模型TCP/IP參考模型常用網絡通信協議7.3.1網絡協議

網絡協議是計算機網絡中，通信各方事先約定的通信規則的集合。協議通常分為對等層間的對話協議和相鄰層間的接口協議。

網絡協議主要由以下三個要素組成：

①語法。規定如何進行通信，即對通信雙方采用的數據格式、編碼等進行定義。

②語義。規定用于協調雙方動作的信息及其含義，它是發出的命令請求、完成的動作和返回的響應組成的集合,即對發出的請求、執行的動作以及對方的應答做出解釋。

③時序。規定事件實現順序的詳細說明，即確定通信狀態的變化和過程,例如通信雙方的應答關系、是采用同步傳輸還是異步傳輸等。7.3.2OSI參考模型網絡體系結構

網絡體系結構是為了完成計算機間的協同工作，把計算機間互連的功能劃分成具有明確定義的層次，規定了同層次進程通信的協議及相鄰層之間的接口服務。

網絡體系結構是網絡各層及其協議的集合,所研究的是層次結構及其通信規則的約定。網絡系統的層次結構

根據網絡的各種功能，設計一種層次模型，這個層次模型包括兩個方面的內容：

①按照功能將網絡系統分解為功能相對獨立的層次結構。屬于同一層次的發方和收方間的通信必須遵守該層的約定和規程。

②不同層次之間逐層過渡，下層向其相鄰的上層提供服務，以支持上層功能的實現。

采用層次結構的目的是使各廠家在研制計算機網絡系統時有一個共同遵守的標準。OSI參考模型

為了解決不同體系結構的網絡的互聯問題,國際標準化組織ISO(注意不要與OSI搞混）于1984年制定了開放系統互連參考模型OSI/RM（OpenSystemsInterconnectionReferenceModel），簡稱為OSI。 “開放”這個詞表示能使任何兩個遵守參考模型和有關標準的系統都具備互聯的能力。

OSI并不是一般的工業標準，而是一個為制定標準用的概念性框架。OSI參考模型的分層結構

OSI將整個網絡按照功能劃分成7個層次，每個層次完成不同的功能。

這7層由低層至高層，分別是物理層、數據鏈路層、網絡層、傳輸層、會話層、表示層和應用層。TCP/IP模型1、TCP/IP協議的起源美國國防部高級研究計劃局(ARPA)從20世紀60年代開始致力于研究不同類型計算機網絡之間的相互聯接問題,并成功開發出了著名的TCP/IP協議。2、TCP/IP協議的特點⑴開放的協議標準：可以免費使用，并且獨立于特定的計算機硬件與操作系統。⑵獨立于特定的網絡硬件：可以運行在局域網、廣域網,更適用于互聯網中。⑶統一的網絡地址分配方案：使得整個TCP/IP設備在網中都具有唯一的IP地址。⑷標準化的高層協議：可以提供多種可靠的用戶服務。3、TCP/IP模型的層次結構

TCP/IP模型從低到高共分為四層：網絡接口層、網絡層、傳輸層、應用層。網絡互連層是整個TCP/IP協議棧的核心。它的功能是把分組發往目標網絡或主機。應用層面向不同的網絡應用引入不同的應用層協議。網絡接口層網絡層傳輸層應用層物理層數據鏈路層網絡層傳輸層會話層應用層表示層這一層次未被定義，所以其具體的實現方法將隨著網絡類型的不同而不同。傳輸層的功能是使源端主機和目標端主機上的對等實體可以進行會話。TCP/IP模型與OSI模型對照4、TCP/IP模型的數據通信

TCP/IP模型也采用對等層通信的模式，在各層進行數據單元的封裝和解除封裝。

數據傳輸過程如下圖所示。5、TCP/IP各層的功能應用層傳輸層網絡層主要功能是為用戶提供網絡服務，比如FTP、Telnet、DNS和SNMP等。主要功能是提供可靠的數據流傳輸服務,確保端到端應用進程間無差錯地的通信,常稱為端到端（End-to-End）通信。負責異構網或同構網進程間的通信,將傳輸層分組封裝為數據報格式進行傳送,每個數據報必須包含目的地址和源地址。網絡接口層是網絡訪問層，其主要功能是負責與物理網絡的連接。6、TCP/IP協議棧 1969年美國國防部高級研究計劃局（ARPA）按照層次結構思想進行計算機網絡模塊化研究，開發了一組從上到下單向依賴關系的協議棧（ProtocolStack），也叫做協議族。應用層DNSFTP、TELNET、HTTP、SMTPSNMP、TFTP、NTP傳輸層TCPUDP網絡層IP網絡接口層以太網令牌環網802.2HDLC、PPP、FRAME-RELAY802.3EIA/TIA-232、499、V.35、V.217.3.4常用網絡通信協議

目前，局域網中常用的通信協議主要有NetBeui，IPX/SXP及其兼容協議和TCP/IP協議3類。NetBeui協議

用戶擴展接口（NetBIOSExtendedUserInterface，簡稱NetBEUI）協議是最初由IBM開發的非路由協議，它是專門為幾臺到幾百余臺PC所組成的單網段部門級小型局域網而設計的，不能單獨使用它來構建由多個局域網組成的大型網絡。

若需要路由到其他局域網，則必須安裝TCP/IP或IPX/SPX協議。IPX/SPX協議

IPX/SPX協議是網間數據包交換（InternetworkPacketExchange，簡稱IPX）與順序交換（SequencesPacketExchange，簡稱SPX）協議的組合。

其中，IPX協議負責數據包的傳送，SPX負責數據包傳輸的完整性。IPX/SPX協議一般可以應用在大型網絡（如Novell）和局域網環境中。

它是Novell公司為了適應網絡的發展而開發的通信協議，有很強的適應性，安裝方便，同時還具有路由功能，可以實現多網段間的通信。TCP/IP協議

TCP/IP是一個協議的集合，包括了很多協議，如HTTP、FTP、Telnet等，其中最主要的協議是TCP（傳輸控制協議）和IP（網際協議）。 TCP/IP是互聯網的基礎協議，為連接不同操作系統、不同硬件體系結構的互聯網絡提供了通信支持手段，其目的是使不同廠家生產的計算機能在各種網絡環境下通信。 TCP/IP協議采用一種分級的命名規則，通過給每個網絡節點配置一個IP地址、一個子網掩碼、一個網關和一個主機名，使得它容易確定網絡和子網段之間的關系，獲得很好的網絡適應性、可管理性和較高的網絡帶寬使用效率。7.4常用局域網的操作與應用本節為自學內容，請參照課本自學以下內容：網線及其制作組建簡單局域網組建家庭局域網7.5