作者：周舸 编著
出版社：人民邮电出版社
格式: AZW3, DOCX, EPUB, MOBI, PDF, TXT
计算机网络技术基础(第3版)试读：
前言
计算机网络是计算机技术与通信技术相结合的产物。经过半个多世纪的发展，网络技术取得了长足的进步，尤其是在过去的十几年里，计算机网络已经渗透到现代社会的方方面面，并以前所未有的方式改变着人们的生活。与此同时，社会对网络人才的需求越来越迫切，要求越来越多的人掌握计算机网络的基础知识。因此“计算机网络基础”已经成为当代大学生的一门重要课程。本教材第2 版自2008年出版以来，受到了众多高职高专院校的欢迎，为了更好地满足广大高职高专院校的学生对网络知识学习的需要，作者结合近几年的教学改革实践、科研项目以及广大读者的反馈意见，并参考了大量的文献资料，对教材进行了仔细的修订，这次修订的主要内容如下。
• 补充和更新了大量新知识。例如，增加了Internet接入技术、移动IP 与下一代Internet等内容，使全书知识结构更全面。
• 对部分章节进行了调整和完善，删减了过时和太偏工程方面的内容，使全书的知识体系架构更合理。例如，在Internet基础知识一章中补充介绍了IPv4 和IPv6，删除了网络设计与结构化布线一章。
• 更新和补充了课后习题，有利于读者参加高水平的网络认证考试（如CCNA、CCNP 等）。
在本书的修订过程中，作者始终贯彻介绍计算机网络中成熟的理论和最新知识，基础理论以应用为目的，以必要、够用为度。修订后的教材，内容更全面，内容的叙述更加准确和通俗易懂，更有利于教师的教学和读者的自学。为了让读者能够在较短的时间内掌握教材的内容，及时地检查自己的学习效果，巩固和加深对所学知识的理解，每章最后还附有丰富的习题。
全书参考总教学时数为72 学时，其中理论56 学时，实验16 学时。各章的学时分配见下表。
本书由周舸担任主编，编写了本书的所有理论部分及实验。在本书的修订过程中得到了（成都）电子科技大学刘乃琦教授和周光峦教授的关心和指导，周光峦教授仔细审阅了全稿，提出了很多宝贵的意见。何敏、高天等完成了部分文稿的录入工作，周沁、罗福强等完成了部分图片的处理工作，陈爱琦、陈绍琪和高泽金等完成了部分文稿的校对工作。在此，向所有关心和支持本书出版的人表示衷心的感谢！
限于作者的学术水平，书中不妥之处在所难免，敬请读者批评指正，来信请至zhou-ge@163.com。周舸2012年6月第1章 计算机网络基础知识
计算机网络是当今最热门的学科之一，在过去的几十年里取得了长足的发展。近十几年来，因特网（Internet）深入到了千家万户，网络已经成为一种全社会的、经济的、快速的存取信息的必要手段。因此，网络技术对未来的信息产业乃至整个社会都将产生深远的影响。
为了帮助初学者对计算机网络有一个全面的、感性的认识，本章将从介绍计算机网络的发展历程入手，对网络的功能定义、分类、应用以及在我国的发展现状等进行系统的介绍。
本章的学习目标：
• 了解计算机网络产生的历史背景与发展的4个阶段；
• 掌握计算机网络的概念、特点和目标；
• 理解计算机网络的功能；
• 掌握计算机网络的分类；
• 理解计算机网络在当今社会的应用；
• 了解计算机网络在我国的发展现状。1.1 计算机网络的产生与发展
计算机网络是现代通信技术与计算机技术相结合的产物。网络技术的进步正在对当前信息产业的发展产生着重要的影响。纵观计算机网络的发展历史可以发现，计算机网络与其他事物的发展一样，也经历了从简单到复杂，从低级到高级，从单机到多机的过程。在这一过程中，计算机技术和通信技术紧密结合，相互促进，共同发展，最终产生了计算机网络。计算机网络的发展大体上可以分为4个阶段：面向终端的通信互联阶段、计算机互联阶段、网络互联阶段、Internet与高速网络阶段。
1.面向终端的通信网络阶段
1946年，世界上第一台数字计算机ENIAC的问世是人类历史上划时代的里程碑，但最初的计算机数量稀少，并且非常昂贵。当时的计算机大都采用批处理方式，用户使用计算机首先要将程序和数据制成纸带或卡片，再送到中心计算机进行处理。1954年，出现了一种被称做收发器（Transceiver）的功能，人们使用这种终端首次实现了将穿孔卡片上的数据通过电话线路发送到远地的计算机。此后，电传打字机也作为远程终端和计算机相连，用户可以利用在远地电传打字机上输入自己的程序，而计算机计算出来的结果也可以传送到远地的电传打字机上并打印出来，计算机网络的基本原型就这样诞生了。
由于当初的计算机是为批处理而设计的，因此当计算机和远程终端相连时，必须在计算机上增加一个线路控制器（Line Controller）接口。随着远程终端数量的增加，为了避免一台计算机使用多个线路控制器，在20 世纪60年代初期，出现了多重线路控制器（Multiple Line Controller），可以和多个远程终端相连接，这样就构成了面向终端的第一代计算机网络。
在第一代计算机网络中，一台计算机与多台用户终端相连接，用户通过终端命令以交互的方式使用计算机系统，从而将单一计算机系统的各种资源分散到了多个用户手中，极大地提高了资源的利用率，同时也极大地刺激了用户使用计算机的热情，在一段时间内计算机用户的数量迅速增加。但这种网络系统也存在着两个缺点：一是其主机系统的负荷较重，既要承担数据处理任务，又要承担通信任务，导致了系统响应时间过长；二是对于远程终端来讲，一条通信线路只能与一个终端相连，通信线路的利用率较低。
后来又出现了多机联机系统，这种系统的主要特点是在主机和通信线路之间设置前端处理机（FEP），如图1-1（a）所示。前端处理机承担所有的通信任务，减轻了主机的负荷，极大地提高了主机处理数据的效率。另外，在远程终端较密集处增加了一个集中器（Concentrator）。集中器的一端用低速线路与多个终端相连，另一端则用一条较高速的线路与主机相连，如图1-1（b）所示，这样就实现了多台终端共享一条通信线路，提高了通信线路的利用率。图1-1 面向终端的通信网络系统示意图
多机联机系统的典型代表为1963年在美国投入使用的航空订票系统（SABRAI），其中心是设在纽约的一台中央计算机，2000个售票终端遍布全国，使用通信线路与中央计算机相连。
2.计算机互联阶段
随着计算机应用的发展以及计算机的普及和价格的降低，出现了多台计算机互联的需求。这种需求主要来自军事、科学研究、地区与国家经济信息分析决策、大型企业经营管理，希望将分布在不同地点且具有独立功能的计算机通过通信线路互联起来，彼此交换数据、传递信息，如图1-2所示。网络用户可以通过计算机使用本地计算机的软件、硬件与数据资源，也可以使用连网的其他地方的计算机软件、硬件与数据资源，以达到计算机资源共享的目的。图1-2 计算机互联示意图
这一阶段研究的典型代表是美国国防部高级研究计划局（Advanced Research Projects Agency，ARPA）的ARPANET（通常称为ARPA 网）。ARPANET 是世界上第一个实现了以资源共享为目的的计算机网络，所以人们往往将ARPANET 作为现代计算机网络诞生的标志，现在计算机网络的很多概念都来自于ARPANET。
ARPRNET 的研究成果对推动计算机网络发展的意义是十分深远的。在ARPANET 的基础之上，20 世纪70～80年代计算机网络发展十分迅速，出现了大量的计算机网络，仅美国国防部就资助建立了多个计算机网络。同时还出现了一些研究试验性网络、公共服务网络、校园网，如美国加利福尼亚大学劳伦斯原子能研究的OCTOPUS 网、法国信息与自动化研究所的CYCLADES 网、国际气象监测网WWWN、欧洲情报网EIN 等。
在这一阶段中，公用数据网（Public Data Network，PDN）与局部网络（Local Network，LN）技术也得到了迅速的发展。总而言之，计算机网络发展的第二阶段所取得的成果对推动网络技术的成熟和应用极其重要，所研究的网络体系结构与网络协议的理论成果为以后网络理论的发展奠定了坚实的基础，很多网络系统经过适当修改与充实后至今仍在广泛使用。目前国际上应用广泛的Internet就是在ARPANET 的基础上发展起来的。但是，20 世纪70年代后期人们已经看到了计算机网络发展中出现的危机，即网络体系结构与协议标准的不统一限制了计算机网络自身的发展和应用。网络体系结构与网络协议标准必须走国际标准化的道路。
3.网络互联阶段
计算机网络发展的第3个阶段——网络互联阶段是加速体系结构与协议国际标准化的研究与应用的时期。1984年，经过多年卓有成效的工作，国际标准化组织（International Orgnization for Stan dar-dization，ISO）正式制定和颁布了“开放系统互联参考模型”（Open System Interconnection Reference Model，OSI RM）。ISO/OSI RM 已被国际社会所公认，成为研究和制订新一代计算机网络标准的基础。OSI 标准使各种不同的网络互联、互相通信变为现实，实现了更大范围内的计算机资源共享。我国也于1989年在《国家经济系统设计与应用标准化规范》中明确规定选定OSI 标准作为我国网络建设标准。1990年6 月ARPANET 停止运行。随之发展起来的国际Internet的覆盖范围已遍及全球，全球各种各样的计算机和网络都可以通过网络互连设备连入Internet，实现全球范围内的数据通信和资源共享。
ISO/OSI RM 及标准协议的制定和完善正在推动计算机网络朝着健康的方向发展。很多大的计算机厂商相继宣布支持OSI 标准，并积极研究和开发符合OSI 标准的产品。各种符合OSI RM 与协议标准的远程计算机网络、局部计算机网络与城市地区计算机网络已开始广泛应用。随着研究的深入，OSI 标准将日趋完善。
4.Internet与高速网络阶段
目前计算机网络的发展正处于第四个阶段。这一阶段计算机网络发展的特点是：互联、高速、智能与更为广泛的应用。Internet是覆盖全球的信息基础设施之一，对于用户来说，Internet是一个庞大的远程计算机网络，用户可以利用Internet实现全球范围的信息传输、信息查询、电子邮件、语音与图像通信服务等功能。实际上Internet是一个用网络互连设备实现多个远程网和局域网互联的国际网。
在Internet发展的同时，随着网络规模的增大与网络服务功能的增多，高速网络与智能网络（Intelligent Network，IN）的发展也引起了人们越来越多的关注和兴趣。高速网络技术发展表现在宽带综合业务数据网（Broadband Integrated Service Digital Network，B-ISDN）、帧中继、异步传输模式（Asynchronous Transfer Mode，ATM）、高速局域网、交换式局域网与虚拟网络上。1.2 计算机网络概述
1.2.1 计算机网络的基本概念
所谓计算机网络，就是把分布在不同地理区域的计算机与专门的外部设备用通信线路互联成一个规模大、功能强的网络系统，从而使众多的计算机可以方便地互相传递信息，共享硬件、软件、数据信息等资源。
计算机网络主要包含连接对象、连接介质、连接的控制机制和连接的方式等4个方面。“对象”主要是指各种类型的计算机（如大型机、微型计算机、工作站等）或其他数据终端设备；“介质”是指通信线路（如双绞线、同轴电缆、光纤、微波等）和通信设备（如网桥、网关、中继器、路由器等）；“控制机制”主要是指网络协议和各种网络软件；“连接方式”主要是指网络所采用的拓扑结构（如星型、环型、总线型和网状型等）。
1.2.2 通信子网和资源子网
从功能上分，计算机网络系统可以分为通信子网和资源子网两大部分，计算机网络的结构如图1-3所示。通信子网提供数据通信的能力，资源子网提供网络上的资源以及访问能力。图1-3 计算机网络结构示意图
1.通信子网
通信子网由通信控制处理机（Communication Control Processor，CCP）、通信线路和其他网络通信设备组成，主要承担全网的数据传输、转发、加工、转换等通信处理工作。
通信控制处理机在网络拓扑结构中通常被称为网络节点。其主要功能一是作为主机和网络的接口，负责管理和收发主机和网络所交换的信息；二是作为发送信息、接收信息、交换信息和转发信息的通信设备，负责接收其他网络节点送来的信息，并选择一条合适的通信线路发送出去，完成信息的交换和转发功能。
通信线路是网络节点间信息传输的通道，通信线路的传输媒体主要有双绞线、同轴电缆、光纤、无线电和微波等。
2.资源子网
资源子网主要负责全网的数据处理业务，向全网用户提供所需的网络资源和网络服务。资源子网主要由主机（Host）、终端（Terminal）、终端控制器、连网外部设备以及软件资源和信息资源等组成。
主机是资源子网的重要组成单元，既可以是大型机、中型机、小型机，也可以是局域网中的微型计算机。主机是软件资源和信息资源的拥有者，一般通过高速线路和通信子网中的节点相连。
终端是直接面向用户的交互设备。终端的种类很多，如交互终端、显示终端、智能终端、图形终端等。
连网外部设备主要是指网络中的一些共享设备，如高速打印机、绘图仪和大容量硬盘等。1.3 计算机网络的功能
社会及科学技术的发展为计算机网络的发展提供了更加有利的条件。计算机网络与通信网的结合，可以使众多的个人计算机不仅能够同时处理文字、数据、图像、声音等信息，还可以使这些信息四通八达，及时地与全国乃至全世界的信息进行交换。计算机网络的主要功能归纳起来主要有以下几点。
1.数据通信
数据通信是计算机网络最基本的功能，为网络用户提供了强有力的通信手段。计算机网络建设的主要目的之一就是使分布在不同物理位置的计算机用户相互通信和传送信息（如声音、图形、图像等多媒体信息）。计算机网络的其他功能都是在数据通信功能基础之上实现的，如发送电子邮件、远程登录、联机会议、WWW 等。
2.资源共享（1）硬件和软件的共享。计算机网络允许网络上的用户共享不同类型的硬件设备，通常有打印机、光驱、大容量的磁盘以及高精度的图形设备等。软件共享通常是指某一系统软件或应用软件（如数据库管理系统），如果占用的空间较大，则可将其安装到一台配置较高的服务器上，并将其属性设置为共享，这样网络上的其他计算机即可直接利用，极大地节省了计算机的硬盘空间。（2）信息共享。信息也是一种宝贵的资源，Internet就像一个浩瀚的海洋，有取之不尽、用之不竭的信息与数据。每一个连入Internet的用户都可以共享这些信息资源。例如，各类电子出版物、网上新闻、网上图书馆和网上超市等。
3.均衡负荷与分布式处理
当网络中某台计算机的任务负荷太重时，可将任务分散到网络中的各台计算机上进行，或由网络中比较空闲的计算机分担负荷。这样既可以处理大型的任务，使其中一台计算机不会负担过重，又提高了计算机的可用性，起到了均衡负荷和分布式处理的作用。
4.提高计算机系统的可靠性
提高计算机系统的可靠性也是计算机网络的一个重要功能。在计算机网络中，每一台计算机都可以通过网络为另一台计算机备份以提高计算机系统的可靠性。这样，一旦网络中的某台计算机发生了故障，另一台计算机可代替其完成所承担的任务，整个网络可以照常运转。1.4 计算机网络的分类和拓扑结构
1.4.1 计算机网络的分类
用于计算机网络分类的标准很多，如拓扑结构、应用协议、传输介质、数据交换方式等。但是这些标准只能反映网络某方面的特征，不能反映网络技术的本质。最能反映网络技术本质特征的分类标准是网络的覆盖范围，按网络的覆盖范围可以将网络分为局域网（Local Area Network，LAN）、广域网（Wide Area Network，WAN）、城域网（Metropolitan Area Network，MAN）和国际互联网（Internet），如表1-1所示。表1-1 不同类型网络之间的比较（1）局域网。局域网的地理分布范围在几千米以内，一般局域网络建立在某个机构所属的一个建筑群内或一个学校的校园内部，甚至几台计算机也能构成一个小型局域网络。由于局域网的覆盖范围有限，数据的传输距离短，因此局域网内的数据传输速率都比较高，一般在（10～100）Mbit/s，现在高速的局域网传输速率可达到1000 Mbit/s。（2）广域网。广域网也称为远程网，是远距离的大范围的计算机网络。这类网络的作用是实现远距离计算机之间的数据传输和信息共享。广域网可以是跨地区、跨城市、跨国家的计算机网络，覆盖范围一般是几千米到几千米的广阔地理区域，通信线路大多借用公用通信网络（如公用电话网PSTN）。由于广域网涉辖的范围很大，联网的计算机众多，因此广域网上的信息量非常大，共享的信息资源极为丰富。但是广域网的数据传输速率比较低，一般在64 kbit/s～2 Mbit/s。（3）城域网。城域网的覆盖范围在局域网和广域网之间，一般为几千米到几十千米，通常在一个城市内。（4）国际Internet。Internet并不是一种具体的网络技术，而是将同类和不同类的物理网络（局域网、广域网和城域网）通过某种协议互联起来的一种高层技术。
1.4.2 计算机网络的拓扑结构
拓扑（Topology）是从图论演变而来的，是一种研究与大小形状无关的点、线、面特点的方法。网络拓扑结构是指用传输介质互联各种设备的物理布局，通俗地讲就是这个网络看起来是一种什么形式。将工作站、服务器等网络单元抽象为“点”，网络中的通信介质抽象为“线”，从拓扑学的观点来看计算机和网络系统就形成了点和线组成的几何图形，从而抽象出网络系统的具体结构。网络拓扑结构并不涉及网络中信号的实际流动，而只是关心介质的物理连接形态。网络拓扑结构对整个网络的设计、功能、可靠性和成本等方面具有重要的影响。
常见的计算机网络的拓扑结构有星型、环型、总线型、树型和网状型。（1）星型拓扑网络。在星型拓扑网络结构中，各节点通过点到点的链路与中央节点连接，如图1-4所示。中央节点可以是转接中心，起到连通的作用；也可以是一台主机，此时具有数据处理和转接的功能。星型拓扑网络的优点是很容易在网络中增加和移动节点，容易实现数据的安全性和优先级控制；缺点是属于集中控制，对中央节点的依赖性大，一旦中心节点有故障就会引起整个网络的瘫痪。图1-4 星型拓扑结构（2）环型拓扑网络。在环型拓扑网络中，节点通过点到点通信线路连接成闭合环路，如图1-5所示。环中数据将沿一个方向逐站传送。环型拓扑网络结构简单，传输延时确定，但是环中每个节点与连接节点之间的通信线路都会成为网络可靠性的屏障。环中某一个节点出现故障就会造成网络瘫痪。另外，对于环型网络，网络节点的增加和移动以及环路的维护和管理都比较复杂。（3）总线型拓扑网络。在总线型拓扑网络中，所有节点共享一条数据通道，如图1-6所示。一个节点发出的信息可以被网络上的每个节点接收。由于多个节点连接到一条公用信道上，所以必须采取某种方法分配信道，以决定哪个节点可以优先发送数据。
总线型网络结构简单，安装方便，需要铺设的线缆最短，成本低，并且某个站点自身的故障一般不会影响整个网络，因此是普遍使用的网络之一。其缺点是实时性较差，总线上的故障会导致全网瘫痪。（4）树型拓扑网络。在树型拓扑结构中，网络的各节点形成了一个层次化的结构，如图1-7所示。
树中的各个节点通常都为主机，树中低层主机的功能和应用有关，一般都具有明确定义功能，如数据采集、变换等；高层主机具备通用的功能，以便协调系统的工作，如数据处理、命令执行等。一般来说，树型拓扑网络的层次数量不宜过多，以免转接开销过大，使高层节点的负荷过重。若树型拓扑结构只有两层，就变成了星型结构，因此，树型拓扑结构可以看做是星型拓扑结构的扩展结构。（5）网状型拓扑网络。在网状型拓扑网络中，节点之间的连接是任意的，没有规律，如图1-8所示。其主要优点是可靠性高，但结构复杂，必须采用路由选择算法和流量控制方法。广域网基本上都是采用网状型拓扑结构。图1-5 环型拓扑结构图1-6 总线型拓扑结构图1-7 树型拓扑结构图1-8 网状型拓扑结构1.5 计算机网络的应用
随着现代信息社会进程的推进、通信和计算机技术的迅猛发展，计算机网络的应用也越来越普及，如今计算机网络几乎深入到社会的各个领域。Internet已成为家喻户晓的网络名称，成为当今世界上最大的计算机网络，同时也是一条贯穿全球的“信息高速公路主干道”。计算机网络主要提供如下服务，通过这些服务人们可以将计算机网络应用于社会的方方面面。
1.计算机网络在企事业单位中的应用
计算机网络可以使企事业单位和公司内部实现办公自动化，做到各种软硬件资源共享。如果将内部网络联入Internet还可以实现异地办公。例如，通过WWW 或电子邮件，公司就可以很方便地与分布在不同地区的子公司或其他业务单位建立联系，不仅能够及时地交换信息还实现了无纸办公。在外的员工通过网络可以与公司保持通信，得到公司的指示和帮助。企业可以通过Internet收集市场信息并发布企业产品信息，取得良好的经济效益。
2.计算机网络在个人信息服务中的应用
计算机网络在个人信息服务中的应用与单位网络的工作方式不同：家庭和个人一般拥有一台或几台微型计算机，通过电话交换网或光纤连到公共数据网；家庭和个人一般希望通过计算机网络获得各种信息服务。一般来说，个人通过计算机网络获得的信息服务主要是以下3 类。（1）远程信息的访问。可以通过WWW 方式访问各类信息系统，包括政府、教育、艺术、保健、娱乐、科学、体育、旅游等各方面的信息，甚至是各类的商业广告。随着报纸走向在线与个人化，人们可以通过网络查看报纸或新闻，或是通过频道技术自动下载感兴趣的内容。
目前，一种很广泛的应用是个人财务服务。很多人通过网络接收账单、管理银行账户以及处理投资。通过计算机网络进行家庭购物变得越来越普遍，目前美国提供这类服务的公司有好几千家，通过网络公布各种商品的价格、规格与性能，人们可以从网上看到各种商品的照片，通过在线方式向公司定购商品。（2）个人与个人之间的通信。20 世纪个人与个人之间通信的基本工具是电话，21 世纪个人与个人之间通信的基本工具则是计算机网络。电子邮件目前已广泛应用。初期的电子邮件用于传送文本文件，后来进一步用于传送语音与图像文件。
现在Internet上存在很多新闻组，参加新闻组的人可以在网上对某个感兴趣的问题进行讨论，或是阅读有关方面的资料，这是计算机网络应用中很受欢迎的一种通信方式。（3）家庭娱乐。家庭娱乐正在对信息服务业产生着巨大的影响，可以让人们在家里点播电影和电视节目。目前，一些发达国家已经开展了这方面的服务。新的电影可能成为交互式的，观众在看电影时可以不时参与到电影情节中去。家庭电视也可以成为交互的，观众可以参与到猜谜等活动之中。
家庭娱乐中最重要的应用在游戏上。目前，已经有很多人喜欢上多人实时仿真游戏。如果使用虚拟现实的头盔与三维、实时、高清晰度的图像，就可以共享虚拟现实的很多游戏和训练。
3.网络在商业上的应用
随着计算机网络的广泛应用，电子资料交换（Electronic Data Interchange，EDI）已成为国际贸易往来的一个重要手段，以一种共同认可的资料格式使分布在全球各地的贸易伙伴通过计算机传输各种贸易单据，代替了传统的贸易单据，节省了大量的人力和物力，提高了效率。例如，网上商店实现了网上购物、网上付款的网上消费梦想。
总之，随着网络技术的发展和各种网络应用的需求，计算机网络应用的范围和领域在不断地扩大、拓宽，许多新的计算机网络应用系统不断地被开发出来，如远程教学、远程医疗、工业自动控制、电子博物馆、数字图书馆、全球情报检索与信息查询、电视会议、电子商务等。计算机网络技术的迅速发展和广泛应用必将对21 世纪的经济、教育、科技、文化的发展以及人们的工作和生活产生重要的影响。小结
本章主要讲述了以下一些内容。（1）计算机网络是现代通信技术与计算机技术相结合的产物，网络技术的进步正在对当今的信息产业以及整个社会的发展产生着重要的影响。（2）计算机网络的发展大体上可以分为4个阶段：面向终端的通信网络阶段、计算机互联阶段、网络互联阶段、Internet与高速网络阶段。（3）计算机网络是把分布在不同地理区域的计算机与专门的外部设备用通信线路互联成一个规模大、功能强的网络系统，从而使众多的计算机可以方便地互相传递信息，共享硬件、软件、数据信息等资源。（4）从功能上说，计算机网络系统可以分为通信子网和资源子网两大部分。通信子网由通信控制处理机、通信线路和其他网络通信设备组成，主要承担全网的数据传输、转发、加工、转换等通信处理工作。资源子网由主机、终端、终端控制器、连网外部设备以及软件资源和信息资源等组成，主要负责全网的数据处理业务，向全网用户提供所需的网络资源和网络服务。（5）以Internet为代表，标志着第四代计算机网络的兴起。目前，计算机网络的发展正处于第四阶段，这一阶段的特点是互联、高速、智能与更为广泛的应用。（6）Internet是覆盖全球的信息基础设施之一，是当今世界上最大的计算机网络，同时也是一条贯穿全球的“信息高速公路主干道”。对于用户来说，Internet计算机网络技术基础（第3 版）是一个庞大的远程计算机网络，用户可以利用Internet实现全球范围的信息传输、信息查询、电子邮件、语音与图像通信服务等功能。（7）计算机网络的主要功能有数据通信、资源共享、均衡负荷与分布式处理、提高计算机系统的可靠性。（8）计算机网络的分类标准很多，如拓扑结构、应用协议、传输介质、数据交换方式等，但最能反映网络技术本质特征的分类标准是网络的覆盖范围。按网络的覆盖范围可以将网络分为局域网、广域网、城域网和Internet。（9）网络拓扑结构是指用传输介质互联各种设备的物理布局，并不涉及网络中信号的实际流动，而只是关心介质的物理连接形态。网络拓扑结构对整个网络的设计、功能、可靠性和成本等方面具有重要的影响。常见的计算机网络的拓扑结构有星型、环型、总线型、树型和网状型。（10）当今的计算机网络已经深入到了社会的各个领域，其应用范围主要在企事业单位、远程信息的访问、个人与个人间的通信、家庭娱乐以及电子商务等。（11）Internet在中国的发展时间并不长，目前国内已建成了中国教育科研网、中国公用计算机Internet、中国金桥网、中国科技网等多个主要的骨干广域网。习题1
一、名词解释（在每个术语前的下划线上标出正确定义的序号）
______1.计算机网络 ______2.局域网
______3.城域网 ______4.广域网
______5.通信子网 ______6.资源子网
A.用于有限地理范围（如一幢大楼），将各种计算机、外部设备互联起来的计算机网络
B.由各种通信控制处理机、通信线路与其他通信设备组成，负责全网的通信处理任务
C.覆盖范围从几十千米到几千千米，可以将一个国家、一个地区或横跨几个洲的网络互联起来
D.可以满足几十千米范围内的大量企业、机关、公司的多个局域网互联的需要，并能实现大量用户与数据、语音、图像等多种信息传输的网络
E.由各种主机、终端、连网外部设备、软件与信息资源组成，负责全网的数据处理业务，并向网络用户提供各种网络资源与网络服务
F.把分布在不同地理区域的计算机与专门的外部设备用通信线路互联成一个规模大、功能强的网络系统，从而使众多的计算机可以方便地互相传递信息，共享硬件、软件、数据信息等资源
二、填空题
1.计算机网络是______技术和______技术相结合的产物。
2.计算机网络系统是由通信子网和______组成的。
3.局域网的英文缩写为______，城域网的英文缩写为______，广域网的英文缩写为______。
4.以______为代表，标志着第四代计算机网络的兴起。
5.中国Internet的主干网是______。
三、单项选择题
1.早期的计算机网络由 组成系统。
A.计算机——通信线路——计算机 B.PC——通信线路——PC
C.终端——通信线路——终端 D.计算机——通信线路——终端
2.计算机网络中实现互联的计算机之间是______进行工作的。
A.独立 B.并行 C.相互制约 D.串行
3.在计算机网络中处理通信控制功能的计算机是______。
A.通信线路 B.终端 C.主计算机 D.通信控制处理机
4.在计算机和远程终端相连时必须有一个接口设备，其作用是进行串行和并行传输的转换，以及进行简单的传输差错控制，该设备是______。
A.调制解调器 B.线路控制器
C.多重线路控制器 D.通信控制器
5.在计算机网络发展过程中，______对计算机网络的形成与发展影响最大。
A.ARPANET B.OCTOPUS C.DATAPAC D.NOVELL
6.一座大楼内的一个计算机网络系统属于______。
A.PAN B.LAN C.MAN D.WAN
7.下述对广域网的作用范围叙述最准确的是______。
A.几千米到几十千米 B.几十千米到几百千米
C.几百千米到几千千米 D.几千千米以上
四、问答题
1.什么是计算机网络？计算机网络由哪几部分组成？
2.什么是通信子网和资源子网，分别有什么特点？
3.计算机网络的发展可以分为几个阶段？每个阶段各有什么特点？
4.简述计算机网络的主要功能。
5.按照覆盖范围来分，计算机网络可以分为哪几类？
6.局域网、城域网和广域网的主要特征是什么？
7.计算机网络可以应用在哪些领域？分别举例说明。第2章 数据通信技术
计算机网络是计算机技术与通信技术相结合的产物，而通信技术本身的发展也和计算机技术的应用有着密切的关系。数据通信就是以信息处理技术和计算机技术为基础的通信方式，为计算机网络的应用和发展提供了技术支持和可靠的通信环境。本章主要对数据通信的基本概念、传输介质的主要特性及应用、数据交换技术、数据传输技术、数据编码技术、差错控制技术等问题进行系统的讲述。学好本章的内容将对读者理解计算机网络中最基本的数据通信知识有很大的帮助。
本章的学习目标：
• 掌握数据通信的基本概念；
• 掌握网络传输介质的类型以及各类传输介质的特性和应用；
• 理解各类数据交换技术的基本工作原理和特点；
• 掌握频带传输的基本概念、调制解调器的基本工作原理及类型；
• 理解多路复用技术的分类和特点；
• 理解和掌握数据编码的类型和基本方法；
• 掌握数据差错的类型以及差错控制的常用方法。2.1 数据通信的基本概念
2.1.1 信息、数据与信号（1）信息的概念。通信的目的是交换信息（Information）。一般认为信息是人们对现实世界事物存在方式或运动状态的某种认识。信息的载体可以是数值、文字、图形、声音、图像以及动画等。任何事物的存在都伴随着相应信息的存在，信息不仅能够反映事物的特征、运动和行为还能够借助媒体（如空气、光波、电磁波等）传播和扩散。这里把“事物发出的消息、情报、数据、指令、信号等当中包含的意义”定义为信息。（2）数据的概念。数据是指把事件的某些属性规范化后的表现形式，可以被识别，也可以被描述。数据可分为模拟数据与数字数据两种。
模拟数据在时间和幅度取值上都是连续的，其电平随时间连续变化。例如，语音是典型的模拟数据，其他由模拟传感器接收到的数据如温度、压力、流量等也是模拟数据。
数字数据在时间上是离散的，在幅值上是经过量化的，一般是由“0”、“1”二进制代码组成的数字序列。（3）信号的概念。信号是数据的具体物理表现，是信息（数据）的一种电磁编码，具有确定的物理描述。信号中包含了所要传递的信息，如电压、磁场强度等。信号一般以时间为自变量，以表示信息（数据）的某个参量（振幅、频率或相位）为因变量。
信息、数据、信号三者的关系是：信息一般是用数据来表示的，而表示信息的数据通常要转变为信号进行传递。
2.1.2 模拟信号与数字信号
线路上传输的电信号按其因变量的取值是否连续可分为模拟信号和数字信号。（1）模拟信号的概念。模拟信号是指波高和频率（每秒的波数）是连续变化的信号，如图2-1（a）所示，如电视图像信号、语音信号、温度压力传感器的输出信号等。在模拟线路上，模拟信号（如电话中的声音）是通过电流和电压的变化进行传输的。（2）数字信号的概念。数字信号是指离散的信号，如图2-1（b）所示，如计算机使用的由“0”和“1”组成的信号。数字信号在通信线路上传输时要借助电信号的状态来表示二进制代码的值。电信号可以呈现两种状态，分别用“0”和“1”表示。图2-1 模拟信号和数字信号波形（3）模拟信号和数字信号的关系。数字信号和模拟信号的区别可以这样描述：数字信号只包括“开”和“关”两种离散的状态；模拟信号则包括从“开”到“关”之间的所有状态。
虽然模拟信号与数字信号有着明显的差别，但二者之间并没有存在不可逾越的鸿沟，在一定条件下是可以相互转化的。模拟信号可以通过采样、编码等步骤变成数字信号，而数字信号也可以通过解码、平滑等步骤恢复为模拟信号。
2.1.3 基带信号与宽带信号
信号的第二种分类方法是将信号分为基带信号（Baseband）和宽带信号（Broadband）。基带信号是指将计算机发送的数字信号“0”或“1”用两种不同的电压表示后直接送到通信线路上传输的信号。宽带信号是指基带信号经过调制后形成的频分复用模拟信号。
2.1.4 信道及信道的分类
1.信道的概念
传输信息的必经之路称为信道，包括传输介质和通信设备。传输介质可以是有线传输介质，如电缆、光纤等，可以是无线传输介质，如电磁波。
2.信道的分类
信道可以按不同的方法进行分类，常见的分类方法如下。（1）有线信道和无线信道。使用有线传输介质的信道称为有线信道，主要包括双绞线、同轴电缆和光缆等。以电磁波在空间传播的方式传送信息的信道称为无线信道，主要包括无线电、微波、红外线和卫星通信信道等。（2）物理信道和逻辑信道。物理信道是指用来传送信号或数据的物理通路，网络中两个节点之间的物理通路称为通信链路，物理信道由传输介质及有关设备组成。逻辑信道也是一种通路，但在信号收、发点之间并不存在一条物理上的传输介质，而是在物理信道基础上由节点内部的边来实现，通常把逻辑信道称为“连接”。（3）数字信道和模拟信道。传输离散数字信号的信道称为数字信道，利用数字信道传输数字信号时不需要进行变换，通常需要进行数字编码；传输模拟信道的信道称为模拟信道，利用模拟信道传送数字信号时需要经过数字与模拟信号之间的变换。
2.1.5 数据通信的技术指标（1）传输速率。传输速率是指信道上传输信息的速度，是描述数据传输系统的重要技术指标之一。传输速率一般有两种表示方法，即信号速率和调制速率。
信号速率是指单位时间内所传送的二制位代码的有效位数，以每秒多少比特数计，单位为比特/秒（bit/s）。数字信号的速率通常用“比特/秒”来表示。
调制速率是指每秒传送的脉冲数，即波特率，单位为波特/秒（Baud/s），是指信号在调制过程中调制状态每秒钟转换的次数。一“波特”即模拟信号的一个状态，不仅表示一位数据，而且代表了多位数据。所以，“波特”与“比特”的意义是不同的，模拟信号的速率通常用“波特/秒”来表示。（2）信道带宽。信道带宽是指信道中传输的信号在不失真的情况下所占用的频率范围，单位用赫兹（Hz）表示。为了更好地理解带宽的概念，不妨用人的听觉系统打个比方：人耳所能感受的声波范围是20 ～20000 Hz，低于这个范围的称为次声波，高于这个范围的称为超声波，人的听觉系统无法将次声波和超声波传递到大脑，所以用20000 Hz 减去20 Hz 所得的值就好比是人类听觉系统的带宽。数据通信系统的信道传输的不是声波，而是电磁波（包括无线电波、微波、光波等），其带宽就是所能传输电磁波的最大有效频率减去最小有效频率所得到的值。（3）信道容量。信道容量是衡量一个信道传输数字信号的重要参数。信道的传输能力是有一定限制的，某个信道传输数据的速率有一个上限，即单位时间内信道上所能传输的最大比特数，将其称为信道容量。无论采用何种编码技术，传输数据的速率都不可能超过这个上限，否则信号就会失真。（4）信道带宽和信道容量的关系。理论分析证明，信道的容量与信道带宽成正比关系，即信道带宽越宽，数据传输速率就越快，所以人们有时愿意将“带宽”作为信道所能传送的“最高速率”的同义语，尽管这种叫法不太严格。
2.1.6 通信方式
通信方式是指通信双方的信息交互的方式，在设计一个通信系统时，还要回答以下3个问题：
• 是采用单工通信方式，还是采用半双工或全双工通信方式？
• 是采用串行通信方式，还是采用并行通信方式？
• 是采用同步通信方式，还是采用异步通信方式？
1.单工、半双工与全双工通信
按照信号传送方向与时间的关系，可以将数据通信分为以下3 种方式。（1）单工通信。单工通信是指通信双方只能由一方将数据传输给另一方，数据信号只能沿一个方向传输，发送方只能发送不能接收，接收方只能接收而不能发送，任何时候都不能改变信号的传送方向，如图2-2所示。例如，有线电视广播就是一种单工通信方式，电视台只能发送信息，用户的电视机只能接收信息。（2）半双工通信。半双工通信是指通信的双方都可以发送和接收信息，但不能同时发送（当然也不能同时接收），只能交替进行。这种通信方式是一方发送信息，另一方接收信息，一段时间后再反过来（通过开关装置进行切换），如图2-3所示。例如，对讲机和步话机的工作方式就是典型的半双工通信。图2-2 单工通信方式图2-3 半双工通信方式（3）全双工通信。全双工通信是指通信的双方可以同时发送和接收信息。全双工通信需要两条信道，一条用来接收信息，另一条用来发送信息，其通信效率很高，但结构复杂、成本高，如图2-4所示。例如，在电话系统中，用户既可以打电话，又可以接电话。在正常的电话通信过程中，通话的一方在说话，另一方在听电话，当然在不同的时刻，说话和听电话的双方是可以相互转换的，这时的电话通信就属于半双工的通信方式。如果通话的双方发生争吵，同时发表意见，采用的就是全双工通信方式。图2-4 全双工通信方式
目前大多数网络中的通信都实现了全双工通信。
2.串行通信和并行通信
在计算机中通常是用8 位二进制代码（1 字节）来表示一个字符。按照字节使用的信道数，可以将数据通信分为以下两种方式。（1）串行通信。在数据通信中，可以采用如图2-5所示的方式，将待传送的每个字符的二进制代码按由低到高的顺序，依次发送，这种工作方式称为串行通信。由于计算机内部都采用并行通信，因此，数据在发送之前，要先将计算机中的字符进行并/串转换，在接收端再通过串/并转换，还原成计算机的字符结构，这样才能实现串行通信。串行通信的优点是收、发双方只需要一条传输信道，易于实现，成本低；缺点是速度比较慢。在远程数据通信中，一般都采用串行通信方式。（2）并行通信。并行通信是指数据以成组的方式在多个并行信道上同时进行传输。常用的方式是将构成1个字符代码的几位二进制比特分别通过几条并行的信道同时传输，例如，并行传输中一次传送8 比特，如图2-6所示。并行传输的优点是速度快，但发送与接收端之间有若干条线路，费用高，仅适合于近距离和高速数据通信的环境下使用。图2-5 串行通信方式图2-6 并行通信方式
3.同步技术
同步是数字通信中必须要解决的一个重要问题。所谓同步，就是要求通信的收发双方在时间基准上保持一致。在串行通信中，通信双方交换数据，需要有高度的协同动作，彼此间传输数据的速率、每个比特持续的时间和间隔都必须相同。下面举个例子来说明同步的重要性。
甲打电话给乙，当甲拨通电话并确定对方就是他要找的人时，双方就可以进入通话状态。在通话过程中，甲要讲清楚每个字，在每讲完一句话时需要停顿一下。乙也要适应甲的说话速度，听清楚对方讲的每一个字，并根据讲话人的语气和停顿来判断一句话的开始与结束，这样才可能听懂对方所说的每句话，这就是人们在电话通信过程中需要解决的“同步”问题。
与人们通过电话进行通信的过程相似，在数据通信过程中，收发双方同样也要解决同步问题，只是问题更复杂一些。常用的同步技术有以下两种。（1）异步通信方式。在异步方式中，每传送1个字符都要在每个字符码前加1个起始位，以表示字符代码的开始；在字符代码和校验位后面加1 或2个停止位，表示字符结束。接收方根据起始位和停止位来判断一个新字符的开始和结束，从而起到通信双方的同步作用，如图2-7所示。异步方式的实现比较简单，但每传输一个字符都需要多使用2 到3 位，所以适合于低速通信。图2-7 异步通信方式（2）同步通信方式。在同步方式中，传输的信息格式是一组字符或一个二进制位组成的数据块（帧）。对这些数据，不需要附加起始位和停止位，而是在发送一组字符或数据块之前先发送一个同步字符SYN（以01101000 表示）或一个同步字节（01111110），用于接收方进行同步检测，从而使收发双方进入同步状态。在同步字符或字节之后，可以连续发送任意多个字符或数据块，发送数据完毕后，再使用同步字符或字节来标识整个发送过程的结束，如图2-8所示。图2-8 同步通信方式
在同步传送时，由于发送方和接收方将整个字符组作为一个单位传送，且附加位又非常少，从而提高了数据传输的效率。这种方法一般用在高速传输数据的系统中，例如，计算机之间的数据通信。
另外，在同步通信中，要求收发双方的时钟严格地同步，而使用同步字符或同步字节，只是用于同步接收数据帧，只有保证了接收端接收的每一个比特都与发送端保持一致，接收方才能正确地接收数据，这就要使用位同步的方法。对于位同步，可以使用一个额外的专用信道发送同步时钟来保持双方同步，也可以使用编码技术将时钟编码到数据中，在接收数据的同时就获取到同步时钟，两种方法相比，后者的效率更高，使用的最为广泛。2.2 传输介质的主要特性和应用
网络上数据的传输需要有“传输媒体”，好比是车辆必须在公路上行驶一样，道路质量的好坏会影响到行车的安全舒适。同样，网络传输介质的质量好坏也会影响数据传输的质量。
2.2.1 传输介质的主要类型
常用的网络传输介质可分为两类：一类是有线的，另一类是无线的。有线传输介质主要有双绞线（Twisted Pair，包括屏蔽双绞线和非屏蔽双绞线）、同轴电缆（Coaxial Cable）及光纤（Fiber Optics），如图2-9所示；无线传输介质有无线电和微波等。图2-9 常用的有线传输介质
2.2.2 双绞线
1.双绞线的物理特性
双绞线是由相互绝缘的两根铜线按一定扭距相互绞合在一起的类似于电话线的传输媒体，每根铜线加绝缘层并有颜色标记，如图2-10所示。成对线的扭绞旨在使电磁辐射和外部电磁干扰减到最小。双绞线的性能好、价格低，因此是目前使用最广泛的传输介质。
双绞线可以用于传输模拟信号和数字信号，传输速率根据线的粗细和长短而变化。一般来讲，线的直径越大，传输距离就越短，传输速率也就越高。图2-10 双绞线结构示意图
局域网中使用的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）两类。两者的差异在于屏蔽双绞线在双绞线和外皮之间增加了一个铅箔屏蔽层，如图2-11（a）所示，目的是提高双绞线的抗干扰性能，但其价格是非屏蔽双绞线的两倍以上。屏蔽双绞线主要是用于安全性要求较高的网络环境中，如军事网络、股票网络等，而且使用STP 的网络为了达到屏蔽的效果，要求所有的插口和配套设施均使用屏蔽的设备，否则就达不到真正的屏蔽效果，所以整个网络的造价会比使用UTP 的网络高出很多，因此至今一直未被广泛使用。
2.非屏蔽双绞线的类型
按照EIA/TIA（电气工业协会/电信工业协会）568A 标准，非屏蔽双绞线共分为1～5 类。
1类线：可用于电话传输，但不适合数据传输，这一级电缆没有固定的性能要求。图2-11 STP 与UTP结构示意图
2类线：可用于电话传输和最高为4 Mbit/s 的数据传输，包括4 对双绞线。
3类线：可用于最高为10 Mbit/s 的数据传输，包括4 对双绞线，常用于10 Base-T 以太网的语音和数据传输。
4类线：可用于16 Mbit/s 的令牌环网和大型10 Base-T 以太网，包括4 对双绞线。其测试速度可达20 Mbit/s。
5类线：既可用于100 Mbit/s 的快速以太网连接又支持150 Mbit/s 的ATM 数据传输，包括4对双绞线，是连接桌面设备的首选传输介质。
其中，计算机网络常用的是3 类线（CAT3）和5 类线（CAT5）。5 类线和3 类线的最主要区别是：一方面大大增加了每单位长度的绞合次数，3 类线的绞合长度是7.5～10 cm，而5 类线的绞合长度是0.6～0.85 cm；另一方面，5 类线在线对间的绞合度和线对内两根导线的绞合度都经过了精心的设计，并在生产中加以严格的控制，使干扰在一定程度上抵消，从而提高了线路的传输质量。
使用双绞线组网时必须要使用RJ-45 水晶头，如图2-12所示。另外，还需要一个非常重要的设备——集线器（HUB），如图2-13所示。图2-12 RJ-45水晶头图2-13 集线器
2.2.3 同轴电缆
1.同轴电缆的物理特性
同轴电缆也是一种常用的传输介质。这种电缆在实际中的应用很广泛，比如有线电视网。组成同轴电缆的内外两个导体是同轴的，如图2-14所示，同轴之名正是由此而来。同轴电缆的外导体是一个由金属丝编织而成的圆柱形的套管，内导体是圆形的金属芯线，一般都采用铜制材料。内外导体之间填充着绝缘介质。同轴电缆可以是单芯的，也可以将多条同轴电缆安排在一起形成同轴电缆。同轴电缆绝缘效果佳、频带宽、数据传输稳定、价格适中、性价比高，因此是早期局域网中普遍采用的一种传输介质。
同轴电缆又可分为两类：细缆和粗缆。经常提到的10 Base-2 和10 Base-5 以太网就是分别使用细同轴电缆和粗同轴电缆组网的。
使用同轴电缆组网时需要在两端连接50Ω的反射电阻，这就是通常所说的终端匹配器。
同轴电缆组网的其他连接设备随细缆与粗缆的差别而不尽相同，即使名称一样，其规格、大小也是有差别的。
2.细缆连接设备及技术参数
采用细缆组网时，除了需要电缆外，还需要BNC 头、T 型头、带BNC 端口的以太网卡、终端匹配器等，如图2-15所示。图2-14 同轴电缆结构示意图图2-15 细缆常用连接设备
采用细缆组网的技术参数如下。
• 最大的网段长度：185m。
• 网络的最大长度：925m。
• 每个网段支持的最大节点数：30个。
• BNC、T型连接器之间的最小距离：0.5m。
3.粗缆连接设备及技术参数
粗缆连接的设备包括转换器（粗缆上的接线盒）、DIX 连接器及电缆、N 系列插头和N 系列匹配器，如图2-16所示。使用粗缆组网时，网卡必须有DIX 接口（一般标有DIX 字样）。图2-16 粗缆连接设备示意图
采用粗缆组网的技术参数如下。
• 最大的网段长度：500m。
• 网络的最大长度：2 500m。
• 每个网段支持的最大节点数：100个。
• 收发器之间的最小距离：2.5m。
• 收发器电缆的最大长度：50m。
2.2.4 光纤
1.光纤的物理特性
光纤由纤芯、包层和保护层组成，如图2-17所示。每根光纤只能单向传送信号，因此要实现双向通信，光缆中至少应包括两条独立的导芯，一条发送，另一条接收。光纤两端的端头都是通过电烧烤或化学环氯工艺与光学接口连接在一起的。一根光缆可以包括两根至数百根光纤，并用加强芯和填充物来提高机械强度。
光束在玻璃纤维内传输，防磁防电，传输稳定，质量高。由于可
试读结束[说明：试读内容隐藏了图片]