作者：南炯,李传芹,等
出版社：电子工业出版社
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计算机网络技术试读：
前言
随着计算机技术的迅猛发展，人类社会进入到一个崭新的时代，计算机网络技术正在改变人们的学习、生活和工作方式。许多家庭、单位都组建了计算机网络，例如家庭网络、办公网络、校园网络和众多商业性网络。网络技术已经成为计算机网络技术人员、计算机通信技术人员必须掌握的技术，同时也是计算机网络技术和相关专业学生以及广大从事计算机应用和信息管理人员应该掌握的基本知识。
本书采用理论和实践相结合的编写方法，合理组织理论与实践内容，目的是使读者掌握计算机网络技术的基本知识，了解组建网络所需要的硬件设备和软件，能够组建和管理计算机网络，掌握连接使用 Internet 的方法及网络安全知识等。本书在前几版的基础之上，顺应计算机网络技术的发展，新增加了云计算、物联网的基本知识，IPv6基本知识。特别是在网络应用项目中，以Windows Server 2008为项目案例，内容新颖，理论与实践完美结合。本书分为七个项目，每个项目均有项目学习目标，理论知识讲解，具体实训要求，每个项目结束后有小结和习题，便于读者交流学习。
具体各个项目内容如下：
项目一 详细介绍计算机网络概述。
项目二 主要介绍数据通信基础知识。
项目三 全面介绍网络体系结构及通信协议。
项目四 阐述常用的局域网技术，局域网硬件组成，集线器和交换机设备的应用场合及设备的选型与选购等知识。
项目五 介绍网络互连技术，包括典型网络互连设备的连接，互连的类型与层次，重点阐述交换机、VLAN、路由器的应用场合与基本配置方法。
项目六 介绍Windows Server 2008的网络服务与应用。
项目七 介绍网络安全防范与维护，包括防火墙的应用、信息加密、网络攻击与防范等技术。
教学实施时，可根据教学计划规定的学时和教学大纲（或课程标准）的要求，灵活选取内容，实验实训项目在教学过程中需要及时实施。
本书由酒泉职业技术学院南炯、广州华夏职业学院李传芹、计算机网络科研人员王萍芳担任主编，江苏省扬州技师学院陈锦琪、咸宁职业技术学院尹光辉、克拉玛依职业技术学院周晓燕、广东科学技术职业学院樊秋月担任副主编，克拉玛依职业技术学院刘斌、江苏省扬州技师学院陈巍、江苏汽车技师学院于洁参与编写。
本书可作为应用型本科、高职高专院校和高级技工学校教学使用，也可作为成人高校电子信息类专业和其他非计算机类专业的教材使用。
在编写过程中，编者参阅了大量的资料，在此向各位参与者表示感谢，由于编者水平有限，书中难免存在疏漏之处，希望广大读者批评指正。
为了使本书更好地服务于授课教师的教学，我们为本书配了教学讲义，期中、末考卷答案，拓展资源，教学案例演练，素材库，教学检测，案例库，PPT 课件和课后习题、答案。请使用本书作为教材授课的教师，如果需要本书的教学软件，可到华信教育资源网www.hxedu.com.cn下载。如有问题，可与我们联系，联系电话：（010）69730296/13331005816。编者2017年6月项目一计算机网络概述项目学习目标↘ 掌握计算机网络的定义。↘ 了解计算机网络的产生及发展趋势。↘ 掌握计算机网络的组成、功能。↘ 掌握几种典型的网络拓扑结构。↘ 通过实训激发学生对网络技术的学习兴趣并了解课程的学习目的。项目重点与难点↘ 计算机网络的组成与功能。↘ 计算机网络的分类与应用。1.1 计算机网络的定义
计算机网络技术是随着现代通信技术和计算机技术的高速度发展、密切结合而产生和发展起来的。把几台计算机连接在一起，就可以建立起一个简单的计算机网络，如图1-1所示。其中，服务器是一种高性能的计算机，集线器是一种网络互连设备。在这个非常简单的办公网络中，可以把需要共享的文件存放在服务器或任意一台计算机上，连接到网络中的任意一台计算机都可以访问这些文件。此外，还可以使用共享的网络打印机，网络上的各台计算机之间、计算机和服务器之间、计算机和网络打印机之间，可以相互交换信息，进行数据通信。
如何定义计算机网络？目前没有一个严格的定义，比较通用的定义：利用通信线路将地理上分散的、具有独立功能的计算机系统和通信设备按不同的形式连接起来，以功能完善的网络软件及协议实现资源共享和信息传递的系统。所谓资源共享，是指计算机网络系统中的计算机用户可以利用网络内其他计算机系统中的全部或部分资源。图1-1 一个简单的计算机网络
此外，从不同的角度还可以有不同的定义方法。例如，从应用或功能的角度看，可定义计算机网络如下：把多个具有独立功能的单机系统，以资源（硬件、软件和数据）共享的形式连接起形成的多机系统，或把分散的计算机、终端、外围设备和通信设备用通信线路连接起来，形成能够实现资源共享和信息传递的综合系统。
上述计算机网络的定义包含了以下3个要点。（1）计算机网络是一个多机系统，系统中包含多台具有自主功能的计算机。所谓“自主”，是指这些计算机在脱离计算机网络后，也能独立地工作和运行。通常将网络中的这些计算机称为主机（Host），可以向用户提供服务和共享的资源。（2）计算机网络是一个互连系统，通过通信设备和通信线路把众多计算机有机地连接起来。所谓“有机地连接”，是指连接时必须遵循规定的约定和规则，这些约定和规则就是通信协议。这些通信协议，有些是国际组织颁布的国际标准，有些是网络设备和软件厂商开发的。（3）计算机网络是一个资源共享系统。建立计算机网络的主要目的，是实现数据通信、信息资源交流、计算机数据资源共享，或计算机之间协同工作。一般将资源共享作为计算机网络的最基本特征。在计算机网络中，由各种通信设备和通信线路组成通信子网，由网络软件为用户共享网络资源和信息传递提供管理和服务。
计算机网络中，提供信息和服务能力的计算机是网络的资源，索取信息和请求服务的计算机是网络用户。由于网络资源与网络用户之间的连接方式、服务类型和连接范围的不同，形成了不同的网络结构及网络系统。1.2 计算机网络的形成与发展1.2.1 计算机网络的形成
1946年第一台电子计算机ENIAC诞生后，随着半导体技术、磁记录技术的发展和计算机软件的开发，计算机技术的发展异常迅速。20世纪70年代微型计算机（微机）的出现和发展，使计算机在各个领域得到了广泛的普及和应用，极大地加快了信息技术革命，使人类进入了信息时代。在计算机应用的过程中，需要对大量复杂的信息进行收集、交换、加工、处理和传输，从而引入了通信技术，以便通过通信线路为计算机或终端设备提供收集、交换和传输信息的手段。
计算机网络的研究基本上是从20世纪60年代开始的。计算机技术与通信技术的结合，使计算机的应用范围得到了极大的扩展。当前，计算机网络的应用已渗透到社会的各个领域，无论是军事、金融、情报检索、交通运输、教育等领域，或是企业、机关或学校内部的管理等，无不采用计算机网络技术，计算机网络已成为人们打破时间和空间限制的便捷工具。此外，计算机网络技术对于其他技术的发展也具有强大的支撑作用。1.2.2 计算机网络的发展
与任何其他事物的发展过程一样，计算机网络的发展经历了从简单到复杂、从单机到多机、从终端与计算机之间的通信到计算机与计算机之间直接通信的演变过程。其发展大致经历了四个阶段：面向终端的计算机网络，多机系统互连的计算机网络，开放式标准化网络体系结构的网络，计算机网络互连与高速网络。1.面向终端的计算机网络
在20世纪50年代中期至60年代末期，计算机技术与通信技术初步结合，形成了计算机网络的雏形——面向终端的计算机网络。
这种早期计算机网络的主要形式，实际上是以单个计算机为中心的联机系统。为了提高计算机的工作效率和系统资源的利用率，将多个终端通过设备和通信线路连接到计算机上，在通信软件的控制下，各个终端用户分时轮流使用计算机系统的资源。系统中除一台中心计算机外，其余的终端都不具备自主处理功能，系统中主要是终端和计算机之间的通信。20世纪60年代初期，美国航空公司使用的是由一台中心计算机和全美范围内2000多个终端组成的机票预订系统，这就是远程联机系统的一个代表。
这种单计算机联机网络涉及多种通信技术、多种数据传输设备和数据交换设备等。从计算机技术上来看，属于分时多用户系统，即多个终端用户分时占用主机上的资源，主机既承担通信工作，又承担数据处理工作，主机的负荷较重，且效率低。此外，每一个分散的终端都要单独占用一条通信线路，线路利用率低；随着终端用户的增多，系统的费用也增加。为了提高通信线路的利用率，减轻主机的负担，采用多点通信线路、集中器以及通信控制处理机等技术。（1）多点通信线路如图1-2所示。在一条通信线路上串接多个终端，多个终端共享同一条通信线路与主机通信，各个终端与主机之间的通信可以分时地使用同一高速通信线路，提高信道的利用率。图1-2 多点通信线路方式示意（2）通信控制处理机（Communication Control Processor,CCP）：又称前端处理机（Front End Processor,FEP），负责完成全部通信任务，让主机专门进行数据处理，以提高数据处理效率。（3）集中器：负责从终端到主机的数据集中，以及从主机到终端的数据分发，可以放置于终端相对集中的地点。其中，一端用多条低速线路与各终端相连，收集终端的数据；另一端用一条较高速率的线路与主机相连，实现高速通信，以提高通信效率，如图1-3所示。图1-3 使用终端集中器的通信系统示意
集中器把收到的多个终端的信息按一定格式汇总，再传送给主计算机。面向终端的计算机网络属于第一代计算机网络。这些系统只是计算机网络的“雏形”，没有真正出现“网”的形式，一般在用户终端和计算机之间通过公用电话网进行通信。随着终端用户增加，计算机的负荷加重，一旦计算机发生故障，将导致整个网络的瘫痪，降低其可靠性。2.多机系统互连的计算机网络
从20世纪60年代中期到70年代中期，随着计算机技术和通信技术的进步，利用通信线路将多个单计算机联机终端网络互连起来，形成多机系统互连的网络。多个计算机系统主机之间连接后，主机与主机之间也能交换信息、相互调用软件以及调用其中任何一台主机的资源，系统呈现多个计算机处理中心，各计算机通过通信线路连接，相互交换数据、传送软件，实现互连的计算机之间的资源共享。
这时的计算机网络有以下两种形式。（1）通过通信线路将主计算机直接互连起来，主机既承担数据处理任务又承担通信任务，如图1-4所示。图1-4 主机直接互连的网络示意（2）把通信从主机分离出来，设置通信控制处理机（CCP），主机之间的通信通过CCP的中继功能逐级间接进行。由CCP组成的传输网络称为通信子网，如图1-5所示。图1-5 具有通信子网的计算机网络示意
通信控制处理机负责网络上各主机之间的通信控制和通信处理，它们组成的通信子网是网络的内层或骨架层，是网络的重要组成部分。网络中的主机负责数据处理，是计算机网络资源的拥有者，它们组成了网络的资源子网，是网络的外层。通信子网为资源子网提供信息传输服务，资源子网上用户之间的通信建立在通信子网的基础上。没有通信子网，网络不能工作，而没有资源子网，通信子网的传输也失去意义，两者结合构成统一的资源共享的两层网络，将通信子网的规模进一步扩大，使之变成社会共有的数据通信网，如图1-6所示。图1-6 具有公共数据通信网的计算机网络示意
广域网，特别是国家级的计算机网络大多采用这种形式。这种网络允许异种机入网，兼容性好，通信线路利用率高，是计算机网络概念最多、设备最多的一种形式。
多机系统使计算机网络的通信方式由终端与计算机之间的通信，发展到计算机与计算机之间的直接通信。网络中各计算机子系统相对独立，形成一个松散耦合的大系统。用户可以把整个系统看作由若干个功能不一的计算机系统集合而成，功能比面向终端的计算机网络扩大了很多。美国国防部高级研究计划署（DARPA）1969年建成的ARPANFT实验网，就是这种形式的最早代表。
这个时期的计算机网络，以远程大规模互连为其主要特点，称为第二代网络，属于计算机网络的形成阶段。3.开放式标准化网络体系的计算机网络
经过20世纪60年代和70年代前期的发展，为了促进网络产品的开发，各大公司纷纷制订了自己的网络技术标准，最终促成了国际标准的制定，遵循网络体系结构标准建成的网络称为第三代计算机网络。
计算机网络体系结构依据标准化的发展过程可分为两个阶段。（1）各计算机制造厂商网络结构标准化。
各大计算机公司和计算机研制部门进行计算机网络体系结构的研究，目的是提供一种统一信息格式和协议的网络软件结构，使网络的实现、扩充和变动更易于实现，适应计算机网络迅速发展的需要。
1974年，IBM公司首先提出了完整的计算机网络体系标准化的概念，宣布了SNA标准，方便了用户用IBM各种机型建造网络。1975年，DEC公司公布了面向分布式网络的DNA（数字网络系统结构）;1976年，UNIVAC公司公布了DCA（数据通信体系结构）;Burroughs 公司公布了BNA（宝来网络体系结构）等。这些网络技术标准只在一个公司范围内有效，即遵从某种标准的、能够互连的网络通信产品，只限于同一公司所生产的同构型设备。（2）国际网络体系结构标准化。
为适应网络向标准化发展的需要，国际标准化组织（ISO）于1977年成立了TC97（计算机与信息处理标准化委员会）下属的SC16（开放系统互连分技术委员会），在研究、吸收各计算机制造厂商的网络体系结构标准和经验的基础上，着手制定开放系统互连的一系列标准，旨在方便异种计算机互连。该委员会制定了“开放系统互连参考模型”（OSI/RM），简称OSI。“开放系统互连参考模型”（OSI）为新一代计算机网络系统提供了功能上和概念上的框架，是一个具有指导性的标准。OSI规定了可以互联的计算机系统之间的通信协议，遵从OSI协议的网络产品都是所谓的开放系统，符合OSI标准的网络被称为第三代计算机网络。这个时期是计算机网络的成熟阶段。
20世纪80年代，微型计算机有了极大的发展，对社会生活各个方面都产生了深刻的影响。在一个单位内部微型计算机和智能设备的互连网络，不同于远程公用数据网，推动了局域网技术的发展。
1980年2月，IEEE 802局域网标准出台。局域网从开始就按照标准化、互相兼容的方式展开竞争，迅速进入了专业化的成熟时期。4.Internet的应用与高速网络技术的发展
从20世纪80年代末开始，计算机技术、通信技术以及建立在Internet技术基础上的计算机网络技术得到了迅猛发展。随着Internet被广泛应用，高速网络技术与基于Web技术的Internet应用迅速发展，计算机网络的发展进入第四阶段。
Internet飞速发展与应用的同时，高速网络的发展也引起人们越来越多的关注。高速网络的发展主要表现在：宽带综合业务数据网（B-ISDN）、异步传输模式（ATM）、高速局域网、交换局域网、虚拟网络与无线网络。基于光纤通信技术的宽带城域网与宽带接入网技术，以及无线网络技术已经成为当前研究、应用于产业发展的热点问题之一。
随着社会生活对网络技术与基于网络信息系统的依赖程度越来越高，人们对网络与信息安全的需求越来越强烈。网络与信息安全的研究正在成为研究、应用和产业发展的重点问题，引起社会的高度重视。
随着网络传输介质的光纤化，各国通信设施的建立与发展，多媒体网络与宽带综合业务数字网（B-ISDN）的开发和应用，智能网的发展，计算机分布式系统的研究，计算机网络相继出现了高速以太网、光纤分布式数字接口（FDDI）、快速分组交换技术（包括帧中继、ATM）等新技术，推动着计算机网络技术的飞速发展，使计算机网络技术进入高速计算机互联网络阶段。Internet成为计算机网络领域最引人注目、也是发展最快的网络技术。5.计算机网络的发展趋势
进入21世纪，计算机网络向着综合化、宽带化、智能化和个性化方向发展。信息高速公路向用户提供声音、图像、图形、数据和文本的综合服务，实现多媒体通信，是网络发展的目标。电话、收音机、电视机以及计算机和通信卫星等领域正在迅速地融合，信息的获取、存储、处理和传输之间的“孤岛现象”随着计算机网络和多媒体技术的发展而逐渐消失，曾经独立发展的电信网络、电视网络和计算机网络不断融合，新的信息产业正以强劲的势头迅速崛起。
随着 Internet 的广泛应用，推动了计算机网络与通信网络技术的迅猛发展，推动了通信行业从传输网技术到服务业务类型的巨大变化。要满足大规模 Internet 接入和提供多种Internet服务，电信运营商必须提供全程、全网、端到端、可灵活配置的宽带城域网。在这样一个社会需求的驱动下，电信运营商纷纷将竞争重点和大量资金从广域网骨干网的建设，转移到高效、经济、支持大量用户接入和支持多种业务的城域网建设中，导致了世界性的信息高速公路建设的高潮。信息高速公路的建设又推动了电信产业的结构调整，推动了大规模的企业重组和业务转移。宽带城域网的建设与应用引起世界范围内大规模的产业结构调整和企业重组，宽带城域网已成为现代化城市建设的重要基础设施之一。
如果将国家级大型主干网比作是国家级公路，各个城市和地区的高速城域网比作是地区级公路，接入网就相当于最终把家庭、机关、学校、企业用户接到地区级公路的道路。接入网技术解决的是最终用户接入地区性网络的问题。由于 Internet 的应用越来越广泛，社会对接入网技术的需求也越来越强烈，接入网技术有着广阔的市场前景，已成为当前计算机网络技术研究、应用与产业发展的热点问题。
计算机网络的重要支撑技术是微电子技术和光电子技术。基于光纤通信技术的宽带城域网与接入网技术，以及移动计算网络、网络多媒体计算、网络并行计算、网格计算与存储区域网络正在成为网络应用与研究的热点。全光网络将以光节点取代现有网络的电节点，并用光纤将节点互连成网，利用光波完成信号的传输、交换等功能，以克服现有网络在传送和交换时的瓶颈，减少信息传播的拥塞，提高网络的吞吐量。1.3 计算机网络的功能
计算机网络的功能可归纳为以下几点。1.资源共享
资源共享是计算机网络的基本功能之一。计算机网络的基本资源包括硬件资源、软件资源和数据资源。共享资源即共享网络中的硬件、软件和数据资源。网络中多个用户可共享的硬件资源，一般是指那些特别昂贵或特殊的硬件设备，如大容量存储器、绘图仪、激光打印机等。网络用户可共享其他用户或主机的软件资源，避免在软件建设上的重复劳动和重复投资，以提高网络的经济性。可以共享的软件包括系统软件和应用软件以及其组成的控制程序和处理程序。计算机网络技术可以使大量分散的数据被迅速集中、分析和处理，同时为充分利用这些数据资源提供方便。分散在不同地点的网络用户可以共享网络中的大型数据库。2.信息传递
信息传递也是计算机网络的基本功能之一。在网络中，通过通信线路可实现主机与主机、主机与终端之间数据和程序的快速传输。3.实时的集中处理
在计算机网络中，可以把已存在的许多联机系统有机地连接起来，进行实时集中管理，使各部件协同工作、并行处理，提高系统的处理能力。4.均衡负荷和分布式处理
计算机网络中包括很多子处理系统，当某个子处理系统的负荷过重时，新的作业可通过网络内的节点和线路分送给较空闲的子系统进行处理。进行这种分布式处理时，必要的处理程序和数据也必须同时送到空闲子系统。此外，在幅员辽阔的国家中，可以利用地理上的时差，均衡系统日夜负荷不均衡的现象，以达到充分发挥网内各处理系统的负载能力。5.开辟综合服务项目
通过计算机网络可为用户提供更全面的服务项目，如图像、声音、动画等信息的处理和传输。这是单个计算机系统难以实现的。1.4 计算机网络的分类
由于计算机网络的广泛使用，世界上已出现了多种形式的计算机网络，对网络的分类方法也很多。从不同角度观察、划分网络，有利于全面了解网络系统的各种特性。1.4.1 按照网络的覆盖范围分类
根据计算机网络覆盖的地理范围信息的传递速率及其应用目的，计算机网络可分为广域网、城域网和局域网。1.广域网（Wide Area Network,WAN）
又称远程网。广域网指实现计算机远距离连接的计算机网络，可以把众多的城域网、局域网连接起来。广域网的覆盖范围较大，一般从几千米到几万千米，用于通信的传输装置和介质一般由电信部门提供。广域网的规模大，能实现较大范围内的资源共享和信息传递。2.城域网（Metropolitan Area Network,MAN）
又称城市网、区域网、都市网。城域网一般指建立在大城市、大都市区域的计算机网络，覆盖城市的大部分或全部地域，距离通常在几十千米内。城域网通常采用光纤或无线网络把各个局域网连接起来。3.局域网（Local Area Network,LAN）
又称局部网，在一个有限的地理范围（十几千米以内）将计算机、外部设备和网络互连设备连接在一起的网络系统，常用于一座大楼、一个学校、一个企业内，属于一个部门或单位组建的小范围网络。局域网专为短距离通信而设计，可以在短距离内使互连的多台计算机之间进行通信，组网方便，使用灵活，一般具有较高的传输速率，是目前计算机网络发展中最活跃的分支。
近年来，随着对高速上网需求的日益增加，接入网技术得到了飞快发展。接入网是局域网和城域网之间的桥接区，提供多种高速接入技术，使用户接入到 Internet 的瓶颈得到某种程度上的解决。广域网、城域网、局域网与接入网的关系如图1-7所示。图1-7 广域网、城域网、局域网与接入网的关系1.4.2 根据数据传输方式分类
根据数据传输方式的不同，计算机网络可以分为广播网络和点对点网络两大类。1.广播网络（Broadcasting Network）
计算机或设备使用一条共享的通信介质进行数据传播，网络中的所有节点都能收到任何节点发出的数据信息。
● 广播网络的传输方式有3种。
● 单播（Unicast）：发送的信息中包含明确的目的地址，所有节点都检查该地址，如果与自己的地址相同，则处理该信息；如果不同，则忽略。
● 多播（Multicast）：将信息传送给网络中部分节点。
● 广播（Broadcast）：在发送的信息中使用一个指定的代码标识目的地址，将信息发送给所有的目标节点。当使用这个指定代码传输信息时，所有节点都接收并处理该信息。2.点对点网络（Point to Point Network）
计算机或设备以点对点的方式进行数据传输，两个节点间可能有多条单独的链路。
目前的网络技术中，以太网和令牌网属于广播网，ATM和帧中继属于点对点网。1.4.3 网络组件的关系分类
根据网络中的各组件的关系，计算机网络通常有对等网络和基于服务器网络两种类型。1.对等网络
网络的早期形式，使用的典型操作系统有DOS、Windows 95/Windows 98。网络中的各计算机在功能上是平等的，没有客户机和服务器之分。每台计算机既可以提供服务，又可以索取服务。对等网络具有各计算机地位平等、网络配置简单、网络的可管理性差等特点。2.基于服务器网络
采用客户机/服务器模式。服务器提供服务，不索取服务；客户机则索取服务，不提供服务。基于服务器网络具有网络中计算机地位不平等、网络管理集中、便于网络管理、网络配置复杂等特点。
除了以上分类方法外，计算机网络还可以按网络的拓扑结构分为总线网、环型网、星型网、树型网、微波网和卫星网等，按网络采用的传输媒体分为双绞线网、同轴电缆网、光纤网、无线网等，按网络的应用范围和管理性质分为公用网和专用网等，按网络的交换方式分为电路交换网、报文交换网、分组交换网、帧中继交换网、ATM交换网和混合交换网等。此外，还有一些其他的划分方法。1.5 通信子网和资源子网
图1-8是一般的计算机网络示意图。从组成网络的各种设备或系统的功能看，计算机网络可分为两部分（两个子网），一个称为资源子网，另一个称为通信子网。图中虚线外部是资源子网部分，内部是通信子网部分。资源子网和通信子网划分是一种逻辑上的划分，它们可能使用相同或不同的设备。例如，在广域网环境下，由电信部门组建的网络常被理解为通信子网，仅用于支持用户之间的数据传输；而用户部门的入网设备则被认为属于资源子网的范围；在局域网环境下，网络设备同时提供数据传输和数据处理的能力。因此，只能从功能上对其中的软硬件部分进行这种划分。图1-8 计算机网络的组成模型1.5.1 资源子网
资源子网由主机、用户终端、终端控制器、连网外部设备、各种软件资源与信息资源等组成，负责全网面向应用的数据处理工作，向网络用户提供各种网络资源与网络服务。资源子网的任务是利用其自身的硬件资源和软件资源为用户进行数据处理和科学计算，并将结果以相应形式送给用户或存档。资源子网中的软件资源包括本地系统软件、应用软件以及用于实现和管理共享资源的网络软件等。1.主计算机系统
主计算机系统简称主机，可以是各种类型的计算机。主机是资源子网的主要组成单元，通过高速通信线路与通信子网的通信控制处理机（CCP）连接。主机中除装有本地操作系统外，还应配有网络操作系统和各种应用软件，配置网络数据库和各种工具软件，负责网络中的数据处理、执行协议、网络控制和管理等工作。主机与其他主计算机系统连网后，构成网络中的主要资源。它可以是单机，也可以是多机系统。主机为本地用户访问网络上的其他主机设备与资源提供服务，同时为网络中远程用户共享本地资源提供服务。2.用户终端
终端是用户访问网络的设备，可以是简单的输入、输出设备，也可以是具有存储和信息处理能力的智能终端，通常通过主机连入网络。终端是用户与网络之间的接口，主要作用是把用户输入的信息转变为适合传送的信息送到网络上，或把网络上其他节点的输出信息转变为用户能识别的信息。智能终端还具有一定的计算、数据处理和管理能力。用户可以通过终端得到网络的服务。3.网络操作系统
网络操作系统是建立在各主机操作系统之上的一个操作系统，用于实现在不同主机系统之间用户通信以及全网硬件、软件资源的共享，并向用户提供统一的、方便的网络接口，以方便用户使用网络。4.网络数据库
网络数据库是建立在网络操作系统之上的一个数据库系统，可以集中驻留在一台主机上，也可以分布在多台主机上。网络数据库系统向网络用户提供存、取、修改网络数据库中数据的服务，以实现网络数据库的共享。1.5.2 通信子网
通信子网由通信控制处理机、通信线路与其他通信设备组成，完成网络数据传输、转发等通信处理任务，为网络用户共享各种网络资源提供必要的通信手段和通信服务。1.通信控制处理机（Communication Control Processor,CCP）
通信控制处理机简称通信控制器，在网络拓扑结构中称为网络节点（Node），一般指交换机、路由器等设备。一方面，节点作为与资源子网中主机、终端的连接接口，将主机和终端连接到网络中；另一方面，节点作为通信子网中数据包的存储转发节点，完成数据包的接收、校验、存储、转发等功能，起到将源主机报文准确地发送到目的主机的作用。2.通信线路
传输信息的载波媒体，为通信控制处理机之间、通信控制处理机与主机之间提供通信信道。计算机网络采用多种通信线路，如电话线、双绞线、同轴电缆、光导纤维电缆（光缆）、无线通信信道、微波与卫星通信信道等。3.其他通信设备
主要指信号变换设备。利用信号变换设备对信号进行变换，以适应不同传输介质的要求，例如，将计算机输出的数字信号变换为电话线上传送的模拟信号，所用的调制解调器就是一种信号变换设备。
从系统功能的角度来看，计算机网络系统由资源子网和通信子网组成。但从系统组成的角度来看，计算机网络由硬件部分和软件部分组成。
图中，DTE（Data Terminal Equipment）为数据终端设备，DCE（Data Circuit-terminating Equipment或Data Communication Equipment）为数据电路终接设备（或称数据通信设备）。
● DTE：产生数字信号的数据源或接收数字信号的数据宿，或者是两者的结合，是用户网络接口上的用户端设备。DTE具有数据处理能力及转发数据能力，能够依据协议控制数据通信，包括主机、终端、计算机外设和终端控制器等设备。
● DCE：在DTE和传输线路之间提供信号变换和编码功能，可以提供DTE和DCE之间的时钟信号，包括各种通信设备，如集中器、调制解调器、通信控制处理机、多路复用器等。1.6 计算机网络的组成
计算机网络是一个复杂的集成系统。计算机网络的组成根据应用范围、结构、目的、规模，以及所采用的技术不同而不尽相同。但计算机网络都必须包括硬件和软件两大部分。网络硬件提供的是数据处理、数据传输和建立通信通道的物质基础，而网络软件是真正控制数据通信的。软件的各种网络功能需依赖于硬件去完成，二者缺一不可。计算机网络的基本组成主要包括如下四部分，常称为计算机网络的四大要素。1.计算机系统
建立两台以上具有独立功能的计算机系统是组成计算机网络的第一个要素。计算机系统是计算机网络的重要组成部分，是计算机网络不可缺少的硬件元素。计算机网络连接的计算机可以是巨型机、大型机、小型机、工作站或微机，以及笔记本电脑或其他数据终端设备（如终端服务器）等。
计算机系统是网络的基本模块，是被连接的对象。它的主要作用是负责数据信息的传播、收集、处理、存储和提供资源共享。在网络上可共享的资源包括硬件资源（如高性能外围设备、巨型计算机、大容量磁盘矩阵等）、软件资源（如各种应用程序、软件系统、数据库系统等）和信息资源。2.通信线路和通信设备
计算机网络的硬件部分除了计算机本身以外，还要有用于连接这些计算机的通信线路和通信设备，即数据通信系统。通信线路分有线通信线路和无线通信线路。有线通信线路指的是传输介质及其介质连接部件，包括光纤、同轴电缆、双绞线等；无线通信线路是指以无线电波、微波、红外线和激光等无线传输介质及其介质连接器件作为通信线路。通信设备是指网络连接设备、网络互连设备，包括网卡、集线器（Hub）、中继器（Repeater）、交换机（Switch）、网桥（Bridge）和路由器（Router）以及调制解调器（Modem）等通信设备。使用通信线路和通信设备将计算机互连起来，在计算机之间建立一条物理信道，以传输数据。通信线路和通信设备负责控制数据的发出、传送、接收或转发，包括信号转换、路由选择、编码与解码、差错校验、通信控制管理等，以完成信息交换。通信线路和通信设备是连接计算机系统的桥梁，是数据传输的通道。3.网络协议
协议是指通信双方必须共同遵守的约定和通信规则，例如 TCP/IP 协议、NetBEUI 协议、IPX/SPX协议。它是通信双方关于通信如何进行所达成的协议。例如，用什么样的格式表达数据、如何组织和传输数据、如何校验和纠正信息传输中的错误，以及传输信息的时序组织与控制机制等。现代网络都是层次结构，协议规定了层次间的关系、分层的原则、执行信息传递过程的方向、分解与重组等约定。在网络上通信的双方必须遵守相同的协议，才能正确地交流信息，就像人们谈话要用同一种语言一样，如果谈话时使用不同的语言，就会出现相互间无法沟通的问题，那么将无法进行交流。因此，协议在计算机网络中是至关重要的。提示：协议的实现是由软件和硬件分别或配合完成的，有的部分由联网设备来承担。4.网络软件
网络软件是一种在网络环境下使用和运行或者控制和管理网络工作的计算机软件。根据软件的功能，计算机网络软件可以分为网络系统软件和网络应用软件两大类型。（1）网络系统软件。
网络系统软件是控制和管理网络运行、分配和管理共享资源、提供网络通信的网络软件。它包括网络操作系统、网络协议软件、通信控制软件和管理软件等。
网络操作系统（Network Operating System,NOS）是指能够对局域网范围内的资源进行统一调度和管理的系统程序。它是计算机网络软件的核心程序，是网络软件系统的基础。
网络协议软件是实现各种网络协议的软件。它是网络软件中最重要的核心部分，任何网络软件都要通过协议软件才能发生作用。（2）网络应用软件。
网络应用软件是指为某一个应用目的而开发的网络软件（如电子图书馆软件、远程教学软件、Internet信息服务软件等）。网络应用软件为用户提供访问网络的手段、网络服务、资源共享和信息传输等服务。1.7 计算机网络的拓扑结构1.7.1 网络拓扑的定义
网络拓扑是由网络节点设备和通信介质构成的网络结构图。在计算机网络中，以计算机作为节点、通信线路作为连线，可构成不同的几何图形，即网络的拓扑（Topology）结构。网络拓扑的设计选形是计算机网络设计的第一步。
网络拓扑结构是实现各种网络协议的基础。网络拓扑结构的选择对网络采用的技术、网络的可靠性、网络的可维护性和网络的实施费用都有重大的影响。选用何种类型的网络，要依据实际需要而定。
拓扑学是几何学的一个分支，是从图论演变而来的。拓扑学首先把实体抽象成与其大小、形状无关的点，将连接实体的线路抽象成点、线、面之间的关系。计算机网络拓扑结构通过网中节点与通信线路之间的几何关系表示网络结构，反映出网络中各实体的结构关系。1.7.2 网络拓扑的分类
计算机网络拓扑结构主要是指通信子网的拓扑结构。网络拓扑可以根据通信子网中的通信信道类型分为两类：广播信道通信子网的拓扑结构，点对点线路通信子网的拓扑结构。
在采用广播信道的通信子网中，一个公共的通信信道被多个网络节点共享。任一时间内只允许一个节点使用公共通信信道，当一个节点利用公用通信信道“发送”数据时，其他节点只能“收听”正在发送的数据。采用广播信道通信子网的基本拓扑构型主要有四种：总线型、树型、环型、无线与卫星通信型。
利用广播通信信道完成网络通信任务时，必须解决两个基本问题。（1）确定通信对象，包括源节点和目的节点。（2）解决多节点争用公用信道的问题。
在采用点对点线路的通信子网中，每条通信线路连接一对节点。采用点对点线路的通信子网的基本拓扑构型有四类：星型、环型、树型与网状型。1.7.3 常见的网络拓扑结构
计算机网络通常有以下几种拓扑结构，如图1-9所示。图1-9 计算机网络常见拓扑结构示意1.星型拓扑
星型拓扑由一个主节点和多个从节点组成，主节点可以与从节点通信，而从节点之间必须通过主节点的转接才能通信。星型拓扑结构如图1-10所示。星型拓扑以中央节点为中心，执行集中式通信控制策略，因而中央节点相当复杂，而各个节点的通信处理负担都很小。
根据主节点性质和作用的不同，星型拓扑还可分为两类。（1）中心主节点是一个功能很强的计算机，具有数据处理和转接的双重功能，与各自连到中心计算机的节点（或终端）组成星型网络。（2）中心主节点由交换机或集线器等仅有转接功能的设备担任，负责沟通各计算机或终端之间的联系，为它们转接信息。图1-11是带有配线架的星型拓扑结构，配线架相当于中央节点，可以在每个楼层配置一个，具有足够数量的端口，以供该楼层的节点使用，节点的位置可灵活放置。图1-10 星型拓扑结构图1-11 带有配线架的星型拓扑结构
星型拓扑具有结构简单、管理方便、组网容易等优点，利用中央节点可方便地进行网络连接和重新配置，且单个节点的故障只影响一个设备，不会影响全网，容易检测和隔离故障，便于网络维护。
星型拓扑的缺点是网络属于集中控制，主节点负载过重，如果中央节点产生故障，则全网不能工作。因此，对中央节点的可靠性和冗余度要求很高。2.总线型拓扑
总线型拓扑采用单根传输线作为传输介质，将所有入网的计算机通过相应的硬件接口直接接入到一条通信线上。为防止信号反射，一般在总线两端有终结器匹配线路阻抗。总线上各节点计算机地位相等，无中心节点，属于分布式控制。典型的总线型拓扑结构如图1-12所示。图1-12 典型的总线型拓扑结构
总线是一种广播式信道，所有节点发送的信息都可以沿着传输介质传播，而且能被所有其他的节点接收。由于所有的节点共享一条公用的传输链路，因而一次只能由一个设备传输数据。通常采用分布式控制策略来决定下一次由哪个节点发送信息。
总线型拓扑具有结构简单、扩充容易、易于安装和维护、价格相对便宜等优点。缺点是同一时刻只能由两个网络节点相互通信，网络延伸距离有限，网络容纳的节点数有限。由于所有节点都直接连接到总线上，任何一处故障都会导致整个网络的瘫痪。3.树型网络
树型拓扑从总线型拓扑演变而来，它把星型和总线型结合起来，形状像一棵倒置的树，顶端有一个带分支的根，每个分支还可以延伸出子分支。树型拓扑结构如图1-13所示。当节点发送信息时，根接收该信号，然后再重新广播发送到全网。图1-13 树型拓扑结构
树型拓扑的优点是易于扩展和故障隔离，缺点是对根的依赖性太大，如果根发生故障，则全网不能正常工作，对根的可靠性要求很高。4.环型拓扑
环型拓扑将各节点的计算机用通信线路连接形成一个闭合环路，如图1-14所示。在环路中，信息按一定方向从一个节点传输到下一个节点，形成一个闭合环流。环型信道也是一条广播式信道，可采用令牌控制方式协调各节点计算机发送信息和接收信息。图1-14 环型拓扑结构
环型拓扑的优点是路径选择简单（环内信息流向固定）、控制软件简单。缺点是不容易扩充，节点多时响应时间长等。5.网状拓扑
网状拓扑由分布在不同地点的计算机系统互连而成。网络中无中心计算机，每个节点机都有多条（两条以上）线路与其他节点相连，从而增加了迂回通路。网状拓扑的通信功能分布在各个节点机上。网状结构分为全连接网状和不完全连接网状两种形式。在全连接网状结构中，每一个节点和网中其他节点均有链路连接。在不完全连接网状结构中，两节点之间不一定有直接链路连接，它们之间的通信，依靠其他节点转接。广域网中一般用不完全连接网状结构，如图1-15所示。图1-15 网状拓扑结构
网状拓扑的优点是节点间路径多，碰撞和阻塞可大大减少，局部故障不会影响整个网络的正常工作，可靠性高；网络扩充和主机入网比较灵活、简单。缺点是关系复杂，组网和网络控制机制复杂。
以上是几种基本的网络拓扑结构。组建局域网时，常采用星型、总线型、环型和树型拓扑结构。树型和网状拓扑结构在广域网中比较常见。在一个实际的网络中，可能是多种网络结构的混合。选择网络拓扑结构时，主要考虑的因素有：安装的相对难易程度、维护的相对难易程度、通信介质发生故障时受影响设备的情况及费用等。1.8 云计算与物联网
随着计算机网络技术的发展与应用，现代社会就像离不开电和自来水一样已经离不开计算机网络，而在计算机网络技术基础上发展起来的两个新兴技术领域也在开始深刻地影响着这个社会。这两个新兴技术领域就是云计算和物联网。近年来不论是产业界还是学术界都对它们给予了极大的关注。虽然详细地讨论这两个技术已超出了本书的范围，但由于它们与因特网技术有着非常密切的联系（一个是运行在计算机网络上的分布式应用，另一个是计算机网络的扩展和延伸），在这里有必要对这两个概念做一点简单的介绍。1.8.1 云计算
云计算（Cloud Computing）是2006年以来在IT（Information Technology）行业兴起的一个概念，被誉为“革命性的计算模型”，是分布式计算（Distributed Computing）、并行计算（Parallel Computing）、效用计算（Utility Computing）、网络存储（Network Storage Technologies）、虚拟化（Virtualization）、负载均衡（Load Balance）等传统计算机和网络技术发展融合的产物。
云计算是一种运行在计算机网络之上的分布式应用，通过网络以按需、易扩展的方式向用户提供安全、快速、便捷、廉价的数据存储和网络计算服务。云计算自提出以来，以超乎想象的速度在短短几年时间就风靡全世界，得到产业界和学术界的广泛关注和支持。
云计算是一种商业计算模型，它将计算任务分布在由大量计算机构成的资源池上，使各类用户能够使用各种终端，根据需要获取服务提供商提供的计算能力、存储空间和各种软件服务。云计算中的“云”指的是可以自我维护和管理的虚拟计算资源集合，通常是一些大型服务器集群，包括计算服务器、存储服务器和带宽资源等。被称为“云”主要是因为它在某些方面具有现实中云的特征：云一般都较大，其规模可以动态伸缩且边界是模糊的；云在空中飘忽不定，无法确定它的具体位置，但它确实存在于某处。云计算将计算资源集中起来，并通过专门软件实现自动管理。用户可以动态申请部分资源来支持各种应用程序的运行，这些资源可能分布在多台计算机系统之上，而用户无需关心这些具体的细节。在传统模式下，企业建立一套信息系统不仅需要购买硬件等基础设施，还要购买各种系统软件和大量的应用软件，需要专门的人员进行维护。当企业的规模扩大时，还要继续升级各种软、硬件设施以满足不断增长的需求。对于企业来说，计算机等硬件和软件本身并非它们真正需要的东西，它们仅仅是完成工作的工具而已。对于个人来说，要正常使用计算机需要安装许多软件，而多数软件是收费的，对于不经常使用该软件的用户来说购买是非常不划算的。因此需要这样一种服务，它能够提供用户需要的所有软件，而用户只需要在使用时付少量“租金”即可“租用”这些软件服务。
在云计算模式下，用户的终端计算机将变得很简单，甚至不需要硬盘和各种应用软件就可以满足需要。这是因为用户的计算机只需要能通过网络发送指令和接收数据，就可以使用云服务提供的计算资源、存储空间和各种应用软件。在云计算环境下，用户的观念也将发生巨大变化，即从“购买产品”向“购买服务”转变，他们直接面对的将不再是复杂和昂贵的硬件和软件，而是最终的服务。
云计算按照服务类型大致可以分为三类：
基础设施即服务（Infrastructure as a Service,IaaS）、平台即服务（Platform as a Service,PaaS）和软件即服务（Software as a Service,SaaS）。
IaaS将硬件设备等基础资源（如处理能力、存储空间、网络组件等）封装成服务通过网络提供给用户使用。在 IaaS 环境中，用户相当于在使用裸机和磁盘，既可以让它运行Windows，也可以让它运行Linux，因而几乎可以做任何想做的事情，但用户必须自己管理或控制这些虚拟的计算机硬件资源来构建自己的信息系统。
PaaS 对资源的抽象层次更进一步，它提供用户应用程序的开发和运行环境。PaaS 自身负责资源的动态扩展和容错管理。但与此同时，用户的自主权降低，必须使用特定的编程环境并遵照特定的编程模型。
SaaS的针对性更强，它将某些特定应用软件功能封装为服务。软件服务供应商以租赁的概念为用户提供服务。用户只能计费使用软件服务，而不能直接掌控底层操作系统和硬件资源。1.8.2 物联网
物联网（Internet of Things,IoT）的概念最早是由美国麻省理工学院的Ashton教授于1998年提出的。随着网络技术的发展，物联网技术逐渐受到了全球的广泛关注。物联网是指通过二维码识读设备、射频识别（Radio Frequency Identification,RFID）、全球定位系统（Global Position System,GPS）、激光扫描器和红外感应器等信息传感设备与技术，实时采集任何需要监控、连接和互动的物体的声、光、电、热、力学、化学、生物、位置等各种信息，按约定的协议，把任何物体与互联网相连接，进行信息交换和通信，以实现人与物和物与物的相互沟通和对话，对物体进行智能化识别、定位、跟踪、管理和控制的一种信息网络。
物联网是“物物相连的互联网”。物联网的核心和基础仍然是互联网，即它是互联网的延伸和扩展，允许任何物体之间进行信息交换和通信。物联网不仅是实现物与物之间的连接，更重要的是物与物的信息交互，以及由此衍生出来的各种应用。在物联网技术范畴中，“物”一般要满足以下条件：要有相应的信息发送器和接收器；要有一定的存储功能和计算能力；要有专门的应用程序；要遵循物联网的通信协议；在网络中有可识别的唯一标识。1.9 项目实训——参观网络中心1.9.1 参观计算机网络实验室及综合布线实训室
观察所在网络实验室或机房的网络拓扑结构，并了解该网络中的软硬件及网络设备的使用情况，分析该网络的功能和类型，并列出网络所使用的软件和硬件设备清单，画出该网络的拓扑结构图。1.9.2 参观学习网络中心
参观所在学校的网络的某一节点（如：某一教学楼或者宿舍楼的交换或路由节点），参观所在学校的网络中心，并了解该网络中心的服务器及网络设备的使用情况。在不具备参观条件的时候，也可根据校园网的拓扑结构图及设备清单进行讲解分析。1.9.3 参观企业及其网络中心
参观本地区某公司或企业的网络，并了解该网络的软硬件及网络设备的使用情况，分析该网络的功能和类型，并列出网络所使用的软件和硬件设备清单，画出该网络的拓扑结构图。1.10 小结
本章主要介绍了计算机网络的现代发展趋势，计算机网络的主要功能及其分类，几种典型的网络拓扑结构以及各自的技术特点，云计算的基本概念。
计算机网络就是利用通信设备和线路将分布在地理位置不同的、功能独立的多个计算机系统连接起来，以功能完善的网络软件（网络通信协议及网络操作系统等）实现网络资源共享和信息传递的系统。
计算机网络在逻辑功能上可以划分为资源子网和通信子网。网络的主要功能是向用户提供资源的共享和数据的传输。
几种典型的拓扑结构主要是总线型拓扑结构、星型拓扑结构、环型拓扑结构，它们各有自己的优缺点。1.11 习题
1.简述当前计算机网络的发展趋势。
2.计算机网络的功能是什么？
3.什么是通信子网和资源子网？试述这种层次结构的特点，各自的作用是什么。
4.计算机网络可从哪些方面进行分类？计算机网络按跨度可以分为哪几类？
5.典型的网络拓扑结构有几种？优缺点各是什么？
6.与广域网比较，局域网有哪些特点？项目二数据通信基础项目学习目标↘ 了解数据通信基本概念。↘ 掌握数据传输方式。↘ 掌握常用传输介质的特点。↘ 对比有线传输与无线传输，了解它们的技术特点。↘ 掌握数据交换的几种方式。↘ 了解差错原因与类型，实现差错控制。项目重点与难点↘ 数据通信系统的基本概念。↘ 数据通信系统的组成、技术指标、通信方式。↘ 数据传输基础知识。↘ 数据编码技术。↘ 多路复用技术。↘ 数据交换技术。↘ 差错控制技术。2.1 数据通信系统2.1.1 通信系统的基本概念
通信的目的就是传递信息。不同领域对信息有着不同的定义。普遍的观点认为，信息是人们对现实世界事物存在方式和运行状态的某种认识，是客观事物的属性和相互联系特性的表现，反映了客观事物的存在形式和运动状态。
数据是把事物某些属性规范化后的表现形式。它可以被识别，也可以被描述。狭义的“数据”通常是指具有一定数据特征的信息，例如统计数据、测量数据、气象数据和计算机中区别于程序的一些计算机数据等。在计算机网络中，数据通常被广义地理解为在网络中存储、处理和传输的二进制数字编码，即“信息的数字化形式”或“信息的二进制表示形式”。
信号是数据在传输过程中电磁波的表示形式，是数据的电子或电磁编码。无论数据或信号，都既可以是模拟的，也可以是数字的。所谓“模拟的”就是连续变化的，而“数字的”就表示取值仅允许为有限的几个离散数值。模拟信号和数字信号的波形如图2-1所示。图2-1 模拟信号和数字信号的波形
数据以信号的形式在网络中传播。一次通信中，发送信号的一端是信源，接收信号的一端是信宿。信源和信宿之间要有通信线路才能互相通信。用通信术语来说，通信线路称为信道，所以信源和信宿之间的信号交换是通过信道进行传送的。不同物理性质的信道对通信的速率和传输质量影响也不同。另外，信号在传输过程中可能会受到外界的干扰，这种干扰称为噪声。不同的物理通道对各种干扰的感受程度不同。例如，如果信道上传输的是电信号，就会受到外界电磁场的干扰，光纤信道则没有这种担忧。以上描述的通信方式是很抽象的。它忽略了具体通信中物理过程的技术细节。由以上描述得到的通信系统模型如图2-2所示。图2-2 通信系统模型2.1.2 数据通信系统的组成
数据通信是计算机与计算机或计算机与终端之间的通信，以实现数据传输、交换、存储和处理的系统。比较典型的数据通信系统主要由信号源、发送设备、信道（传输系统）、接收设备和接收器五部分组成，如图2-3所示。图2-3 数据通信系统的组成1.发送端
发送端是发送信号的一端，它包括以下两个必需部分。
信号源：产生要传输数据的计算机或服务器等设备。例如，文字输入到PC，产生输出的数字比特流。
发送设备：通常信号源生成的数据要通过发送设备编码后，才能够在传输系统中进行传输。例如，调制解调器将 PC 输出的数字比特流转换成能够在用户电话线上传输的模拟信号。2.接收端
接收端是接收发送端所发送的信号的一端。它包括以下两个必需
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