作者：于鹏,丁喜纲
出版社：电子工业出版社
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计算机网络技术基础(第4版)试读：
前言
由于计算机网络技术的发展，使得计算机用户可以超越地理位置的限制进行信息传输，人们可以方便地访问网络内所有计算机的公共资源。计算机网络的出现与迅速发展改变了人们的传统生活方式，给人们带来新的工作、学习及娱乐方式。目前计算机网络已经受到人们的广泛重视，成为信息产业的重要技术支柱。目前，我国正在大力建设公共数据通信网、发展远程计算机网络，同时，各企事业单位也在建设局域网，以适应和满足办公自动化、企业管理自动化和分布式控制的需要。作为职业院校计算机相关专业的学生，必须掌握计算机网络的基础知识和应用技能，能够完成小型计算机网络的组建、管理和维护工作。
职业教育直接面向社会、面向市场，以就业为导向，因此在计算机网络技术基础课程的教学中，不仅要让学生理解技术原理，更重要的是使学生具备真正的技术应用能力，并为学生今后进行网络工程的设计与实践打下基础。本书在编写时从满足经济和技术发展对高素质劳动者和技能型人才的需要出发，紧紧围绕职业教育的培养目标，贯穿了“以职业活动为导向，以职业技能为核心”的理念，结合工程实际，反映岗位需求。全书共包括8个工作单元和1个拓展单元，工作单元为认识计算机网络、组建双机互联网络、组建小型办公网络、接入Internet、组建小型无线网络、配置常用网络服务、网络安全防护以及网络运行维护，拓展单元为使用虚拟软件模拟网络环境。每个单元由需要读者亲自动手完成的工作任务组成，读者只要具备计算机的基本知识就可以在阅读本书时同步进行实训，从而掌握计算机网络规划、建设、管理与维护等方面的基础知识和技能。
本书在编写过程中力求突出以下特色：（1）以工作过程为导向，采用任务驱动模式
本书以组建小型局域网的基本工作过程为导向，采用任务驱动模式，力求使读者在做中学、在学中做，真正能够利用所学知识解决实际问题，形成职业能力。（2）紧密结合教学实际
在计算机网络技术课程的学习中，需要由多台计算机以及交换机、路由器等网络设备构成的网络环境。考虑到读者的实际实验条件，本书选择了具有代表性并且广泛使用的主流技术与产品，另外通过本书提供的拓展单元，读者可以利用虚拟软件在一台计算机上模拟计算机网络环境，完成各种配置和测试。本书每个工作单元后都附有习题，有利于读者思考并检查学习效果。（3）参照职业标准
职业标准源自生产一线，源自工作过程。本书在编写时参照了《计算机网络管理员国家职业标准》及其他相关职业标准和企业认证中的要求，突出了职业特色和岗位特色。（4）紧跟行业技术发展
计算机网络技术发展很快，因此我们吸收了具有丰富实践经验的企业技术人员参与了本书的编写工作，与行业企业密切联系，使所有内容紧跟技术发展。
本书主要面向计算机网络技术的初学者，可以作为大中专院校各专业计算机网络技术基础课程的教材，也适合计算机网络技术爱好者和相关技术人员参考使用。
本书由于鹏、丁喜纲主编，邱海燕、李宁宁、王兵、王丽、赵金芝、于慧、刘毅、李光耀、邱圆圆、于志国、刘瑜、何尧、刘乔、贺文平、许志、张海静、岳贞等也参与了部分内容的编写工作。本书在编写过程中得到了各级领导的大力支持，在此致以衷心的感谢。
编者意在奉献给读者一本实用并具有特色的教材，但由于教材中涉及的内容属于发展中的高新技术，加之我们水平有限，难免有错误和不妥之处，敬请广大读者给予批评指正。
编者
2013年6月于青岛工作单元1 认识计算机网络
计算机网络技术是计算机技术与通信技术相互融合的产物，是计算机应用中一个空 前活跃的领域，人们可以借助计算机网络实现信息的交换和共享。如今.计算机网络技 术巳经深入到人们曰常生活和工作的每个角落。本单元的主要目标是认识数据通信系统 和计算机网络，认识常见的网络设备和传输介质，了解计算机网络的基本结构I能够利 用相关软件绘制网络拓扑结构图。任务1.1 认识数据通信系统
任务目的（1）了解数据通信系统的基本模型；（2）了解基本数据传输技术。工作环境与条件（1）已经联网并能正常运行的计算机网络；（2）已经联网并能正常运行的有线广播、电话、有线电视或其他数据通信系统。
相关知识
数据通信是一门独立的学科，它涉及的范围很广，它的任务就是利用通信媒体传输信息。信息就是知识，数据是信息的表现形式，信息是数据的内容。数据通信就是通过传输介质，采用网络、通信技术来使信息数据化以及传输它。计算机使用0和1（比特）数字信号表示数据，计算机网络中的信息通信与共享因为这一台计算机中的比特信号要通过网络传送到另一台计算机中去被处理或使用，从物理上讲，通信系统只使用传输介质传输电流、无线电波或光信号。1.1.1 数据通信系统
通信的目的就是传递信息，通信中产生和发送信息的一端叫做信源，接收信息的一端叫做信宿，信源和信宿之间的通信线路称为信道。信息在进入信道时要变换为适合信道传输的形式，在进入信宿时又要变换为适合信宿接收的形式。另外，信息在传输过程中可能会受到外界的干扰，这种干扰称为噪声。
数据通信系统的基本模型如图1-1所示。图1-1 数据通信系统的基本模型
1.数据与信号
信息一般用数据和信号表示。数据有模拟数据和数字数据两种形式。模拟数据是在一定时间间隔内，连续变化的数据。因为模拟数据具有连续性的特点，所以它可以取无限多个数值。例如声音、电视图像信号等都是连续变化的，都表现为模拟数据。数字数据表现为离散量的数据，只能取有限个数值。在计算机中一般采用二进制形式，只有“0”和“1”两个数值。在数据通信中，人们习惯将被传输的二进制代码的0、1称为码元。
在通信系统中，数据需要转换为信号的形式从一点传到另一点。信号有数字信号和模拟信号两种基本形式。用数字信号进行的传输称为数字传输，用模拟信号进行的传输称为模拟传输。数字信号传输的是不连续的、离散的二进制脉冲信号，而模拟信号是连续变化的、具有周期性的正弦波信号，图1-2所示的是两种信号的典型表示。图1-2 信号的典型表示
数据在计算机中是以离散的二进制数字信号表示的，但在数据通信过程中，它是以数字信号方式表示，还是以模拟信号方式表示，主要取决于选用的通信信道所允许传输的信号类型。如果通信信道不允许直接传输计算机所产生的数字信号，那么就需要在发送端将数字信号变换成模拟信号，在接收端再将模拟信号还原成数字信号，这个过程被称为调制解调。
2.信道
信道是信号传输的通道，主要包括通信设备和传输介质。传输介质可以是有形介质（如电缆、光纤）或无形介质（如传输电磁波的空间）。信道有物理信道和逻辑信道之分。物理信道指用来传送信号的一种物理通路，由传输介质及有关设备组成。逻辑信道在信号的发送端和接收端之间并不存在一条物理上的传输介质，而是在物理信道的基础上，通过节点设备内部的连接来实现的。
信道可以按多种不同的方法分类，如按照传输介质来分，信道可分为有线信道和无线信道；按照传输信号的种类，信道可分为模拟信道和数字信道；按照使用权限又可分为专用信道和公用信道等。
3.主要技术指标
数据通信系统的技术指标主要体现在数据传输的质量和数量两方面。质量指信息传输的可靠性，一般用误码率来衡量。而数量指标包括两个，一个是信道的传输能力，用信道容量来表示；另一个指信道上传输信息的速度，相应的指标是数据传输速率。（1）数据传输速率
数据传输速率是描述数据传输系统的重要技术指标之一。数据传输速率在数值上等于每秒钟传输所构成数据代码的二进制比特数，单位为比特/秒（bit/second）记做bps。对于二进制数据，数据传输速率为：S=1/t（bps）
其中，t为发送每一比特所需要的时间。例如，如果在通信信道上发送一个比特信号所需要的时间是0.104ms，那么信道的数据传输速率为9600bps。在实际应用中，常见的数据传输速率单位有：kbps、36Mbps、Gbps。其中：1kbps=10bps、1Mbps=10bps、91Gbps=10bps。
在模拟信号传输中，有时会使用波特率衡量模拟信号的传输速度，波特率又称为波形速率，指每秒钟传送的波形的个数。（2）带宽
带宽指频率范围，即最高频率与最低频率的差值，其单位是赫兹（Hz）。在计算机网络中能够遇到的带宽包括信号的带宽和信道的带宽。任何一个实际传输的信号都可以分解成一系列不同频率、不同幅度的正弦信号，其中具有较大能量比率的正弦信号最高频率与最低频率的差值，就是信号的带宽。
信道的带宽是指能够通过信道的正弦信号的频率范围，即信道可传送的正弦信号的最高频率与最低频率之差。例如，一条传输线可以接收500～3000Hz的频率，则在这条传输线上传送频率的带宽就是2500Hz。信道的带宽由传输介质、接口部件、传输协议以及传输信息的特性等多种因素决定。带宽在一定程度上体现了信道的性能，是衡量传输系统的一个重要指标。信道的容量、传输速率和抗干扰性等因素均与带宽有着密切的联系。需要指出的是带宽和数据传输速率之间并没有直接对应的关系，通常信道的带宽越大，信道的容量也就越大，其传输速率相应也高。
一般说来信号能在某信道上传输的前提条件是信号的频率范围在信道可传输的频率范围内，否则就需要对信号进行频谱搬移、压缩等相应的处理。（3）信道容量
信道是传输信息的通道，具有一定的容量。信道容量指信道能传输信息的最大能力，用单位时间内可传送的最大比特率表示，它决定于信道的带宽、可使用的时间及能通过的信道功率与干扰功率的比值。根据奈奎斯特取样定理，可以认为当信道的带宽为F时，在T秒内信道最多可传送2FT个信息符号。信道容量和信号传输速率之间应满足以下关系，即信道容量＞传输速率，如果高传输速率的信号在低容量信道上传输。其实际传输速率会受到信道容量的限制，难以达到原有的指标。（4）误码率
在有噪声的信道中，数据速率的增加意味着传输中出现差错的概率增加。误码率是用来表示传输二进制位时出现差错的概率。误码率近似等于被传错的二进制位数与所传送的二进制总位数的比值。在计9算机网络通信系统中，要求误码率低于10-。差错的出现具有随机性，在实际测量数据传输系统时，被测量的传输二进制位数越大，才会越接近于真正的误码率值。在误码率高于规定值时，可以用差错控制的方法进行检查和纠正。1.1.2 数据的传输方式
数据在线路上的传输方式可以分为单工方式、半双工方式和全双工方式三种。
1.单工通信方式
在单工通信方式中，数据信息只能向一个方向传输，任何时候都不能改变数据的传送方向。如图1-3所示，其中A端只能作为发射端发送资料，B端只能作为接收端接收资料。为使双方能单工通信，还需一根线路用于控制。单工通信的信号传输链路一般由两条线路组成，一条用于传输数据，另一条用于传送控制信号，通常又称为二线制。如：收音机、电视的信号传输方式就是单工通信。图1-3 单工通信
2.半双工通信方式
在半双工通信方式中，数据信息可以双向传送，但必须是交替进行，同一时刻一个信道只允许单方向传送。如图1-4所示，其中A端和B端都具有发送和接收装置，但传输线路只有一条，若想改变信息的传送方向，需由开关进行切换。适用于终端之间的会话式通信，但由于通信中要频繁地调换信道的方向，故效率较低。如：对讲机的通信方式。图1-4 半双工通信
3.全双工通信方式
全双工通信能在两个方向上同时发送和接收信息，如图1-5所示，它相当于把两个相反方向的单工通信方式组合起来，因此一般采用四线制。全双工通信效率高，控制简单，但组成系统造价高，适用于计算机之间通信。如：计算机网络、手机通信的方式。图 1-5 全双工通信1.1.3 数据传输技术
1.基带传输
在数据通信中，电信号所固有的基本频率叫基本频带，简称为基带。这种电信号就叫做基带信号。在数字通信信道上，直接传送基带信号的方法称为基带传输。
在发送端基带传输的信源数据经过编码器变换，变为直接传输的基带信号；在接收端由解码器恢复成与发送端相同的数据。基带传输是一种最基本的数据传输方式。
基带传输只能延伸有限的距离，一般不大于2.5km，当超过上述距离时，需要加中继器，将信号放大和再生，以延长传输距离。基带传输简单、设备费用少、经济，适用于传输距离不长的场合，特别适用于在短距离网络中使用。
2.频带传输
由于电话交换网是用于传输语音信号的模拟通信信道，并且是目前覆盖面最广的一种通信方式，因此利用模拟通信信道进行数据通信也是最普遍使用的通信方式之一。而频带传输技术就是利用调制器把二进制信号调制成能在公共电话线上传输的音频信号（模拟信号），将音频信号在传输介质中传送到接收端后，再经过解调器的解调，把音频信号还原成二进制的电信号。频带传输的基本模型如图1-6所示。图1-6 频带传输的基本模型
频带传输的优点是克服了电话线上不能传送基带信号的缺点，用于语音通信的电话交换网技术成熟，造价较低，而且能够实现多任务的目的，从而提高了通信线路的利用率。但其缺点是数据传输速率和系统效率较低。
3.宽带传输
宽带系统指具有比原有话音信道带宽更宽的信道。使用这种宽带技术进行传输的系统，称为宽带传输系统。宽带传输系统可以进行高速的数据传输，并且允许在同一信道上进行数字信息和模拟信息服务。1.1.4 数据编码技术
在数据通信中，编码的作用是用信号来表示数据。计算机中的数据是以离散的二进制比特方式表示的数字数据。计算机数据在计算机网络中传输，通信信道无外乎数字信道和模拟信道两种类型，计算机数据在不同的信道中传输要采用不同的信号编码方式。也就是说，在模拟信道中传输时，要将数据转换为适于模拟信道传输的模拟信号；在数字信道中传输时，又要将数据转换为适于数字信道传输的数字信号。
1.数字数据的数字信号编码
用数字信号表示数字数据，即用直流电压或电流波形的脉冲序列来表示数字数据的“0”和“1”，就是数字数据的数字信号编码。常用的编码方法有以下几种：（1）不归零编码NRZ
不归零编码用无电压表示二进制“0”，用恒定的正电压表示二进制“1”，如图1-7所示。不归零编码是效率最高的编码，但如果重复发送“1”，势必要连续发送正电压，如果重复发送“0”，势必要连续不送电压，这样会使某一位码元与其下一位码元之间没有间隙，不易区分识别，因此存在发送方和接收方的同步问题。图1-7 不归零编码（2）曼彻斯特编码
曼彻斯特编码不用电压的高低表示二进制“0”和“1”，而是用电压的跳变来表示的。在曼彻斯特编码中，每一位的中间均有一个跳变，这个跳变既作为数据信号，也作为时钟信号。电压从高到低的跳变表示二进制“1”，从低到高的跳变表示二进制“0”。（3）差分曼彻斯特编码
差分曼彻斯特编码是对曼彻斯特编码的改进，每位中间的跳变仅作同步之用，每位的值根据其开始边界是否发生跳变来决定。每位的开始无跳变表示二进制“1”，有跳变表示二进制“0”。图1-8显示了对于同一个比特模式的曼彻斯特编码和差分曼彻斯特编码。图1-8 曼彻斯特编码和差分曼彻斯特编码
2.数字数据的模拟信号编码
要在模拟信道上传输数字数据，首先数字信号要对相应的模拟信号进行调制，即用模拟信号作为载波运载要传送的数字数据。载波信号可以表示为正弦波形式：f（t）=Asin（ωt+φ），其中幅度A、频率ω和相位φ的变化均影响信号波形。因此，通过改变这三个参数可实现对模拟信号的编码。相应的调制方式分别称为幅度调制ASK、频率调制FSK和相位调制PSK。结合ASK、FSK和PSK可以实现高速调制，常见的组合是ASK和PSK的结合。（1）幅度调制ASK
幅度调制即载波的振幅随着数字信号的变化而变化。例如二进制“1”用有载波输出表示，即载波振幅为原始振幅；二进制“0”用无载波输出来表示，即载波振幅为零，如图1-9（a）所示。（2）频率调制FSK
频率调制即载波的频率随着数字信号的变化而变化。例如，二进制“1”用载波频率f来表示；二进制“0”用另一载波频率f来表示，12如图1-9（b）所示。（3）相位调制PSK
相位调制即载波的初始相位随着数字信号的变化而变化。例如，用180°相位（反相）的载波来表示二进制“1”；用0°相位（正相）的载波来表示二进制“0”，如图1-9（c）所示。图1-9 数字数据的模拟信号编码1.1.5 多路复用技术
在长途通信中，一些高容量的传输通道（如卫星设施、光缆等），其可传输的频率带宽很宽，为了高效合理地利用这些资源，出现了多路复用技术。多路复用就是在单一的通信线路上，同时传输多个不同来源的信息。多路复用原理如图1-10所示。从不同发送端发出的信号S，S，…，S，先由复合器复合为一个信号，再通过单一信道传输12n至接收端。接收前先由分离器分出各个信号，再被各接收端接收。可见，多路复用需要经复合、传输、分离三个过程。图1-10 多路复用原理
如何实现各个不同信号的复合与分离，是多路复用技术研究的中心问题。为使不同的信号能够复合为一个信号，要求各信号存在一定的共性；复合的信号能否分离，又取决于各信号有无自己的特征。根据不同信道的情况，事先对被传送的信息进行处理，使之既有复合的可能性，又有分离的条件。也就是说，各信号在复合前可各自做一标记，然后复合、传输。接收时再根据各自的特殊标记并来识别分离它们。常见的多路复用技术有以下几种：
1.频分多路复用FDM
频分复用的典型例子有许多，如无线电广播、无线电视中将多个电台或电视台的多组节目对应的声音、图像信号分别载在不同频率的无线电波上，同时，在同一无线空间中传播，接收者根据需要接收特定的某种频率的信号收听或收看。同样，有线电视也是基于同一原理。总之，频分复用是把线路或空间的频带资源分成多个频段，将其分别分配给多个用户，每个用户终端通过分配给它的子频段传输，如图1-11所示。在FDM频分复用中，各个频段都有一定的带宽，称之为逻辑信道。为了防止相邻信道信号频率覆盖造成的干扰，在而相邻两个信号的频率段之间设立一定的“保护”带，保护带对应的频率未被使用，以保证各个频带互相隔离不会交叠。图1-11 频分多路复用原理
2.时分多路复用TDM
时分多路复用是将传输信号的时间进行分割，使不同的信号在不同时间内传送，即将整个传输时间分为许多时间间隔（称为时隙、时间片），每个时间片被一路信号占用。也就是说，TDM就是通过在时间上交叉发送每一路信号的一部分来实现一条线路传送多路信号。时分多路复用线路上的每一时刻只有一路信号存在，而频分是同时传送若干路不同频率的信号。因为数字信号是有限个离散值，所以适合于采用时分多路复用技术，而模拟信号一般采用频分多路复用。（1）同步时分复用
同步时分复用采用固定时间片分配方式，即将传输信号的时间按特定长度连续地划分成特定时间段，再将每一时间段划分成等长度的多个时间片，每个时间片以固定的方式分配给各路数字信号，各路数字信号在每一时间段都顺序分配到一个时间片。如图1-12所示。图1-12 同步时分多路复用原理
由于在同步时分复用方式中，时间片预先分配且固定不变，无论时间片拥有者是否传输数据都占有一定时间片，形成了时间片浪费，其时间片的利用率很低，为了克服同步时分复用的缺点，引入了异步时分复用技术。（2）异步时分多路复用
异步时分复用技术能动态地按需分配时间片，避免每个时间段中出现空闲时间片。也就是只有某一路用户有数据要发送时才把时间片分配给它。当用户暂停发送数据时不给它分配线路资源。所以每个用户的传输速率可以高于平均速率（通过多占时间片），最高可达到线路总的传输能力（占有所有的时间片）。如线路总的传输能力为28.8Kbps，3个用户公用此线路，在同步时分复用方式中，则每人用户的最高速率为9600bps，而在异步时分复用方式时，每个用户的最高速率可达28.8Kbps。
3.波分多路复用WDM
波分多路复用利用了光具有不同的波长的特征，实际上就是光的频分复用。随着光纤技术的使用，基于光信号传输的复用技术得到重视。光的波分多路复用是利用波分复用设备将不同信道的信号调制成不同波长的光，并复用到光纤信道上，由于波长不同，所以各路光信号互不干扰，在接收方，采用波分设备将各路波长的光分解出来，如图1-13所示。图1-13 波分多路复用原理
4.码分多路复用CDM
码分多路复用也是一种共享信道的方法，每个用户可在同一时间使用同样的频带进行通信，但使用的是基于码型的分割信道的方法，即每个用户分配一个地址码，各个码型互不重又叠，通信各方之间不会相互干扰，且抗干扰能力强。
码分多路复用技术主要用于无线通信系统，特别是移动通信系统，它不仅可以提高通信的话音质量和数据传输的可靠性以及减少干扰对通信的影响，而且增大了通信系统的容量，笔记本电脑、个人数字助理（PDA）以及掌上电脑等移动性计算机的联网通信就是使用了这种技术。1.1.6 异步传输和同步传输
在计算机中，通常是用8位的二进制代码来表示一个字符。在数据通信中，人们可以按图1-14所示的方式，将待传送的每个字符的二进制代码按由低位到高位的顺序依次进行发送，到达对方后，再由通信接收装置将二进制代码还原成字符的方式称为串行通信。串行通信方式的传输速率较低，但只需要在接收端与发送端之间建立一条通信信道，因此费用低。目前，在计算机网络中，主要采用串行通信方式。图1-14 串行通信方式
在逐位传送的串行通信中，接收端必须能识别每个二进制位从什么时刻开始，这就是位定时。通信中一般以若干位表示一个字（或字符），除了位定时外还需要在接收端能识别每个字符从哪位开始，这就是字符定时。
1.异步传输
异步传输方式指收发两端各自有相互独立的位定时时钟，数据的传输速率是双方约定的，收方利用数据本身来进行同步的传输方式，一般是起止式同步方式。这种方式以字（一般为8比特）为单位进行传送，在需传送的字符前设置1比特的零电平作为起始位，预告待传送字符即将开始；同时在字符之后，设置1～2比特高电平作为终止位，以表示该字符传送结束。该终止位的电平也表示平时不进行通信的状态（即处于“闲”时状态），如图1-15所示。在异步方式中，不传送字符时，并不要求收发时钟“同步”，但在传送字符时，要求收发时钟在每一字符中的每一位上“同步”。
异步传输的优点是简单、可靠，常用于面向字符的、低速的异步通信场合。例如，主计算机与终端之间的交互式通信通常采用这种方式。图1-15 异步传输的数据格式
2.同步传输
同步传输方式是相对于异步传输方式的，是针对时钟的同步，即指收发双方采用了统一时钟的传输方式。至于统一时钟信号的来源，或是双方有一条时钟信号的信道，或是利用独立同步信号来提取时钟。
同步传输是以数据块为单位的数据传输。每个数据块的头部和尾部都要附加一个特殊的字符或比特序列，标记一个数据块的开始和结束，一般还要附加一个校验序列（如16位或32位CRC校验码），以便对数据块进行差错控制，如图1-16所示。在同步传输方式中，是以固定的时钟节拍来传输信号的，即有恒定的传输速率。在串行数据流中，各个信号码元之间相对位置都是固定的，接收方为了从收到的数据流中正确地区分出一个个信号码元，首先必须建立起准确的时钟信号，即位同步，也就是要求收发两方具有一个同步（同频同相）时钟，从而满足收发双方同步工作。与异步方式来比，同步传输方式中的设备，或是双方之间的信道比较复杂，但同步方式没有起止位，所以传输效率较高。图1-16 同步传输的数据格式任务实施操作1 参观有线广播系统
根据具体的条件，参观所在学校或其他单位的有线广播系统，按照通信系统基本模型了解该系统的基本组成，查看该系统的主要技术指标，思考该系统采用了何种传输方式和传输技术。操作2 参观电话系统
根据具体的条件，参观所在学校或其他单位的内部电话系统，按照通信系统基本模型了解该系统的基本组成，查看该系统的主要技术指标，思考该系统采用了何种传输方式和传输技术。操作3 参观计算机网络系统
根据具体的条件，参观所在学校或其他单位的计算机网络系统，按照通信系统基本模型了解该系统的基本组成，查看该系统的主要技术指标，思考该系统采用了何种传输方式和传输技术。任务1.2 初识计算机网络
任务目的（1）了解计算机网络的发展和应用；（2）理解计算机网络的定义；（3）理解计算机网络的常用分类方法。工作环境与条件（1）已经联网并能正常运行的机房和校园网；（2）已经联网并能正常运行的其他网络。相关知识1.2.1 计算机网络的产生和发展
计算机网络的发展历史虽然不长，但是发展速度很快，它经历了从简单到复杂、从单机到多机的演变过程，其产生与发展主要包括面向终端的计算机网络、计算机通信网络、计算机互联网络和高速互联网络等四个阶段。
1.第一代计算机网络
第一代计算机网络是以中心计算机系统为核心的远程联机系统，是面向终端的计算机网络。这类系统除了一台中央计算机外，其余的终端都没有自主处理能力，还不能算作真正的计算机网络，因此也被称为联机系统。但它提供了计算机通信的许多基本技术，是现代计算机网络的雏形。第一代计算机网络的结构如图1-17所示。图1-17 第一代计算机网络结构
目前，我国金融系统等领域广泛使用的多用户终端系统就属于面向终端的计算机网络，只不过其软、硬件设备和通信设施都已更新换代，极大地提高了网络的运行效率。
2.第二代计算机网络
面向终端的计算机网络只能在终端和主机之间进行通信，计算机之间无法通信。20世纪60年代中期，出现了由多台主计算机通过通信线路互连构成的“计算机-计算机”通信系统，其结构如图1-18所示。图1-18 第二代计算机网络结构
在该网络中每一台计算机都有自主处理能力，彼此之间不存在主从关系，用户通过终端不仅可以共享本主机上的软硬件资源，还可共享通信子网上其他主机的软硬件资源。我们将这种由多台主计算机互连构成的，以共享资源为目的网络系统称为第二代计算机网络。第二代计算机网络在概念、结构和网络设计方面都为后继的计算机网络打下了良好的基础，它也是今天Internet的雏形。
3.第三代计算机网络
20世纪70年代，各种商业网络纷纷建立，并提出各自的网络体系结构。比较著名的有IBM公司于1974年公布的系统网络体系结构SNA（System Network Architecture），DEC公司于1975年公布的分布式网络体系结构DNA（Distributing Network Architecture）。这些按照不同概念设计的网络，有力地推动了计算机网络的发展和广泛使用。
然而由于这些网络是由研究单位、大学或计算机公司各自研制开发利用的，如果要在更大的范围内，把这些网络互连起来，实现信息交换和资源共享，有着很大困难。为此，国际标准化组织（International Standards Organization，ISO）成立了一个专门机构研究和开发新一代的计算机网络。经过多年卓有成效的努力，于1984年正式颁布了“开放系统互连基本参考模型”（Open System Interconnection Reference Model，OSI/RM），该模型为不同厂商之间开发可互操作的网络部件提供了基本依据，从此，计算机网络进入了标准化时代。我们将体系结构标准化的计算机网络称为第三代计算机网络，也称为计算机互联网络。
4.第四代计算机网络
第四代计算机网络又称高速互联网络（或高速Internet）。随着互联网的迅猛发展，人们对远程教学、远程医疗、视频会议等多媒体应用的需求大幅度增加。这样，基于传统电信网络为信息载体的计算机互联网络不能满足人们对网络速度的要求，促使网络由低速向高速、由共享到交换、由窄带向宽带迅速发展，即由传统的计算机互联网络向高速互联网络发展。目前对于互联网的主干网来说，各种宽带组网技术日益成熟和完善，以IP技术为核心的计算机网络已经成为网络（计算机网络和电信网络）的主体。网格技术可以将整个Internet整合成一个巨大的超级计算机，实现计算资源、存储资源、数据资源、信息资源、通信资源、软件资源和知识资源的全面共享。1.2.2 计算机网络的定义
关于计算机网络这一概念的描述，从不同的角度出发，可以给出不同的定义。简单地说，计算机网络就是由通信线路互相连接的许多独立工作的计算机构成的集合体。这里强调构成网络的计算机是独立工作的，这是为了和多终端分时系统相区别。
从应用的角度来讲，只要将具有独立功能的多台计算机连接起来，能够实现各计算机之间信息的互相交换，并可以共享计算机资源的系统就是计算机网络。
从资源共享的角度来讲，计算机网络就是一组具有独立功能的计算机和其他设备，以允许用户相互通信和共享资源的方式互联在一起的系统。
从技术角度来讲，计算机网络就是由特定类型的传输介质（如双绞线、同轴电缆和光纤等）和网络适配器互连在一起的计算机，并受网络操作系统监控的网络系统。
我们可以将计算机网络这一概念系统地定义为：计算机网络就是将地理位置不同，并具有独立功能的多个计算机系统通过通信设备和通信线路连接起来，并且以功能完善的网络软件（网络协议、信息交换方式以及网络操作系统等）实现网络资源共享的系统。1.2.3 计算机网络的功能
计算机技术和通信技术结合而产生的计算机网络，不仅使计算机的作用范围超越了地理位置的限制，而且也增大了计算机本身的威力，拓宽了服务，使得它在各领域发挥了重要作用，成为目前计算机应用的主要形式。计算机网络主要具有以下功能：
1.数据通信
数据通信即实现计算机与终端、计算机与计算机间的数据传输，是计算机网络的最基本的功能，也是实现其他功能的基础。如电子邮件、传真、远程数据交换等。
2.资源共享
资源共享是计算机网络的主要功能，在计算机网络中有很多昂贵的资源，例如大型数据库、巨型计算机等，并非为每一个用户所拥有，所以必须实现资源共享。网络中可共享的资源有硬件资源、软件资源和数据资源，其中共享数据资源最为重要。资源共享的结果是避免重复投资和劳动，从而提高资源的利用率，使系统的整体性能价格比得到改善。
3.提高系统的可靠性
在一个系统内，单个部件或计算机的暂时失效必须通过替换资源的办法来维持系统的继续运行。而在计算机网络中，每种资源（特别是程序和数据）可以存放在多个地点，用户可以通过多种途径来访问网内的某个资源，从而避免了单点失效对用户产生的影响。
4.进行分布处理
网络技术的发展，使得分布式计算成为可能。当需要处理一个大型作业时，可以将这个作业通过计算机网络分散到多个不同的计算机系统分别处理，提高处理速度，充分发挥设备的利用率。利用这个功能，可以将分散在各地的计算机资源集中起来进行重大科研项目的联合研究和开发。
5.集中处理
通过计算机网络，可以将某个组织的信息进行分散、分级、集中处理与管理，这是计算机网络最基本的功能。一些大型的计算机网络信息系统正是利用了此项功能，如银行系统、订票系统等。1.2.4 计算机网络的分类
计算机网络的分类方法很多，从不同的角度出发，会有不同的分类方法，表1-1列举了目前计算机网络的主要分类方法。表1-1 计算机网络的分类
1.按覆盖范围分类
计算机网络由于覆盖的范围不同，所采用的传输技术也不同，因此按照覆盖范围进行分类，可以较好地反映不同类型网络的技术特征。按覆盖的地理范围，计算机网络可以分为局域网、城域网和广域网。（1）局域网
局域网（Local Area Network，LAN）的通信范围一般被限制在中等规模的地理区域内（如一个实验室、一幢大楼、一个校园），主要特点有：
① 地理范围有限，参加组网的计算机通常处在1～2km的范围内；
② 信道的带宽大，数据传输率高，一般为4Mbps～10Gbps；
③ 数据传输可靠，误码率低；
④ 局域网大多采用星型、总线型或环型拓扑结构，结构简单，实现容易；
⑤ 通常网络归一个单一组织所拥有和使用，也不受任何公共网络当局的规定约束，容易进行设备的更新和新技术的引用，不断增强网络功能。（2）城域网
城域网（Metropolitan Area Network，MAN）是介于局域网与广域网之间的一种高速网络。最初，城域网主要用来互联城市范围内的各个局域网，目前城域网的应用范围已大大拓宽，能用来传输不同类型的业务，包括实时数据、语音和视频等。其主要特点有：
① 地理覆盖范围可达100km；
② 数据传输速率为50kbps～2.5Gbps以上；
③ 工作站数大于500个；9
④ 误码率小于10-；
⑤ 传输介质主要是光纤；
⑥ 既可用于专用网，又可用于公用网。（3）广域网
广域网（Wide Area Network，简称WAN）所涉及的范围可以为市、省、国家，乃至世界范围，其中最著名的就是Internet。其主要特点有：
① 分布范围广，一般从几十到几千km；
② 数据传输率差别较大，从9.6kb/s～22.5Gb/s以上；-3-5
③ 误码率较高，一般为10～10；
④ 采用不规则的网状拓扑结构；
⑤ 属于公用网络。
2.网络组建属性分类
根据计算机网络的组建、经营和用户，特别是数据传输和交换系统的拥有性，可以将其分为公用网和专用网。（1）公用网
公用网是由国家电信部门组建并经营管理，面向公众提供服务。任何单位和个人的计算机和终端都可以接入公用网，利用其提供的数据通信服务设施来实现自己的业务。（2）专用网
专用网往往由一个政府部门或一个公司组建经营，未经许可其他部门和单位不得使用。其组网方式可以由该单位自行架设通信线路，也可利用公用网提供的“虚拟网”功能。
3.按通信传播方式分类
计算机网络必须通过通信信道完成数据传输，通信信道有广播信道和点到点信道两种类型，因此计算机网络也可以分为广播式网络和点到点式网络。（1）广播式网络
在广播式网络中，多个站点共享一条通信信道。发送端在发送消息时，首先在数据的头部加上地址字段，以指明此数据应被哪个站点接收，数据发送到信道上后，所有的站点都将接收到。一旦收到数据，各站点将检查其地址字段，如果是自己的地址，则处理该数据，否则将它丢弃，如图1-19所示。广播式网络通常也允许在它的地址字段中使用一段特殊的代码，以便将数据发送到所有站点。这种操作被称为广播（broadcasting）。有些广播式网络还支持向部分站点发送的功能，这种功能被称为组播（multicasting）。图1-19 广播式网络（2）点到点式网络
点到点式网络的主要特点是一条线路连接一对节点。两台计算机之间常常经过几个节点相连接，如图1-20所示。点到点式网络的通信，一般采用存储转发方式，并需要通过多个中间节点进行中转。在中转过程中还可能存在着多条路径，传输成本也可能不同，因此在点到点式网络中路由算法显得特别重要。一般来说，在局域网中多采用广播方式，而在广域网中多采用点到点方式。图1-20 点到点式网络任务实施操作1 参观计算机网络实验室或机房
参观所在学校的计算机网络实验室或机房，根据所学的知识，对该网络的基本功能和类型进行简单分析；了解不同岗位工作人员的岗位职责。操作2 参观校园网
参观所在学校的网络中心和校园网，根据所学的知识，对该网络的基本功能和类型进行简单分析；了解不同岗位工作人员的岗位职责。操作3 参观其他计算机网络
根据具体条件，找出一项计算机网络应用的具体实例，对该网络的基本功能和类型进行简单分析；了解不同岗位工作人员的岗位职责。任务1.3 认识常用的网络设备
任务目的（1）理解OSI参考模型；（2）了解计算机网络的软硬件组成；（3）认识计算机网络中常用的网络设备。工作环境与条件（1）已经联网并能正常运行的机房和校园网；（2）已经联网并能正常运行的其他网络。相关知识1.3.1 网络体系结构
计算机网络是一个非常复杂的系统，需要解决的问题很多并且性质各不相同，所以人们在设计网络时，提出了“分层次”的思想。“分层次”是人们处理复杂问题的基本方法，对于一些难以处理的复杂问题，通常可以分解为若干个较容易处理的小一些的问题。在计算机网络设计中，可以将网络总体要实现的功能分配到不同的模块中，并对每个模块要完成的服务及服务实现过程进行明确的规定，每个模块就叫做一个层次。这种划分可以使不同的网络系统分成相同的层次，不同系统的同等层具有相同的功能，高层使用低层提供的服务时不需知道低层服务的具体实现方法，从而大大降低了网络的设计难度。因此，层次是计算机网络体系结构中的基本概念。
计算机网络采用层次结构，具有如下优点：
① 各层之间相互独立。高层并不需要知道低层是如何实现的，而仅需要知道该层通过层间的接口所提供的服务。
② 灵活性好。当任何一层发生变化时，只要接口保持不变，则其他各层均不受影响。另外，当某层提供的服务不再需要时，甚至可将其取消。
③ 各层都可以采用最合适的技术来实现，各层实现技术的改变不影响其他层。
④ 易于实现和维护。因为整个系统已被分解为若干个易于处理的部分，这种结构使得一个庞大而又复杂系统的实现和维护变得容易控制。
⑤ 有利于促进标准化。因为每一层的功能和所提供的服务都有了精确的说明。
在计算机网络层次结构中，各层有各层的协议。网络协议对计算机网络是不可缺少的，一个功能完备的计算机网络需要制定一整套复杂的协议集。计算机网络是由多个互连的节点组成，要做到各节点之间有条不紊地交换数据，每个节点都必须遵守一些事先约定好的规则。这些规则明确地规定了所交换数据的格式和时序。这些为网络数据交换而制定的规则、约定与标准被称为网络协议。对于结构复杂的网络协议来说，最好的组织方式是层次结构模型，图1-21说明了一个n层协议的层次结构。由图可知，协议也是分层的，一台机器上的第n层与另一台机器上的第n层进行通话时，通话的规则就是第n层协议。我们将网络层次结构与各层协议的集合定义为计算机网络体系结构。图1-21 协议层次结构
需要注意的是，在网络层次结构中数据并不是从一台机器的第n层直接传送到另一台机器的第n层，而是每一层都把数据和控制信息交给其下一层，由底层进行实际的通信。1.3.2 OSI参考模型
由于历史原因，计算机和通信工业界的组织机构和厂商，在网络产品方面，制定了不同的协议和标准。为了协调这些协议和标准，提高网络行业的标准化水平，以适应不同网络系统的相互通信，CCITT（国际电报电话咨询委员会）和ISO（国际标准化组织）认识到有必要使网络体系结构标准化，并组织制订了OSI（Open System Interconnection，开放系统互连）参考模型。它兼容于现有网络标准，为不同网络体系提供参照，将不同机制的计算机系统联合起来，使它们之间可以相互通信。
当今的网络大多是建立在OSI参考模型基础上的。在OSI参考模型中，网络的各个功能层分别执行特定的网络操作。理解OSI参考模型有助于更好地理解网络，选择合适的组网方案，改进网络的性能。
1.OSI参考模型的层次结构
OSI参考模型共分七层结构，从低到高的顺序为：物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层和应用层。图1-22所示为OSI参考模型层次示意图。
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