计算机网络的基本概念

2024年2月18日发(作者：)

计算机网络的基本概念

（一）定义与分类

1．网络定义的基本内容

（1）计算机网络是用通信线路把分散布置的多台独立计算机及专用外部设备互连，并配以相应的网络软件所构成的系统。

（2）建立计算机网络的主要目的是实现计算机资源的共享，使广大用户能够共享网络中的所有硬件、软件和数据等资源。

（3）联网的计算机必须遵循全网统一的协议，可以为本地用户或远程用户提供服务。

2．网络的分类

从不同角度出发，计算机网络有多种分类方法，常见的分类有：

（1）计算机网络按照地理范围划分，有局域网和广域网。

（2）按拓扑结构划分，通常分为总线型、星型、环型、树型和网状网。

（3）按交换方式划分为线路交换网、存储转发交换网和混合交换网。

（4）按传输带宽方式进行划分，可分为基带网和宽带网。

（5）按网络中使用的操作系统分类，可分为NetWare网、Windows NT网和Unix网等。

（二）计算机网络的组成

从逻辑功能上看，计算机网络由资源子网和通信子网两部分组成。

1．资源子网:资源子网代表着网络的数据处理资源和数据存储资源，由主计算机、智能终端、磁盘存储器、工业控制监控设备、I/O设备、各种软件资源和信息资源等组成。负责全网数据处理和向网络用户提供资源及网

络服务。

2．通信子网:通信子网是由负责数据通信处理的通信控制处理机(Communication Control Processor，CCP)和传输链路组成的独立的数据通信系统。它承担着全网的数据传输、加工和变换等通信处理工作。

（三） 计算机网络的主要功能

1．数据通信

该功能用于实现计算机与终端、计算机与计算机之间的数据传输，这是计算机网络的最基本的功能，也是实现其它功能的基础。

2．资源共享

（1）数据共享，可供共享的数据主要是网络中设置的各种专门数据库。

（2）软件共享，可供共享的软件包括各种语言处理程序和各类应用程序。

（3）硬件共享，可供共享的硬件可以是网络中某一台高性能的计算机，也可以是网络中的一台高速打印机。

3．负荷均衡和分布处理

（1）负荷均衡是指网络中的负荷被均匀地分配给网络中的各计算机系统。

（2）在具有分布处理能力的计算机网络中，可以将任务分散到多台计算机上进行处理，由网络来完成对多台计算机的协调工作。

4．提高系统的可靠性和可用性

二、网络通信协议概念

（一） 计算机网络协议

1．基本概念:为了确保网络中数据有序通信而建立的一组规则、标准或约定就称为网络通信协议(Protocol)。

2．通信接口：为了使网络中两个节点之间进行对话，必须在它们之间建立通信工具(即接口)，使彼此之间能进行信息交换。

（1）硬件装置的功能是实现节点之间的信息传送。

（2）软件装置的功能是规定与实现双方进行通信的约定协议。协议通常由三部分组成：语义部分、语法部分、变换规则。

3. 协议的层次结构及其分层原则

（1）层次方式是指在制定协议时，把复杂成份分解成一些简单成份，然后再将它们复合起来的复合技术。

（2）分层原则：信宿机第n层接收到的对象应当与信源机第n层发出的对象完全一致。

（3）层次结构有如下特征：

①结构中的每一层都规定有明确的任务及接口标准。

②把用户的应用程序作为最高层。

③除了最高层外，中间的每一层都向上一层提供服务，又是下一层的用户。

④把物理通信线路作为最低层。它使用从高层传送来的参数，是提供服务的基础。

4．协议层次的划分

（二） OSI/RM模型简介

OSI/RM网络结构模型将计算机网络体系结构的通信协议规定为物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层、应用层，共七层。对于每一层，OSI 至少制定两个标准：服务定义和协议规范。

开放系统互连模型:

（1）为使不同计算机厂家生产的计算机能相互通信，以便在更大范围内建立计算机网络，国际标准化组织(ISO) 在1978 年提出“开放系统互连参考模型”，即著名的OSI/RM(Open System Interconnection/Reference

Model)。

（2）所谓“开放”，是强调对OSI标准的遵从，一个系统是开放的，是指它可与世界上任何地方的遵守相同标准的其它任何系统进行通信。

三、 局域网基本技术

（一） 局域网的特点

1．局域网的定义

（1）从硬件角度看，LAN是电缆、网卡、工作站、服务器和其它连接设备的集合体。

（2）软件角度看，LAN在网络操作系统(NOS)的统一指挥，提供文件、打印、通信和数据库等服务功能。

（3）从体系结构来考察，LAN由一系列层和协议标准所定义。

（4）局域网是将小区域内的各种通信设备互连在一起的通信网络。

2．从上面的定义可以看出局域网具有四个特点：

（1）这里指的小区域可以是一建筑物内，一个校园或者大至数千米直径的一个区域。

（2）这里指的数据通信设备是广义的，包括计算机、终端和各种外围设备。

（3）传输的误码率低，可达 。

（4）整个网络为某个单位或部门所有，仅供该单位内部使用。

（二）局域网的组成

计算机网络由硬件系统、网络软件系统和数据通信系统组成。

1. 主机(Host)

（1）服务器(Server)

服务器是向所有客户机提供服务的机器，装备有网络的共享资源。对网络服务器的基本要求：高速度、大容量、安全性。

（2）客户机(Client)

客户机也称为工作站(Working Station)，是网络用户直接处理信息和事务的计算机。

2. 网络适配器

（1）网络适配器也叫做网络接口卡NIC(Network Interface Card)，通常被做成插件的形式插入到计算机的一个扩展槽中，故也被称作网卡。

（2）计算机通过网络适配器与网络相连。

3．传输介质

传输介质是通信网络中发送方和接收方之间的物理通路。

（1）双绞线

双绞线是由按规则螺旋结构排列的两根绝缘线组成。双绞线分为屏蔽双绞线STP和无屏蔽双绞线UTP两种。

双绞线成本低，易于铺设，既可以传输模拟数据也可以传输数字数据，但是抗干扰能力较差。

（2）同轴电缆

同轴电缆由外层圆柱导体、绝缘层、中心导线组成。同轴电缆可分成基带

同轴电缆和宽带同轴电缆两种。

基带同轴电缆的特征阻抗为50Ω，只用于传输数字信号。宽带同轴电缆，常见的是75Ω电缆用于不使用频分复用FDM的高速数字信号发送和模拟信号发送，此时称为单通道宽带。由于宽带网有多个信道，可支持数据、语音、图形和图像等信号同时在网上传输。

（3）光缆

用光纤做成的光缆，是由缆芯、包层、吸收外壳和保护层四部分组成。光纤可分为单模光纤(Single Mode Fiber)和多模光纤(Multiple Mode Fiber)两类。

光纤的直径小(10～100μm，)，重量轻，频带宽，误码率很低，此外，还有不受电磁干扰、保密性好等一系列优点。在要求输出速率很高(如超过100Mbps)、抗干扰性极好的局域网的主干网络中，越来越多地采用光缆。

（4）无线信道

目前常用的无线信道有微波、卫星信道、红外线和激光信道等。

4．网络互连设备

（1）中继器(Repeater)

中继器工作在物理层。

中继器的主要作用是：避免干线上传输信号衰减而失真，对传输信号实现整形和放大，并按原来的传输方向重新发送数据，可以延长干线距离，扩展局域网覆盖范围。

（2）集线器(Hub)

集线器又称集中器，是多口中继器。把它作为一个中心节点，可用它连接

多条传输媒体。其优点是当某条传输媒体发生故障时，不会影响到其它的节点。

集线器分为无源集线器(Passive Hub) 、有源集线器(Active Hub)和智能集线器。

（3）网桥

网桥工作于数据链路层。它要求两个互连网络在数据链路层以上采用相同或兼容的网络协议。网桥可分为本地网桥和远程网桥，本地网桥又分为内部网桥和外部网桥。

网桥的功能：隔离网络、过滤和转发。

（4）路由器

路由器工作在网络层。它要求网络层以上的高层协议相同或兼容，用来实现不同类型的局域网互连，或者用它来实现局域网域与广域网互连。路由器分类如下：

①按路由器安装的位置划分，可分为内部路由器和外部路由器。

②按路由器支持的协议划分，可分为单协议路由器和多协议路由器。

③按路由表的状况划分，可分为静态路由器和动态路由器。

路由器的功能：路由器可以实现网络层以下各层协议的转换。它除了具备网桥的全部功能外，还有路由选择功能。

（5）网关

网关亦称网间协议转换器，工作于OSI/RM的传输层、会话层、表示层和应用层。

网关不仅具有路由器的全部功能，同时还可以完成因操作系统差异引起的

通信协议之间的转换。网关可用于LAN-LAN、LAN与大型机以及LAN与WAN的互连。

（6）交换机

交换机是一种新型的网络互连设备，它将传统的网络“共享”传输介质技术改变为交换式的“独占”传输介质技术，提高了网络的带宽。

交换机与交换式集线器Hub有很大的区别，前者可工作在数据链路层，也有的高档交换机工作于网络层，后者工作于物理层。交换机端口的工作速度高于Hub端口工作的速度。

（7）调制解调器

调制解调器Modem，将待发送的数字信号转换成代表数据的一系列模拟信号，并利用模拟信道对信号进行载波传输，这个过程通常称为调制。在数据接收方，调制解调器将接收到的模拟信号，还原成数字信号，供计算机处理，这个过程被称作解调。

按工作方式划分有异步modem和同步modem两类。

按使用场合划分有卫星modem，微波modem，光纤modem以及音频modem等。音频modem是大多数用户利用公用电话网驳接Internet的常用接入设备。

5. 软件系统

（1）通信协议

局域网通信协议用以支持计算机与相应的局域网相连，支持网络节点间正确有序地进行通信。

（2）网络操作系统

网络操作系统在服务器上运行，是使网络上各计算机能方便而有效地共享网络资源，为网络用户提供所需的各种服务软件和有关规程的集合。

网络操作系统不仅要具有普通操作系统的功能，还要具备六个特征：

①网络通信 ②共享资源管理 ③提供网络服务 ④网络管理 ⑤互操作 ⑥提供网络接口

（3）应用软件

局域网应用软件是建构在局域网操作系统之上的应用程序，它扩展了网络操作系统的功能。

（三）网络拓扑结构

局域网的拓扑结构是指网络中节点互相连接的方法和型式。

1．星型拓扑

（1）星型拓扑是由中央节点和通过点到点的链路接到中央节点的各站点组成。

（2）星型拓扑结构的优点：

①中央节点和中间接线盒都放在一个集中的场所，可方便地提供服务和重新配置。

②每个连接只接入一个设备，当连接点出现故障时不会影响整个网络。

③故障易于检测和隔离，可很方便地将有故障的站点从系统中删除。 ④访问协议简单。

（3）星型拓扑结构的缺点：

①由于每个站点直接和中央节点相连，需要大量的电缆且布线复杂。

②过于依赖中央节点。当中央节点发生故障时，整个网络不能工作。

2．总线型拓扑

（1）总线型拓扑结构采用单根传输线作为传输介质，所有站点都通过相应的硬件接口直接连接到传输介质(或称为总线)上。

（2）总线型拓扑的优点：

①电缆长度短，易于布线。②可靠性高。③易于扩充。

（3）总线型拓扑的缺点：

①故障诊断和隔离困难。 ②终端必须是智能的。

3．环型拓扑

（1）这种拓扑的网络由中继器和连接中继器的点到点的链路组成一个闭合环。

（2）环型拓扑的优点：

①电缆长度短。 ②不需要接线盒。 ③适用于光缆。

（3）环型拓扑的缺点：

①灵活性小，增加新工作站困难。②非集中式管理，诊断故障十分困难。

4．树型拓扑

（1）树型拓扑是由总线拓扑演变而来。在这种拓扑结构中，有一个带分支的根，每个分支还可以延伸出子分支。

（2）树型拓扑的优缺点大多和总线型拓扑的优缺点相同，但也有特殊之处，例如这种拓扑易于扩展，因为其分支还可延伸出子分支，所以要加入新的节点或分支很容易；易于故障隔离，如果某一分支上的节点发生故障，很容易将此分支和整个网络各离开来。

（3）树型拓扑的缺点是对根的依赖太大，如果根发生故障，则整个网络

不能正常工作。这种网络的可靠性问题和星型拓扑结构相似。

5. 网状拓扑结构

（1）网状拓扑结构，其每一个节点都与其他节点一一直接互联。

（2）这种连接方法主要是利用冗余的连接，实现节点与节点之间的高速传输和高容错性能，以提高网络的速度和可靠性。

这种拓扑结构主要用在网络结构复杂、对可靠性和传输速率要求较高的大型网络中，如互联网等，在局域网络中很少使用。