计算机网络基础-通用信息基础

任务描述

6-1　计算机网络分类

随着信息技术的发展，计算机网络已经成为人们生活、学习、工作中不可或缺的工具。网络的应用渗透到了各个领域，无论是军事领域的信息战，还是身边的网购、聊天等，都体现了计算机网络的强大魔力和给人们带来的巨大方便。它正在前所未有地改变着人们的生产、生活、学习方式，冲击着人们的消费观、价值观、人生观。本任务将带领大家学习网络的基础理论知识。

任务目标

●了解网络的定义、功能及分类；

●知道网络设备及其功能；

●掌握IP地址及其应用。

任务实现

一、计算机网络的定义

计算机网络，是指将地理位置不同的具有独立功能的多台计算机及其外部设备，通过通信线路连接起来，在网络操作系统、网络管理软件及网络通信协议的管理和协调下，实现资源共享和信息传递的计算机系统。在计算机网络中，每台计算机都是独立工作的，相互之间不能干预其他计算机工作。

二、计算机网络的功能

计算机网络的功能很多，其中最重要的三个功能为信息交换、资源共享和分布处理。

1.信息交换

信息交换是计算机网络最基本的功能。计算机网络中的计算机之间或计算机与终端之间，可以快速可靠地相互传递数据、程序或文件。例如，用户可以在网上传送电子邮件、交换数据，可以实现在商业部门或公司之间进行订单、发票等商业文件安全准确的交换。

2.资源共享

资源共享包括计算机硬件资源、软件资源和数据资源的共享。硬件资源的共享提高了计算机硬件资源的利用率，由于受经济和其他因素的制约，这些硬件资源不可能所有用户都有，所以使用计算机网络不仅可以使用自身的硬件资源，也可共享网络上的资源。软件资源和数据资源的共享可以充分利用已有的信息资源减少软件开发过程中的劳动，避免大型数据库的重复建设。

3.分布处理

对于大型的任务或课题，如果都集中在一台计算机上操作，负荷太重，这时可以将任务分散到不同的计算机分别完成，或由网络中比较空闲的计算机分担负荷，单个计算机互联成网络有利于共同协作进行重大科研课题的开发和研究。利用网络技术还可以将许多小型机或巨型机连成具有高性能的分布式计算机系统，使它具有解决复杂问题的能力，从而大大降低整机费用。

三、计算机网络的发展

随着计算机技术及通信技术的不断发展，计算机网络也经历了不同时期的发展。其发展可以划分为以下五个阶段：

第一阶段：20世纪60年代，互联网起源；

第二阶段：20世纪70年代，TCP／IP协议出现，互联网随之发展起来；

第三阶段：20世纪80年代，NSFnet（美国国家科学基金会）出现，成为当今互联网的基础；第四阶段：20世纪90年代，互联网高速发展期，全世界开始普及；

第五阶段：2007年开始，移动互联时代。

四、计算机网络的分类

计算机网络按照不同的划分依据，可有多种分类方式，在此主要介绍按网络覆盖范围、网络传输介质、网络拓扑结构三种分类方式。

（一）按网络覆盖范围分类

按照网络覆盖范围大小进行分类如表6-1。

表6-1　按网络覆盖范围分类_

（二）按网络传输介质分类

计算机网络的传输介质有双绞线、光纤、红外线、微波等几种，其中通过双绞线和光纤所连接的网络称为有线网络；而通过红外线、微波等连接的网络，称为无线网络。

1.双绞线

（1）双绞线的概念。双绞线是综合布线工程中最常用的一种传输介质，是由一对或者一对以上的相互绝缘的导线按照一定的规格互相缠绕（一般以逆时针缠绕）在一起而制成的一种传输介质，属于信息通信网络传输介质。双绞线过去主要是用来传输模拟信号，但现在同样适用于数字信号的传输，是一种常用的布线材料。采用这种方式，不仅可以抵御一部分来自外界的电磁波干扰，也可以降低多对绞线之间的相互干扰。双绞线由多对铜线组包在一个电缆套管里，有1对的，也有4对的，典型的双绞线是由四对同线组成，也有16对、25对的双绞线。双绞线分为屏蔽双绞线与非屏蔽双绞线，如图6-1所示。屏蔽双绞线在双绞线与外层绝缘封套之间有一个金属屏蔽层，屏蔽层可减少辐射，防止信息被窃听，也可阻止外部电磁干扰的进入。非屏蔽双绞线是一种数据传输线，由四对不同颜色的传输线组成，广泛用于以太网路和电话线中。

图6-1　双绞线

（2）双绞线分类。EIA／TIA 568规定了用于室内数据传输的双绞线1类到7类，前者线径细而后者线径粗，类别号越大，版本型号越新，质量越好，价格越贵。

国际上常用的制作双绞线的标准包括EIA／TIA 568A和EIA／TIA 568B两种。

2.光纤

光纤是光导纤维的简写，是一种由玻璃或塑料制成的纤维，可作为光传导工具，如图6-2所示。传输原理是光的全反射。光纤具有传输带宽高、传输损耗低、抗干扰能力强等优点。

3.同轴电缆

同轴电缆是指有两个同心导体，而导体和屏蔽层又共用同一轴心的电缆，如图6-3所示。同轴电缆从用途上分可分为基带同轴电缆和宽带同轴电缆。

同轴电缆的优点是可以在相对长的无中继器的线路上支持高带宽通信，而其缺点也是显而易见的：一是体积大，细缆的直径就有3／8英寸粗，要占用电缆管道的大量空间；二是不能承受缠结、压力和严重的弯曲，这些都会损坏电缆结构，阻止信号的传输；三是成本高。而同轴电缆所有这些缺点正是双绞线能克服的，因此在现在的局域网环境中，同轴电缆基本已被基于双绞线的以太网物理层规范所取代。

图6-2　光纤

图6-3　同轴电缆

4.无线传输介质

可以在自由空间利用电磁波发送和接收信号进行通信就是无线传输。无线通信的方法有无线电波、微波、蓝牙和红外线。

（1）无线电波。无线电波是指在自由空间（包括空气和真空）传播的射频频段的电磁波。无线电技术是通过无线电波传播声音或其他信号的技术。无线电技术是导体中电流强弱的改变会产生无线电波。通过调制可将信息加载于无线电波之上。当电波通过空间传播到达收信端，电波引起的电磁场变化又会在导体中产生电流。通过解调将信息从电流变化中提取出来，就达到了信息传递的目的。

（2）微波。微波是指频率为300 MHz～300 GHz的电磁波，是无线电波中一个有限频带的简称，即波长在1 m（不含1 m）到1 mm之间的电磁波，是分米波、厘米波、毫米波的统称。微波频率比一般的无线电波频率高，通常也称为“超高频电磁波”。

（3）红外线。红外线是太阳光线中众多不可见光线中的一种，波长介乎微波与可见光之间的电磁波，波长在760 nm至1 mm之间，是比红光长的非可见光。高于绝对零度（-273.15℃）的物质都可以产生红外线。现代物理学称之为热射线。医用红外线可分为两类：近红外线与远红外线。含热能，太阳的热量主要通过红外线传到地球。太阳光谱中，红光的外侧必定存在看不见的光线，这就是红外线。也可以作为传输的媒介。

（4）蓝牙。蓝牙是一种支持设备短距离通信（一般在10 m内）的无线电技术。能在包括移动电话、PDA、无线耳机、笔记本计算机、相关外设等之间进行无线信息交换。能够有效地简化移动通信终端设备之间的通信，也能够简化设备与互联网之间的通信，从而数据传输变得更加迅速高效。

（三）按网络拓扑结构分类

计算机网络的拓扑结构是指网上计算机或设备与传输媒介所形成的结点与线的物理构成模式，主要由通信子网决定。网络的结点有两类：一类是转换和交换信息的转接结点，包括结点交换机、集线器和终端控制器等；另一类是访问结点，包括计算机主机和终端等。拓扑结构主要分类及其优缺点如表6-2所示。

表6-2　拓扑结构主要分类及其优缺点

续　表

五、常用网络连接设备

网络连接设备是把网络中的通信线路连接起来的各种设备的总称，这些设备包括中继器、集线器、交换机和路由器等。由于传输介质不同，连接线缆的接口也不相同，下面将介绍目前常用的网设备和使用的接口。

（一）常见网络设备

1.中继器

中继器（repeater）是一种放大模拟信号或数字信号的网络连接设备，如图6-4所示。它接收传输介质中的信号，将其复制、调整和放大后再发送出去，从而使信号能传输得更远，延长信号传输的距离。中继器不具备检查和纠正错误信号的功能，只是转发信号。(www.xing528.com)

2.集线器

集线器（hub）的主要功能是对接收到的信号进行再生整形放大，以扩大网络的传输距离，同时把所有节点集中在以集线器为中心的节点上，如图6-5所示。

图6-4　中继器　

图6-5　集线器

集线器工作于OSI（开放系统互联）参考模型第一层，即“物理层”。集线器与网卡、网线等传输介质一样，属于局域网中的基础设备。集线器可以视作多端口的中继器，若侦测到碰撞，会提交阻塞信号。

3.交换机

交换机（switch）又称交换式集线器，如图6-6所示，在网络中用于完成与其相连的线路之间的数据单元的交换，是一种基于MAC（网卡的硬件地址）识别，完成封装、转发数据包功能的网络设备。在局域网中可以用交换机来代替集线器，其数据交换速度比集线器快得多。

交换机工作于OSI参考模型的第二层，即数据链路层。交换机内部的CPU会在每个端口成功连接时，通过将MAC地址和端口对应，形成一张MAC表。在今后的通信中，发往该MAC地址的数据包将仅送往其对应的端口，而不是所有的端口。因此，交换机可用于划分数据链路层广播，即冲突域；但交换机不能用于划分网络层广播，即广播域。

4.路由器

路由器（router）是连接因特网中各局域网、广域网的设备，如图6-7所示，会根据信道的情况自动选择和设定路由，以最佳路径，按前后顺序发送信号。路由器是互联网络的枢纽，“交通警察”。目前路由器已经广泛应用于各行各业，各种不同档次的产品已成为实现各种骨干网内部连接、骨干网间互联和骨干网与互联网互联互通业务的主力军。路由和交换机之间的主要区别就是交换机发生在OSI参考模型第二层（数据链路层），而路由发生在第三层，即网络层。这一区别决定了路由和交换机在移动信息的过程中需使用不同的控制信息，所以说两者实现各自功能的方式是不同的。

图6-6　交换机

图6-7　路由器

随着无线网络的发展，无线路由器应运而生，也就是带有无线覆盖功能的路由器，主要应用于用户上网和无线覆盖。市场上流行的无线路由器一般都支持专线XDSL、CABLE、动态XDSL、PPTP四种接入方式，无线路由器还具有其他一些网络管理的功能，如DHCP服务、NAT防火墙、MAC地址过滤等功能。

相关知识

一、IP地址及应用

（一）IP地址概述

IP是英文Internet protocol的缩写，意思是“网络之间互连的协议”，也就是为计算机网络相互连接进行通信而设计的协议。在因特网中，它是能使连接到网上的所有计算机网络实现相互通信的一套规则，规定了计算机在因特网上进行通信时应当遵守的规则。任何厂家生产的计算机系统，只要遵守IP协议就可以与因特网互连互通。正是因为有了IP协议，因特网才得以迅速发展成为世界上最大的、开放的计算机通信网络。因此，IP协议也可以称为“因特网协议”。

IP地址被用来给Internet上的计算机一个网络编号。大家日常见到的情况是每台联网的PC上都需要有IP地址，才能正常通信。我们可以把“个人计算机”比作“一台电话”，那么“IP地址”就相当于“电话号码”，而Internet中的路由器，就相当于电信局的“程控式交换机”。

IP地址是一个32位的二进制数，通常被分割为4个“8位二进制数”（也就是4个字节）。IP地址通常用“点分十进制”表示成（a.b.c.d）的形式，其中，a、b、c、d都是0～255之间的十进制整数。例如，点分十进IP地址（100.4.5.6），实际上是32位二进制数（01100100.00000100.00000101.00000110）。

（二）IP地址类型

IP地址的分类如表6-3所示。

表6-3　IP地址的分类

1.公有地址

公有地址由Internet NIC（因特网信息中心）负责。这些IP地址分配给注册并向Internet NIC提出申请的组织机构。通过它直接访问因特网。每个IP地址包括两个标识码（ID），即网络ID和主机ID。同一个物理网络上的所有主机都使用同一个网络ID，网络上的一个主机（包括网络上工作站、服务器和路由器等）有一个主机ID与其对应。Internet委员会定义了5种IP地址类型以适合不同容量的网络，即A～E类。

其中A、B、C三类由Internet NIC在全球范围内统一分配，D、E类为特殊地址。

2.私有地址

私有地址属于非注册地址，专门为组织机构内部使用。

以下列出留用的内部私有地址范围；

A类：10.0.0.0～10.255.255.255；

B类：172.16.0.0～172.31.255.255；

C类：192.168.0.0～192.168.255.255。

3.特殊的网址

（1）每一个字节都为0的地址（“0.0.0.0”）对应于当前主机；

（2）IP地址中的每一个字节都为1的IP地址（“255.255.255.255”）是当前子网的广播地址；

（3）IP地址中凡是以“11110”开头的E类IP地址都保留用于将来和实验使用；

（4）IP地址中不能以十进制“127”作为开头，该类地址中数字127.0.0.1～127.255.255.255用于回路测试，例如，127.0.0.1可以代表本机IP地址，用“http：／／127.0.0.1”就可以测试本机中配置的Web服务器；

（5）网络ID的第一个8位组不能全置为“0”，全“0”表示本地网络。

4.设置本机IP方法

开始→运行→cmd→ipconfig／all，可以查询本机的IP地址，以及子网掩码、网关、物理地址（Mac地址）、DNS等详细情况。

设置本机的IP地址可以通过网上邻居→本地连接→属性→TCP／IP，即可进行本机IP设置。

5.IPv6

随着信息技术的发展，网络IP地址不足，严重地制约了中国及其他国家互联网的应用和发展。IPv6应运而生，单从数量级上来说，IPv6所拥有的地址容量是IPv4的约8×1028倍，达到2128（算上全零的）个。这不但解决了网络地址资源数量的问题，同时也为除计算机外的设备连入互联网在数量限制上扫清了障碍。

二、OSI参考模型

1.OSI参考模型的含义

OSI（open system interconnect）即开放系统互联，一般称作OSI参考模型，是ISO（国际标准化组织）组织在1985年研究的网络互联模型。该体系结构标准定义了网络互连的七层框架（物理层、链路层、网络层、传输层、会话层、表示层和应用层），即ISO开放系统互连参考模型。在这一框架下进一步详细规定了每一层的功能，以实现开放系统环境中的互连性、互操作性和应用的可移植性。

2.OSI参考模型及每层功能

OSI参考模型及每层功能如图6-8所示。

图6-8　OSI参考模型及每层功能

（1）物理层（physical layer）。物理层是OSI参考模型的最底层，它利用传输介质为数据链路层提供物理连接。主要作用是通过物理链路从一个节点向另一个节点传送比特流，物理链路可能是铜线、卫星、微波或其他的通信媒介。物理层关心的是链路的机械、电气、功能和规程特性。还涉及通信工程领域内的一些问题。物理层的主要设备是中继器、集线器。

（2）数据链路层（data link layer）。数据链路层通过物理网络链路提供可靠的数据传输。将上层数据封装成固定格式，数据帧中包含物理地址（MAC地址）、控制码、数据及校验码等信息。该层的主要作用是通过校验、确认和反馈重发等手段，将不可靠的物理链路转换成对网络层来说无差错的数据链路。数据链路层主要设备是二层交换机、网桥。

（3）网络层（network layer）。网络层主要实现为数据传送的目的地寻址，再选择出传送资料的最佳路线。网络层是为传输层提供服务的，传送的协议数据单元称为数据包或分组。该层的主要作用是解决如何使数据包通过各结点传送的问题，即通过路径选择算法（路由）将数据包送到目的地。另外，为避免通信子网中出现过多的数据包而造成网络阻塞，需要对流入的数据包数量进行控制（拥塞控制）。当数据包要跨越多个通信子网才能到达目的地时，还需要解决网际互联的问题。网络层主要设备是路由器。

（4）传输层（transport layer）。传输层的作用是为上层协议提供端到端的可靠和透明的数据传输服务，包括处理差错控制和流量控制等问题。该层向高层屏蔽了下层数据通信的细节，使高层用户看到的只是在两个传输实体间的一条主机到主机的、可由用户控制和设定的、可靠的数据通路。传输层传送的协议数据单元称为段或报文。

（5）会话层（session layer）。会话层主要功能是管理和协调不同主机上各种进程之间的通信（对话），即负责建立、管理和终止应用程序之间的会话。会话层得名的原因是它类似于两个实体间的会话概念。例如，一个交互的用户会话以登录到计算机开始，以注销结束。

（6）表示层（presentation layer）。表示层处理流经结点的数据编码的表示方式问题，以保证一个系统应用层发出的信息可被另一系统的应用层读出。如果必要，该层可提供一种标准表示形式，用于将计算机内部的多种数据表示格式转换成网络通信中采用的标准表示形式。数据压缩和加密也是表示层可提供的转换功能之一。

（7）应用层（application layer）。应用层是OSI参考模型的最高层，是用户与网络的接口。该层通过应用程序来完成网络用户的应用需求，如文件传输、收发电子邮件等。

任务小结

通过本任务的学习，了解了网络的基础理论知识，进一步明确了网络是什么，网络的来龙去脉，网络的分类，网络中的各种设备，网络中IP地址相关知识。为我们接下来的操作任务打下了理论基础。