网络基础与应用

第七章：网络基础与应用一、计算机网络基础知识1、计算机网络的定义、特征、功能、分类与组成。

定义：凡将地理位置不同但具备独立功能的多台计算机、终端及其附属设备，用通信设备和通信线路连接起来，并且配有相应的网络软件和应用软件，实现通信、资源共享和协同工作的系统，称为计算机网络。

共享的资源包括硬件资源、软件资源和数据资源等。

特征：①计算机网络是计算机及相关外部设备组成的一个群体，计算机是网络中信息处理的主体。

②网络中的计算机和外部设备通过通信媒体互连在一起，彼此之间交换信息。

③网络中的每一台计算机都是独立的，任何两台计算机之间不存在主从关系。

④网络中不同类型的计算机之间进行通信必须遵守共同的约定即协议，这就是说，计算机之间的通信是通过通信协议实现的。

功能：资源共享:软件、硬件、数据；数据传送；分布式处理；高度的可靠性和可用性分类：计算机网络可按不同的标准分类，如按网络的拓扑结构分类、按地理位置分类、按网络中的计算机和设备在网络中的地位、按信息交换方式分类和按网络的应用范围分类等。

其中常用的分类方法是按网络的应用范围进行划分。

按网络的地理位置划分，计算机网络可分为广域网、城域网和局域网。

1)广域网（W AN）的作用范围通常为几十到几千公里以上，可以跨越辽阔的地理区域进行长距离的信息传输，所包含的地理范围通常是一个国家或洲。

在广域网内，用于通信的传输装置和介质一般由电信部门提供，网络则由多个部门或国家联合组建，网络规模大，能实现较大范围的资源共享。

2)局域网（LAN）是一个单位或部门组建的小型网络，一般局限在一座建筑物或园区内，其作用范围通常为10米至几公里。

局域网规模小、速度快，应用非常广泛。

关于局域网在后面章节将作较详细的介绍。

3)城域网（MAN）的作用范围介于广域网和局域网之间，是一个城市或地区组建的网络，作用范围一般为几十公里。

城域网以及宽带城域网的建设已成为目前网络建设的热点。

由于城域网本身没有明显的特点，因此我们后面只讨论广域网和局域网。

而且随着计算机网络技术的发展，三者的界限已经变得模糊了。

组成：【1】计算机网络的硬件组成：计算机网络硬件系统是由服务器、客户机、通信处理设备和通信介质组成。

服务器和客户机是构成资源子网的主要设备，通信处理设备和通信介质是构成通信子网的主要设备。

【2】计算机网络的软件组成：包括计算机网络的网络操作系统和网络应用服务系统等。

网络应用服务系统针对不同的应用有不同的应用软件，下面只介绍网络操作系统。

网络操作系统的组成主要由三个部分组成：网络适配器驱动程序、子网协议和应用协议。

2、网络通信协议：基本概念、层次结构、以及开放系统的互联模型。

基本概念：一个计算机网络有许多互相连接的节点，在这些节点之间要不断地进行数据的交换。

要做到有条不紊地交换数据，每个节点就必须遵守一些事先约定好的规则。

网络协议主由3个要素组成：（1）语法：即数据与控制信息的结构或格式。

例如在某个协议中，第一个字节表示源地址，第二个字节表示目的地址，其余字节为要发送的数据等。

（2）语义：定义数据格式中每一个字段的含义。

例如发出何种控制信息，完成何种动作以及做出何种应答等。

（3）同步：收发双方或多方在收发时间和速度上的严格匹配，即事件实现顺序的详细说明。

层次结构：1）．分层结构，网络通信需要完成很复杂的功能，若制定一个完整的规则来描述所有这些问题是很困难的。

实践证明，对于非常复杂的计算机网络协议，最好的方法是采用分层式结构。

2）层次结构的优点。

层之间是独立的。

由于每一层只实现一种相对独立的功能，因而可将一个难以处理的复杂问题分解为若干个较容易处理的更小一些的问题。

3）分层的原则。

如果层次划分不合理也会带来一些问题。

因此，分层时应注意层次的数量和使每一层的功能非常明确。

一般来说，层次划分应遵循以下原则：结构清晰，易于设计，层数应适中。

若层次太少，就会使每一层的协议太复杂，但层数太多又会在描述和实现各层功能的系统工程任务时遇到较多的困难。

每层的功能应是明确的，并且是相互独立的。

当某一层的具体实现方法更新时，只要保持上、下层的接口不变，便不会对相邻层产生影响。

同一节点相邻层之间通过接口通信，层间接口必须清晰，跨越接口的信息量应尽可能少。

每一层都使用下层的服务，并为上层提供服务。

网中各节点都有相同的层次，不同节点的同等层按照协议实现对等层之间的通信。

开放系统的互联模型：开放系统互连（OSI）基本参考模型。

开OSI的体系结构定义了一个七层模型，从下向上依次包括：物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层和应用层，如图2-1所示。

图2-1 OSI七层模型各层的主要功能如下：（1）物理层：物理层是七层中的第一层，也即最下一层。

物理层直接和传输介质相连。

物理层的任务是实现网内两实体间的物理连接，按位串行传送比特流，将数据信息从一个实体经物理信道送往另一个实体，向数据链路层提供一个透明的比特流传送服务。

（2）数据链路层：数据链路层是OSI 七层协议中的第二层。

数据链路层主要负责在两个相邻结点间的链路上无差错地传送以帧为单位的数据。

帧是一种信息单位，每一帧应该包括一定数量的数据和一些必要的控制信息。

控制信息包括同步信息(帧的开始、结束信息)、地址信息、差错控制信息以及流量控制信息等。

（3）网络层：网络层是OSI 七层协议的第三层，介于数据链路层和传输层之间。

数据链路层提供的是两个节点之间数据的传输，还没有做到主机到主机之间数据的传输，而主机到主机之间数据的传输工作是由网络层来完成的。

网络层是通信子网的最高层，它的任务是选择合适的路由和交换节点，以透明地向目的站传输发送站所发送的分组信息，即路由选择是网络层的一项主要工作。

另外，要很好的进行流量控制，即对发送数据的速度进行控制，一方面使接收方来得及接收数据；另一方面又不能使通信线路空闲，以便充分利用通信线路。

这也是网络层的另一功能。

网络层传送数据的单位是分组，就是将一个报文分成等长的分组。

（4）传输层：传输层是OSI 七层协议的第四层，又称为主机-主机协议层。

也有的将传输层称作运输层或传送层。

该层的功能是提供一种独立于通信子网的数据传输服务，使源主机与目标主机象是点对点地简单连接起来一样。

（5）会话层：会话层是OSI 七层协议的第五层，又称为会晤层或对话层。

会话层所提供的会话服务主要分为两大部分，即会话连接管理与会话数据交换。

6）表示层：表示层是OSI 七层协议的第六层。

表示层的目的是表示出用户看得懂的数据格式，实现与数据表示有关的功能。

主要完成数据字符集的转换，数据格式化和文本压缩，数据加密、解密等工作。

（7）应用层：应用层是OSI 七层中的最高层。

应用层为用户提供服务，是OSI 用户的窗口，并为用户提供一个OSI 的工作环境。

应用层的内容主要取决于用户的需要，因为每个用户可以自行解决运行什么程序和使用什么协议。

应用层的功能包括程序执行的功能和操作员执行的功能。

在OSI 环境下，只有应用层是直接为用户服务的。

应用层包括的功能最多，已经制定的应用层协议很多，例如虚拟终端协议VTP，电子邮件，事务处理等。

根据七层的功能，又将会话层以上的三层（会话层、表示层、应用层）协议称为高层协议，而将下三层（物理层、数据链路层、网络层）协议称为低层协议，传输层居中有的将其归入低层协议，有的将其归入高层协议。

高层协议是面向信息处理的，完成用户数据处理的功能；低层协议是面向通信的，完成网络功能。

这种层次关系如图2-2所示。

面向信息处理面向数据通信用户功能网络功能图2-2 OSI 七层协议关系3、局域网知识：局域网的特点和拓扑结构，主机、网络适配器、传输介质、网络互连设备和软件系统的基本组成。

局域网的特点：通信距离在数十米至数千米范围内、数据传输速度快，可达到每秒传输数兆至、数百兆位信息 ，误码率低。

软件控制简单，通信协议单纯，硬件设备少，成本低，使用方便灵活、线路专用，具有很好的保密性，是实现办公室自动化的重要环节多采用分布式控制和广播式通信。

拓扑结构：局域网采用总线型、星型或环型拓扑结构，基本不采用网状拓扑结构。

当然还有星型的扩展，即树型拓扑结构，树型拓扑结构如图3-1所示。

图3-1 树型拓扑结构 主机：1）虚拟主机（virtual host ）或主机托管服务。

提供虚拟主机或主机托管服务的服务商通常拥有较大的 Internet 接入带宽（100 Mbps 以上），因此可以为用户提供良好的出口带宽。

用户也可以通过租用虚拟主机或者将自己的主机进行托管来大大降低自行申请专线连接的运营与管理成本。

2）internet 上的主机：与internet 相连的任何一台计算机都称为主机，每台主机都有一个唯一的ip 地址，每台主机在互联网上的地位都是平等的。

网络适配器：将计算机、工作站、服务器等设备连接到网络上的通信接口装置。

在很多情况下，它是一个单独的网络接口卡(NIC)，即“网卡”传输介质：（1）双绞线（2）同轴电缆（3）光导纤维网络互连设备：中继器；网桥；路由器；网关（1）服务器一般是一台配置高（诸如CPU 速度快，内存和硬盘的容量高等）的计算机，它为客户机提供服务。

（2）客户机运行应用程序的客户机端软件，网络用户通过客户机与网络联系，由于网络中的客户机能够共享服务器的资源，因而一般情况下配置比服务器低。

（3）网卡服务器和客户机都需要安装网卡。

网卡是计算机和传输介质之间的物理接口，又称为网络适配器。

网卡的作用是将计算机内的数据转换成传输介质上的信号发送出去，并把传输介质上的信号转换成计算机内的数据接收进来。

（4）通信介质也称为传输介质，用于连接计算机网络中的网络设备，传输介质一般可分为有线传输介质和无线传输介质两大类。

常用的有线传输介质是双绞线、同轴电缆和光导纤维，常用的无线传输介质是微波、激光和红外线等。

（5）通信处理设备主要包括调制解调器、中继器、集线器、网桥、交换机、路由器和网关等。

调制解调器（Modem）：是远程计算机通过电话线连接网络所需配置的设备。

中继器：由于信号在线缆中传输会发生衰减，因此要扩展网络的传输距离，可以使用中继器使信号不失真地继续传播。

集线器（Hub）：是一种特殊的中继器。

它除了对接收到的信号再生并传输外，还可为网络布线和集中管理带来方便。

网桥（Bridge）：不仅能再生数据，还能够实现不同类型的局域网互连。

交换机（Switch）：分为第二层交换机和第三层交换机。

第二层交换机同时具备了集线器和网桥的功能。

第三层交换机除了具有第二层交换机的功能之外，还能进行路径选择功能。

路由器（Router）：具有数据格式转换功能，可以连接不同类型的网络。

网关：网关又叫协议转换器，它的作用是使网络上采用不同高层协议的主机，能够互相通信，进而完成分布式应用。