局域网技术与局域网组建,第1章 计算机网络基础,本章主要内容： 什么是计算机网络 网络的分类 网络拓扑结构 OSI七层协议模型 TCP/IP协议模型 数据通信技术 IP地址,1.1 什么是计算机网络 1.1.1 计算机网络的定义,为了实现计算机之间的通信、资源共享和协同工作，利用传输介质、网络通信设备，将地理位置分散的、在功能上独立的一组计算机，按照某种结构联系起来，并通过网络操作系统和网络通信协议对这组互联的计算机进行管理，这就是计算机网络。 两台计算机用双绞线互连可组成一个网络，校园中所有计算机互连在一起所组成的校园网也是一个网络，Internet也是一个网络，它是网络的集合，通过卫星、光缆、路由器、TCP/IP协议等将全世界不同的网络连接在一起。 形成计算机网络，有以下特点： 互连的计算机和各种网络设备； 计算机及网络设备之间可以通信； 互连的、自主的计算机集合，互连使计算机之间可以相互交换信息，自主使各计算机在功能上独立。,1.1.2 计算机网络的功能 资源共享； 交互通信； 协同工作。 1.1.3 计算机网络的组成要素 计算机网络是由各种硬件组件和软件组件组成。 硬件组件包括：包含网卡的计算机和服务器，打印机、绘图仪、MODEN等各种外部设备，中继器、集线器、交换机、网桥、路由器、无线AP或无线路由等中间设备，同轴电缆、双绞线、光纤、卫星天线等传输介质。 软件组件包括：网络操作系统、网络和通信协议、各种应用软件等。,节点类包括： 计算机的特点： 计算机网络中的最基本节点 具有独立工作的能力 插有网卡或无线网卡 安装了网络协议如TCP/IP协议 能使自己的资源在网络中共享 服务器的特点： 允许网络中的其它计算机使用它的资源 相对其它计算机节点其功能更加强大 拥有增强的处理速率 拥有各种存储设备,打印机、绘图仪等网络中共享资源 连接在某一网络中或计算机或服务器上 被网络中所有节点或用户所共享使用 MODEN 是调制解调器或ADSL MODEN 单台计算机或小型网络接入大型网络的一种设备 传输数率较低 传输介质类包括： 双绞线电缆： 价格便宜且易于安装 传输速率在 1 至 100 Mbps 之间 两节点之间的最大距离不能超过 100 米,同轴电缆： 可靠，带宽比双绞线电缆宽 两根导线共享同一根轴 很好的 EMI 屏蔽且弹性很好 价格较高，安装过程复杂 光纤电缆： 使用光导玻璃纤维或塑料纤维制成，外层包有一层保护鞘和一层耐磨的外部鞘 以光的形式传送数据 需要昂贵的接口设备 数据传输速率介于 100 Mbps 和 2 Gbps 之间 有效传输距离为 2 至 25 Km 有效传输距离为 2 至 25 Km 可以安全地应用于各种高电压或安全的环境中,红外线 采用小于1微米波长的红外线作为传输媒体 有较强的方向性 具有很高的背景噪声，受日光、环境照明等影响较大 红外信号要求视距传输，窃听困难，对邻近区域的类似系统不会产生干扰 无线电波 使用直序扩频调制方法时，具有很强的抗干扰抗噪声能力、抗衰落能力 使用的频段主要是ISM频段（2.4GHz 2.4835GHz）,不会对人体健康造成伤害 无线电波的覆盖范围广，应用广泛,中间设备 中继器 对传递的信号进行放大 连接网络段所用介质相似时效率更高 拓展了局域网的物理长度 物理层设备 集线器 多口中继器 共享式设备 物理层设备 交换机 具有集线器的功能 工作在数据链路层 用于连接不同的网段 各端口能独立地进行数据传输，从而拓展了网络带宽,网桥 用于连接多个局域网 可以根据MAC地址过滤通信量 工作在数据链路层 对高层协议透明 路由器 连接两个或多个不同的网络 工作在网络层 隔离广播 吞吐量通常不及网桥 具有防火墙的功能 软件组件 网络操作系统 是一组控制和管理计算机的软件程序 管理程序的执行 解释键盘输入信息 在屏幕上显示信息,文件的输入和输出 控制和管理外设 网络通信协议 是一系列规则和约定 遵守网络通信协议的网络设备能够相互通信 TCP/IP协议，是Internet的标准协议 网卡驱动程序 将计算机中的数据转换成网络上其它设备能够识别的格式 将网络中各种介质传输过来的信号转换成计算机中的数据 各种应用软件 网络安全软件 网络管理软件 信息管理软件 数据库管理软件,包括各网络硬件组件的计算机网络示意图如图1-1所示：,图1-1 包括各硬件组件的计算机网络,1.2 网络的分类,按通信方式分：交换网和广播网 从网络的使用者分：公众网和专用网 按传输介质分：有线网和无线网 按服务方式分：客户机/服务器网络和对等网络 从网络的作用范围来分：接入网、局域网、城域网和广域网 对分组交换网，又分为：通信子网、资源子网,1.3 网络拓扑结构,网络拓扑结构是指用传输媒体互连各种网络设备的物理布局。网络拓扑图给出了网络中各节点相互间的连接图。 网络拓扑的基本结构有星型结构、总线结构、环型结构；还有其他混合型拓扑结构：树型结构、网状结构、蜂窝状结构、分布式结构等。 1.3.1 总线型拓扑结构 总线型拓扑结构采用单根数据传输线作为通信介质（称为总线），所有的节点都通过相应的硬件接口直接连接到通信介质上，而且能被所有其他的节点接受。图1-2所示为总线型拓扑结构示意图,图1-2 总线型拓扑结构,由于所有的节点共享一条公用的传输链路，所以一次只能由一个设备传输。这样就需要某种形式的访问控制策略，以决定下一次哪一个节点可以发送。一般情况下，总线型网络采用载波监听多路访问/冲突检测（CSMA/CD）控制策略。 总线型网络信息发送的过程为：网中的各个计算机在发送数据之前，首先要进行载波监听，当媒体空闲时，开始发送数据，所有的计算机都能侦听到数据，但只有目标地址相同的计算机才会接收，其它计算机放弃。当两个以上的计算机同时监听到媒体空闲并同时发送数据时，就会产生冲突现象，发送随即宣告失败。然后这两个计算机随机等待一段时间后，再重新争用媒体，重发未完成的数据。 总线型拓扑结构在局域网中得到广泛的应用，主要优点有： 布线容易、电缆用量小。 易于扩充。 易于安装。 总线型拓扑结构虽然有许多优点，但也有自己的局限性： 故障诊断困难。 故障隔离困难 。 中继器配置问题。,通信介质或中间某一接口点出现故障，整个网络随即瘫痪。 传输距离有限，通信范围受到限制。 分布式协议不保证信息及时传送，不具实时功能。 终端必须是智能的。 1.3.2 星型拓扑结构 星型拓扑结构是中央节点和通过点到点链路连接到中央节点的各节点组成。工作站到中央节点的线路是专用的，不会出现拥挤的瓶颈现象。一旦建立了通道连接，可以没有延迟地在连通的两个节点之间传送数据。图1-3所示为星型拓扑结构图。,图1-3 星型拓扑结构,星型拓扑结构中，中央节点为集线器（HUB）或交换机，其他外围节点为服务器或工作站或其它设备等；通信介质为双绞线或光纤。 星型拓扑结构被广泛地应用于网络中主要集中于中央节点的场合。由于所有节点的往外传输都必须经过中央节点来处理，因此，对中央节点的要求比较高。 星型拓扑结构信息发送的过程为：某一工作站有信息发送时，将向中央节点申请，中央节点响应此工作站，并将该工作站与目的工作站或服务器建立会话。此时，就可以进行无延时的会话。 星型拓扑结构的优点为： 可靠性高。在星型拓扑的结构中，每个连接只与一个设备相连，因此，单个连接的故障只影响一个设备，不会影响全网。 网络延迟时间较小，传输误差较低。 方便服务。 故障诊断容易。,星型拓扑结构虽有许多优点，但也有缺点： 扩展困难、安装费用高。 对中央节点的依赖性强。 各站点的分布处理能力较低。 1.3.2 环型拓扑结构 环型结构一般使用电缆和光纤连接环路上的各节点，它所有的节点上通过环路接口分别联接到它相邻的两个节点上，从而形成的一种首尾相接的闭环通信网络。图1-4为环型拓扑结构。,图1-4 环型拓扑结构,环型结构数据发送的过程为：一般情况下，环型拓扑结构网络采用令牌环（Token Ring）的介质访问控制。环路上的各个计算机均可以请求发送信息，请求一旦被批准（拿到空令牌），计算机就可以向环路发送数据，并采用单向传输。只有当传送信息的目的地址与环路上某台计算机的地址相符合时，才被该计算机的环接口所接受，否则，信息将传至下一台计算机的环接口。当目标计算机收到数据后，做好标记，并继续下传，到源发送计算机为止，在判断发送正确后才被丢弃，并产生新的令牌下传。 环型拓扑结构具有以下优点： 电缆长度短。 信息流在网中是沿着固定方向流动的，两个节点仅有一条道路，故简化了路径选择的控制，且传输时间固定。 当有旁路电路时，某个节点发生故障可以自动旁路。 环路上各节点都是自举控制，故控制软件简单。 适用于光纤。 无差错传输。,环型拓扑结构的缺点为： 可靠性差。 故障诊断困难。 调整网络比较困难。 由于信息源在环路中是串行地穿过各个节点，当环中节点过 多时，势必影响信息传输速率，使网络的响应时间延长。 媒体访问协议都用令牌传递方式，在负载很轻时，信道利用率较低。 1.3.4 其它网络拓扑结构 混合型拓扑结构 混合型拓扑结构是一种综合性的拓扑结构。组建混合型拓扑结构的网络有利于发挥网络拓扑结构的优点，克服某一种拓扑结构的局限性。图1-5、图1-6均为一个混合型拓扑结构。混合型拓扑结构没有一定的规则，其节点的地理位置比较分散，主要考虑的因素是通信线路，因而采用没有规则的混合型。,对总线与星型拓扑结构来说：单台计算机出故障不影响网络的正常运行；如果连接组件出故障，那么网络将断成两段，相互不能通信。 对环型与星型拓扑结构来说：单台计算机出故障不影响网络的正常运行；由于采用令牌传送数据的机制，各个计算机的通信机会均等，所以环型与星型网络的通信能力比总线与星型的通信能力强。 混合形拓扑：将两种单一拓扑结构混合起来，取两者的优点构成的拓扑结构。,图1-5总线与星型相结合的混合型拓扑结构,图1-6 环型与星型相结合的混合型拓扑结构,树型结构 树型结构是分级的集中控制式网络，与星型相比，它的通信线 路总长度短，成本较低，节点易于扩充，寻找路径比较方便，但 除了叶节点及其相连的线路外，任一节点或其相连的线路故障都 会使系统受到影响。如图1-7、图1-8所示。,树形拓扑：从总线拓扑演变而来，像一棵倒置的树，顶端是树根，树根以下带分支，每个分支还可带子分支。树根接收各站点发送的数据，然后再广播发送到全网。,图1-7树型拓扑结构,图1-8 星型树型拓扑结构,网状拓扑结构 在网状拓扑结构（有时也称为分布式结构）中，网络的每台 设备之间均有点到点的链路连接，因此任两个节点之间的链路 都有多条，这种连接成本很高，只有每个设备都要频繁地向邻 近的设备发送信息时才使用这种方法。它的安装也复杂，但系 统可靠性高，容错能力强。如图1-9所示。,图1-9网状拓扑结构,蜂窝拓扑结构 蜂窝拓扑结构是无线局域网中常用的结构，如图1-10所示。 当地形复杂地区，架设有线通信介质比较困难，可利用无线传输 介质（微波、卫星、无线电、红外等）点到点和多点传输的特 征，组成无线网络。蜂窝拓扑结构由圆形区域组成，每一区域都 有一个节点（基站），区域中没有物理连接点，只有无线介质。 适用于城市网、校园网、企业网，更适合于移动通信。,图1-10 蜂窝拓扑结构,(a) 室内点到点拓扑结构,(b) 室外点到点拓扑结构,(c) 室内点到多点拓扑结构,(d) 室外点到多点拓扑结构,1.3.5 网络拓扑结构的选择,在选择网络拓扑结构时，应考虑的因素有下列几点： 可靠性。 费用。 灵活性。 响应时间和吞吐量。 可操作性。,1.4 OSI七层协议模型 1.4.1 什么是OSI,OSI是一个协议，将网络通信按功能分为7个层次，共分为两 个组。上面3层定义了中断系统中的应用程序间彼此通信，以及如 何与用户通信等相关的数据处理，下面4层定义了怎样进行端到端 的数据传输。OSI还定义了各层的功能以及层与层之间的关系，相 同层次的两端如何通信等。OSI七层协议模型如图1-11所示。,图1-11 OSI七层