大学计算机基础 —— 计算机科学概论赵欢骆嘉伟徐红云李丽娟编著

大学计算机基础 ——计算机科学概论赵欢骆嘉伟徐红云李丽娟编著

第二部分网络与安全 第3章计算机网络大学计算机基础 ——计算机科学概论

本章内容提要 3.1 网络的起源 3.2 网络的定义 3.3 数据传输 3.4 网络的分类 3.5 网络的拓扑结构 3.6 服务模型 3.7 网络的体系结构 3.8 网络互连 3.9 Internet和TCP/IP协议 3.10 网络管理大学计算机基础——计算机科学概论

3.1 网络的起源 3.1.1 联机系统阶段图3.1 利用集中器实现多路复用大学计算机基础——计算机科学概论 4

3.1 网络的起源 3.1.2 网络互连阶段图3.2 计算机网络互连大学计算机基础——计算机科学概论 5

3.1 网络的起源 3.1.3 标准化网络阶段国际标准化组织ISO（International Standard Organization）于1977年成立了专门的机构来研究网络互连问题，在1984年正式颁布了“开放系统互连参考模型”（Open System Interconnection Reference Model, OSI/RM）的国际标准。大学计算机基础——计算机科学概论 6

3.1 网络的起源 3.1.4 网络互连与高速网络 1993年美国宣布建立国家信息基础设施（National Information Infrastructure, NII）后，全世界许多国家纷纷制订和建立本国的NII，从而极大地推动了计算机网络技术的发展，使计算机网络进入了一个崭新的阶段，即计算机网络互连与高速网络阶段。大学计算机基础——计算机科学概论 7

3.2 网络的定义 计算机网络就是利用通信设备和线路将地理位置分散的、具有独立功能的多个计算机连接起来，按照以功能完善的网络软件（即网络通信协议、信息交换方式和网络操作系统（Network Operating System, NOS）等）进行数据通信，以实现网络中资源共享和信息传递的系统。大学计算机基础——计算机科学概论 8

3.3 数据传输 3.3.1 传输介质 1. 有线介质（1）双绞线图3.3 屏蔽双绞线和无屏蔽双绞线大学计算机基础——计算机科学概论 9

3.3 数据传输 3.3.1 传输介质 1. 有线介质 (2)同轴电缆 (3)光缆图3.4 同轴电缆结构示意图图3.5 四芯光缆剖面图大学计算机基础——计算机科学概论 10

3.3 数据传输 3.3.1 传输介质 2. 无线介质 (1) 短波 (2) 无线地面微波接力通信 (3) 卫星通信 (4) VSAT卫星通信 (5) 红外线通信和激光通信大学计算机基础——计算机科学概论 11

3.3 数据传输 • 3.3.2 带宽 • 带宽（bandwidth）是对通信信道容量的度量。它表示在给定时间内有多少信息通过通信信道。 • 语音带 • 中带宽 • 宽带大学计算机基础——计算机科学概论 12

图2.1 浮点数据格式 图2.1 浮点数据格式 3.3 数据传输 • 3.3.3 协议 • 定义了在两个或多个通信实体之间交换的报文格式和次序，以及在报文传输、接收或其他事件上所采取的动作。大学计算机基础——计算机科学概论 13

3.4 网络的分类 • 3.4.1 按距离划分 • 广域网 • 城域网 • 接入网 • 局域网 3.8 广域网、城域网、接入网和局域网的关系大学计算机基础——计算机科学概论 14

3.4 网络的分类 • 3.4.2 按网络的功能划分 • 电路交换（Circuit Switching） • 报文交换（Message Switching） • 分组交换（Packet Switching） • 混合交换大学计算机基础——计算机科学概论 15

3.5 网络的拓扑结构 3.5.1 拓扑的概念计算机科学家通过采用图论演变而来的“拓扑”方法，把工作站（Workstation）、服务器（Server）等网络元素抽象为“点”，把网络中的电缆等通信介质抽象为“线”，这样从拓扑学的观点看计算机网络系统，就形成了点和线组成的几何图形，从而抽象出了网络系统的具体结构。采用拓扑学方法抽象出的网络结构称为计算机网络的拓扑结构。大学计算机基础——计算机科学概论 16

3.5 网络的拓扑结构 • 3.5.2 链路与通路 • 链路是两个节点间的连线。链路分“物理链路”和“逻辑链路”两种，前者是指实际存在的通信连线，后者是指在逻辑上起作用的连线。链路有容量，它是用来表示每个链路在单位时间内可能接纳的最大信息量。 • 通路是从发出信息的节点到接收信息的节点的一串节点和链路，也就是说，它是一系列穿越通信网络而建立起的节点到节点的链路。大学计算机基础——计算机科学概论 17

3.5 网络的拓扑结构 3.5.3 网络拓扑结构基本的网络拓扑结构有总线型、树型、星型和环型。任何一种网络系统都规定了它们各自的网络拓扑结构。 1.总线型网络结构图3.9总线型网络结构大学计算机基础——计算机科学概论 18

3.5 网络的拓扑结构 3.5.3网络拓扑结构 2. 树型网络结构图3.10树型网络结构大学计算机基础——计算机科学概论 19

3.5 网络的拓扑结构 3.5.3 网络拓扑结构 3. 星型网络结构图3.11星型网络结构大学计算机基础——计算机科学概论 20

3.5 网络的拓扑结构 3.5.3 网络拓扑结构 4. 环型网络结构图3.12环型网络结构大学计算机基础——计算机科学概论 21

3.6 服务模型 3.6.1 终端网络模型图3.13终端网络模型大学计算机基础——计算机科学概论 22

3.6 服务模型 3.6.2 客户机/服务器模型图3.14客户机/服务器模型大学计算机基础——计算机科学概论 23

3.6 服务模型 3.6.3 对等网络模型图3.15 对等网络模型大学计算机基础——计算机科学概论 24

3.7 网络的体系结构 • 国际标准化组织（ISO）在1977年成立一个分委员会来专门研究网络通信的体系结构问题，并提出了OSI/RM，它是一个定义异构计算机连接标准的框架结构。 • OSI参考模型的系统结构是层次式的，由七层组成，从高层到低层依次是应用层、表示层、会话层、传输层、网络层、数据链路层和物理层，如图3.16所示. 大学计算机基础——计算机科学概论 25

3.7 网络的体系结构 图3.16 OSI/RM体系结构图大学计算机基础——计算机科学概论 26

3.8 网络互连 网络可通过连接设备实现互连。典型的网络连接设备有4类：中继器、网桥、路由器和网关，其中前两类主要用于同种网络的互连，后两类主要用于不同种网络的互连。大学计算机基础——计算机科学概论 27

3.8 网络互连 1. 中继器图3.17 中继器的作用实例大学计算机基础——计算机科学概论 28

3.8 网络互连 2. 网桥图3.18 网桥作用示意图大学计算机基础——计算机科学概论 29

3.8 网络互连 3. 路由器图3.19 路由器连接起来的互连网络大学计算机基础——计算机科学概论 30

3.8 网络互连 • 网关 • 网络层以上的互连设备，统称网关（Gateway）或应用网关。网关是充当协议转换器的设备，通常是安装了必要软件的计算机，允许两个网络互连并通信，其中每个网络可以使用不同的协议。大学计算机基础——计算机科学概论 31

3.9 Internet和TCP/IP 3.9.1 Internet的起源 Internet的前身是ARPANET，它是由美国国防部的高级研究计划署资助的，1983年，TCP/IP正式成为ARPANET的协议标准。随着一些地区网络的连入，Internet逐步扩展到其他国家与地区。大学计算机基础——计算机科学概论 32

3.9 Internet和TCP/IP 3.9.2 TCP/IP TCP/IP是Internet赖以存在的基础，Internet中计算机之间通信必须共同遵循TCP/IP通信协议。TCP/IP的体系结构如图3.20所示。图3.20 TCP/IP的体系结构大学计算机基础——计算机科学概论 33

3.9 Internet和TCP/IP 3.9.3 IP地址 1. IP地址结构图3.21 IP 地址结构大学计算机基础——计算机科学概论 34

3.9 Internet和TCP/IP 3.9.3 IP地址 2. IP地址编码方案图3.22 IP 地址的编码方案大学计算机基础——计算机科学概论 35

3.9 Internet和TCP/IP 3.9.3 IP地址 3. 下一代网际协议—IPv6 IPv6把原来IPv4地址增大到了128位（bit），其地址空间大约是3.41038，是原来IPv4地址空间的296倍。IPv6没有完全抛弃原来的IPv4，且允许与IPv4在若干年内共存，它使用一系列固定格式的扩展首部取代了IPv4中可变长度的选项字段。IPv6对IP数据报协议单元的头部进行了简化，仅包含7个字段（IPv4有13个），这样，数据报文经过中间的各个路由器时，各个路由器对其处理的速度可以更快，从而可提高网络吞吐率。IPv6内置了支持安全选项的扩展功能。大学计算机基础——计算机科学概论 36

3.9 Internet和TCP/IP • 3.9.4 Internet提供的主要服务 • WWW服务 • WWW（World Wide Web）的中文名为万维网，简称为Web，是Internet技术发展中的一个重要里程碑。WWW是由遍及全球的信息资源组成的系统，这些资源所包含的内容不仅可以是文本，还可以是图像、表格、音频与视频文件，也有人将它称为3W或WWW。大学计算机基础——计算机科学概论 37

3.9 Internet和TCP/IP 3.9.4 Internet提供的主要服务 2. 域名系统由于IP地址很难记忆，为了使用和记忆方便，Internet还采用了域名管理系统（Domain Name System，DNS）。域名系统与IP地址结构一样，也是采用层次结构。任何一个连接在Internet上的主机或路由器，都有一个唯一的层次结构的名字，即域名。域名的结构由若干个分量组成，顶级域名放在最右面，各分量之间用“.”隔开：……三级域名.二级域名.顶级域名。大学计算机基础——计算机科学概论 38

3.9 Internet和TCP/IP 3.9.4 Internet提供的主要服务 2. 域名系统域名和IP地址一一对应，域名方便人类记忆，网络世界使用IP地址，域名到IP地址的转换由域名服务器完成，如图3.23所示。图3.23 DNS将基于文本的地址转换成数字的IP地址大学计算机基础——计算机科学概论 39

3.9 Internet和TCP/IP 3.9.4 Internet提供的主要服务 3. 电子邮件服务电子邮件服务又称为E-mail服务，是目前Internet上使用最频繁的服务，它为Internet用户之间发送和接收消息提供了一种快捷、廉价的现代化通信手段。大学计算机基础——计算机科学概论 40

3.9 Internet和TCP/IP 3.9.4 Internet提供的主要服务 4. 文件传输服务文件传输服务又称为FTP服务，由FTP应用程序提供，FTP应用程序遵循TCP/IP协议组中的文件传输协议，所以不论Internet上的计算机在地理位置上相距多远，只要它们都支持FTP，它们之间就可以随意地相互传送文件，并且能保证传输的可靠性。大学计算机基础——计算机科学概论 41

3.9 Internet和TCP/IP 3.9.4 Internet提供的主要服务 5. 远程登录服务远程登录服务又称为Telnet服务，是指用户使用Telnet命令，使自己的计算机暂时成为远程计算机的一个仿真终端的过程。 Telnet允许一个用户通过Internet登录到一台计算机上，建立一个TCP连接，然后将用户从键盘输入的信息直接传递到远程计算机上，像用户是用连在远程计算机的本地键盘进行操作一样，同时还将远程计算机的输出回送到用户屏幕上。大学计算机基础——计算机科学概论 42

3.9 Internet和TCP/IP 3.9.5 内网与外网 1. 企业内部网 Intranet是采用TCP/IP、WWW工具、防止外界侵入的安全措施，为企业内部提供服务，并有连接Internet功能的企业内部网络。 2. 企业外部网企业外部网是几个组织互连的专用网络（private network）。许多组织利用互连网络技术，让供应商和其他组织有限制地访问他们的网络。大学计算机基础——计算机科学概论 43

3.10 网络管理 3.10.1 网络管理基础 1. 基本概念网络管理简称为网管，主要是指网络硬件、网络软件和人力资源的使用、协调和综合，从而对网络资源进行分析、配置、监视、测试、评价和控制等操作，以合理的性价比满足网络的需求，如实时性、服务质量（QoS）等。大学计算机基础——计算机科学概论 44

3.10 网络管理 3.10.1 网络管理基础 2. 网络管理的目标网络管理的目标就是更加有效地使用网络中的各种资源，维护网络的正常运行，当网络出现故障时能及时报告和处理，并协调、保证网络系统的高效运行等。 3.网络管理对象网络管理对象是网络中几乎所有的实体，包括路由器、交换机、网关、集线器、网桥、通信线路、网卡、应用程序、服务器系统、工作站、辅助设备等。大学计算机基础——计算机科学概论 45

3.10 网络管理 3.10.1 网络管理基础 4. 设备的可管理性被管对象的可管理性，即被管对象是否提供管理接口，是否内嵌有代理程序。 5.网络管理的结构图3.24网络管理的层次结构大学计算机基础——计算机科学概论 46

3.10 网络管理 • 3.10.2 网络管理功能 • 配置管理功能 • 性能管理功能 • 计费管理功能 • 故障管理功能 • 安全管理功能大学计算机基础——计算机科学概论 47

3.10 网络管理 3.10.3 Internet的管理信息库 1. Internet网络管理 Internet网络管理方案是由Internet组织专门针对 TCP/IP网络而设计的一个以SNMP为核心的网络管理方案，也称为SNMP网络管理方案。SNMP定义为应用层协议，它是采用数据报服务，其体系结构如图3.25所示。图3.25 SNMP的体系结构大学计算机基础——计算机科学概论 48

3.10 网络管理 3.10.3 Internet的管理信息库 2. Internet网络管理的工作原理 Internet网络管理方案的核心是SNMP，它采用“请求—回答”的操作方式。管理站和代理之间、代理和本地MIB之间都是通过SNMP进行通信的。SNMP的操作很方便，只定义了以下4类管理操作。（1）GET操作：用来获取特定的网络管理信息。（2）GET-NEXT操作：通过遍历来提供强大的管理信息提取功能。（3）SET操作：对管理信息进行设置或修改以实现控制。（4）TRAP操作：用来向管理站报告严重的异常事件。大学计算机基础——计算机科学概论 49

3.10 网络管理 3.10.3 Internet的管理信息库 3. MIB MIB是网络管理系统的信息存储地，在MIB中，被管对象封装着关于网络及网络管理行为和作用的数据。MIB提供了执行查询、被管对象操作、处理事件管理及被管对象间关系的能力。网管系统通常可以支持单一或多个MIB的体系结构。大学计算机基础——计算机科学概论 50

大学计算机基础 —— 计算机科学概论 赵 欢 骆嘉伟 徐红云 李丽娟 编著