第五章计算机网络技术基础

第五章计算机网络技术基础 5.1计算机网络的形成与发展

计算机网络的形成 计算机网络技术的形成与发展都具备两个条件： • 一是强烈的社会需求。 • 二是前期技术的成熟，并在此技术上发展、演变。

计算机网络的发展阶段 计算机网络的发展阶段: • 面向终端的第一代计算机网络 • 以分组交换网为中心的第二代计算机网络 • 体系结构标准化的第三代计算机网络 • 以网络互连为核心的第四代计算机网络

互连网的应用与高速网络技术发展 • 目前，计算机网络的发展正处于第四阶段。在这个阶段互联网被广泛应用，高速网络技术与基于Web技术的互联网网络应用快速发展。 • 云计算的时代已经来临。 • 根据中国互联网络信息中心（CNNIC）的统计数据可以知道，我国目前正处于互联网应用高速发展的阶段。

第五章计算机网络技术基础 5.2 计算机网络的概述

计算机网络的定义 • 简单的说计算机网络就是“一群具有独立功能的计算机通过通信线路和通信设备互联起来，在功能完善的网络软件（网络协议、网络操作系统等）的支持下，实现计算机之间数据通信和资源共享的系统” • 资源共享观点将计算机网络定义为“以能够相互共享资源的方式互联起来的自治计算机系统的集合”。

计算机网络的分类 网络按地理范围或规模大小进行划分： • PAN（Personal Area Network, 个人网） • LAN（Local Area Network, 局域网） • MAN（Metropolitan Area Network, 城域网） • WAN（Wide Area Network, 广域网）

计算机网络的分类 PAN（Personal Area Network, 个人网） • 覆盖范围：一般为10米之内 • 特点：设备小巧，带宽低，功耗低，信号强度弱等 • 例如：现在的智能手机上都有一个“便携式WLAN热点”的功能选项。通过这个功能个人可以使用具有无线网卡功能的设备方便的共享移动网络。

计算机网络的分类 LAN（Local Area Network, 局域网） • 覆盖范围：一般处于同一个建筑内或者同一个建筑群内 • 特点： • 局域网覆盖有限的地理范围，它适用于机关、校园、工厂等有限范围内的计算机、终端与各类信息处理设备联网的需求。 • 局域网提供高数据传输速率（10Mbps~10Gbps）、低误码率（误码率指每传送n个位，可能发生一个位的传输差错，局域网的误码率通常在10-12~10-7之间）的数据传输环境。 • 局域网一般属于一个单位所有，易于建立、维护与扩展。 • 从介质访问控制方法的角度来看，局域网可以分为共享介质式局域网和交换式局域网； • 例如：用于个人计算机局域网、大型计算机设备群的后端网络与存储区域网络、高速办公室网络、企业与学校的主干局域网。

计算机网络的分类 WAN（Wide Area Network, 广域网） • 覆盖范围：地理范围更广，可以是一个省，国家甚至全世界。 • 特点：广域网传输距离长，中间节点多，传输延迟大，建设成本比较高昂。 • 例如：不同的局域网、城域网和广域网可以根据需要相互连接，形成规模更大的互联网，例如Internet。

计算机网络的性能指标 网络性能指标都从不同的方面来度量了计算机网络的性能。 • 速率 • 带宽 • 误码率 • 吞吐量 • 时延 • 时延带宽积 • 往返时间RTT • 利用率

计算机网络的性能指标 速率计算机所发出的的信息都是数字形态的。在网络技术中的速率是指连接在计算机网络上的主机在数字信道上传送数据的速率，也被称为数据率（data rate）或成为比特率（bit rate）。速率的单位是b/s（比特每秒）或者bps（bit per second）。计算公式为： S=1/T 其中，T为没发送一比特所需要的时间。

计算机网络的性能指标 带宽带宽（bandwidth）是用来指网络的通信线路传送数据的能力，所以网络带宽用来表示在单位时间内从网络中的某一点到另一点所能通过的“最高数据率”。在现实生活中人们总以“带宽”来衡量信道的数据传输速率，“带宽”和“速率”几乎成了同义词。信道带宽和传输速率之间到底有什么样的关系？

计算机网络的性能指标 奈奎斯特准则指出：通过理想通信信道传输窄脉冲信号，则前后码元之间不产生相互串扰。因此，对于二进制数据信号的最高数据率： Rmax=2f 即对于二进制数据，若信道带宽B=f=5 000Hz，则最高数据率为10 000bps。奈奎斯特（Nyquist）准则描述了有限宽带、无噪声信道的最高数据率与信道带宽的关系。而香农定理则描述了有限宽带、有随机热噪声信道的最大传输速率与信道带宽的关系。香农定理（Shannon）指出：在有随机热噪声的信道上传输数据信号时，数据传输速率Rmax与通信信道带宽B，信号与噪声功率比S/N关系为： RMAX=Blog2(1+S/N) 公式中，Rmax单位为bps，带宽B单位为Hz

计算机网络的性能指标 误码率误码率是指二进制码元在数据传输系统中被传错的概率。在数值上近似等于： Pe=Ne/N 公式中：N为传输的二进制码元总数，Ne为被传输错的码元数。误码率的作用是用来衡量数据传输系统在正常工作状态下传输数据的可靠性。

计算机网络的性能指标 吞吐量吞吐量（throughput）表示在单位时间内通过某个网络、接口或信道的数据量。在现实世界中吞吐量时常被用于网络的测量，以便得出实际上到底有多少数据量能够通过网络。也就得出，吞吐量受制于网络的带宽或网络的额定速率的限制。例如，对于一个1000Mb/s的以太网，其额定的速率是1000Mb/s，那么这个数值就是该以太网的吞吐量的绝对上限值，而其典型的吞吐量可能只有600Mb/s，甚至更低。

计算机网络的性能指标 时延时延（delay 或 latency）是指数据从网络的一端传输到另一端所需要的时间，有时它也被称为延迟或者迟延。而时延是由以下几个不同的部分所组成：

计算机网络的性能指标 时延发送时延（transmission delay）是主机或者路由器发送数据帧所需要的时间，也就是从发送数据帧的第一个比特开始算起，直到该帧的最后一个比特发送完毕之间所需时间。因此发送时延也叫做传输时延。发送时延的计算公式为：

计算机网络的性能指标 时延传播时延（propagation delay）是电磁波在信道中传播一定距离所需要耗费的时间。传播时延的计算公式为：

计算机网络的性能指标 时延处理时延主机或路由器在收到数据时要花费一定的时间进行处理，例如从数据中分析数据的首部、提取数据内容、进行差错检验或查找适当路由等。这就产生的处理时延。排队时延分组在经过网络传输时，要经过许多的路由器。在数据进入路由器后要现在输入队列中排队等待处理，当路由器确定好了转发接口后，还要在输出队列排队等待转发。这样就产生了排队时延。

计算机网络的性能指标 时延这样，在网络中的时延就等于以上四种时延之和：总时延=发送时延+传播时延+处理时延+排队时延一般情况来说，小时延的网络要优于大时延的网络。但在特定情况下，一个底速率、小时延的网络很可能要优于高速率、大时延的网络。

计算机网络的性能指标 时延带宽积把以上讨论的网络性能的两个度量－－传播时延和带宽－－相乘，就得到留一个度量：传播时延带宽积：时延带宽积=传播时间×带宽

计算机网络的性能指标 往返时间RTT 往返时间RTT（Round-Trip Time）表示从发送方发送数据开始，到发送方收到来自接收方返回的确认，总共经历的时间。特别在使用卫星通信时，往返时间RTT就成为一个很重要的网络性能指标。

计算机网络的性能指标 利用率利用率有信道利用率和网络利用率两种。信道利用率指出某信道有百分之几的时间是被利用的（有数据通过）。完全空闲的信道利用率是零。网络利用率是全网络的信道利用率的加权平均值。利用率也并非是越高越好，因为根据排队论的理论当某一信道的利用率增大时，那么这个信道所引起的时延也就迅速增加。造成网络拥堵，时延增大。

计算机网络体系结构与网络协议 计算机网络体系结构的基本概念 • ①语法，规定通信双方彼此“如何讲”，即确定协议元素的格式，如数据和控制信息的格式。 • ②语义，规定通信双方彼此“讲什么”，即确定协议元素的类型，如规定通信双方要发出什么控制信息，执行的动作和返回的应答。 • ③时序，即是对事件实现性息交互顺序的详细说明

计算机网络体系结构与网络协议 计算机网络体系结构的基本概念其具有的优势如下： • ①易于实现和维护。因为整个复杂的系统被分解成若干个易于处理的部分。 • ②灵活性好。任何一层发生变化时，只要接口保持不变，那么其余各层均不会收到影响。 • ③各层之间相互独立。高层并不需要知道低层是如何实现的，仅需要知道该层通过层间接口所提供的服务。 • ④各层都可以采用最合适的技术来实现，并且各层技术实现的改变不会影响其他层。 • ⑤有利于促进标准化。因为每一层都有了明确的说明和要求。

计算机网络体系结构与网络协议 ISO/OSI参考模型 • 国际标准化组织（ISO）发布的最著名的ISO标准是ISO/IEC 7498，又被称为X.200建议。该体系标准定义了7层框架，即开放系统交互（OSI）参考模型。在这一框架下进一步的完善定义了每一层的功能，以实现开放系统环境中的互联性（Interconnection），互操作性（Interoperation）和应用的可移植性（Portability）。

计算机网络体系结构与网络协议 ISO/OSI参考模型 • ISO将整个通信功能划分为7个层次，划分的原则如下： • ①不同的结点的同层次具有相同的功能。 • ②同一结点内相邻层之间通过接口通信。 • ③网中各结点都有相同的层次。 • ④不同结点的同等层按照协议实现对等层之间的通信。 • ⑤每一层都是用下层提供的服务，并向其上层提供服务。 • ISO根据以上原则定制的开放系统参考模型的结构。

计算机网络体系结构与网络协议 ISO/OSI参考模型

计算机网络体系结构与网络协议 TCP/IP参考模型与协议 • TCP/IP参考模型是计算机网络的祖父ARPANET和其后继的因特网使用的参考模型。ARPANET是由美国国防部DoD(U.S.Department of Defense)赞助的研究网络。逐渐地它通过租用的电话线连结了数百所大学和政府部门。当无线网络和卫星出现以后，现有的协议在和它们相连的时候出现了问题，所以需要一种新的参考体系结构。这个体系结构在它的两个主要协议出现以后，被称为TCP/IP参考模型（TCP/IP reference model）。

计算机网络体系结构与网络协议 TCP/IP参考模型与协议 • TCP/IP协议具有以下几个特点： • ①独立于特定的网络硬件，可以运行在局域网、广域网中，更适用于互联网中。 • ②开放的协议标准，可以免费使用，并且独立于操作系统。 • ③统一的网络地址分配方案，使得整个TCP/IP设备在网中都具有唯一的地址。 • ④标准化的高层协议，可以提供多种可靠的用户服务。

计算机网络体系结构与网络协议 TCP/IP参考模型与协议 • TCP/IP和OSI参考模型的层次对应关系

计算机网络体系结构与网络协议 TCP/IP模型各个层次的功能和协议

计算机网络体系结构与网络协议 OSI参考模型与TCP/IP参考模型的比较 OSI参考模型与TCP/IP参考模型的共同之处是他们都采用了层次结构的概念，在传输层中两者定义了相似的功能。但是，两者在层次划分、使用的协议上有很大的区别。

计算机网络体系结构与网络协议 TCP/IP四层模型和OSI七层模型对应图

计算机网络体系结构与网络协议 OSI参考模型和TCP/IP参考模型的共同点： • （1）都采用了层次结构的概念。 • （2）都能够提供面向连接和无连接两种通信服务机制。 OSI参考模型和TCP/IP参考模型的不同点： • （1）前者是七层模型，后者是四层结构。 • （2）对可靠性要求不同（后者更高）。 • （3） OSI模型是在协议开发前设计的, 具有通用性。TCP/IP是先有协议集然后建立模型, 不适用于非TCP/IP网络。 • （4）实际市场应用不同。OSI模型只是理论上的模型，并没有成熟的产品，而TCP/IP已经成为“实际上的国际标准”。

第五章计算机网络技术基础 5.3局域网

局域网的概述 • 局域网通常被描述分布在一个较小范围内通过互联各种通信设备的一种计算机网络。如，一个学校、一个公司或者地理位置相连的几个机构。其中涉及到得通信设备主要是指各种类型的计算机，也可以是终端或外部设备等。 • 局域网是最常见、应用最广的一种网络，目前常见的局域网主要有两种：以太网和无线局域网。

局域网组建模型 • 将有4台计算机和一台普通的打印机按照对等网络模型组成一个星型结构的简单局域网，其中各台计算机之间可实现资源共享，打印机可实现网络共享。

局域网组建模型 局域网组建所需硬件 • 网络硬件一般是指计算机设备、传输介质和网络连接设备。如今，网络连接设备有很多，功能不一，也很复杂。网卡 • 功能：用于将计算机接入局域网。双绞线 • 功能：用于连接计算机和交换机。

局域网组建模型 局域网组建所需硬件双绞线的原理是：如果外界电磁信号在两条导线上产生的干扰大小相等而相位相反，那么这个干扰信号就会相互抵消。5类非屏蔽双绞线由不同颜色的四对线组成 • 标准568B的顺序为：橙白，橙，绿白，蓝，蓝白，绿，棕白，棕 • 标准568A的顺序为：绿白，绿，橙白，蓝，蓝白，橙，棕白，棕

局域网组建模型 局域网组建所需硬件

局域网组建模型 局域网组建所需硬件交换机 • 功能：用于连接多台计算机，实现多台计算机间的通信。

局域网组建模型 协议安装与设置一般情况下，当网卡安装完毕并且重新启动后，计算机会自动安装网卡驱动程序，然后自动安装TCP/IP协议（网络通讯协议）最后自动创建一个网络连接，通过点击开始—控制面板—网络和Internet—网络共享中心—更改网络适配器—网络连接。在网络中，每台计算机也如现实生活中的我们一样，需要一个“身份证号”即IP地址，为计算机设置IP地址，对话框中双击“Internet 协议（TCP/IP）”项目，或单击“Internet 协议（TCP/IP）”选择“属性”按钮。

局域网组建模型 协议安装与设置 Internet 协议（TCP/IP）

局域网组建模型 设置对等网模式 Windows 7的对等网络是基于工作组方式的，处于同一个对等网中的机器又被称为一个工作组。为了使网络上的计算机能相互访问，必须将这些计算机设置为同一组，并使每台计算机都有唯一的名称进行标识，即不同的计算机名。

局域网组建模型 网络的连通性测试 Ping目标计算机的IP地址或者计算机名 • 注：Ping 命令的使用一开始不是很熟，所以在在Ping完后加上一个空格。 • 例如，现刚组建了一个小型局域网并设置计算机192.168.194.35与计算机192.168.194.4在同一个工作组中，需要检查他们是否连接正常，可以再计算机192.168.194.35中的DOS命令提示符后输入“ping 192.168.194.4”。

局域网组建模型 网络的连通性测试 • 如果TCP/IP协议工作正常的话则会有如下显示： • Pinging 192.168.194.4 with 32 bytes of data: • Reply from 192.168.194.4 : bytes =32 time <1ms TTL=128 • Reply from 192.168.194.4 : bytes =32 time <1ms TTL=128 • Reply from 192.168.194.4 : bytes =32 time <1ms TTL=128 • Reply from 192.168.194.4 : bytes =32 time <1ms TTL=128 • Ping statistics for 192.168.194.4: • Packets : Sent =4, Received =4, Lost =0 (0% loss) • Approximate round trip times in milli-seconds: • Minimum = 0ms , Maximum =1ms, Average=0ms • Ping命令自动向目的计算机发送一个32B的测试数据包，并计算目的计算机响应的时间。该过程在默认情况下会独立进行四次发送并统计四次发送的情况，应注意的是，响应时间低于400ms即为正常，超过400ms则较慢。

局域网组建模型 设置网络共享资源在同一个局域网中，在设备数量少或资源利用率高的情况下设置网络共享资源是非常有必要的。常用的网络资源共享有：文件夹共享打印机共享

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