第 4 章 计算机网络与因特网

1. 第4章 计算机网络与因特网 4.1 数字通信入门 4.2 计算机网络基础 4.3 因特网的组成 4.4 因特网提供的服务 4.5 网络信息安全

2. 4.1 数字通信入门 4.1.1 通信的基本原理 4.1.2 交换技术

3. 什么是通信(communication)？ • 广而言之，通信就是信息的(远距离)传递与交流 • 现代通信——使用电波或光波传递信息的技术，也称为电信（telecommunication），如电报、电话、传真、电子邮件、BBS、QQ等 • 通信的发展历史： • 1836年，英国建成第一条电报线路(Morse电报) • 1876年，美国人A.G.Bell研制成可供实用的电话 • 20世纪初，马可尼实现了跨越大西洋的无线电报通信 • 1918年出现收音机和无线电广播 • 1938年第一个电视台开始播出 • 1940’s 出现彩色电视 • 1960’s 出现计算机网络

4. 4.1.1 通信的基本原理

5. 信号 信号 信源(宿) 信宿(源) 信 道 通信系统的模型 信道的任务是迅速、可靠而准确地将信号从信源传输到信宿 • 通信的三要素： 被传输的信息都必须以某种电(或光)信号的形式才能进行传输 发送信息的设备 接收信息的设备 • 举例:

6. 信号 强度 t 模拟信号 信号 强度 t 数字信号 模拟信号与数字信号 • 通信系统中被传输的信息必须转换成某种电信号(或光信号) 才能进行传输 • 电信号(或光信号) 有两种形式： • 模拟信号形式: 通过连续变化的物理量（如信号的幅度）来表示信息，例如人们打电话或者播音员播音时声音经话筒(麦克风)转换得到的电信号； • 数字信号形式: 使用有限个状态(一般是2个状态)来表示（编码）信息，例如电报机、传真机和计算机发出的信号都是数字信号 0 0 1 1 01 0001

7. 2.有线与无线通信 通信分有线通信和无线通信两大类。 有线通信中使用的传输介质是金属导体或光导纤 维，金属导体利用电流传输信息，光导纤维通过广 播来传输信息。 无线通信根本不需要物理连接，而是通过电磁 波在自由空间的传播来传输信息。

8. 传输介质的类型与特点

9. 无屏蔽双绞线 套管 信号线 地线 金属屏蔽 外绝缘层 内层导线 同轴电缆 绝缘体 （1）电缆通信：双绞线和同轴电缆 • 原理：利用电流(电压)传输信息 • 双绞线分类 • 无屏蔽双绞线 (UTP) • 屏蔽双绞线 (STP) • 同轴电缆分类 • 基带同轴电缆：传输数字信号 • 宽带同轴电缆：传输模拟信号

10. 光线 光 纤 保护层 纤芯 多根光纤 保护层 包层 保护层 防止光泄漏的吸收外壳 起保护作用的防护层 外绝缘层 光波 （2）光纤通信：光纤与光缆 • 光导纤维（光线的入射角足够大时，就会出现全反射，重复此过程，光就沿着光纤传播下去） 光波在光纤中的传播 • 光缆

11. （3）微波通信 • 微波：300MHz～300GHz范围内的电磁波，波长为1 m～1mm • 特点： • 直线传播，不能沿地球表面传播（无绕射性），需要每隔几十公里设立一个中继站（一般为50km左右） • 容量大、可靠性高 • 建设费用低 • 抗灾能力强 • 应用：长途电话、蜂窝移动电话、全数字高清晰度电视（HDTV）等

12. （4）移动通信：什么是移动通信？ • 处于移动状态的对象相互间的通信，如手机、无绳电话、寻呼系统等 • 优点：克服通信终端位置对用户的限制，快速和及时地传递信息 移动电话交换中心 公用电话网 基站 移动台 （手机）

13. 移动 交换 中心 电话交换中心 蜂窝移动通信原理 • 每10km～20km的区域称为单元（形似蜂窝），单元的中央建有一个基站，该单元内所有手机都向该基站发送信号并接收基站发给的信号 • 所有单元既相互分割，又彼此有所交叠，连成整个移动通信服务网 • 所有基站都通过微波或电缆、光缆与移动交换中心通信 • 手机每个时刻都处于某个特定单元的基站控制之下，通话时使用两个频率（一个上行频率，一个下行频率），同一单元内同一时刻的不同手机使用不同的频率进行通信，相互不影响 • 每个蜂窝单元中有200多个信道(GSM)。 • 相邻单元不允许使用相同的频率，不相邻单元的频率允许重用

14. 第1代个人移动通信采用的是模拟传输技术。 第2代移动通信系统采用数字传输技术，在提供话音 通信和低速数据业务（短消息）方面已取得了很大 成功。 我国的3G通信目前有三种技术标准： 中国移动：TDSCDMA(时分-同步码分多址接入)技术 中国电信：CDMA2000 中国联通：WCDMA技术

15. 3.调制与解调技术 研究发现，高频振荡的正弦波信号在长距离通信 中能够比其他信号传送得更远。因此若把高频振荡的正弦波 信号作为携带信息的载波。 信息传输时，利用信源信号去调整（改变）载波的某个 参数（幅度、频率或相位），这个过程称为“调制”，经过调 制后的载波携带这被传输的信号在信道中进行长距离传输， 到达目的地时，接收方再把载波所携带的信号检测出来恢复 为原始信号的形式，这个过程称为“解调”。

16. 载波信号 (高频正弦波) 调制信号 (连续信号) 调制后的 载波信号 传输 信号 传输 信号 调制后的 载波信号 调制器 解调器 幅度调制 载波信号 载波信号 频率调制 相位调制 三种调制方法： 实现信号调制与解调的设备分别称为“调制器”和“解调器”：

17. 信源(宿) 信宿(源) 调制后 的载波 调制后 的载波 信号 信号 调制 (解调)器 (调制) 解调器 信 道 载波 载波 • 通信一般是双向进行的，收发双方都需要调制器与解调器，它们通常做在一起，称为调制解调器(MODEM) 信源信号通过调制器 调整载波的某个参数(幅度、频率或相位) 经过调制后的载波信号，携带着被传输的信号在信道中进行长距离传输 到达目的地后，使用解调器把载波所携带的信号检测出来，恢复为原始信号的形式 使用MODEM进行远距离通信

18. 4.多路复用技术 • 分析： • 通信系统中，传输线路的建设和维护成本占整个系统成本的相当大的份额 • 一条传输线路（铜线、光纤、无线电波）的容量通常远超过传输1路用户信号所需的能力 • 降低成本采用的技术——多路复用技术(Multiplexing) • 多路信号使用同一条传输线同时进行传输 • 方法： • 频分多路复用（FDM） • 时分多路复用（TDM） • 波分多路复用（WDM）

19. f 调制 解调 共享的传输信道 DEMUX MUX 载波频率f1 载波频率f1 调制 解调 载波频率fn 载波频率fn 频分多路复用(Frequency Division Multiplexing, FDM) • 思想：将每个通信终端发送的信号调制在不同频率的载波上，通过频分多路复用器(MUX)将它们复合成为一个信号，然后在同一传输线路上进行传输。抵达接收端之后，借助分路器(DEMUX)把不同频率的载波分离出来，送到不同的接收设备 • 工作原理： 将不同频率的载波信号合成在一起 使用一组滤波器分解出不同频率的载波信号

20. 信号发射 信号接收 频分多路复用 分路器 (带通滤波器) 频分多路复用举例1 • 广播电台节目的发送与接收 • 常见广播电台使用的载波频率 • 中波 900 KHz(南京经济台) ■中波1008 KHz (南京新闻台) • 短波 15.28 MHz(英国BBC) ■短波 15.29 MHz(VOA美国之音) • 调频104.3MHz (南京体育台) ■调频105.8MHz(南京音乐台)

21. 电视图像及其伴音 调制器 多路复用器 在天空中传输的电磁波器 电视调谐器 载波1 电视图像及其伴音 电视节目 解调器 调制器 载波2 电视信号 发射器 电视信号 接收器 电视图像及其伴音 调制器 (分路器) 载波n 频分多路复用举例2 • 电视节目的发送与接收

22. 终端 4 终端丁 多路分路器 多路复用器 数据 终端 3 终端丙 A H G F E D C B 终端 2 终端乙 传输线路 终端 1 终端甲 Demultiplexer Multiplexer t 4 3 2 1 4 3 2 1 时间片 H A D G C H D C E F B E G B F A 时分多路复用(Time Division Multiplexing, TDM) • 思想：各通信终端（计算机、电话）以规定的顺序和时间轮流使用同一传输线路进行数据传输 • 工作原理： • 应用：主要使用在数字通信领域，如电话中继通信、GSM手机、总线式以太网等

23. 4.1.2 交换技术

24. 编号 校验 信息 发送计算机地址 有效载荷(传输的数据) 目的计算机地址 发送方将数据分成3个包 到接收方后，再将收到的包按顺序组合在一起 （a） （b） 1 1 1 1 3 3 3 3 2 2 2 2 不同的包在不同链路上进行传输 （d） （c） 表示分组交换机 3 2 1 3 2 1 什么是分组交换(Packet Switching)? • 分组交换的要点： • 被传输的数据必须划分为若干“分组”(packet, 简称“包”)进行传输 • 每个分组中必须包含收发双方的地址 • 每个分组由分组交换机进行处理、存储和转发才能送达目的地 • 每个分组的格式如下： • 分组交换示意：

25. 1 2 3 4 5 1 2 3 4 5 交 换 机 2 1 2 3 4 交 换 机 1 1 2 3 4 高速数字通信干线 [1,2] [2,3] A [1,5] H B 1 2 3 4 1 2 3 4 交换机3 交换机4 1 2 3 4 5 1 2 3 4 5 C D E F G [3,2] [3,5] [4,1] [4,3] [4,5] 分组交换与存储转发的过程 • 发送数据的计算机将包发给它所连接的分组交换机 • 交换机每收到一个包，就检查该包的目的地地址： • 若数据包目的地是直接与之相连的计算机，交换机就将包发往该计算机 • 若目的地不是本分组交换机上的计算机，则选择一个输出端口，通过连接该端口的高速数字线路转发给另一台交换机（如果线路忙，则可放在对应的缓冲器中排队等候） • 下一台交换机收到数据包之后，重复过程2直到数据包到达目的计算机为止 例1：计算机C发送数据包给计算机H 例2：计算机A发送数据包给计算机G

26. 4.2 计算机网络基础 • 4.2.1 计算机网络的组成与分类 • 4.2.2 局域网的基本原理 • 4.2.3 常用局域网

27. 4.2.1 计算机网络的组成与分类

28. 1.什么是计算机网络？ • 利用通信设备和网络软件，把位置分散的多台计算机(或其他智能设备)连接起来的一个系统

29. 2.计算机网络的分类 • 按使用的传输介质可分为： • 有线网 ■ 无线网 • 按网络的使用性质可分为： • 公用网 ■ 专用网 ■ 虚拟专网(VPN) • 按网络的使用对象可以分为： • 企业网 ■ 政府网 ■ 金融网 ■ 校园网 ■··· • 按网络所覆盖的地域范围可以分为： • 局域网(LAN)：使用专用通信线路把较小地域范围（一幢楼房、一个楼群、一个单位或一个小区）中的计算机连接而成的网络 • 广域网(WAN) ：把相距遥远的许多局域网和计算机用户互相连接在一起的网络。广域网有时也称为远程网 • 城域网或市域网(MAN) ：作用范围在广域网和局域网之间，其作用距离约为5km～50 km，例如一个城市范围的计算机网络

30. 广域网 城域网 城域网 接入网 接入网 接入网 局域网 个人计算机 校园网 几种网络之间的相互关系 将分散的用户计算机(网)接入特定城(广)域网的各种网络通信设施

31. 例1：根据计算机网络覆盖地理范围的大小，网络可分为广域网，城域网和（）例1：根据计算机网络覆盖地理范围的大小，网络可分为广域网，城域网和（） A.局域网 B.以太网 C.Internet D.互联网

32. 3.计算机网络的组成 • 计算机等“智能”设备 • 数据传输介质：如双绞线、光缆、无线电波等，用于传输数据 • 通信控制设备：如网卡、集线器、交换器、调制解调器、路由器等，确保通信正确、可靠、有效地进行 • 通信协议——共同遵循的一组的规则和约定 • 通信如何开始、如何结束？数据如何表示？命令如何表示？通信对象如何区分？其身份如何鉴别？发生错误如何处理？等等。例如： TCP/IP, HTTP, FTP，POP3等 • 网络操作系统：实现通信协议、管理网络资源等 • 网络应用软件：实现各种网络应用，如浏览器、电子邮件程序、QQ、搜索引擎等

33. 4.数据传输速率与宽带 计算机网络本质上是一种数据通信系统，各种网络应 用都是在数据通信的基础上实现的。 数据传输速率经常使用的单位是：千比特/秒(kb/s)、 兆比特/秒(Mb/s) 、吉比特/秒(Gb/s)等。 衡量计算机网络中数据链路性能的重要指标之一是 “带宽”。带宽指的是该链路能够达到的最高数据传输速率。

34. 5.计算机网络的工作模式 • 资源：硬件、软件、数据都是计算机的资源 • 网络中的计算机可以扮演2种不同的角色： • 客户机：需要使用其它计算机资源的计算机 • 服务器：提供资源（如数据文件、磁盘空间、打印机、处理器等）给其它计算机使用的计算机 • 每一台联网的计算机，其“身份”或者是客户机，或者是服务器，或者两种身份兼而有之 • 计算机网络有两种基本的工作模式： • 对等（peer-to-peer，简称P2P）模式 • 客户/服务器（Client/Server，简称C/S）模式

35. B计算机可访问A计算机硬盘中的文件 A计算机可使用B的打印机 A B LAN 或WAN 对等工作模式（P2P） • 网络中每台计算机既可以作为客户机也可以作为服务器 • 例：Windows操作系统中的“网上邻居” • 特点： • 可共享的资源主要是文件和打印机，由资源所在计算机自己管理，使用比较简单 • 不需要专门的硬件服务器，也不需要网络管理员 • 保证可靠性、安全性是关键

36. Peer Peer Peer （P2P模式） Client Server Client Client （C/S模式） 互联网应用中的P2P工作模式 • P2P是通过网络中计算机与计算机之间直接交换来共享计算机资源的一种应用模式 • 以前P2P模式以局域网使用居多，近些年它已在因特网上广泛使用，例如： • 文件共享：BitTorrent(BT下载)，eMule(电驴)，迅雷 • 即时通信：QQ、MSN Messenger • 流媒体服务： Skype（网络IP电话） • 对等协同计算 • P2P业务已占互联网业务流量的60%以上

37. 打印服务器 文件服务器 客户机 客户/服务器工作模式（C/S） • 特点：网络中的计算机有专门分工，有的是客户机，有的是服务器 服务器用于提供资源，为客户机服务 客户机提出服务请求，使用服务器所提供的资源 • 服务器大多是一些专门设计的性能较高的计算机，并发处理能力强，存储容量大，网络数据传输速率高 • 服务器按用途分为：Web服务器、打印服务器、邮件服务器、文件服务器、数据库服务器等

38. 请求 请求 LAN 或WAN 结果 结果 (客户机) (服务器) Client/Server的工作过程 • 客户机用户必须预先在服务器上注册，由网络管理员为该用户分配访问网络资源的权限。每个注册用户都有自己的账号和口令，并获得使用某些服务的授权 • 需要获得服务时，用户应先登录(login，输入用户名和口令)，登录成功后才能访问服务器上的资源 • 客户机向服务器提出请求(例如访问某个文件)，服务器响应请求， 找到该文件，然后将文件传送给客户机

39. 4.2.2 局域网的基本原理

40. 广域网 广域网 路由器 集线器/交换机 防火墙 共享 打印机 服务器 局域网 计算机局域网(LAN)的特点 • 为一个单位所拥有，地理范围有限 • 使用专门铺设的传输介质进行连网 • 数据传输速率高(10Mbps～10Gbps)、延迟时间短 • 可靠性高、误码率低(10-8～10-11) 例：一座办公大楼内各个办公室中的微机进行联网，这个网络属于（） A.WAN B.LAN C.MAN D.GAN

41. 工作站 工作站 工作站 网络接 口卡 网络 打印机 传输介质 网络 服务器 局域网的组成 网络上的每台设备(如工作站、服务器、打印机等) 都称为是网络中的 一个“节点” 网络上的每个节点都装有网络接口卡(NIC,简称网卡)，网卡通过传输介质把节点相互连接起来 双绞线、同轴电缆、光纤或者无线电波

42. 计算机局域网的硬件构成主要包括网络服务器，网络工作站，网络接口卡和（） 计算机局域网的硬件构成主要包括网络服务器，网络工作站，网络接口卡和（） A.网络拓扑结构 B.计算机 C.传输介质 D.网络协议

43. 局域网的数据传输方法 • 网络上的每个节点（如工作站、服务器、打印机等），都是数据传输的“源”或者“目的地” • 介质访问地址(MAC地址)：为了相互区别，局域网中的每个节点都有一个惟一的地址，称为MAC地址 • 数据传输方法： • 采用时分多路复用技术，多个节点共享传输介质 • 不允许任何节点连续长时间传输数据，所以必须预先把要传输的数据分成小块（称为“帧”，frame），每个节点每次只传输一个帧，确保任何节点都有传输数据的机会

44. 有效载荷(传输的数据) 校验 信息 发送节点MAC地址 接收节点MAC地址 局域网数据帧的格式 哪一台计算机发送的数据帧 需要传输的数据，如程序、邮件、MP3音乐等 校验信息随同数据一起进行传输，供接收节点在收到数据之后验证数据传输是否正确 发给哪一台计算机？ • 不同类型的局域网，数据帧的格式各不相同： • 有效载荷的最大长度限制不同 • 使用的校验方法不同 • 其它组成部分

46. 网卡及其安装 笔记本电脑使用的网卡 什么是网卡（网络接口卡）？ • 网卡就是计算机的网络通信控制器 • 主要功能：实现节点之间的数据通信 • 网络中每个节点(工作站或服务器)都必须安装网卡，不同类型的网络，需安装使用不同类型的网卡 • 由于芯片组集成度的提高，现在网卡的功能大多已集成在芯片组中，即所谓的“集成网卡”

47. 网卡转换成串行信号通过网线发送到网络 计算机需发送的信息以并行方式送至网卡 网卡的具体功能 1 在计算机与网络之间建立一个通信链路(link)，通过传输介质发送信息和接收信息 2 将数据分成帧(frame)、以帧为单位发送和接收信息 3 将计算机的输出转换为适合网络传输的信号(并－串转换、码型转换、电平转换···) • 每块网卡均由生产厂家分配一个全球惟一的MAC地址，该地址就是使用这块网卡的节点MAC地址

48. 例1：一台微机要连接入局域网，微机的主机扩展槽中要插入网卡，网卡的正式名称是（） 例1：一台微机要连接入局域网，微机的主机扩展槽中要插入网卡，网卡的正式名称是（） A.集线器 B.T型接头 C.终端匹配器 D.网络接口卡 例2：下列关于计算机网卡的叙述正确的是（） A.网卡只充当连接器作用，便于与网络线路连接 B.所有局域网使用相同类型的网卡 C.接入广域网不需网卡，只需调制解调器 D.交换式与总线式网卡不可互用

49. 4.2.3 常用局域网

50. 环型局域网 总线型局域网 星型局域网 局域网的拓扑结构 网络上的 节点 小型的局域网大多是单一类型的拓扑结构，大型的局域网（如校园网）则多半是混合型的拓扑结构，即既有星型、环型、总线型，又互相连接或混杂在一起的结构。