计算机网络概述

第一章　计算机网络概述

一、计算机网络基础

1.计算机网络的核心概念与基本结构

一般把计算机网络描述为“多台地理上分散的、具有独立功能的计算机通过传输介质和通信设备连接，实现数据通信和资源共享的系统”。

计算机网络的基本结构包括：

　  ● 多台地理上分散的独立计算机系统。

　  ● 通信协议。

　  ● 传输介质和传输设备。

2.计算机网络的发展历史

　  ● 第一代计算机网络（20世纪60年代中期之前）：面向终端的计算机网络，以单个计算机为中心的远程联机系统，由“主机—通信线路—终端”组成。终端机没有独立处理数据的能力，数据的处理由主机完成之后传至终端。

　  ● 第二代计算机网络（20世纪60年代中期至70年代）：以能够相互共享资源为目的，以“计算机—通信控制处理机（CCP）—计算机”方式互联起来具有独立功能的计算机集合体。

　  ● 第三代计算机网络（20世纪70年代末至90年代）：计算机互联网络，具有统一的网络体系结构并遵守国际标准的开放式网络。它的特征是网络体系结构的形成和网络协议的标准化。以国际标准化组织（ISO）于1984年制订的开放系统互联参考模型（OSI）为标准，制订相应的网络协议，并形成统一的网络体系结构。

　  ● 第四代计算机网络（20世纪90年代至今）：高速互联网络，以计算机网络化、协同计算能力发展为特征，形成虚拟网络、移动互联网、云计算、物联网、大数据等一系列新型网络和技术的应用。

3.计算机网络的分类和特征

（1）计算机网络的分类

　  ● 按覆盖范围分类：

⟡ 局域网（LAN）：最大不超过10 km。

⟡ 城域网（MAN）：一般是在方圆10~60 km范围内，最大不超过100 km。

⟡ 广域网（WAN）：一般跨度超过100 km，可以跨城市、跨地区甚至跨国家。

　  ● 按通信传播方式分类：

⟡ 广播式网络：共享通信介质，所有节点都能收到任一节点发出的数据信息。

⟡ 点到点式网络：主要特点是一条线路连接一对节点。

说明：一般来说局域网中多采用广播方式，广域网中多采用点到点方式。

　  ● 按拓扑结构分类：

⟡ 总线型：采用单根传输线（或称总线）作为公共的传输通道，总线两端安装了终结器。

优点：节点的插入或拆除比较方便，易于网络的扩充。

缺点：可靠性不高，如果总线出了问题，整个网络都不能工作，查找故障点比较困难。

⟡ 环型：网络中若干节点通过点到点的链路首尾相连形成一个闭合的环，信息在环路中沿着一个方向在各个节点间传输。

优点：拓扑结构简单，控制简便，结构对称性好。

缺点：环中每个节点与连接点之间的通信线路都会转为网络可靠性的瓶颈，环中任何一个节点出现线路故障，都可能造成网络瘫痪。

⟡ 星型：各站点以星型方式连接成网，其他节点都与中央节点直接相连。

优点：结构简单，易于实现，便于管理，是目前局域网中最基本的拓扑结构。

缺点：网络的中心节点是全网可靠性的瓶颈，中心节点的故障将造成全网瘫痪。

⟡ 树型：节点按层次进行连接，信息交换主要在上下节点之间进行。

优点：通信线路连接简单，网络管理软件也不复杂，维护方便。

缺点：可靠性不高，如中心节点出现故障，则与该中心节点连接的节点均不能工作。

⟡ 网状型：各节点通过传输线路互相连接起来，并且每一个节点至少与其他两个节点相连，它没有一个自然的“中心”。

优点：两个节点间存在多条传输通道，具有较高的可靠性。

缺点：结构复杂，实现起来费用较高，不便于管理和维护。

（2）计算机网络的特征

可靠性、高效性、独立性、扩充性、廉价性、分布性、易操作性。

二、网络协议及其作用

通信双方所共同遵守的规则称为协议。两台计算机在网络上交换信息时共同遵守的规则和约定称为网络协议。在局域网中，一般会使用NETBEUI、IPX/SPX或TCP/IP三种协议中的一种。

1.TCP/IP 协议与层次模型

TCP/IP协议（传输控制协议/网际协议）是互联网最基本的协议族，也是互联网的基础，它由网络层的IP协议和传输层的TCP协议组成。

TCP/IP协议采用的层级结构为四层，分别为应用层、传输层、网络层、网络接口层。

②传输层的主要功能是在源节点和目的节点的两个进程之间提供可靠的端到端的数据传输。因而在传输层需要使用传输控制协议TCP和用户数据报协议UDP，是一种不可靠协议，但对于精度要求不高、速度要求高的应用场景是非常适用的，如QQ视频聊天等。另外，TCP协议和UDP协议都使用端口标识不同的网络应用，端口就是一个整数，为区分不同的网络应用而作的标识，如80是WWW服务常用端口，21是FTP的常用端口，23是Telnet服务的端口，25是SMTP服务的端口等。

③网络层的主要功能是负责相邻节点之间的数据传送，使用IP协议。IP协议是一种不可靠、无连接的数据传输服务协议。

④网络接口层主要负责通过网络发送和接收IP数据。

TCP/IP协议并不是仅仅是指TCP和IP两个协议，而是代表TCP/IP协议簇。TCP/IP协议是互联网上应用得最广泛的协议。

3.TCP/IP 协议的作用

TCP负责发现传输的问题，一有问题就发出信号，要求重新传输，直到所有数据安全正确地传输到目的地。而IP是给互联网的每一台联网设备规定一个地址，使得数据能够送达指定的计算机或设备。

三、网络传输介质和基本设备

1.有线传输介质

　  ● 双绞线：可分为屏蔽双绞线（STP）和非屏蔽双绞线（UTP），两端通常以RJ‑45水晶头作连接头。

　  ● 光纤：由若干条光导纤维作为芯线加上防护外皮制成。光纤的最大传输距离为6~8 km，传输速率最大可达100 Gbps，光纤上使用的是光纤尾线接头。

　  ● 同轴电缆：同轴电缆比双绞线的屏蔽性会更好，因此信号可以传输得更远，最远可达500 m。尽管光纤和其他传输技术在某些方面可能具有优势，但同轴电缆因其特定的性能和应用场景，仍然在许多领域中发挥着重要的作用。同轴电缆上使用的是BNC连接器。

2.无线传输介质

　  ● 无线电波：常用于传输电视和无线电广播信号。

　  ● 微波：常用于电视信号、携带式电话等无线通信设备的通信。

　  ● 红外线：家用电器使用的遥控器常用红外线传输信号。

　  ● 激光：激光通信利用激光束调制成光脉冲用以传送数字信号，它不能传送模拟信号。优点是具有高度的方向性，保密性好，缺点是传输距离有限。

3.网络的基本设备

　  ● 网卡（NIC）：网络设备接入网络的基本设备。

⟡ 网卡的作用：一是将计算机的数据封装为帧，并通过传输介质将数据发送到网络上；二是接收网络上其他设备传过来的帧，并将帧重新组合成数据，通过主板上的总线传输给本地计算机。

⟡ 网卡的工作原理：第一，充当计算机和网络线缆之间的物理接口或连线，负责将计算机中的数字信号转换成电信号或光信号；第二，承担串行数据和并行数据间的转换，数据在计算机总线中并行传输，而在物理线缆中则以串行的比特流传输。

　  ● 交换机（Switch）：组建网络的基本设备。

⟡ 交换机的作用：实现数据交换。

⟡ 交换机的工作原理：交换机就像邮局，它根据数据帧中的源MAC地址和目的MAC地址，通过查找自己的MAC地址表，决定将数据帧直接发送到指定端口或者广播到所有端口。这样，交换机就能高效地在网络中的设备之间传递数据。

　  ● 路由器（Router）：工作于网络层，是互联网的主要节点设备，一般不同结构网络互联与多个子网互联都应采用路由器来完成。

⟡ 路由器的作用：网络的互联、路径选择、转发验证、拆包/打包、网络的隔离。

⟡ 路由器的工作原理：查看该数据包的目的地址是否为本机，如果是，去掉网络层封装传送给上层；如果不是，则根据数据包的目的地址查找路由表。若找到路由，将数据包封装后寻找一条最佳传输路线发送出去；若找不到路由，则将该数据包丢弃。

A.1 B.3 C.5 D.7

2.下面的网络按覆盖范围，由小到大的是（　　）。

A.因特网、购物网、企业网 B.局域网、城域网、广域网

C.有线网、无线网、光纤网 D.互联网、物联网、军事网

3.物联网属于（　　）代计算机网络发展的产物。

A.1 B.2 C.3 D.4

4.网络中若干节点通过点到点的链路首尾相连形成一个闭合的环，信息在环路中沿着一个方向在各个节点传输，从前一个节点传到下一个节点，这样的拓扑结构称为（　　）。

A.网状结构    B.树型结构 C.环型结构    D.星型结构

5.TCP/IP模型的网络接口层对应OSI模型的（　　）。

A.网络层和传输层 B.物理层和数据链路层

C.表示层和应用层  D.会话层和网络层

6.WWW的默认端口为（　　）。

A.110    B.25 C.80    D.21

7.即时通信软件不需要精确传输，因此应采用（　　）通信协议较为合适。

A.TCP    B.UDP C.POP    D.FTP

8.下列不是无线传输介质的是（　　）。

A.Wi⁃Fi    B.光纤 C.微波    D.红外线

9.内部存在一条很高带宽的背部总线，所有端口连接在背部总线上，内部的交换矩阵为每一个端口提供独立的数据通道。这描述的网络设备是（　　）。

A.网卡    B.路由器 C.交换机  D.中继器

10.MAC地址的中文含义是（　　）。

A.网际地址     B.物理地址

C.安全套接层  D.地址解析协议

二、判断题

11.一个基本的计算机网络一定要包括服务器。（　　）

12.计算机网络的发展经历了五代。（　　）

13.网络按传输介质可分为有线网络和无线网络。（　　）

14.一般来说，局域网中多采用广播方式，而在广域网中多采用点到点方式进行数据

传输。（　　）

15.星型结构网络较网状型网络的可靠性高。（　　）

16.通信双方共同遵守的规则称为协议。（　　）

17.互联网上应用最广泛的协议是TCP/IP协议。（　　）

18.75 Ω的同轴电缆通常用于组建计算机网络。（　　）

19.在局域网和互联网之间通常安装交换机起网络隔离作用。（　　）

20.计算机网络的拓扑结构是指计算机网络的物理形状。（　　）

三、填空题

21.在局域网中，一般会使用netBEUI、IPX/SPX和　　　　三种协议。

22.TCP/IP模型分为　　　　层。

23.计算机网络按拓扑结构可分为星型、环型、　　　　、树型和网状型等。

24.1984年　　　　制订了OSI网络参考模型，使网络由“封闭”走向了“开放”。

25.通常，组建局域网的超五类非屏蔽双绞线由　　　　对绝缘的铜芯线组成。

四、应用题

26.若要将60台计算机组成一个局域网并且与外网相连，在需要考虑成本和维护问题的情况下，请设计出该网络的拓扑结构，这样的网络应选择安装什么样的网络协议？需要哪些网络设备和材料？