计算机网络基础

第一章 计算机网络基础

一、初识计算机网络

1. 计算机网络的三要素

• 计算机设备：构成网络的基本单元，包括服务器、工作站、个人计算机等。
• 通信线路与网络连接设备：通信线路是计算机之间传输信息的物理通道，如电话线、光纤、无线信道等；网络连接设备包括网卡、集线器、交换机、路由器等，用于实现计算机之间的连接和通信。
• 计算机网络通信协议：规定了计算机之间通信的规则和标准，如 TCP/IP 协议、HTTP 协议等，确保不同计算机之间能够正确地发送、接收和理解信息。

2. 计算机网络的功能

• 信息交换：在计算机与计算机之间快速地传递各种信息，如公文、信件、图片、报表等。例如，在企业内部，员工可以通过网络发送电子邮件，快速地与同事分享工作文件和信息；在教育领域，教师可以通过网络向学生发布教学资料和作业，学生也可以通过网络提交作业和查询成绩。
• 资源共享：包括硬件共享、软件共享、数据共享等。硬件共享指的是多台计算机共享使用一台打印机、扫描仪等硬件设备，如在办公室中，多台计算机可以连接到同一台打印机上，实现打印任务的分配和共享；软件共享是指多台计算机共享使用同一套软件系统，如企业内部的员工可以共享使用一套办公软件，无需在每台计算机上都安装该软件；数据共享是指多台计算机共享访问和使用同一数据库中的数据，如在医院中，医生、护士和行政人员可以共享访问病人的电子病历信息。
• 分布式计算：充分利用网络上的资源，在网络上分配和平衡数据处理工作量的一种计算模型。分布式计算可以将大规模的计算任务分解成多个小任务，分配到多台计算机上并行处理，从而提高计算效率和速度。例如，气象预报中心可以通过分布式计算，将气象数据的处理任务分配到多个服务器上，快速地完成气象模拟和预测。

3. 计算机网络分类

• 按网络的拓扑结构分：总线型、环型、星型、网状型、树型等。总线型网络中，所有计算机都连接在一条公共的通信线路上，如早期的以太网；环型网络中，每台计算机都与相邻的两台计算机相连，形成一个闭合的环状结构，如令牌环网；星型网络中，所有计算机都直接连接到一个中心节点（如交换机或集线器）上，如现代的局域网；网状型网络中，计算机之间通过多条通信线路相互连接，形成复杂的网络结构，如互联网；树型网络是星型网络的扩展，具有层次结构，适用于大型网络。
• 按网络中计算机间通信距离的长短分：局域网（LAN）、城域网（MAN）、广域网（WAN）、互联网（INTERNET）。局域网通常覆盖一个建筑物或一个校园，通信距离较短，如公司内部的办公网络；城域网覆盖一个城市或一个地区，通信距离比局域网长，如城市公共网络；广域网覆盖一个国家或一个洲，通信距离更长，如国家骨干网络；互联网是全球范围内的计算机网络，连接了全球各地的计算机和网络。
• 按网络的用途分：专用网和公用网。专用网是为了满足本系统的业务而组建的计算机网络，如铁路、民航、银行、电力、军队等行业的专用网络，具有较高的安全性和专用性；公用网一般是由国家、地方政府或公共服务部门组建的，如中国科技网（CSTNet）、中国教育和科研计算机网（CERNet）、中国公用计算机互联网（ChinaNet）等，为社会公众提供网络服务。

二、计算机网络体系结构

网络通信协议

网络通信协议是用来定义并实现网络通信的一组规则和参数。它规定了数据在计算机网络中传输的格式、顺序、速率、同步方式、差错控制、流量控制等，确保不同计算机之间能够正确地进行通信。例如，TCP/IP 协议是互联网的核心协议，它定义了数据在互联网中传输的规则和标准，使得不同网络和不同计算机之间能够实现互联互通。

采用分层的原因

网络通信的涉及因素多而复杂，包括通信线路、传输技术、计算机硬件、软件、应用业务、安全等。为了更好地组织和管理网络通信，采用分层的方法将复杂的网络通信问题分解为多个可在不同层次上处理的部分。分层的优点包括：

• 模块化设计：将网络通信划分为多个层次，每个层次负责特定的功能，实现了模块化设计。这样，对某个层次的修改或升级不会影响其他层次，提高了网络的灵活性和可维护性。
• 降低复杂性：通过分层，将复杂的网络通信问题分解为多个相对简单的子问题，降低了设计和实现的复杂性。每个层次只需关注本层次的功能和协议，无需处理整个网络通信的所有细节。
• 促进标准化：分层为网络通信的标准化提供了基础。不同厂商可以根据分层模型制定和遵循相应的标准，使得不同设备和系统之间能够实现兼容和互操作。

OSI 模型各层及各层主要功能

OSI（Open Systems Interconnection）模型是一个国际标准化组织（ISO）制定的网络通信模型，它将网络通信划分为 7 个层次，从下到上依次为：

三、网络中信息的载体、通信线路和连接设备

1. 信息传输中的信息载体

• 电磁波：是一种能量传播方式，具有波长和频率等特性。在通信中，电磁波可以作为信息的载体，通过调制和解调技术实现数字信号的传输。例如，无线电通信就是利用电磁波传输信息的。

• 可见光：是电磁波的一种，具有波长和频率等特性。在光纤通信中，可见光可以作为信息的载体，通过光纤传输信息。光纤通信具有传输速度快、带宽大、抗干扰能力强等优点。

• 红外线：是一种不可见光，具有波长较长、频率较低等特性。在通信中，红外线可以作为信息的载体，实现短距离的无线通信，如遥控器与电视机之间的通信。

• 激光：是一种特殊的光，具有单色性、相干性和方向性等特性。在通信中，激光可以作为信息的载体，实现高速、大容量的光纤通信。

• 数字信号在传输过程中是以电磁波形式传输的，在信息发送端把数字信息转换为电磁波的过程称为调制（编码），在接收端把电磁波转换为数字信号的过程称为解调。调制解调分为用于普通电话线的普通调制解调器，用于有线电视网的电缆调制解调器，用于宽带上网 xDSL 调制解调器等。

通信线缆分类

• 同轴电缆：包括粗同轴电缆和细同轴电缆，具有不同的阻抗（如 50 欧姆和 75 欧姆）。同轴电缆曾广泛应用于有线电视和早期的局域网中，具有抗干扰能力强、传输距离较远等优点。
• 双绞线：包括屏蔽双绞线和无屏蔽双绞线（UTP）。双绞线是目前局域网中最常用的传输介质，具有成本低、安装方便、传输距离适中等优点。屏蔽双绞线在双绞线的基础上增加了屏蔽层，可以有效减少电磁干扰。
• 光缆：包括多模光纤和单模光纤。多模光纤的直径为 62.5 微米，单模光纤的直径为 8.3 微米。光纤通信具有传输速度快、带宽大、抗干扰能力强、传输距离远等优点，适用于长距离和大容量的通信。

电路交换与分组交换

• 电路交换：在通信时，一方发起呼叫，独占一条物理线路。当交换机完成接续，对方收到发起端的信号，双方即可进行通信。它的特点是实时性强，时延小，交换设备成本较低，但

  物理线路利用率低。电话网（PSTN）是典型的电路交换应用实例。

  • 分组交换：是一种通过存储转发的交换方式。它是将需要传送的信息划分为一定长度的分组（包），以分组为单位进行存储转发的。而每个分组信息都载有接收地址和发送地址的标识，在传送数据分组之前，首先建立虚拟电路，然后依序传送。送出的信息经交换机的分组装拆功能构成分组，存储到分组交换机的存储器内，接着就可以和来自其他终端的分组一起，以动态复用的方式，通过高速传输线路进行传输，从而提高了传输线路的利用率。

  网络连接设备

  • 集线器：是一种简单的网络连接设备，用于连接多个计算机或网络设备，实现数据的广播传输。集线器工作在物理层，不具备数据过滤和交换功能，适用于小型局域网。
  • 交换机：是一种智能的网络连接设备，用于连接多个计算机或网络设备，实现数据的交换和过滤。交换机工作在数据链路层，可以根据数据帧的目的地址进行转发，减少网络冲突，提高网络性能，适用于中大型局域网。
  • 路由器：用于连接外网的连接设备，工作在网络层。路由器可以根据数据包的目的地址选择最佳的传输路径，实现不同网络之间的通信和数据传输。
  • 网关：实现不同协议之间转换的设备，工作在从物理层到应用层上。例如，IBM 公司的 SNA 网络当要连接因特网时，就需要使用网关。

  第二章 因特网应用基础

  一、因特网协议体系

  OSI 与 TCP/IP 协议体系

  • OSI 协议体系：OSI（Open Systems Interconnection）协议体系是一个国际标准化组织（ISO）制定的网络通信模型，它将网络通信划分为 7 个层次，从下到上依次为物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层和应用层。OSI 协议体系主要用于理论研究和教学，实际应用较少。
  • TCP/IP 协议体系：TCP/IP（Transmission Control Protocol/Internet Protocol）协议体系是互联网的核心协议体系，它将网络通信划分为 4 个层次，从下到上依次为网络接口层、网际协议层、传输控制层和应用层。TCP/IP 协议体系广泛应用于互联网中，是实现互联网通信的基础。

  应用层协议

  • HTTP：超文本传输协议，用于浏览器与 Web 服务器之间的通信，实现网页的请求和传输。
  • SMTP：简单邮件传输协议，用于邮件发送，将客户端发送到 SMTP 服务器的电子邮件传送到接收方的服务器。
  • DNS：域名系统，用于将域名解析为 IP 地址，实现域名与 IP 地址之间的转换。
  • FTP：文件传输协议，用于在客户端和服务器之间传输文件。
  • DHCP：动态主机配置协议，用于自动分配 IP 地址给网络中的主机。
  • POP3：邮局协议第三版，用于邮件接收，将电子信箱中的邮件发送到本地磁盘。
  • Telnet：远程登录协议，用于在因特网上进行远程访问，使本地计算机如远程计算机的终端一样，从而可以操作远程计算机。

  传输层协议

  • TCP：传输控制协议，负责控制应用层所在的两台计算机之间的数据传输，保证数据能可靠地、无差错地传输。TCP 提供面向连接的、可靠的、基于字节流的传输服务。
  • UDP：用户数据报协议，提供无连接的、不可靠的传输服务，适用于对实时性要求较高的应用，如语音通信和视频会议。

  网络层协议

  • IP：网际协议，主要功能是路由选择，为每个分组选择最佳的路径并把分组送到目的地。IP 协议定义了数据包的格式和传输规则，是实现互联网通信的基础。
  • ARP：地址解析协议，用于将 IP 地址解析为 MAC 地址，实现 IP 地址与 MAC 地址之间的转换。
  • ICMP：互联网控制消息协议，用于在 IP 主机、路由器之间传递控制消息，如网络不可达、路由重定向等。

  数据链路层协议

  • PPP：点对点协议，用于在点对点的链路上传输数据，实现数据的封装、传输和控制。
  • SLIP：串行线路互联网协议，用于在串行线路上实现 IP 数据包的传输。
  • PPPoE：以太网上的点对点协议，用于在以太网上实现 PPP 协议的功能。

  二、IP 地址

  IP 地址概述

  IP 地址是因特网上的每台计算机的地址，因为是在网际协议（IP）中规定和使用的，所以称为 IP 地址。IP 地址用于标识网络上的主机，实现主机之间的通信和数据传输。

  地址格式和分类

  • 地址格式：每个 IP 地址由 32 位二进制位，即 4 个字节的代码组成。书写时用圆点分隔的十进制数字表示法。例如，01101100 01110000 00001010 011000000 表示的是 108.112.10.96。
  • IP 地址分类：
    • A 类地址：范围为 1.0.0.0－127.255.255.255，网络地址长度为 8 位，主机地址长度为 24 位。A 类地址适用于大型网络。
    • B 类地址：范围为 128.0.0.0－191.255.255.255，网络地址长度为 16 位，主机地址长度为 16 位。B 类地址适用于中型网络。
    • C 类地址：范围为 192.0.0.0－223.255.255.255，网络地址长度为 24 位，主机地址长度为 8 位。C 类地址适用于小型网络。
    • D 类地址：范围为 224.0.0.0－239.255.255.255，用于多点广播。
    • E 类地址：范围为 240.0.0.0－255.255.255.255，保留未用。

  特殊 IP 地址

  • 广播地址：主机号全为“1”的地址用于广播之用，指同时向网上所有主机发送报文。例如，255.255.255.255 是一个广播地址，用于向整个网络发送广播报文。
  • 有限广播地址：32 位全为“1”的地址用于本网广播，指向本网络内的所有主机发送广播报文。

  子网掩码

  子网掩码是将 IP 地址中网络地址部分和子网地址部分全设为二进制的 1，子网机器地址部分全设为二进制的 0。子网掩码用于区分 IP 地址中的网络地址和主机地址，实现子网划分和 IP 地址管理。例如，255.255.255.0 是一个常见的子网掩码，表示前 24 位是网络地址，后 8 位是主机地址。

  三、域名

  域名的构成

  每个域名由若干个子域名组成，用圆点分开，子域名由若干个字母和数字组成，子域名不超过 63 个字符，整个域名不能超过 256 个字符。例如，www.online.sh.cn 中，cn 是顶级域名，sh 是二级域名，online 是三级域名。

  顶级域名的种类

  • 商业机构：com
  • 军事机构：mil
  • 教育机构：edu
  • 网络运行与服务中心：Net
  • 政府机构：gov
  • 非盈利机构：org
  • 国际组织：int
  • 中国：cn

  域名解析和域名服务器

  域名解析是将域名转换为 IP 地址的过程，由域名系统 DNS 完成。DNS 是一个分布式数据库系统，它将域名和 IP 地址之间的映射关系存储在多个 DNS 服务器上。当用户访问一个网站时，浏览器会向 DNS 服务器查询该网站的域名对应的 IP 地址，然后根据 IP 地址访问网站。

  四、接入方式

  单台计算机接入

  • 家用电话线上网：需加调制解调器，电话线的干线采用的是同轴电缆和光缆，有很高的带宽，限制来自连接用户线的电话局到用户之间。解决方法之一是 ISDN 综合业务数字网，ADSL 非对称数字用户线，在端局和用户端进行的改造，使用 ISDN，用户端需安装 ISDN 终端，计算机需加 ISDN 适配器。ADSL 的非对称是指用户到端局和端局到用户的速率不一样，好处是上网时同时可以打电话，甚至断电后。
  • 利用有线电视网络：有线电视网络是光纤与同轴电缆的混合网，带宽大约为 550-800MHZ。
  • 无线方式：利用电磁波在天空中传输数据。

  网络的接入

  需用网络连接设备路由器、交换机、集线器等。

  代理服务器

  代理服务器是内部网络上一台最靠近路由器的具有特殊功能的计算机，是内部网与因特网之间的接口。代理服务器可以实现网络地址转换、访问控制、缓存等功能，提高网络的安全性和性能。

  五、因特网管理机构

  • 因特网协会：负责因特网的政策制定和标准制定等。
  • IAB 因特网工作委员会：负责因特网的研究和开发工作。
  • ISP 因特网服务提供商：提供接入服务与内容服务。接入服务包括接入工程、设备使用、线路使用的费用等。在我国，中国公用计算机互联网（ChinaNet）是因特网的主要接入网。

  第三章 因特网的基本服务

  一、万维网（World Wide Web）缩写为 WWW

  万维网是因特网上的的一种服务形式，由全球万维网服务器托管的万维网站点（或称网站），并与因特网相连接，网站的信息资源是以网页的形式组织的，每个网页可以展示文本、图形图像和声音等多媒体信息，并提供各种链接。

  网页

  网页是用超文本标记语言编写（HTML），包含描述或规定网页结构的各种标记，可包含文本、声音、图像、动画和视频等信息。

  统一资源定位器（URL）

  统一资源定位器（URL）是万维网上的资源所在地址统一表示格式。格式为：协议名称：//[用户名：口令@]主机名[:端口]/目录/文件说明。例如，http://www.sina.com/index.html/music.html 中，http 是协议名称，www.sina.com 是主机名，/index.html/music.html 是文件说明。

  超文本传输协议（HTTP）

  超文本传输协议（HTTP）是一种用来将浏览器发出的请求发送至 Web 服务器，并将 Web 服务器上的网页传送回请求的浏览器的通信协议。HTTP 定义了浏览器与 Web 服务器之间的通信规则和标准，使得用户可以通过浏览器访问和浏览网页。

  电子邮件工作原理

  • SMTP 协议：邮件发送协议，在传送中能够采用接力方式传送邮件，即邮件可以通过不同网络上的服务器以接力方式传送，包括两种情况：一是电子邮件从客户机传输到服务器；二是从某个服务器传输到另一个服务器。
  • POP3 协议：POP3 采用客户机、服务器工作模式。邮件接收协议，客户端软件（如 Outlook）接收电子邮件，POP3 协议将电子信箱中的邮件发送到本地磁盘。

  Outlook Express 添加账户

  Outlook Express 是一款电子邮件客户端软件，用户可以通过它添加电子邮件账户，发送和接收电子邮件。添加账户时需要输入邮件服务器的地址、用户名、密码等信息。

  远程登录（Telnet）

  远程登录是用来在因特网上进行远程访问的一种协议。远程登录可以让一台计算机通过网络与远程的另一台计算机建立连接，使得本地计算机如远程计算机的终端一样，从而可以操作远程计算机。例如，系统管理员可以通过远程登录远程管理服务器。

  文件传输（FTP）

  文件传输（FTP）是因特网上常用的一种文件传输服务。常用的 FTP 工具有 Cuteftp、LFeapFTP、网络蚂蚁、网际快车、Flashfxp 等。FTP 允许用户在客户端和服务器之间传输文件，实现文件的上传和下载。

  二、网络应用模式

  客户机/服务器模式（C/S）模式

  客户机/服务器模式（C/S）模式是一种常见的网络应用模式。客户机是体系结构的核心部分，是一个面向最终用户的接口设备或应用程序。它是一项服务的消耗者，可向其他设备或应用程序提出请求，然后再向用户显示所得信息；服务器是一项服务的提供者，它包含并管理数据库和通信设备，为客户请求过程提供服务；连接支持是用来连接客户机与服务器的部分，如网络连接、网络协议、应用接口等。

  浏览器/服务器模式（B/S）模式

  浏览器/服务器模式（B/S）模式是另一种常见的网络应用模式。客户端的功能由浏览器完成，统一的浏览器不随系统变化。只需编制服务器上的一套软件，用户通过浏览器访问服务器上的应用，实现信息的浏览和交互。

  因特网提供的基本服务及出现的先后顺序

  因特网提供的基本服务包括：Telnet（远程登录）、E－mail（电子邮箱）、USEnet（新闻组）、FTP（文件传输）、Archie（文档检索），Gopher（信息查询）、WWW（万维网）。电子邮件系统大多运行在 SMTP 协议和 POP3 协议下。其中 SMTP 协议将客户端发送到 SMTP 服务器的电子邮件，传送到接收方的服务器；POP3 协议的功能是接收来自 SMTP 服务器的 E－mail，以用户当前存储在服务器上的全部邮件为对象，一次性将它们下载到用户端计算机中。

  第四章 因特网的应用

  一、因特网上的信息检索

  检索工具的类型与特点

  • 目录检索：目录检索的优点是所收录的网络资源经过分门别类的安排和组织，可以比较快地找到相关信息。但是，所收集整理的信息的范围常常很有限，数据库的规模相对较小，更新速度较慢，而且对于分类不熟悉的人可能不是很方便。提供主题目录检索服务的网站通常是一个门户网站，如新浪、搜狐、网易等。
  • 搜索引擎：采用关键字进行搜索，还可以使用逻辑运算符（AND、 OR 、NOT）把他们连接起来生成一个逻辑表达式，组成一个检索条件。典型的搜索引擎有 www.baidu.com、www.google.com 等。搜索引擎通过爬虫程序抓取网页，建立索引数据库，用户输入关键字后，搜索引擎在索引数据库中检索相关网页，并按照相关性排序返回给用户。
  • 元搜索引擎：本身不带数据库，用关键字进行检索。为解决目前主要的搜索引擎返回的相关结果的命中率都还不高，要获得一个准确的查询结果，就要反复使用多个搜索引擎，元搜索引擎通过一个统一的用户界面，帮助用户在多个搜索引擎选择和利用合适的搜索引擎来实现检索。

  二、网上人际交流

  电子公告牌与网上论坛

  • 电子公告牌（BBS）：通常称为 BBS，就是网上开“讨论会”，每个人可以畅所欲言。有三种不同的形式，一种是拨号式 BBS，一种是登录式 BBS，一种是基于万维网的 BBS。BBS 提供了一个平台，用户可以发布信息、讨论话题、交流思想等。
  • 网上论坛：也称为电子论坛。从某种程度上说，它与因特网上的一般网页没有本质区别，只是其功能侧重于供人们进行讨论，因此它的网页必须具有较强的交互性。需要说明的是，进入 BBS 或网上论坛的首页，需要通过注册、及输入用户名和密码。注册用户会拥有更多的权利，如发言、修改、删除发言等，非注册用户只能是“看客”。

  网上聊天与即时通信

  • 两种常用的聊天方式：
    • 网页聊天室：用户可以通过浏览器进入网页聊天室，与其他用户进行实时的文字聊天。
    • 因特网中继聊（IRC）：是一种基于 TCP/IP 协议的实时聊天系统，用户可以通过 IRC 客户端软件加入不同的聊天频道，与其他用户进行实时的文字聊天。
  • 即时通信（IM）软件：如 ICQ 软件，国内流行的 IM 软件是 OICQ 简称 QQ，微软公司的 MSN Messenger 等。即时通信软件的主要功能包括文字聊天、语音聊天、传送文件、远程协助、视频聊天、邮件辅助、发送短信等。