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第1章计算机网络基础知识

内容提示：本章概括介绍计算机网络的基础知识，涉及计算机网络的概念、系统组成、发展、分类、功能及工作模式；网络拓扑结构、传输介质；网络的体系结构；数据通信技术基础知识等内容。本章是整个课程学习的基础，教学基本要求如下：

（1）理解计算机网络的基本概念、系统组成、功能和应用。

（2）了解计算机网络的发展、分类和工作模式。

（3）理解网络拓扑结构、网络传输介质。

（4）理解并掌握网络体系结构。

（5）理解数据通信基础知识。

1.1 计算机网络概述

计算机网络是计算机技术与通信技术相互渗透、密切结合而形成的一门交叉学科。随着计算机网络技术的快速发展和广泛应用，计算机网络已成为人们现代生活的必备工具，无论是学习生活、科学研究还是休闲娱乐，都离不开以计算机为核心的网络。计算机网络对人类社会发展产生了巨大的推动作用。

1.1.1 基本概念

在当今的生活中与“网络”有关的名词铺天盖地，如手机通信网络、广播电视网络、交通指挥网络、人际关系网络，以及网络游戏、网络电视、网络歌手、网络学习、网络聊天等等，那么什么是网络？什么又是计算机网络？

广义上说网络是现实世界的一种基本现象，是一类物质的关系组合，或是一种意识的联系、分类。如通信网络、电视网、销售网络等就是属于前者；如人际关系网络等属于后者。

计算机网络（Computer Network）是则将分布在不同地理位置具有独立功能的计算机系统，利用通信线路和设备，在网络协议和网络软件的支持下相互连接起来，进行数据通信，进而实现资源共享的系统。

对计算机网络概念可以从以下4个方面理解：

（1）建立计算机网络的主要目的是实现资源共享。这里的资源是指硬件资源、软件资源和数据资源等，资源共享是计算机网络的最基本特征。

（2）互连的计算机都是独立的“自治计算机”。计算机网络包含了多台具有“自治”功能的计算机。所谓“自治”是指这些计算机离开计算机网络之后，也能独立地工作和运行。人们通常将这类计算机称为“主机”（Host），在计算机网络中又叫做节点或站点。计算机网络中的共享资源就是分布在这些计算机中的。

（3）计算机之间通信必须遵循共同的网络协议。计算机网络需要使用通信手段，才能把计算机（节点）“有机”连接起来。所谓“有机”的连接是指连接时彼此必须遵循所规定的约定和规则，这些约定和规则称为网络协议。

（4）数据通信是计算机网络应用的基本手段，通过数据通信实现数据传输，它是计算机网络各种服务和资源共享的前提与基础。

1.1.2 基本功能

计算机网络最主要的基本功能是资源共享和数据通信，除此之外还有负载均衡、分布式处理和提高系统安全性与可靠性等功能。

1．资源共享

资源共享是计算机网络的基本功能，其目的是连接到计算机网络中的任何计算机均能够使用网络上的资源，这些资源可以是高性能计算机、大容量磁盘、高性能打印机、高精度图形设备、通信线路、通信设备等硬件设备；也可以是大型专用软件、各种网络应用软件等；还可以是各种形式的数据，包括像文字、数字、声音、图形、图像、视频等形式的数据。这样的好处是既方便了网络用户的使用，又提高软件、硬件和数据的利用效率，有效避免资源重复建设。

2．数据通信

数据通信主要实现计算机网络中计算机系统之间的数据传输，是计算机网络应用的基础，它为网络用户提供强有力的通信手段。通过数据通信使分布在不同地理位置的网络用户之间能够相互通信、交流信息。数据通信是网络实现其它功能的基础，利用网络的通信功能，计算机网络可以传输数据、声音、图像、视屏等多媒体信息，可以发送电子邮件，实现网络视频会议、远程诊断和网上聊天等。

3．负载均衡与分布式处理

负载平衡也称负载共享，是指对系统中的负载情况进行动态调整，以尽量消除或减少系统中各节点负载不均衡的现象。具体实现方法是将过载节点上的任务转移到其它轻载节点上，从而提高系统综合处理效率。

分布处理是指将一个大型的复杂处理任务，在控制系统的统一管理下，将任务分配给网络上多台计算机，每个计算机各自承担同一工作任务的不同部分，进行协同工作，共同处理成同一任务，从而实现一台计算机无法完成的复杂任务。

4．提高系统的可靠性

网络系统中计算机具有互为备份的特性，这样提高了系统的可靠性。也就是说，当某台计算机出现问题，其工作可以由网络上其它计算机承担，不致因单机故障而导致系统瘫痪，同时数据的安全性也得到了保障。

1.1.3 基本组成

从计算机网络的基本组成可以从计算机网络的系统组成（即软硬件系统组成）和计算机网络的逻辑（功能）组成两个角度来认识。计算机网络的系统组成主要包括计算机系统、数据通行系统、网络软件等部分组成；计算机网络的逻辑组成主要包括通信子网和资源子网等两部分组成，因为计算机网络的基本功能是数据通信和资源共享。

1．计算机网络的系统组成

（1）计算机系统

计算机系统是计算机网络的重要组成部分，是计算机网络不可缺少的硬件元素。计算机网络连接的计算机可以是巨型机、大型机、小型机、工作站（或微机）以及其他包含计算机系统的数据终端设备。

计算机系统在网络中的主要作用体现在信息处理、提供网络资源与服务上，一方面计算

机系统（主机）要为本地用户访问网络中的服务和资源提供服务，完成数据信息处理，另一方面为网络中远程用提供网络资源和网络服务。

（2）数据通信系统

数据通信系统主要完成数据通信控制与处理，主要由网络适配器、传输介质和网络互联设备等组成。

网络适配器俗称网卡，它是构成计算机网络最基本和必不可少的连接设备。计算机通过网卡与传输介质连接，使计算机连入网络系统中，网卡除了起到物理接口的作用，还有控制数据传输的功能。传输介质是构成双方通信的信道，实现数据的传输。通常传输介质有同轴电缆、双绞线、光缆、无线电、微波等。网络互联设备是用来实现网络中各计算机之间互联的设备，常用的互联设备有集线器、交换机和路由器等。

（3）网络软件

网络软件是在网络环境下运行、控制、管理网络的计算机软件，是网络系统重要组成部分。根据软件的功能可分为网络系统软件和网络应用软件两大类型。

①网络系统软件

网络系统软件是控制和管理网络运行、提供网络通信、分配和管理共享资源的网络软件，它包括网络操作系统、网络协议软件、通信控制软件和网络管理软件等。

网络操作系统是网络软件的重要组成部分，它是网络系统管理和通信控制的集合，负责整个网络的软、硬件资源管理、网络通信和任务调度，并提供用户和网络之间的接口。网络操作系统是计算机网络软件的核心程序，是网络软件系统的基础。

网络协议软件是实现各种网络协议功能的软件。它是网络软件的核心部分，任何网络软件都要通过协议软件才能工作。

网络通信软件是实现网络中各结点之间的通信处理的软件。

网络管理软件用来对网络资源进行管理、对网络进行维护。

②网络应用软件

网络服务器软件是运行在服务器计算机，提供特定网络服务的软件。如WWW软件Apache、文件传输服务Serv-U等软件。

网络客户端应用软件能够与服务器进行通信，为用户提供使用网络服务、访问共享资源、进行信息的传输等实现网络应用的软件。如IE浏览器、下载软件、QQ软件等为用户提供使用网络服务、访问共享资源和进行信息的传输等功能。

2．计算机网络的逻辑组成

计算机网络从逻辑功能角度可划分为资源子网和通信子网两部分。

资源子网是计算机网络中实现资源共享功能的设备及其软件的集合，是面向用户的部分，它负责整个网络的数据处理，向网络用户提供各种网络资源和网络服务。资源子网通常由计算机系统、终端设备、网络连接设备、软件资源和信息资源组成。

通信子网是计算机网络中实现网络通信功能的设备（网卡、集线器、交换机）、通信线路（传输介质）和相关软件的集合，主要负责数据传输和转发等通信处理工作。通信子网是信息传输的主体，主要由通信线路和交换节点组成；通信线路用于连接网络节点，交