第二节　计算机网络技术基础

一、计算机网络

计算机网络，是指将地理位置不同的具有独立功能的多台计算机及其外部设备，通过通信线路连接起来，在网络操作系统，网络管理软件及网络通信协议的管理和协调下，实现资源共享和信息传递的计算机系统。通俗地讲，计算机网络就是由多台计算机（或其他计算机网络设备）通过传输介质和软件物理（或逻辑）连接在一起组成的系统。

二、计算机网络系统的组成

一个完整的计算机网络系统是由网络硬件和网络软件所组成的。网络硬件是计算机网络系统的物理实现，一般指网络的计算机、传输介质和网络连接设备等。网络软件是网络系统中的技术支持，一般指网络操作系统、网络通信协议等。两者相互作用，共同使网络功能发挥作用。

（一）计算机网络硬件

组成网络的硬件可分为四类：服务器、工作站、网络交换互联设备和外设。

1.网络服务器

网络服务器是用来提供各种服务的，按照提供的服务不同，可把服务器分为文件服务器、打印服务器、邮件服务器、数据库服务器、通信服务器、视频服务器等。服务器可以是一个单纯的文件服务器，或一个单纯的打印机服务器，邮件服务器等，也可以是提供多种服务的综合服务器，或提供几乎所有服务的服务器。服务器可以是专用的（只作为网络服务器），也可以是共享的（即作为网络服务器，又作为网络工作站）。

2.网络工作站

网络工作站是用来访问资源的，是能使用户在网络环境下进行工作的计算机系统。网络工作站现在经常被称为客户机。在局域网上，一般都采用微型机作为网络工作站，如HP PC系列微机，Apple公司的系列微机等，终端也可以用作网络工作站，但微型机可能更好。因为微型机除了可在网络上工作外，还可以不依赖于网络单独工作，并且还可以对其功能、配置等进行扩展，而终端只能在网络上工作，而且不具备更大的扩展性能。另外，终端运行的操作系统通常是UNIX或LINUX等字符操作系统，与WINDOWS系统不兼容，所以终端一般用于金融、科研等专用部门。

3.网络交换互联设备

网络传输介质分为有线传输介质和无线传输介质，有线传输介质通常包括同轴缆、双绞线、光纤。同轴电缆所受的干扰较小，但布线技术要求较高，成本较贵，目前在网络连接中较少使用。在局域网中双绞线是常用的传输介质。光纤在传输过程中不受干扰，光信号在传输很远的距离后不会降低强度，而且光缆的通信带宽很宽，因此光缆可以携带数据长距离高速传输。虽然光缆比较昂贵，但今后互联网络链路的高速率传输主要靠光纤来实现。无线传输的介质有：无线电波、微波、卫星、红外线和激光。无线传输介质通常用于移动通信、广域互联网的广域链路的连接和近距离的笔记本电脑互联等应用中。无线传输的优点在于安装、移动以及变更都比较容易，不会受到环境的限制。但信号在传输过程中容易受到干扰和被窃取。

网络适配器俗称网卡，或网络接口卡，用于将计算机同网线连接起来，并通过网线在计算机之间进行高速数据传输，因此需要为每一台联网的计算机装上一块网卡。

网络交换设备常用的有：

（1）中继器（repeater）：中继器是网络物理层的连接设备。适用于完全相同的两个网络的互联，主要功能是通过对数字信号的重新发送或者转发，来增加网络传输的距离。中继器是对信号进行再生和还原的网络设备，是OSI模型的物理层设备。

（2）网桥（bridge）：网桥能对不同类型的局域网实现桥接，实现不同类型网络之间的相互通信，又能有效地阻止各自网内的通信不会流到别的网络。网桥有时也在同类型的网络内用于隔离不同网段的信息通信，把不需要越出网段的通信限制在段内，避免网络传输的过重负担。网桥是工作在OSI模型的数据链路层的设备。

（3）交换机（switch）：交换机是一个中心控制点，将需要联网的计算机都通过网卡、网线等与交换机相连，就可以把计算机互连在一起组成局域网。交换机是工作在OSI模型的数据链路层的设备。

（4）路由器（router）：大量微机通过局域网连入广域网与网络互连可以通过路由器来实现。路由器通常是一台专用设备或者就是一台计算机，能识别各种网络协议。路由器可以在复杂网络中为网络数据的传输自动进行通信线路的选择，在网络节点之间对通信信息进行存储转发，是互联网的关键设备。路由器是工作在OSI模型的网络层的设备。

（5）网关（gateway）：网关又称为协议转换器，是异构型网络互联设备。主要功能是进行协议转换和数据重新分组，主要工作在高层（如传输层和应用层），实现不同类型且相差较大的异种网络的互联。

4.网络外部设备

建立网络的目的之一是共享网络资源，网络资源分为硬件资源和软件资源，网络外设属于可被网络用户共享的、常用的硬件资源。通常情况下，共享网络资源一般是一些大型的、昂贵的外部设备：如大型激光打印机、绘图设备、大容量存储系统等。

（二）计算机网络软件

网络软件是一种在网络环境下使用、运行，控制和管理网络工作的计算机软件，根据网络软件的作用和功能，可把网络软件分为网络系统软件和网络应用软件。网络系统软件是控制及管理网络运行和网络资源使用的网络软件，它为用户提供了访问网络和操作网络的人机接口。网络应用软件是指为某一个应用目的而开发的网络软件。网络软件通常包括网络操作系统、网络通信协议、网络应用软件和防火墙等。

网络操作系统是网络软件中最主要的软件，用于实现不同主机之间的用户通信，以及全网硬件和软件资源的共享，并向用户提供统一、方便的网络接口，便于用户使用网络，常见的网络操作系统有Unix、Linux、Windows等。防火墙是在局域网和互联网之间构筑的一道屏障，它是在内外有别及在需要区分处设置有条件的隔离设备和软件，用以保护局域网中的信息、资源等不受来自互联网中非法用户的侵犯。需要指出的是还有其他防火墙，如病毒防火墙、邮件防火墙等，与网络防火墙不是一个概念。

在网络上的各台计算机之间如果要通信，它们之间必须使用相同的语言才能进行，这种语言就是网络协议。网络协议是网络上所有设备（网络服务器、计算机及交换机、路由器、防火墙等）之间通信规则的集合，它规定了通信时信息必须采用的格式和这些格式的意义。常见的协议有：TCP/IP协议、IPX/SPX协议、NetBEUI协议等。

随着移动互联网的普及，各种智能移动终端设备由于其便捷、高效等特点被广泛应用，以Android及iOS为主的智能操作系统在近几年飞速发展，智能平台已经为大多数网络用户所接受。

三、计算机网络的分类与拓扑结构

（一）计算机网络的分类

网络类型的划分标准各种各样，通常根据网络的覆盖范围与规模可分为局域网、城域网和广域网；按传输介质可分为有线网和无线网；按数据交换方式可分为电路交换网、报文交换网和分组交换网；按通信方式可分为广播式传输网络和点对点式传输网络；按服务方式可分为客户机—服务器网络和对等网。但是从地理范围划分通常是一种大家都认可的通用网络划分标准。局域网一般来说只能是一个较小区域内，城域网是在局部地区范围内的网络，广域网是不同城市间的网络互联，不过在此要说明的一点就是这里的网络划分并没有严格意义上地理范围的区分，只能是一个定性的概念。

局域网（Local Area Network；LAN），就是在局部地区范围内的网络，它所覆盖的地区范围较小，是我们最常见、应用最广的一种网络，随着计算机网络技术的发展和提高而得到充分的应用和普及，几乎每个单位都有自己的局域网，甚至有的家庭中都有自己的小型局域网。局域网在计算机数量配置上没有太多的限制，少的可以只有两台，多的可达几百台。一般来说在企业局域网中，工作站的数量在几十到几百台左右。在网络所涉及的地理距离上一般来说可以是几米至几公里。局域网一般位于一个建筑物或一个单位内，不存在寻径问题，不包括网络层的应用。其特点是：连接范围窄、用户数少、配置容易、连接速率高。目前局域网的速率可以达到10Gb。

城域网（Metropolitan Area Network；MAN），是在一个城市，但不在同一地理范围内的计算机互联。这种网络的连接距离可以在10～100公里，它采用的是IEEE802.6标准。MAN与LAN相比扩展的距离更长，连接的计算机数量更多，在地理范围上可以说是LAN网络的延伸。

广域网（Wide Area Network；WAN）也称为远程网，所覆盖的范围比MAN更广，它一般是在不同城市之间的LAN或者MAN网络互联，地理范围可从几百公里到几千公里。因为距离较远，信息衰减比较严重，所以这种网络一般是要租用专线，通过IMP（接口信息处理）协议和线路连接起来，构成网状结构，解决循径问题。这种网络因为所连接的用户多，总出口带宽有限，所以用户的终端连接速率一般较低。

在现实生活中我们真正遇到最多的是局域网，因为它可大可小，无论在单位还是在家庭实现起来都比较容易，应用也是最广泛的一种网络。在局域网中，无线局域网是目前最新，也是最为热门的一种网络，这种局域网的最大特点就是自由，因为它摆脱了有形传输介质的束缚，只要在网络的覆盖范围内，可以在任何一个地方与服务器及其他工作站连接，而不需要重新铺设电缆。

（二）计算机网络的拓扑结构

当我们组建计算机网络时，应考虑网络的布线方式，这也就涉及了网络拓扑结构的内容。计算机网络拓扑是通过网中节点与通信线路之间的几何关系表示网络结构，反映出网络中各实体间的结构关系。主要是指通信子网的拓扑结构。局域网常用的拓扑结构有：总线型结构、环型结构、星型结构、树型结构。拓扑结构对整个网络的设计、功能、可靠性和通信费用等都有重要影响，是决定局域网性能优劣的重要因素之一。

四、计算机网络的主要功能

计算机网络的功能主要是实现计算机之间的资源共享、网络通信和对计算机的集中管理。除此之外还有负荷均衡、分布处理和提高系统安全与可靠性等功能。

1.资源共享

（1）硬件资源：包括各种类型的计算机、大容量存储设备、计算机外部设备等。

（2）软件资源：包括各种应用软件、工具软件、系统开发所用的支撑软件、语言处理程序、数据库管理系统等。

（3）数据资源：包括数据库文件、办公文档资料、企业生产报表等。

（4）信道资源：通信信道可以理解为电信号的传输通道，通信信道的共享机制是计算机网络中最重要的共享资源之一。

2.网络通信

通信通道可以传输各种类型的信息，包括数据信息和图形、图像、声音、视频流等各种多媒体信息。

3.分布处理

把要处理的任务分散到各台计算机上运行，而不是集中在一台大型计算机上。这样，不仅可以降低软件设计的复杂性，而且还可以大大提高工作效率和降低成本。

4.集中管理

计算机在没有联网的情况下，每台计算机都是一个“信息孤岛”。在管理这些计算机时，必须分别管理。而计算机联网后，可以在某个中心位置实现对整个网络的管理。如数据库情报检索系统、交通运输部门的订票系统、军事指挥系统等。

5.均衡负荷

当网络中某台计算机的任务负荷太重时，通过网络和应用程序的控制和管理，将作业分散到网络中的其他计算机上，可由多台计算机共同完成。

五、计算机网络的特点

1.可靠性

在一个网络系统中，当一台计算机出现故障时，可立即由系统中的另一台计算机来代替其完成所承担的任务。同样，当网络的一条链路出了故障时可选择其他的通信链路进行连接。

2.高效性

计算机网络系统摆脱了中心计算机控制结构数据传输的局限性，并且信息传递迅速，系统实时性强。网络系统中各相连的计算机能够相互传送数据信息，使相距很远的用户之间能够即时、快速、高效、直接地交换数据。

3.独立性

网络系统中各相连的计算机是相对独立的，它们之间既互相联系，又相互独立。

4.扩充性

在计算机网络系统中，人们能够方便、灵活地接入新的计算机，从而达到扩充网络系统功能的目的。

5.廉价性

计算机网络使微机用户也能够分享到大型机的功能特性，充分体现了网络系统的“群体”优势，可以节省投资和降低成本。

6.分布性

计算机网络能将分布在不同地理位置的计算机进行互连，可将大型、复杂的综合性问题实行分布式处理。

7.易操作性

对计算机网络用户而言，掌握网络使用技术比掌握大型机使用技术简单，因此实用性较强。

六、移动网络技术

移动网络技术是通过移动IP技术实现的，一般分为IPv4中的移动IP和IPv6中的移动IP两种类别。任何情况下，移动IP都应支持节点从一个网络向另一个网络移动，即“宏观移动性”，而不仅仅是支持“微观移动性”，例如像蜂窝电话一样，从一个蜂窝向另一个蜂窝切换无线连接。

近几年来，不仅是笔记本电脑，而且包括平板电脑（Pad）、个人数字助手（PDA）、智能手机等都显著增加，不论设备是通过有线或无线与网络连接，当设备移动时，不论其移动在何处，其他设备都能够以同一个IP地址来访问该设备，这将极大地方便用户使用。然而要实现这一点却非常困难，因为节点移动时，可能必须连接到使用不同IP地址的不同网络。

（一）IPv4中的移动IP

移动IP使用移动代理的概念，为移动主机指派一个可达的主地址。当主机位于正常驻地时，它使用自己的主地址连接到本地网络，所有的协议都按正常方式操作；而移动代理通常是常规路由器，它作为外地代理，也可以作为主代理，处理传送给移动主机的信息。

当移动节点离开驻地时，可以按照下列方法使用移动IP来连接到网络：

（1）外地代理和主代理周期性地发出报文，表明它们的可用性。移动主机也可以主动请求此信息。这些通告以ICMP路由器通告为基础，为移动节点提供足够的信息，使其能够确认它是在自己的驻地网络还是在外地网络中。

（2）如果移动节点确认自己连接到驻地网络，就会如同非移动主机一样工作。

（3）如果该节点确认自己是在外地网络中，则它将从外地网络获得“关照地址”。该地址是当移动主机在外地网络中时，可到达移动主机的临时地址。移动主机可以使用外部机制（如DHCP）来获得在外地网络上的有效地址，或者它也可以使用移动代理指定的某个地址，该地址就称为外地代理“关照地址”。此时，对于所服务的任何移动节点，移动代理使用同一个境内地址，将进入网络的数据包转发给正确的节点。

（4）一旦移动主机拥有可在外地网络上寻找的某类地址，通过发送报文，它将该地址注册到其主代理，实际报文的内容类似于“如果你收到发给我的主地址的数据包，请转发到这个地址”。

（5）一旦主代理知道对于发给移动节点的包应向何处转发，它就把这些包拦截下来，并进行封装，以IP隧道方式发送到移动节点提供的关照地址。如果该关照地址是一个配置的关照地址，则由外地代理来接收封装的IP包，拆包并转发给移动节点；如果该关照地址是在外地网络上分配给移动节点的单独IP地址，移动节点就可以接收到带封装的IP包，自己拆包。

如果外地网络上的移动节点要发送包，则无需进行特殊操作，这些主机将继续使用其主地址作为包的源地址，对这些包也无需进行任何特殊处理。

（二）IPv6中的移动IP

首先，在IPv6中，在无状态自动配置或使用DHCPv6状态自动配置的支持下，获得关照地址的过程更加简单。正因如此，IPv6中没有外地代理关照地址，而只有配置的关照地址。其次，应该有可能使用IPv6的各种特性来改进移动节点的操作。例如，主代理可以使用邻居发现的代理通告来截获发给移动节点的IPv6包。对于通过目的地选项来将地址更新与地址相捆绑的路由优化，节点也应该有基本的支持。

移动IPv6中包含的另一个新特性是：即使在移动节点常规主代理不可达的情况下，移动节点也有能力和驻地网络建立联系。移动节点可以向驻地网络中为主代理保留的地址发送任意点播包，任何可用的主代理将把自己的选项通知移动节点。