高人推荐的最好的计算机网络基础教程.doc
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目录
第一章计算机网络基础 1
第二章网络传输介质 7
第三章组建简单网络 22
第四章网络协议与标准 30
第五章网络寻址 44
第六章网段分割 58
第七章路由技术 62
第八章建设TCP/IP局域网 74
第九章广域网 85
第十章互联网接入技术 102
第十一章网络管理与网络安全 110
第一章计算机网络基础
1.1计算机网络的发展
尽管电子计算机在上世纪40年代研制成功,但是到了30年后的80年代初期,计算机网络仍然被认为是一个昂贵而奢侈的技术。
近20年来,计算机网络技术取得了长足的发展,在今天,计算机网络技术已经和计算机技术本身一样精彩纷呈,普及到人们的生活和商业活动中,对社会各个领域产生了如此广泛而深远的影响。
1.1.1早期的计算机通讯
在PC计算机出现之前,计算机的体系架构是:
一台具有计算能力的计算机主机挂接多台终端设备。
终端设备没有数据处理能力,只提供键盘和显示器,用于将程序和数据输入给计算机主机和从主机获得计算结果。
计算机主机分时、轮流地为各个终端执行计算任务。
这种计算机主机与终端之间的数据传输,就是最早的计算机通讯。
图4.1计算机主机与终端之间的数据传输
尽管有的应用中计算机主机与终端之间采用电话线路连接,距离可以达到数百公里,但是,在这种体系架构下构成的计算机终端与主机的通讯网络,仅仅是为了实现人与计算机之间的对话,并不是真实意义上的计算机与计算机之间的网络通讯。
1.1.2分组交换网络
一直到1964年美国Rand公司的Baran提出“存储转发”和1966年英国国家物理实验室的Davies提出“分组交换”的方法,独立于电话网络的、实用的计算机网络才开始了真正的发展。
分组交换的概念是将整块的待发送数据划分为一个个更小的数据段,在每个数据段前面安装上报头,构成一个个的数据分组(Packets)。
每个Packet的报头中存放有目标计算机的地址和报文包的序号,网络中的交换机根据数据这样的地址决定数据向哪个方向转发。
在这样概念下由传输线路、交换设备和通讯计算机建设起来的网络,被称为分组交换网络。
图4.2分组交换网
分组交换网络的概念是计算机通讯脱离电话通讯线路交换模式的里程碑。
电话通讯线路交换的模式下,在通讯之前,需要先通过用户的呼叫(拨号),有网络为本次通讯建立线路。
这种通讯方式不适合计算机数据通讯的突发性、密集性特点。
而分组交换网络则不需要实现建立通讯线路(?
“实现建立通信线路”这句话不通),数据可以随时以分组的形式发送到网络中。
分组交换网络不需要呼叫建立线路(?
“呼叫建立线路”这样的说法让人不太理解)的关键在于其每个数据包(分组)的报头中都有目标主机的地址,网络交换设备根据这个地址就可以随时为单个数据包提供转发,将之沿正确的路线送往目标主机。
美国的分组交换网ARPANET于1969年12月投入运行,被公认是最早的分组交换网。
法国的分组交换网CYCLADES开通于1973年,同年,英国的NPL也开通了英国第一个分组交换网。
到今天,现代计算机网络:
以太网、帧中继、Internet都是分组交换网络。
1.1.3以太网
以太网目前在全球的局域网技术中占有支配地位。
以太网的研究起始与1970年早期的夏威夷大学,目的是要解决多台计算机同时使用同一传输介质而相互之间不产生干扰的问题。
夏威夷大学的研究结果奠定了以太网共享传输介质的技术基础,形成了享有盛名的CSMA/CD方法。
图4.3以太网
以太网的CSMA/CD方法是在一台计算机需要使用共享传输介质通讯时,先侦听该共享传输介质是否已经被占用。
当共享传输介质空闲的时候,计算机就可以抢用该介质进行通讯。
所以又称CSMA/CD方法为总线争用方法。
与现代以太网标准相一致的第一个局域网是由施乐公司的RobertMetcalfe和他的工作小组建成的。
1980年由数字设备公司、英特尔公司和施乐公司联合发布了第一个以太网标准Ethernet。
这种用同轴电缆为传输介质的简单网络技术立即受到了欢迎,在80年代,用10Mbps以太网技术构造的局域网迅速遍布全球。
1985年,电气和电子工程学会IEEE发布了局域和城域网的802标准,其中的802.3是以太网技术标准。
802.3标准与1980年的Ethernet标准的差异非常小,以至同一块以太网卡可以同时发送和接收802.3数据帧和Ethernet数据帧。
上世纪80年代PC机的大量出现和以太网的廉价,计算机网络不再是一个奢侈的技术。
10Mbps的网络传输速度,很好地满足了当时相对较慢的PC计算机的需求。
进入90年代,计算机的速度、需要传输的数据量越来越高,100Mbps的以太网技术随之出现。
IEEE100Mbps以太网标准,被称为快速以太网标准。
1999年IEEE又发布了千兆以太网标准。
需要回顾的是令牌网、FDDI网,甚至ATM网络技术对以太网技术的挑战。
以太网以其简单易行、价格低廉、方便的可扩展性和可靠的特性,最终淘汰或正在淘汰这些技术,成为计算机局域网、城域网甚至广域网中的主流技术。
1.1.4INTERNET
Internet是全球规模最大、应用最广的计算机网络。
它是由院校、企业、政府的局域网自发地加入而发展壮大起来的超级网络,连接有数千万的计算机、服务器。
通过在Internet上发布商业、学术、政府、企业的信息,以及新闻和娱乐的内容和节目,极大地改变了人们的工作和生活方式。
Internet的前身是1969年问世的美国ARPANET。
到了1983年,ARPANET已连接有超过三百台计算机。
1984年ARPANET被分解为两个网络,一个用于民用,仍然称ARPANET。
另外一个军用,称为MILNET。
美国国家科学基金组织NSF从1985年到1990年期间建设由主干网、地区网和校园网组成的三级网络,称为NSFNET,并与ARPANET相连。
到了1990年,NSFNET和ARPANET和在一起改名为Internet。
随后,Internet上计算机接入的数目与日俱增,为进一步扩大Internet,美国政府将Internet的主干网交由非私营公司经营,并开始对Internet上的传输收费,Internet得到了迅猛发展。
我国最早的Internet是于1994年4月完成的NCFC与Internet的接入。
由中国科学院主持,联合北京大学和清华大学共同完成的NCFC(中国国家计算与网络设施)是一个在北京中关村地区建设的超级计算中心。
NCFC通过光缆将中科院中关村地区的三十多个研究所及清华、北大两所高校连接起来,形成NCFC的计算机网络。
到1994年5月,NCFC已连接了150多个以太网,3000多台计算机。
我国的商业Internet——中国因特网ChinaNet由中国电信和中国网通始建于1995年。
ChinaNet通过美国MCI公司、GlobalOne公司、新加坡Telecom公司、日本KDD公司与国际Internet连接。
目前,ChinaNet骨干网已经遍布全国31个省、市、自治区,干线速度达到数十Gbps,成为国际Internet的重要组成部分。
Internet已经成为世界上规模最大和增长速度最快的计算机网络,没有人能够准确说出Internet具体有多大。
到现在,我们的Internet的概念,已经不仅仅指所提供的计算机通讯链路,而且还指参与其中的服务器所提供的信息和服务资源。
计算机通讯链路、信息和服务资源整体,这些概念一起组成了现代Internet的体系结构。
1.2计算机网络的组成
计算机网络是由负责传输数据的网络传输介质和网络设备、使用网络的计算机终端设备和服务器、以及网络操作系统所组成。
1.2.1网络传输介质
有四种主要的网络传输介质:
双绞线电缆、光纤、微波、同轴电缆。
在局域网中的主要传输介质是双绞线,这是一种不同于电话线的8芯电缆,具有传输1000Mbps的能力。
光纤在局域网中多承担干线部分的数据传输。
使用微波的无线局域网由于其灵活性而逐渐普及。
早期的局域网中使用网络同轴电缆,从1995年开始,网络同轴电缆被逐渐淘汰,已经不在局域网中使用了。
由于CableModem的使用,电视同轴电缆还在充当Internet连接的其中一种传输介质。
图4.4计算机网络的组成
1.2.2网络交换设备
网络交换设备是把计算机连接在一起的基本网络设备。
计算机之间的数据报通过交换机转发。
因此,计算机要连接到局域网络中,必须首先连接到交换机上。
不同种类的网络使用不同的交换机。
常见的有:
以太网交换机、ATM交换机、帧中继网的帧中继交换机、令牌网交换机、FDDI交换机等。
可以使用称为Hub的网络集线器替代交换机。
Hub的价格低廉,但会消耗大量的网络带宽资源。
由于局域网交换机的价格已经下降到低于PC计算机的价格,所以正式的网络已经不再使用Hub。
1.2.3网络互联设备
网络互联设备主要是指路由器。
路由器是连接网络的必须设备,在网络之间转发数据报。
路由器不仅提供同类网络之间的互相连接,还提供不同网络之间的通讯。
比如:
局域网与广域网的连接、以太网与帧中继网络的连接等等。
在广域网与局域网的连接中,调制解调器也是一个重要的设备。
调制解调器用于将数字信号调制成频率带宽更窄的信号,以便适于广域网的频率带宽。
最常见的是使用电话网络或有线电视网络接入互联网。
中继器是一个延长网络电缆和光缆的设备,对衰减了的信号起再生作用。
网桥是一个被淘汰了的网络产品,原来用来改善网络带宽拥挤。
交换机设备同时完成了网桥需要完成的功能,交换机的普及使用是终结网桥使命的直接原因。
1.2.4网络终端与服务器
网络终端也称网络工作站,是使用网络的计算机、网络打印机等。
在客户/服务器网络中,客户机指网络终端。
网络服务器是被网络终端访问的计算机系统,通常是一台高性能的计算机,例如大型机、小型机、UNIX工作站和服务器PC机,安装上服务器软件后构成网络服务器,被分别称为大型机服务器、小型机服务器、UNIX工作站服务器和PC机服务器
网络服务器是计算机网络的核心设备,网络中可共享的资源,如数据库、大容量磁盘、外部设备和多媒体节目等,通过服务器提供给网络终端。
服务器按照可提供的服务可分为文件服务器、数据库服务器、打印服务器、Web服务器、电子邮件服务器、代理服务器等。
1.2.5网络操作系统
网络操作系统是安装在网络终端和服务器上的软件。
网络操作系统完成数据发送和接收所需要的数据分组、报文封装、建立连接、流量控制、出错重发等工作。
现代的网络操作系统都是随计算机操作系统一同开发的,网络操作系统是现代计算机操作系统的一个重要组成部分。
1.3计算机网络的分类
可以从不同的角度对计算机网络进行分类。
学习并理解计算机网络的分类,有助于我们更好地理解计算机网络。
1.根据计算机网络覆盖的地理范围分类
按照计算机网络所覆盖的地理范围的大小进行分类,计算机网络可分为:
局域网、城域网和广域网。
了解一个计算机网络所覆盖的地理范围的大小,可以使人们能一目了然地了解该网络的规模和主要技术。
局域网(LAN)的覆盖范围一般在方圆几十米到几公里。
典型地是一个办公室、一个办公楼、一个园区的范围内的网络。
当网络的覆盖范围达到一个城市的大小时,被称为城域网。
网络覆盖到多个城市甚至全球的时候,就属于广域网的范畴了。
我国著名的公共广域网是ChinaNet、ChinaPAC、ChinaFrame、ChinaDDN等。
大型企业、院校、政府机关通过租用公共广域网的线路,可以构成自己的广域网。
2.根据链路传输控制技术分类
链路传输控制技术是指如何分配网络传输线路、网络交换设备资源,以便避免网络通讯链路资源冲突,同时为所有网络终端和服务器进行数据传输。
典型的网络链路传输控制技术有:
总线争用技术、令牌技术、FDDI技术、ATM技术、帧中继技术和ISDN技术。
对应上述技术的网络分别是以太网、令牌网、FDDI网、ATM网、帧中继网和ISDN网。
总线争用技术是以太网的标志。
总线争用顾名思义,即需要使用网络通讯的计算机需要抢占通讯线路。
如果争用线路失败,就需要等待下一次的争用,直到占得通讯链路。
这种技术的实现简单,介质使用效率非常高。
进入本世纪以来,使用总线争用技术的以太网成为了计算机网络中占主导地位的网络。
令牌环网和FDDI网一度是以太网的挑战者。
它们分配网络传输线路和网络交换设备资源的方法是在网络中下发一个令牌报文包,轮流交给网络中的计算机。
需要通讯的计算机只有得到令牌的时候才能发送数据。
令牌环网和FDDI网的思路是需要通讯的计算机轮流使用网络资源,避免冲突。
但是,令牌技术相对以太网技术过于复杂,在千兆以太网出现后,令牌环网和FDDI网不再具有竞争力,淡出了网络技术。
ATM是英文AsynchronousTransterMode的缩写,称为异步传输模式。
ATM采用光纤作为传输介质,传输以53个字节为单位的超小数据单元(称为信元)。
ATM网络的最大吸引力之一是具有特别的灵活性,用户只要通过ATM交换机建立交换虚电路,就可以提供突发性、宽频带传输的支持,适应包括多媒体在内的各种数据传输,传输速度高达622Mbps。
我国的ChinaFrame是一个使用帧中继技术的公共广域网,是由帧中继交换机组成的,使用虚电路模式的网络。
所谓虚电路,是指在通讯之前需要在通讯所途径的各个交换机中根据通讯地址都建立起数据输入端口到转发端口之间的对应关系。
这样,当带有报头的数据帧到达帧中继网的交换机时,交换机就可以按照报头中的地址正确地依虚电路的方向转发数据报。
帧中继网可以提供高大数Mbps的传输速度,由于其可靠的带宽保证和相对Internet的安全性,为银行、大型企业和政府机关局域网互联的主要网络。
ISDN是综合业务数据网的缩写,建设的宗旨是在传统的电话线路上传输数字数据信号。
ISDN通过时分多路复用技术,可以在一条电话线上同时传输多路信号。
ISDN可以提供从144Kbps到30Mbps的传输带宽,但是由于其仍然属于电话技术的线路交换,租用价格较高,并没有成为计算机网络的主要通讯网络。
3.根据网络拓朴结构分类
网络拓朴结构分为物理拓朴和逻辑拓朴。
物理拓朴结构描述网络中由网络终端、网络设备组成的网络结点之间的几何关系,反映出网络设备之间以及网络终端是如何连接的。
网络按照拓朴结构划分有:
总线型结构、环型结构、星型结构、树型结构和网状结构。
图4.5计算机网络的拓朴结构
总线型拓朴结构是早期同轴电缆以太网中网络结点的连接方式,网络中各个结点挂接到一条总线上。
这种物理连接方式已经淘汰。
星型拓朴结构是现代以太网的物理连接方式。
在这种结构下,以中心网络设备为核心,与其它网络设备以星型方式连接,最外端是网络终端设备。
星型拓朴结构的优势是连接路径短,易连接、易管理,传输效率高,易管理。
这种结构的缺点是中心节点需具有很高的可靠性和冗余度。
树型拓朴结构的网络层次清晰,易扩展,是目前多数校园网和企业网使用的结构。
这种方法的缺点是根结点的可靠性要求很高。
环型拓朴结构的网络中,通讯线路沿各个节点连接成一个闭环。
数据传输经过中间节点的转发,最终可以到达目的节点。
这种通讯方法的最大缺点是通讯效率低。
网状拓朴结构构造的网络可靠性最高。
在这种结构下,每个结点都有多条链路与网络相连,高密度的冗余链路,使一条,甚至几条链路出现故障,网络仍然能够正常工作。
网状拓朴结构的网络的缺点是成本高,结构复杂,管理维护相对困难。
第二章网络传输介质
网络是用传输介质将孤立的主机连接到一起,使之能够互相通讯,完成数据传输功能的。
目前,最为普及的计算机网络传输介质是双绞线电缆、光纤和微波。
50Ω同轴电缆在90年代初期扮演着局域网传输介质的主要角色,但是在我国,从90年代中期开始被双绞线电缆所淘汰。
最近几年,随着CableModem技术的引入,大量使用75Ω电视同轴电缆实现互联网接入,同轴电缆又回到了计算机网络传输介质的行列。
2.1电缆传输介质
2.1.1信号和电缆的频率特性
从数量上看,全球的计算机网络的传输介质中,电缆占有95%比例。
有三种类型的电信号:
模拟信号、正弦波信号和数字信号。
模拟信号是一种连续变化的信号。
正弦波信号实际上还是模拟信号。
但是由于正弦波信号是一个特殊的模拟信号,所以我们在这里把它单独作为一个信号类型。
模拟信号的取值是连续的。
数字信号是一种0、1变化的信号。
数字信号的取值是离散的。
图2.1信号的种类
数据即可以用模拟信号表示,也可以用数字信号表示。
计算机是一种使用数字信号的设备,因此计算机网络最直接、最高效的传输方法就是使用数字信号。
在一些应用场合不得不使用模拟信号传输数据时,需要先把数字信号转换成模拟信号。
待数据传送到目的地后,再转换回数字信号。
不管是模拟信号还是数字信号,都是由大量频率不同的正弦波信号合成的。
信号理论解释为:
任何一个信号都是由无数个谐波(正弦波)组成的。
数学解释为:
任何一个函数都可以用付里埃级数展开为一个常数和无穷个正弦函数。
y(t)=A0+A1Sinω1t+A2Sinω2t+A3Sinω3t+……
图2.2任意一个信号y(t),都是由不同频率ωi的谐波组成的。
图2.2中,A0是信号y(t)的直流成份。
Sinω1t、Sinω2t、Sinω3t……是y(t)的谐波。
A1、A2、A3……是各个谐波的大小(强度)。
ω1、ω2、ω3……是谐波的频率。
随着频率的增长,谐波的强度减弱。
到了一定的频率ωi,其信号强度Ai会小到忽略不计。
也就是说,一个信号y(t)的有效谐波不是无穷多的,信号y(t)可以被认为是由有限个谐波组成的,其最高频率的谐波的频率是ωmax。
一个信号有效谐波所占的频带宽度,就称为这个信号的频带宽度,简称频宽,或带宽。
模拟量的电信号的频率比较低,如声音信号的带宽为20Hz到20KHz。
数字信号的频率要高很多,因为从示波器看它的图象,其变化得要较模拟信号锐利得多(见图2.1)。
数字信号的高频成分非常丰富,有效谐波的最高频率一般都在几十MHz。
为了把信号不失真地传送到目的地,传输电缆就需要把信号中所有的谐波不失真地传送过去。
遗憾的是传输电缆只能传输一定频率的信号,太高频率的谐波将会被急剧衰减而丢失。
例如普通电话线电缆的带宽是2MHz,它能轻松地传输语音电信号。
但是对于数字信号(几十MHz),电话电缆就无法传输了。
因此如果用电话电缆传输数字信号,就必须把它调制成模拟信号才能传输。
而普通双绞线电缆的带宽高达100MHz,所以可以直接传输数字信号。
电缆对过高频率的谐波衰减得厉害的原因是电缆自身形成的电感和电容作用,而谐波的频率越高,电缆自身形成的电感和电容对其产生的阻抗就越大。
结论是,不同电缆具有不同的传输带宽。
一个信号能不能不失真地使用某种类型的电缆,取决于电缆的带宽是否大于信号的带宽。
使用数字信号传输的优势是抗干扰能力强,传输设备简单。
缺点是需要传输电缆具有较高的带宽。
使用模拟信号传输对传输介质的要求较低,但是抗干扰能力弱。
容易混淆的是,不管英语还是汉语,“带宽Bandwidth”这个术语既被拿来描述网络电缆的频率特性,又被用于描述网络的通讯速度。
更容易混淆的是都用K、M来表示其单位。
描述网络电缆的频率特性时,我们用KHz、MHz,简称K、M;描述网络的通讯速度时,我们用kbps、Mbps。
仍然简称K、M。
当我们说某类双绞线电缆的“带宽是100M”,这个“100M”是指双绞线电缆的频率响应特性呢?
还是传输数字信号的速度能力呢?
(见1.1.4)
2.1.2非屏蔽双绞线
图2.3非屏蔽双绞线
非屏蔽双绞线是最常用的网络连接传输介质。
非屏蔽双绞线有4对绝缘塑料包皮的铜线。
8根铜线每两根互相绞扭在一起,形成线对。
线缆绞扭在一起的目的是相互抵消彼此之间的电磁干扰。
扭绞的密度沿着电缆循环变化,可以有效地消除线对之间的串扰。
每米扭绞的次数需要精确地遵循规范设计,也就是说双绞线的生产加工需要非常精密。
因为非屏蔽双绞线的英文名字是Unshieldedtwisted-paircable,所以我们互相都简称非屏蔽双绞线为UTP电缆。
UTP电缆的4对线中,有两对作为数据通讯线,另外两对作为语音通讯线。
因此,在电话和计算机网络的综合布线中,一根UTP电缆可以同时提供一条计算机网络线路和两条电话通讯线路。
UTP电缆有许多优点。
UTP电缆直径细,容易弯曲,因此易于布放。
价格便宜也是UTP电缆的重要优点之一。
UTP电缆的缺点是其对电磁辐射采用简单扭绞,靠互相抵消的处理方式。
因此,在抗电磁辐射方面,UTP电缆相对同轴电缆(电视电缆和早期的50欧姆网络电缆)处于下风。
曾经一度认为UTP电缆还有一个缺点就是数据传输的速度上不去。
但是现在不是这样的。
事实上,UTP电缆现在可以传输高达1000Mbps的数据,是铜缆中传输速度最快的通讯介质。
2.1.3屏蔽双绞线
屏蔽双绞线Shieldedtwisted-paircable(STP)结合了屏蔽、电磁抵消和线对扭绞的技术。
同轴电缆和UTP电缆的优点,STP电缆都具备。
在以太网中,STP可以完全消除线对之间的电磁串扰。
最外层的屏蔽层可以屏蔽来自电缆外的电磁EMI干扰和无线电RFI干扰。
STP电缆的缺点主要有两点,一个是价格贵,另外一个就是安装复杂。
安装复杂是因为STP电缆的屏蔽层接地问题。
电缆线对的屏蔽层和外屏蔽层都要在连接器处与连接器的屏蔽金属外壳可靠连接。
交换设备、配线架也都需要良好接地。
因此,STP电缆不仅是材料本身成本高,而且安装的成本也相应增加。
不要忘记布线的安装成本。
要记住,现在施工部门对你的取费流行是用你的材料成本乘以百分之十几。
而且,当他们看到我们要布放的是屏蔽双绞线电缆时,会很合理地提出增加施工费用的。
图2.4屏蔽双绞线
有一种STP电缆的变形,叫ScTP。
ScTP电缆把STP中各个线对上的屏蔽层取消,只留下最外层的屏蔽层,以降低线材的成本和安装复杂程度。
ScTP中线对之间串绕的克服与UTP电缆一样由线对的扭绞抵消来实现。
ScTP电缆的安装相对STP电缆要简单多了,这是因为免除了线对屏蔽层的接地工作。
屏蔽双绞线抗电磁辐射的能力很强,适合于在工业环境和其它有严重电磁辐射干扰或无线电辐射干扰的场合布放。
另外,屏蔽双绞线的外屏蔽层有效地屏蔽了线缆本身对外界的辐射。
在军事、情报、使馆,以及审计署、财政部这样的政府部门,都可以使用屏蔽双绞线来有效地防止外界对线路数据的电磁侦听。
对于线路周围有敏感仪器的场合,屏蔽双绞线可以避免对它们的干扰。
然而,屏蔽双绞线的端接需要可靠地接地。
不然,反而会引入更严重的噪声。
这是因为屏蔽双绞线的屏蔽层此时就会象天线一样去感应所有周围的电磁信号。
2.1.4双绞线的频率特性
双绞线有很高的频率响应特性,可以高达600Mhz,接近电视电缆的频响特性。
双绞线电缆的分类依据其频率响应特性:
5类双绞线(Category5):
频宽为100MHz
超5类双绞线(EnhancedCategory5):
频宽仍为为100MHz,串扰、时延差等其它性能参数要求更严格。
6类双绞线(Category6):
频宽为250MHz
7类双绞线(Category7):
频宽为600MHz
快速以太网的传输速度是100Mbps(bitspersecond),其信号的频宽约70MHz;ATM网的传输速度是150Mbps,其信号的频宽约80MHz;千兆网的传输速度是1000Mbps,其信号的频宽100MHz。
因此,用5类双绞线电缆能够满足所有常用网络传输对频率响应特
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