第4章 计算机网络应用.docx
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第4章计算机网络应用
第4章计算机网络应用
21世纪的世界经济正在从工业经济向知识经济转变,知识经济的重要特点就是信息化和全球化。
要实现信息化和全球化,就必须依靠完善的网络,网络对社会生活的很多方面以及对社会经济的发展已经产生了不可逆转的影响。
现在人们的生活、工作、学习和交往都已离不开计算机网络。
设想某一天计算机网络出现故障,我们将无法购买飞机票、火车票,无法到银行存钱或取钱,股市交易将停顿,在图书馆也无法检索图书和资料。
因特网已成为全球性的信息基础结构的雏形,全世界所有的发达国家和很多发展中国家都纷纷研究制定本国建设信息基础结构的计划。
这就使得计算机网络的发展进入了一个新的历史阶段,变成了几乎人人都知道而且十分关心的热门学科。
4.1计算机网络基础
计算机网络是把分布在不同地点的、具有独立运行能力的计算机,利用通信线路物理地连接起来,在网络软件系统控制下相互通信,以共享数据资源、信息交换和分布式协同工作为目标的系统。
4.1.1计算机网络的发展及分类
1.计算机网络的发展
计算机网络的发展可以划分为计算机网络迅速兴起、网络体系结构与网络协议标准化、高速网络技术和Internet应用三个阶段。
(1)计算机网络迅速兴起
1969年在美国诞生的的ARPANET是计算机网络技术发展中的一个里程碑,开创了“计算机—计算机”通信时代。
20世纪七八十年代出现了大量的计算机网络,同时,两级网络结构的概念使公用数据网得到发展,解决了专用通信子网造价昂贵、线路利用率低、重复组建投资大等问题,为计算机网络的发展提供了良好的外部通信条件,也成为远程计算机网络或称广域网的重要组成部分。
在广域网发展的同时,局部地区计算机连网的需求日益强烈。
70年代初期,一些大学和研究所为实现实验室或校园内多台计算机共同完成科学计算与资源共享的目的,开始了局域计算机网络的研究并取得了成功。
如1972年美国加州大学研制了Newhall环网;1976年美国Xerox公司研究了总线拓扑的实验性Ethernet网;1974年英国剑桥大学研制了CambridgeRing环网,这些研究成果对局域网技术的发展起了十分重要的作用。
广域网扩大了信息社会中资源共享的范围,局域网则增强了信息社会中资源共享的深度,两者的发展以及结合对信息社会的影响极其深远。
(2)网络体系结构与网络协议标准化
随着大量的、各自研制的计算机网络的广泛应用,各计算机公司纷纷提出各自的网络体系结构,并推出实现这些网络体系结构的软硬件产品。
用户购买计算机公司提供的网络产品,使用自己的或租用的通信线路,就可以组建自己的计算机网络。
例如,按IBM公司的SNA体系组建的网络称SNA网,按DEC公司的DNA组建的网络称DNA网。
这就带来了新的问题:
不同公司提供的网络产品互连十分困难。
这个问题限制了计算机网络的发展和应用,于是在20世纪70年代中后期,开始了计算机网络体系结构与网络协议标准化的研究。
国际标准化组织ISO(InternationalStandardsOrganization)于1984年提出了“开放系统互连参考模型”,不仅确保了各公司产品间的互连,同时也促进了企业间的竞争,使计算机网络的发展进入一个良性阶段。
(3)高速网络技术与Internet应用
20世纪90年代后,计算机网络用户在网络数据传输速度、数据多样化、网络互连等方面又提出了新的更高的要求,为此出现了以异步传输模式ATM(AsynchronousTransferMode)为代表的高速网络技术和世界性的信息网络Internet,使网络的应用进一步深入到了我们工作和生活的各领域,成为社会不可或缺的组成部分。
Internet是用路由器实现多个广域网和局域网互连的大型网际网,是覆盖全球的信息基础设施之一,对于用户它好像是一个庞大的广域网,可以实现全球范围的电子邮件、WWW信息查询与浏览、电子新闻、文件传输、语音与图像通信服务等功能。
高速网络技术的发展主要表现在宽带综合业务数据网B-ISDN、异步传输模式ATM、高速局域网、交换局域网、虚拟网络等方面,这些技术的发展使计算机网络能够在不同的方面和层次上满足各种用户的需求。
(4)计算机网络新技术
计算机网络的新技术很多,其中无线局域网是以无线方式相连的计算机之间的资源共享,采用红外线或者无线电波作为传输媒体,它除具有传统网络所支持的各种服务功能外,还可以在一定的区域实现移动并随时与网络保持联系。
个人局域网是近年来随着各种短距离无线电技术的发展提出的一个新概念。
它的基本思想是用无线电或红外线通信实现个人信息终端的智能化互联,从而组建个人化的信息网络。
蓝牙(BlueTooth)技术是个人局域网的主要实现技术,它是一种大容量近距离无线数字通信的技术标准,其目标是实现最高数据传输速度1Mb/s、最大传输距离为10cm-10m,通过增加发射功率可达到100m。
2.计算机网络的分类
对计算机网络的分类可以从不同的角度进行,如按网络拓扑结构、数据交换方式、网络控制方式、网络传输技术、网络环境、网络所有权等进行分类。
按计算机网络覆盖范围与规模可分为:
局域网、城域网和广域网。
由于网络覆盖的地理范围不同,它们所采用的传输技术也不同,因而形成了不同的网络技术特点与网络服务功能。
(1)局域网LAN(LocalAreaNetwork)
局域网用于将有限范围内(如一个实验室、一幢大楼、一座工厂、一所学校等)的各种计算机、终端与外部设备互连成网,通常是由一个部门或公司组建的,地理范围在10公里以内,具有较高的数据传输率和较低的误码率,仅供单位内部使用的网络。
局域网的特点是结构灵活、组建方便、发展迅速,是计算机网络中最活跃的领域之一。
(2)城域网MAN(MetropolitanAreaNetwork)
城域网是城市地区网络的简称,它在较大的范围内将多个局域网互连起来,可视为能覆盖一座城市的局域网,方圆几十到一百公里,满足一座城市范围内的企业、机关、公司的多个局域网互连的需求。
MAN一般采用光纤作为传输介质,提供固定带宽的服务。
为保证数据传输的安全,城域网一般都有自恢复机制,因而使网络有更高的可用性和可靠性。
(3)广域网WAN(WideAreaNetwork)
广域网也称远程网,一般指连接一个国家的各个地区的网络,分布距离通常在100公里以上,网内用于通信的传输装置和介质是由电信部门提供的,其通信子网主要使用分组交换技术,可以利用公用分组交换网、卫星通信网和无线分组交换网,将分布在不同地区或国家的计算机系统互连,达到资源共享的目的。
此外,还有网际网(例如Internet),它们是通过将分布在世界范围的多个国家的计算机网络互连起来形成的,是一种更大规模的计算机网络。
4.1.2传输介质及主要特性
传输介质是计算机网络中连接收发双方的物理链路,是组成计算机网络必不可少的部件之一,其特性对网络数据通信质量影响很大。
通常传输介质可以分为有线和无线两大类,其中双绞线、同轴电缆、光纤电缆是三种常用的有线传输介质,卫星通信、无线通信、红外通信、激光通信、微波通信等则属无线传输介质。
传输介质的特性主要有物理特性、传输特性、连通性、地理范围、抗干扰性和价格等。
其中,物理特性是对传输介质物理结构的描述;传输特性是指传输介质允许的信号类型,调制技术、传输容量、传输的频率范围等;连通特性指传输介质允许点到点连接或多点连接;地理范围指传输介质的最大传输距离;抗干扰性指传输介质防止噪声、电磁干扰等对传输数据影响的能力;价格指器件、安装与维护的费用等。
下面分别介绍几种常用的传输介质。
1.双绞线电缆
双绞线电缆(简称双绞线)是综合布线系统中最常用的一种的传输介质,尤其在星型网络拓扑中,双绞线是必不可少的布线材料。
双绞线电缆中封装着一对或一对以上的双绞线,为了降低信号的干扰程度,每一对双绞线一般由两根绝缘导线相互缠绕而成。
双绞线可分为非屏蔽双绞线UTP(UnshieldedTwisted-Pair)和屏蔽双绞线STP(ShieldedTwisted-Pair)两大类,其中STP又分为3类和5类两种,UTP又分为3类、4类、5类、超5类四种,同时,6类和7类双绞线也会在不远的将来运用于计算机网络的布线系统。
双绞线既适用点-点连接,又可用于多点连接,一般用于星型网络布线。
2.同轴电缆
同轴电缆由一根空心的圆柱网状导体和一根位于中心轴线的铜导线组成,铜导线、圆柱网状导体和外界之间用绝缘材料隔开。
与双绞线相比,同轴电缆的抗干扰能力强、屏蔽性能好,所以常用于设备与设备之间的连接,或用于总线型网络拓扑中。
3.光纤电缆
光纤电缆即光导纤维电缆,简称光缆,是一种细小、柔韧并能传输光信号的介质,由多条光纤组成。
与铜缆(双绞线和同轴电缆)相比,光缆适应了目前网络对长距离传输、大容量信息的要求,在计算机网络中发挥着十分重要的作用,成为传输介质中的佼佼者。
与铜质电缆相比,光纤的优点是:
①传输信号的频带宽,通信容量大;②信号衰减小,传输距离长;③抗干扰能力强,应用范围广。
因为光纤是非金属材料,所以不受电磁波的干扰和噪声的影响,所以在长距离内能保持较高的数据传输速率,且安全可靠;④抗化学腐蚀能力强,适用于一些特殊环境的布线;⑤原材料资源丰富。
光纤的缺点是:
质地脆、机械强度低;切断和连接中技术要求高;分路、耦合较困难,限制了光纤的普及应用。
光纤的数据传输率可达几千Mbps,无中继传输距离可达几十甚至几百公里,主要用于集线器到服务器的连接以及集线器到集线器的连接。
4.无线传输介质
在计算机局域网络中,无线接入技术是继光纤后迅速崛起的一项新技术。
传统的网络连接是有线介质将分布在不同地理位置的计算机互连,但随着便携式计算机等可移动通信工具的发展,有线介质在一定程度上限制了它们的使用,而无线接入技术克服了传统网络存在的不足,拓宽了网络的应用范围,是继光纤后另一类优秀的传输介质。
存在的问题是传输速率慢,连接设备昂贵等。
目前无线局域网中使用的传输介质主要有无线电波和红外线两种。
红外线使用小于1微米的波长,基本速率一般在1Mbps左右,仅适用于近距离的数据传输,而且具有很强的方向性;相比之下,无线电波的覆盖范围要广,可实现数据远距离、高带宽(一般在10MHz以下)的传输。
4.1.3网络协议与网络体系结构
1.网络协议
计算机网络功能的核心是信息交换。
为了保证在网络中各种计算机和各类终端之间信息交换的正确进行,必须对信息交换的方法、格式及过程事先做出某种约定,然后共同遵守,共同执行。
例如,网络中两个运行不同操作系统的主机由于文件格式不同,相互传送文件就必须事先约定对文件格式转换的方法,才能使通信双方能够识别和认可;又如,通信双方为了进行通信,常常需要约定如何开始通信、如何识别通信内容、如何结束通信等。
网络协议(Protocol)就是为网络数据交换而制定的规则、约定与标准。
网络协议由三个基本要素组成:
(1)语法,即用户数据与控制信息的结构与格式;
(2)语义,即需要发出何种控制信息,以及完成的动作与做出的响应;
(3)时序,即对事件实现顺序的详细说明。
协议是一个高度抽象的网络术语,为了能实现数据通信,应存在各个方面、各种类型的协议。
如:
可以为文件的传输规定一个文件传输协议,规定文件应如何存取、如何发送及接收、出错应如何处理等;还可以为网络的灵活性(即可以接纳新用户及设备)、同步机构、死锁的排除、错误的检测与纠正、缓冲溢出的排除与处理、信息传输顺序的保证、安全保密机构、数据代码格式的变换、计算机设备的兼容性等制定相应的协议。
2.网络体系结构
由于计算机网络中数据通信的复杂性,网络协议的设计是一件非常复杂的工作。
为此,可以引入工程设计中常用的结构化设计方法,将总体要实现的很多功能划分成不同的层次分别实现。
每一层实现一种相对独立的功能,只需要知道下层通过层间接口(相邻层之间交换信息的连接点)提供的服务是什么,以及本层需要向上层提供什么服务,就能独立设计,而不必知道上层和下层是如何实现的。
这样,每一层的功能简单且相对独立,易于实现和维护。
网络层次结构模型与各层协议的集合称为网络体系结构,是对构成计算机网络的各个组成部分以及计算机网络本身所必须实现的功能的一组定义、规定和说明。
世界上第一个网络体系结构是美国IBM公司于1974年提出的“系统网络体系结构SNA”。
此后,许多公司陆续提出了各自的网络体系结构。
它们的共同之处是都采用了分层技术,但层次的划分、功能的分配以及采用的技术术语均不相同,这样对于不同的计算机系统连网、不同的计算机网络之间的互连等造成了一定的困难,经过各种标准化组织的努力,提出了开放系统互连OSI、TCP/IP、IEEE802等参考模型以及有关的一些标准,对于计算机网络的发展起了很重要的推动作用。
3.OSI参考模型
(1)OSI参考模型的基本概念
1974年,国际标准化组织(ISO,InternationalStandardsOrganization)发布了著名的ISO/IEC7498标准,它定义了网络互连的7层框架,也就是开放系统互连(OSI,OpenSystemInterconnection)参考模型。
OSI中的“开放”是指只要遵循OSI标准,一个系统就可以与位于世界上任何地方、同样遵循同一标准的其他任何系统进行通信。
OSI标准采用的方法是将整个庞大而复杂的问题划分为若干个容易处理的小问题,这就是分层体系结构方法。
(2)OSI参考模型的结构与功能
OSI是分层体系结构的一个实例,每一层是一个模块,用于执行某种主要功能,并具有自己的一套通信指令格式。
整个通信功能划分为7个层次,由低到高分别是:
物理层(PhysicalLayer)
利用传输介质为数据链路层提供物理连接,实现比特流的透明传输。
数据链路层(DataLinkLayer)
在物理层提供的服务基础上,数据链路层在通信的实体间建立数据链路连接,传输以“帧”为单位的数据包,并采用差错与控制与流量控制方法,使用差错的物理线路变成无差错的数据链路。
网络层(NetworkLayer)
为数据的结点之间传输创建逻辑链路,通过路由选择算法为分组通过通信子网选择最适当的路径,以及实现拥塞控制、网络互连等功能。
传输层(TransportLayer)
向用户提供可靠的端到端(End-End)服务,透明地传送报文。
传输层向高层屏蔽了下层数据通信的细节,因此,它是计算机通信体系结构中关键的一层。
会话层(SessionLayer)
负责维护结点之间的会话进程之间的通信,管理数据交换等功能。
表示层(PresentationLayer)
处理在两个通信系统中交换信息的表示方式,主要包括数据格式变、数据加密与解密、数据压缩与恢复等功能。
应用层(ApplicationLayer)
为应用软件提供很多服务,例如文件服务器、数据库服务、电子邮件与其他网络软件服务。
4.TCP/IP参考模型
OSI参考模型研究的初衷是希望为网络体系结构与协议的发展提供一种国际标准,但在网络技术的实际发展过程中TCP/IP协议的广泛应用却对网络技术的发展起了非常重要的影响。
TCP/IP是一组通信协议和应用协议的集合,TCP、IP是其中两个最重要的协议,TCP意思为传输控制协议,IP意思为互连网络协议。
基于TCP/IP可以实现多台相同或不同计算机之间的互连,是目前最流行的商业化的协议,被公认为当前的工业标准或“事实上的标准”。
TCP/IP协议也采用了分层技术,分为应用层、传输层、互连层和主机-网络层等4个层次,层次划分、功能分配以及采用的术语等均与OSI模型有所不同。
应用层与OSI应用层相对应,提供了包括文件传输协议FTP、网络终端协议TELNET、域名服务DNS等在内的所有应用服务,并且允许新的协议不断加入。
传输层与OSI传输层相对应,负责应用进程之间的端到端通信,实现传输控制服务。
互连层与OSI网络层相对应,负责将源主机的报文分组发送到目的主机,包括处理来自传输层的分组发送请求、处理接收的数据包、处理互连的路径、流量与拥塞问题等,源主机与目的主机可以在一个网上,也可以在不同的网上,实现连接控制。
主机-网络层与OSI数据链路层及物理层相对应,负责通过网络发送和接收IP数据报,包括各种已有的物理网协议。
TCP/IP参考模型允许主机连入网络时使用多种现成的和流行的协议,如局域网协议或其他协议,从一个网络到另一个网络,这一层协议可以是不相同的,一旦这种物理网被用做传送IP数据包的通道,就可以认为是这一层的内容。
正是这种设计体现出了TCP/IP协议的兼容性和适应性,为TCP/IP的成功奠定了基础。
4.2Internet的应用
4.2.1Internet的发展
Internet的前身是美国国防部高级研究计划局(ARPA)的于1968年开始立项研制的用于支持军事研究的计算机网络。
1969年建成有4台计算机的实验网,到1971年2月发展成具有15个节点、23台主机的网络——ARPAnet。
ARPA建立ARPAnet的目的,是希望构成一种“网际网”(InternetWork),简称Internet。
70年代中期,国际信息处理联合会LFTP进一步补充和完善了美国国防部远景规划局为Internet设计的TCP/IP协议,从而导致了Internet环境的形成。
1986年,为了能使美国全国的科学家和工程师共享超级计算中心的设施,增强研究人员之间的合作,加速学术研究成果的传播,提供网络研究环境以确保美国在网络技术上的优势,美国国家科学基金会NSF(NationalScienceFoundation)建立了自己的基于TCP/IP协议集的计算机网络NSFnet。
不久,大学和科研单位的中级计算中心也开始加入到NSFnet中来。
1990年6月,NSFnet取代了ARPAnet而成为Internet。
Internet不同于广域网,它不属于任何一个国家、部门、单位、团体,并没有一个专门的机构对它进行维护;它的工作是靠大家都遵守共同的规则——TCP/IP协议进行的;任何计算机或者网络,按照TCP/IP协议都可以接入Internet成为Internet的一员。
所以也有人说它是一个虚拟网,即它是由成千上万个网络或计算机松散地连接而成的计算机网络。
4.2.2接入Internet的方式
如果用户想使用Internet所提供的服务,首先必须将自己的计算机接入Internet,然后才能访问Internet中提供的各类服务与信息资源。
1.ISP的作用
Internet服务提供者(ISP,InternetServiceProvider)是用户接入Internet的入口点。
一方面,它为用户提供Internet接入服务;另一方面,它也为用户提供各类信息服务。
不管我们使用哪种方式接入Internet,首先都要连接到ISP的主机。
从用户角度看,ISP位于Internet的边缘,用户通过某种通信线路连接到ISP,再通过ISP的连接通道接入Internet。
2.通过局域网接入Internet
通过局域网接入Internet,是指用户局域网使用路由器,通过数据通信网与ISP相连接,再通过ISP的连接通道接入Internet。
数据通信网有很多种类型,例如:
DDN,ISDN,X.25与帧中继等,它们由电信部门运营与管理。
目前,国内数据通信网的经营者主要有中国电信与中国联通。
采用局域网接入方式时,用户花费在租用线路上的费用比较昂贵,用户端通常是有一定规模的局域网,例如一个企业网或校园网。
3.通过电话网接入Internet
所谓“通过电话网接入Internet”,是指用户计算机使用调制解调器,通过电话网与ISP相连接,再通过ISP的连接通道接入Internet。
用户计算机与ISP的远程接入服务器(RAS,Remoteserver)均通过调制解调器(Modem)与电话网相连。
用户访问Internet时,通过拨号方式与ISP的RAS建立连接,通过ISP的路由器访问Internet。
计算机中的数字信号无法直接在传输模拟信号的普通的电话线上传输,因此需要使用调制解调器。
在数据的发送端,调制器将计算机中的数字信号转换成能够在电话线上传输的模拟信号;在数据的接收端,解调器将接收到的模拟信号转换成能够在计算机中识别的数字信号。
由于电话线支持的传输速率有限,目前较好线路的最高传输率可以达到56Kbps,一般线路只能达到33.6Kbps,而较差线路的传输率更低,所以这种方式适合于个人或小型企业使用。
由于技术方面的原因,拨号线路的可靠性不够高,在大量信息传输过程中连接有时会断开,所以这种方式不适合提供Internet服务。
4.ADSL接入技术
ADSL是不对称传输率的数字传输线技术,适合于作为接入技术。
ADSL技术使得两个Modem之间的电话线上产生3个信息通道:
(1)一条1.5Mb/s—9Mb/s的高速下行通道;
(2)一条16Kb/s—1Mb/s的中速双工信道;
(3)一条普通电话服务POST通道(4kHz),一旦ADSL失效,还可以使用POST。
ADSL能够在现有电话双绞线上提供高达8Mb/s的高速下行速率和1Mb/s的上行速率,有效传输距离可达5公里,非常适合双向带宽要求不一致的应用,如Web浏览、多媒体点播以及消息发布等。
5.光纤接入
以光纤作为传输媒介,并利用光波传送信号的接入网,称为光纤接入网。
接入网是局端与用户端之间的信息传输网络,在传输系统用户端和局端都需要先将电信号转换为光信号,才能在光纤上传输。
光纤接入最典型的方式是光纤到路边(FTTC)和光纤到户(FTTH)。
FTTC指从局端接出的光纤经过各种线路设备后,到达靠近用户群的路边设备上安装的光网络单元(ONU),经ONU进行光电转换后,引出电信号,经双绞线或同轴电缆分别把电话、数据等窄带信号或宽带信号等接至用户。
FTTH指从局端光线路终端连接到用户家中的ONU,全程采用光纤,中间不介入任何铜线,也没有有源设备,是全透明的。
4.2.3IP地址与域名
1.IP地址
(1)什么是IP地址
Internet地址能够惟一地确定Internet上每台计算机与每个用户的位置。
对于用户来说,Internet地址有两种表示形式:
IP地址和域名。
接入Internet的计算机与接入电讯网的电话相似,每台计算机或路由器都有一个由授权机构分配的号码,我们将它称为IP地址。
IP地址是由网络号与主机号两部分组成的,网络号标识-个逻辑网络,主机号标识网络中的一台主机。
一台Internet主机至少有一个IP地址,而且这个IP地址是全网惟一的。
如果一台Internet主机有两个或多个IP地址,则该主机属于两个或多个逻辑网络。
(2)IP地址的分类
IP地址长度为32位,为了方便用户理解与记忆,通常采用十进制x.x.x.x的格式来表示,每个x的值为0~255,例如,202.113.29.119,称为点分十进制编址。
根据不同的取值范围,IP地址可以分为五类。
其中,A类、B类与C类地址为基本的IP地址。
见表4-1。
其中首位为0和127,以及主机IP全为0或1的IP地址保留供系统测试使用。
表4-1IP地址的分类
网络类别
IP地址范围
最大网络个数
网内主机地址数
适用于
A类
1.0.0.0-126.255.255.255
126
224(=16777216)
有大量主机的大型网络
B类
128.0.0.0-191.255.255.255
214(=16384)
216(=65536)
国际性大公司与政府机构
C类
192.0.0.0-223.255.255.255
221(=2097152)
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