7.1 计算机网络技术基础

        如今在人类社会的各个领域，几乎都缺少不了计算机网络。计算机网络改变了人们的工作、学习和生活方式，为人们带来了极大的便利。

7.1.1 计算机网络的概念与分类

1.计算机网络的概念

        计算机网络就是利用通信线路将地理上分散的、具有独立功能的计算机以及通信设备连接起来，在网络管理软件及网络通信协议的协调下实现资源共享和信息传递。计算机网络由通信子网和资源子网构成，其中通信子网主要实现计算机的通信功能，包括联网设备、传输介质等；资源子网由提供资源服务的独立计算机构成，可以共享硬件资源、数据资源、应用软件、服务等资源。

（1）网络协议

        20世纪70年代，各个计算机生产厂家都有自己的网络通信协议，这使得生产厂家相同的设备可以互联，而生产厂家不同的设备难以互联。随着时代的发展，不同网络体系结构的用户之间迫切需要通信，于是国际标准化组织提出了开放式系统互联参考模型（Open System Interconnection Reference Model，简称OSI/RM）。OSI将通信过程划分为应用层、表示层、会话层、传输层、网络层、数据链路层和物理层七个层，如图7-1所示。

图7-1 OSI模型示意图

        ①应用层提供了访问网络服务的接口，是用户之间相互通信的窗口。应用层协议包括FTP、HTTP、Telnet等。

        ②表示层接收来自会话层的服务，同时也为应用层提供服务。它的主要工作是完成数据的压缩与解压缩、加密与解密、编码与解码等。

        ③会话层不参与具体的数据传输，它主要负责建立并维护应用之间的通信，使得会话获得同步。

        ④传输层是很重要的一层，负责端到端的数据可靠传输。传输层协议包括TCP、UDP、SPX等。

        ⑤网络层的主要任务是选择合适的网间路由和交换结点，以确保数据可以及时传送。网络层协议包括IP、IPX、OSPF等。

        ⑥数据链路层的目的是提供可靠无错误的数据信息，具有差错检测、封装数据包为数据帧等功能。数据链路层协议包括SDLC、PPP、STP、HDLC等。

        ⑦物理层是此分层结构体系中最基础的一层，提供了数据传输所需要的实体。

（2）计算机网络的发展

        计算机网络的发展大概经历了四个阶段。

        ①第一阶段：20世纪50年代初，以单个计算机为中心的远程联机系统构成了面向终端的计算机网络。这一阶段计算机网络的优点是主机的维护与管理较为方便，数据的一致性较好；缺点是数据处理和通信处理都由主机完成，对主机依赖性大，这使得数据的传输速率受到了限制，通信线路的利用率较低。

        ②第二阶段：20世纪60年代中期，计算机网络的发展以通信子网为中心，这个阶段又称为计算机——计算机网络阶段，由若干台计算机相互连接成一个系统，实现计算机之间的通信。这一阶段出现了分组交换技术和TCP/IP协议的雏形，但没有形成统一的互联标准，使网络在应用等方面受到了限制。

        ③第三阶段：20世纪70年代末至20世纪80年代初，微型计算机得到了广泛的应用，各机关和企事业单位为了便于资源共享和相互传递信息，迫切要求将自己拥有的微型计算机、工作站、小型计算机等连接起来。然而，这一时期的计算机组网是有条件的，只能同一厂家生产的计算机组成网络，其他厂家生产的计算机无法接人该网络。之后逐渐形成了以TCP/IP为核心的因特网，只要计算机拥有合法的IP地址并遵循TCP/IP协议，就可以接入因特网。

        ④第四阶段：20世纪90年代以后，计算机网络进入到第四个发展阶段，这一时期出现了高速以太网、VPN、无线网络、P2P网络等技术，在计算机通信与网络技术方面一般以高服务质量、高可靠性、高速率等为评价指标。人们生活、学习、工作等各个方面都渗入了计算机网络，计算机网络由此进入了一个多层次的发展阶段。

2.计算机网络的分类

        计算机网络的分类方式有很多种，依据不同的标准可以分出不同的类别：

（1）按照网络覆盖的地域范围分类

        按照覆盖地域范围的大小，计算机网络可以分为局域网、城域网和广域网三类。其中局域网的覆盖距离局限于几公里之内，适合在小区域范围内使用，如园区、企业单位等；城域网的覆盖范围介于广域网与局域网之间，覆盖范围一般为几十公里，可以延伸到整个城市；广域网是一种远程网，支持远距离通信，覆盖范围可从几十公里到几千公里，覆盖范围可以是整个国家或多个国家，典型的广域网有因特网、我国的教育科研网络等。

（2）按照网络拓扑结构分类

        “拓扑”这个名词来源于几何学，计算机网络拓扑结构则是运用几何学来研究计算机网络。我们把网络中的计算机和通信设备抽象为节点，把传输介质抽象为连线，这样便可得到计算机网络的几何图形。按照网络拓扑结构可以将计算机网络分为星型、环型、总线型、网状等结构，如图7-2所示。

图7-2 网络拓扑结构常见类型

        ①星型拓扑结构：在星型拓扑结构中，中央节点执行集中式通信控制策略，其它各节点都通过一条单独线路连接到中央节点上，并且任何两个节点之间进行通信都必须经过中央节点，因此中央节点的负担比其它各节点要重许多。这样的结构控制简单，便于服务，单个连接点的故障不会影响全网，一般只有一个设备会受此影响，但若中央节点出现故障，那么全网都会受到影响，如图7-2（a）所示。

        ②环形拓扑结构：在环形拓扑结构中，各个节点的地位是相同的，它们通过线路接口形成一个首尾相连的闭合回路。信息按照一定的方向从环上的一个节点发送到另一个节点，每经过一个节点“令牌”都会进行判断该节点是不是接受信息的节点，若是则接收，否则传向下一个节点。这样的结构比较适合使用光纤进行数据的传输，但环上一个节点的故障会引起全网故障，如图7-2（b）所示。

        ③总线型拓扑结构：在总线型拓扑结构中，所有设备都通过相应的硬件接口连接到一条公共总线上，也就是说网络中的节点共享一条传输链路。这样的结构较为简单，可靠性高，易于扩充，但故障检测比较困难，如图7-2（c）所示。

        ④网状拓扑结构：在网状拓扑结构中，各节点通过线路互相连接起来，且连接的方式没有任何规律。这种结构可靠性高，可选择最佳传输路径以减少传输延迟，但结构复杂，线路费用较高，不易管理和维护，如图7-2（d）所示。

7.1.2 常见的联网设备和传输介质

        计算机网络是计算机领域的一个重要部分，它的构建需要用到多种联网设备和传输介质。常见的联网设备包括网络接口卡、交换机、路由器等，常见的传输介质有双绞线、光纤、无线介质等。

1.常见的联网设备

（1）网络接口卡

        网络接口卡又称网卡，如图7-3所示，它通过连接电缆或无线使得计算机在网络中可以进行通讯，因此需要连接网络的计算机都必须安装一块网卡。每个网卡都拥有一个独一无二的MAC地址，并且它上面装有处理器和存储器。按照不同的标准，网卡可以分为不同的类型，按照网卡支持的计算机种类进行分类，可以将网卡大致分为标准以太网卡和PCMCIA网卡，前者用于台式计算机，后者用于笔记本电脑；按网卡所支持的总线类型进行分类，网卡主要可以分为ISA、EISA、PCI等三类，ISA总线接口网卡正在逐渐退出市场，EISA总线接口网卡数据传输的速度比较快，但价格相对其他网卡较高。

图7-3 网卡

（2）交换机

        交换机是一种用于电信号转发的网络设备，如图7-4所示。按照不同的标准，交换机可以分为不同的类型。根据工作位置的不同，交换机可以分为广域网交换机和局域网交换机两种，前者主要提供通信的基础平台，后者主要用于连接个人计算机、网络打印机等终端设备；根据规模应用的不同，可以将交换机分为企业级交换机、部门级交换机和工作组交换机等三类，一般来讲，企业级交换机都是机架式，用于搭建企业网络主干，部门级交换机可以是机架式或固定配置式，而工作组级交换机为固定配置式。

图7-4 交换机

（3）路由器

        一个局域网内的计算机可以通过交换机进行通信，但当不同网络内的计算机需要通信时就要用到路由器。路由器又称为网关设备，如图7-5所示，可以将因特网中多个逻辑上分开的网络连接在一起，例如实现局域网与广域网互连。通信时，路由器会根据信道的情况进行相关的设定，以选择最佳路径传输信息。

图7-5 路由器

2.常见的传输介质

        不同的传输介质有不同的特性，对网络中信号传输的速度、质量等有不同的影响。传输介质可以分为有线传输介质和无线传输介质两大类。

（1）有线传输介质

        有线传输介质是实现两设备通信的物理连接部分，常见的有线传输介质有双绞线、光纤等。

        ①双绞线是一种常用的传输介质，由两根被包裹绝缘保护层的铜导线组成，如图7-6所示。两根铜导线按照一定的角度缠绕在一起，传输信号时两根铜导线上发出的电波会相互抵消，从而可以降低信号干扰的程度。日常生活中我们通常将多根双绞线放在一个绝缘套管中使用。双绞线的价格较为低廉，但传输距离、速度等方面均受到一定的限制。

图7-6 双绞线

        ②光纤是一种由玻璃或塑料制成的纤维，如图7-7所示。光纤传输信号时利用了光的全反射原理，具有损耗低、重量轻、可靠性高、抗干扰能力强等优点。光纤发明之初只用于装饰照明灯，随着时代的发展，目前光纤在医学、传感器、通信等领域都得到了应用。按照光纤传输的模式数量，光纤可以分为多模光纤和单模光纤两类。多模光纤可以在一根光纤上传输多种模式的光，而单模光纤只容许一根光纤传输一种模式的光，但相比于多模光纤，单模光纤具有更大的带宽。

图7-7 光纤

（2）无线传输介质

        无线传输突破了有线传输的限制，它利用电磁波发送和传输信号，实现了移动通信。常见的无线传输介质包括无线电波、微波和红外线等。

        ①无线电波是指在自由空间传播的射频频段的电磁波，分布在3Hz到3000GHz的频率范围之间。无线电技术最早应用于航海，现在也应用于通话、视频、数据传输等多个方面。无线电波主要有天波、地波、空间直线波等3种传播方式，天波是依靠大气层中的电离层反射传播的电波，地波是沿地球表面传输的电波，空间直线波是从发射地点向接收地点直线传播的电波。

        ②微波是指频率为300MHz-300GHz的电磁波，比一般的无线电波频率要高。微波具有穿透、吸收和反射三个基本特性，对于塑料、玻璃等材质的物体，微波可以穿透，几乎不被吸收；对于食物，微波就会被吸收，食物也因此发热；对于金属类物体，微波则会被反射。

        ③红外线是一种不可见光线，由德国科学家霍胥尔发现，在通讯、探测、医疗、军事等方面有广泛用途。按照波长不同，可将红外线分为近红外线、中红外线和远红外线。利用红外线传输信号具有抗干扰能力强、保密性强等优点。

7.1.3 局域网及其应用

1.局域网的定义

        局域网（Local Area Network，简称LAN）是在一定地理范围内将计算机、数据库等设备连接在一起组成的计算机通信网。局域网主要由服务器、传输介质等网络硬件和操作系统、应用软件等网络软件两部分组成，可以实现打印机共享、应用软件共享、文件管理、传真通信服务等功能。相比于广域网，局域网覆盖的地理范围较小，传输距离有一定的限制，但局域网的传输速率高，通信延迟时间短。

        由于局域网是利用物理线路组成的有线网络，所以在进行组建、拆装或重新布局等工作时就比较困难且成本也相对较高。在这种情况下无线局域网（Wireless Local Area Networks，简称WLAN）应运而生，它采用电磁波进行通信，避免了繁琐的布线。目前，无线局域网在餐饮、医疗、通讯等多个方面都得到了应用。无线局域网具有良好的灵活性，便于安装、扩展、规划调整；但同时无线局域网也存在着覆盖范围、安全性等方面的问题。无线局域网中采用的无线网络技术主要包括蓝牙和Wi-Fi两种。

2.局域网的主要应用

（1）资源共享

        资源共享是局域网的一个主要应用，常见的资源共享包括文件共享、磁盘空间共享和打印机共享等。文件共享是指用户主动地在网络上共享自己的文件资源，这种共享一般采用P2P模式；磁盘空间共享是指将自己闲置的存储空间共享给网络中的其他用户；打印机共享是指将本地打印机通过网络共享给其他用户，使网络中的其他用户也可以使用打印机。

（2）远程桌面连接

        微软公司从Windows 2000 Server起，开始提供远程桌面连接工具，最初远程桌面连接组件并不是默认安装的，需要用户进行相关的选择，该组件推出后受到了用户的喜爱。当计算机开启远程桌面连接后，就可以实现在网络的另一端控制这台计算机，实时地控制远端计算机进行相关操作，例如配置计算机、运行程序等。目前Windows系列的操作系统中都内置了远程桌面连接组件，用户无需安装其它程序就可以使用远程桌面连接。远程桌面连接包括服务器端的远程设置和远程登录连接两部分。

        ①服务器端的远程设置，右击“此电脑”，在弹出的快捷菜单中选择【属性】，会弹出如图7-8所示的对话框，点击【远程设置】，此时会出现“系统属性”对话框，如图7-9所示，在其中的【远程】选项卡中，勾选【允许远程协助连接这台计算机】，然后点击【高级】，会出现“远程协助设置”对话框，如图7-10所示，勾选其中的【允许此计算机被远程控制】，最后确定即可。

图7-8 计算机属性

图7-9 “系统属性”对话框

图7-10 “远程协助设置”对话框

        ②远程登录连接，点击【开始】→【附件】→【远程桌面连接】，会出现“远程桌面连接”对话框，在其中输入计算机名及用户名，最后点击【连接】即可，如图7-11所示。

7-11 远程桌面连接设置