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计算机网络连接基础知识

1．1．1 什么是计算机网络
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。
简单地说，计算机网络就是通过电缆、电话线或无线通讯将两台以上的计算机互连起来的集合。
计算机网络的发展经历了面向终端的单级计算机网络、计算机网络对计算机网络和开放式标准化计算机网络三个阶段。
计算机网络通俗地讲就是由多台计算机（或其它计算机网络设备）通过传输介质和软件物理（或逻辑）连接在一起组成的。总的来说计算机网络的组成基本上包括：计算机、网络操作系统、传输介质（可以是有形的，也可以是无形的，如无线网络的传输介质就是看不见的电磁波）以及相应的应用软件四部分。
1．1．2 计算机网络的主要功能
计算机网络的功能要目的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，如彩色打印机、静电绘图仪等。
（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、数据库、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介质。通信信道的共享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个计算机上运行，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条件下，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、交通运输部门的定票系统、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它计算机中，由多台计算机共同完成。
计算机网络的结构组成
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,网络软件是网络系统中的技术支持。两者相互作用,共同完成网络功能。
网络硬件：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：一般指网络操作系统、网络通信协议等。
1．2．1 网络硬件的组成
计算机网络硬件系统是由计算机(主机、客户机、终端)、通信处理机(集线器、交换机、路由器)、通信线路(同轴电缆、双绞线、光纤)、信息变换设备(Modem，编码解码器)等构成。
1、主计算机
在一般的局域网中，主机通常被称为服务器，是为客户提供各种服务的计算机，因此对其有一定的技术指标要求，特别是主、辅存储容量及其处理速度要求较高。根据服务器在网络中所提供的服务不同,可将其划分为文件服务器、打印服务器、通信服务器、域名服务器、数据库服务器等。
2、网络工作站
除服务器外，网络上的其余计算机主要是通过执行应用程序来完成工作任务的，我们把这种计算机称为网络工作站或网络客户机，它是网络数据主要的发生场所和使用场所，用户主要是通过使用工作站来利用网络资源并完成自己作业的。
3、网络终端
是用户访问网络的界面，它可以通过主机联入网内，也可以通过通信控制处理机联入网内。
4、通信处理机
一方面作为资源子网的主机、终端连接的接口，将主机和终端连入网内；另一方面它又作为通信子网中分组存储转发结点，完成分组的接收、校验、存储和转发等功能。
5、通信线路
通信线路（链路）是为通信处理机与通信处理机、通信处理机与主机之间提供通信信道。
6、信息变换设备
对信号进行变换，包括：调制解调器、无线通信接收和发送器、用于光纤通信的编码解码器等。
1．2．2 网络软件的组成
在计算机网络系统中，除了各种网络硬件设备外，还必须具有网络软件。
1、网络操作系统
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，并向用户提供统一的、方便的网络接口,便于用户使用网络。目前网络操作系统有三大阵营：UNIX、NetWare和Windows。目前， 我国最广泛使用的是Windows网络操作系统。
2、网络协议软件
网络协议是网络通信的数据传输规范，网络协议软件是用于实现网络协议功能的软件。
目前, 典型的网络协议软件有TCP/IP协议、IPX/SPX协议、IEEE802标准协议系列等。其中, TCP/IP是当前异种网络互连应用最为广泛的网络协议软件。
3、网络管理软件
网络管理软件是用来对网络资源进行管理以及对网络进行维护的软件，如性能管理、配置管理、故障管理、记费管理、安全管理、网络运行状态监视与统计等。
4、网络通信软件
是用于实现网络中各种设备之间进行通信的软件，使用户能够在不必详细了解通信控制规程的情况下，控制应用程序与多个站进行通信,并对大量的通信数据进行加工和管理。
 5、网络应用软件
网络应用软件是为网络用户提供服务，最重要的特征是它研究的重点不是网络中各个独立的计算机本身的功能，而是如何实现网络特有的功能。
1．2．3 计算机网络的拓扑结构
当我们组建计算机我网络时，要考虑网络的布线方式，这也就涉及到了网络拓扑结构的内容。网络拓扑结构指网路中计算机线缆，以及其他组件的物理布局。
局域网常用的拓朴结构有：总线型结构、环型结构、星型结构、树型结构。拓扑结构影响着整个网络的设计、功能、可靠性和通信费用等许多方面，是决定局域网性能优劣的重要因素之一。
1、总线型拓扑结构
总线型拓扑结构是指：网络上的所有计算机都通过一条电缆相互连接起来
总线上的通信：在总线上，任何一台计算机在发送信息时，其他计算机必须等待。而且计算机发送的信息会沿着总线向两端扩散，从而使网络中所有计算机都会收到这个信息，但是否接收，还取决于信息的目标地址是否与网络主机地址相一致，若一致，则接受；若不一致，则不接收。
信号反射和终结器：在总线型网络中，信号会沿着网线发送到整个网络。当信号到达线缆的端点时，将产生反射信号，这种发射信号会与后续信号发送冲突，从而使通信中断。为了防止通信中断，必须在线缆的两端安装终结器，以吸收端点信号，防止信号反弹。
特点：其中不需要插入任何其他的连接设备。网络中任何一台计算机发送的信号都沿一条共同的总线传播，而且能被其他所有计算机接收。有时又称这种网络结构为点对点拓朴结构。
优点：连接简单、易于安装、成本费用低
缺点：① 传送数据的速度缓慢：共享一条电缆，只能有其中一台计算机发送信息，其他接收。
② 维护困难：因为网络一旦出现断点，整个网络将瘫痪，而且故障点很难查找。
2、星型拓扑结构：
每个节点都由一个单独的通信线路连接到中心节点上。中心节点控制全网的通信，任何两台计算机之间的通信都要通过中心节点来转接。因些中心节点是网络的瓶颈，这种拓朴结构又称为集中控制式网络结构，这种拓扑结构是目前使用最普遍的拓扑结构，处于中心的网络设备跨越式集线器（Hub）也可以是交换机。
优点：结构简单、便于维护和管理，因为当中某台计算机或头条线缆出现问题时，不会影响其他计算机的正常通信，维护比较容易。
缺点：通信线路专用，电缆成本高；中心结点是全网络的可靠瓶颈，中心结点出现故障会导致网络的瘫痪。
3、环型拓扑结构：
环型拓扑结构是以一个共享的环型信道连接所有设备，称为令牌环。在环型拓扑中，信号会沿着环型信道按一个方向传播，并通过每台计算机。而且，每台计算机会对信号进行放大后，传给下一台计算机。同时，在网络中有一种特殊的信号称为令牌。令牌按顺时针方向传输。当某台计算机要发送信息时，必须先捕获令牌，再发送信息。发送信息后在释放令牌。
环型结构有两种类型，即单环结构和双环结构。令牌环（Token Ring）是单环结构的典型代表，光纤分布式数据接口（FDDI）是双环结构的典型代表。
环型结构的显著特点是每个节点用户都与两个相邻节点用户相连。
优点：电缆长度短：环型拓扑网络所需的电缆长度和总线拓扑网络相似，但比星型拓扑结构要短得多。
增加或减少工作站时，仅需简单地连接。可使用光纤；它的传输速度很高，十分适用一环型拓扑的单向传输。传输信息的时间是固定的，从而便于实时控制。
缺点：节点过多时,影响传输效率。环某处断开会导致整个系统的失效，节点的加入和撤出过程复杂。
检测故障困难：因为不是集中控制，故障检测需在网个各个节点进行，故障的检测就不很容易。
4、树型拓扑结构
树型结构是星型结构的扩展，它由根结点和分支结点所构成，如图所示。
优点：结构比较简单，成本低。扩充节点方便灵活。
缺点：对根结点的依赖性大，一旦根结点出现故障，将导致全网不能工作；电缆成本高。
5、网状结构与混合型结构。
计算机网络的分类
由于计算机网络自身的特点，其分类方法有多种。根据不同的分类原则，可以得到不同类型的计算机网络。
1．3．1按覆盖范围分类
按网络所覆盖的地理范围的不同，计算机网络可分为局域网（LAN）、城域网（MAN）、广域网（WAN）。
1、局域网（Local Area Network，LAN）
局域网是将较小地理区域内的计算机或数据终端设备连接在一起的通信网络。局域网覆盖的地理范围比较小，一般在几十米到几千米之间。它常用于组建一个办公室、一栋楼、一个楼群、一个校园或一个企业的计算机网络。局域网主要用于实现短距离的资源共享。如图所示的是一个由几台计算机和打印机组成的典型局域网。
局域网的特点是分布距离近、传输速率高、数据传输可靠等。
2、 城域网（Wide Area Network，WAN）
城域网是一种大型的  LAN，它的覆盖范围介于局域网和广域网之间，一般为几千米至几万米，城域网的覆盖范围在一个城市内，它将位于一个城市之内不同地点的多个计算机局域网连接起来实现资源共享。城域网所使用的通信设备和网络设备的功能要求比局域网高，以便有效地覆盖整个城市的地理范围。一般在一个大型城市中，城域网可以将多个学校、企事业单位、公司和医院的局域网连接起来共享资源。如图所示的是不同建筑物内的局域网组成的城域网。
3、广域网（Wide Area Network，WAN）
广域网是在一个广阔的地理区域内进行数据、语音、图像信息传输的计算机网络。由于远距离数据传输的带宽有限，因此广域网的数据传输速率比局域网要慢得多。广域网可以覆盖一个城市、一个国家甚至于全球。因特网（Internet）是广域网的一种，但它不是一种具体独立性的网络，它将同类或不同类的物理网络（局域网、广域网与城域网）互联，并通过高层协议实现不同类网络间的通信。如图所示的是一个简单的广域网。
2．1．2网络传输介质
传输介质就是通信中实际传送信息的载体，在网络中是连接收发双方的物理通路；常用的传输介质分为：有线介质和无线介质。
有线介质：可传输模拟信号和数字信号（有双绞线、细/粗同轴电缆、光纤）
无线介质：大多传输数字信号（有微波、卫星通信、无线电波、红外、激光等）
1、同轴电缆
同轴电缆的核心部分是一根导线，导线外有一层起绝缘作用的塑性材料，再包上一层金属网，用于屏蔽外界的干扰，最外面是起保护作用的塑性外套。
同轴电缆的抗干扰特性强于双绞线，传输速率与双绞线类似，但它的价格接近双绞线的两倍。
同轴电缆分类：
  A. 细同轴电缆(RG58),主要用于建筑物内网络连接；
  B. 粗同轴电缆(RG11),主要用于主干或建筑物间网络连接； 
2、双绞线
是两条相互绝缘的导线按一定距离绞合若干次，使得外部的电磁干扰降到最低限度，以保护信息和数据。
双绞线的广泛应用比同轴电缆要迟得多，但由于它提供了更高的性能价格比，而且组网方便，成为现在应用最广泛的铜基传输媒体。缺点是传输距离受限。    
双绞线的连接：在制作网络时，要用的RJ-45接头，俗称“水晶头”的接头，在将网络插入水晶头前，要对每条线排序。根据EIA/TIA接线标准，RJ-45接口制作有两种排序标准：
EIA/TIA568A标准的线序为：
白绿、绿、白橙、蓝、白蓝、橙、棕、白棕
EIA/TIA568B白棕的线序为：
白橙、橙、白绿、蓝、白蓝、绿、白棕、棕
另外，根据双绞线两端线序的不同，有两种不同的连接方法:
直线连接法：直线连接法是将电缆的一端按一定顺序排序后接入RJ-45接头，线缆的另一端也用相同的顺序排序后接入RJ-45接头。直接连接法通常用于不同类型的设备的互相连接。
交叉连接法：交叉连接法是线缆的一端用一种线序排列，如T568B标准线序，而另一端用不同的线序，如T568A标准线序，这种线序用于连接同种设备。
3、光纤
光缆则是由一组光导纤维组成的用来传播光束的、细小而柔韧的传输介质。与其它传输介质相比较，光缆的电磁绝缘性能好，信号衰变小，频带较宽，传输距离较大。光缆主要是在要求传输距离较长，布线条件特殊的情况下用于主干网的连接。光缆通信由光发送机产生光束，将电信号转变为光信号，再把光信号导入光纤，在光缆的另一端由光接收机接收光纤上传输来的光信号，并将它转变成电信号，经解码后再处理。光缆的最大传输距离远、传输速度快，是局域网中传输介质的姣姣者。
光缆是数据传输中最有效的一种传输介质。
它有以下几个优点：
  ①  频带极宽(GB)；            ②  抗干扰性强(无辐射)；
  ③  保密性强(防窃听)；        ④  传输距离长(无衰减)；2-10km
  ⑤  电磁绝缘性能好；          ⑥  中继器的间隔较大
主要用途：长距离传输信号，局域网主干部分，传输宽带信号。
网络距离：一般为2000米。
每干线最大节点数：无限制。
光纤跳线连接：　在1000M局域网中，服务器网卡具有光纤插口，交换机也有相应的光纤插口，连接时只要将光纤跳线进行相应的连接即可。在没有专用仪器的情况下，可通过观察让交换机有光亮的一端连接网卡没有光亮的一端，让交换机没有光亮的一端连接网卡有光亮的一端。
光纤通信系统组成：光纤通信系统是以光波为载体、光导纤维为传输介质的通信方式，起主导作用的是光源、光纤、光发送机和光接收机。
光缆分类：传输点模数类（又可分为多模光纤和单模光纤两类）；
折射率分布类（又可分为跳变式光纤和渐变式光纤两类）。
多模光纤：由发光二极管产生用于传输的光脉冲，通过内部的多次反射沿芯线传输。可以存在多条不同入射角的光线在一条光纤中传输。
单模光纤：使用激光，光线与芯轴平行，损耗小，传输距离远，具有很高的带宽，但价格更高。在2.5Gb/s的高速率下，单模光纤不必采用中继器可传输数十公里。
4、无线传输介质：
无线传输指在空间中采用无线频段、红外线激光等进行传输，不需要使用线缆传输。不受固定位置的限制，可以全方位实现三维立体通信和移动通信。
目前主要用于通信的有：无线电波、微波、红外、激光。
2．1．3网络设备
1、集线器（HUB）
    集线器是目前使用较广泛的网络设备之一，主要用来组建星型拓扑的网络。在网络中，集线器是一个集中点，通过众多的端口将网络中的计算机连接起来，使不同计算机能够相互通信。
集线器类型：
独立型：具有价低、故障易查、网络管理方便等优点；性能差、速度低等缺陷；
模块化：带机架和多个卡槽；每槽可安装一块扩展卡，每卡相当于一个独立型；通常4-14个槽，可管理性好；
可堆叠：利用高速总线“堆叠”或短距离连接成整体；
（1）集线器的通信特性
  集线器的基本功能是信息分发，它将一个端口收到的信号转发给其他所有端口。同时，集线器的所有端口共享集线器的带宽。当我们在一台10Mb/s带宽的集线器上只连接一台计算机时，此计算机的带宽是10Mb/s；而当我们连接两台计算机，每台计算机的带宽是5Mb/s；当连接10计算机时，带宽则是1Mb/s。即用集线器组网时，连接的计算机越多，网络速度越慢。
（2）集线器的分类
  按通信特性分，集线器分为无源集线器和有源集线器。无源集线器只能转发信号，不能对信号作任何处理。有源集线器会对所传输的信号进行整形、放大并转发，并可以扩展传输媒体的传输距离。目前市面上的集线器属于有源集线器，无源集线器已被淘汰。
（3）集线器的连接
  集线器通过其端口实现网络连接。集线器主要有RJ-45接口和级联口两种接口。
  RJ-45接接口：集线器的大部分接口属于这种接口，主要用于连接网络中的计算机，从而组建计算机网络。
2、交换机（Switch）
  交换机也是目前使用较广泛的网络设备之一，同样用来组建星型拓扑的网络。从外观上看，交换机与集线器几乎一样，其端口与连接方式和集线器几乎也是一样，但是，由于交换机采用了交换技术，其性能优于集线器。
3、路由器（Router）
路由器并不是组建局域网所必需的设备，但随着企业网规模的不断扩大和企业网接入互联网的需求，使路由器的使用率越来越高。
路由器的功能：路由器是工作在网络层的设备，主要用于不同类型的网络的互联。概括起来，路由器的功能主要体现在以下几个方面。
路由功能：所谓路由，即信息传输路径的选择。当我们使用路由器将不同网络连接起来后，路由器可以在不同网络间选择最佳的信息传输路径，从而使信息更快地传输到目的地。事实上，我们访问的互联网就是通过众多的路由器将世界各地的不同网络互联起来的，路由器在互联网中选择路径并转发信息，使世界各地的网络可以共享网络资源。路由器的接接口：路由器的接口主要有串口、以太口和CONSOLE口等，通常，串口连接广域网，以太口连接局域网，而CONSOLE口用于连接计算机或终端，配置路由器。
4、调制解调器（Modem）
调制解调器（Modem，俗称“猫”）的功能就是将电脑中表示数据的数字信号在模拟电话线上传输，从而达到数据通信的目的，主要由两部分功能构成：调制和解调。调制是将数字信号转换成适合于在电话线上传输的模拟信号进行传输，解调则是将电话线上的模拟信号转换成数字信号，由电脑接收并处理。
（1）调制解调器的分类：
一般来说，根据Modem的形态和安装方式，可以大致可以分为以下四类：
外置式Modem：外置式Modem放置于机箱外，通过串行通讯口与主机连接。这种Modem方便灵巧、易于安装，闪烁的指示灯便于监视Modem的工作状况。但外置式Modem需要使用额外的电源与电缆。
内置式Modem：内置式Modem在安装时需要拆开机箱，并且要对终端和COM口进行设置，安装较为繁琐。这种Modem要占用主板上的扩展槽，但无需额外的电源与电缆，且价格比外置式Modem要便宜一些。
PCMCIA插卡式Modem：插卡式Modem主要用于笔记本电脑，体积纤巧。配合移动电话，可方便地实现移动办公。
机架式Modem：机架式Modem相当于把一组Modem集中于一个箱体或外壳里，并由统一的电源进行供电。机架式Modem主要用于Internet/Intranet、电信局、校园网、金融机构等网络的中心机房。
除以上四种常见的Modem外，现在还有ISDN调制解调器和一种称为Cable Modem的调制解调器，另外还有一种ADSL调制解调器。Cable Modem利用有线电视的电缆进行信号传送，不但具有调制解调功能，还集路由器、集线器、桥接器于一身，理论传输速度更可达10Mbps以上。通过Cable Modem上网，每个用户都有独立的IP地址，相当于拥有了一条个人专线。目前，深圳有线电视台天威网络公司已推出这种基于有线电视网的Internet接入服务，接入速率为2Mbps-10Mbps！
USB接口的调制解调器
USB技术的出现，给电脑的外围设备提供更快的速度、更简单的连接方法，SHARK公司率先推出了USB接口的56K的调制解调器，这个只有呼机大小的调制解调器确给传统的串口调制解调器带来了挑战。只需将其接在主机的USB接口就可以，通常主机上有2个USB接口，而USB接口可连接127个设备，如果要连接多设备还可购买USB的集线器。通常USB的显示器、打印机都可以当作USB的集线器，因为它们有除了连接主机的USB接口外还提供1-2个USB的接口。
（2）传输模式
Modem最初只是用于数据传输。然而，随着用户需求的不断增长以及厂商之间的激烈竞争，目前市场上越来越多的出现了一些“二合一”、“三合一”的Modem。这些Modem除了可以进行数据传输以外，还具有传真和语音传输功能。
① 传真模式（Fax Modem）
通过Modem进行传真，除省下一台专用传真的费用外，好处还有很多：可以直接把计算机内的文件传真到对方的计算机或传真机，而无需先把文件打印出来；可以对接收到的传真方便地进行保存或编辑；可以克服普通传真机由于使用热敏纸而造成字迹逐渐消退的问题；由于Modem使用了纠错的技术，传真质量比普通传真机要好，尤其是对于图形的传真更是如此。目前的Fax Modem大多遵循V.29和V.17传真协议。其中V.29支持9600bps传真速率，而V.17则可支持14400bps的传真速率。
② 语音模式（Voice Modem）
语音模式主要提供了电话录音留言和全双工免提通话功能，真正使电话与电脑融为一体。这里，主要是一种新的语音传输模式—DSVD（Digital Simultaneous Voice and Data）。DSVD是由Hayes、Rockwell、U.s.Robotics、Intel等公司在1995年提出的一项语音传输标准，是现有的V.42纠错协议的扩充。DSVD通过采用Digi Talk的数字式语音与数据同传技术，使Modem可以在普通电话线上一边进行数据传输一边进行通话
DSVD Modem保留了8K的带宽（也有的Modem保留8.5K的带宽）用于语音传送，其余的带宽则用于数据传输。语音在传输前会先进行压缩，然后与需要传送的数据综合在一起，通过电话载波传送到对方用户。在接收端，Modem先把语音与数据分离开来，再把语音信号进行解压和数/模转换，从而实现的数据/语音的同传。DSVD Modem在远程教学、协同工作、网络游戏等方面有着广泛的应用前景。但在目前，由于DSVD Modem的价格比普通的Voice Modem要贵，而且要实现数据/语音同传功能时，需要对方也使用DSVD Modem，从而在一定程度上阻碍了DSVD Modem的普及。
（3）传输速率
Modem的传输速率，指的是Modem每秒钟传送的数据量大小。通常所说的14.4K、28.8K、33.6K等，指的就是Modem的传输速率。传输速率以bps（比特/秒）为单位。因此，一台33.6K的Modem每秒钟可以传输33600bit的数据。
3．1．3 TCP／IP协议（传输控制协议/网际协议）
是目前使用最广泛的协议，也是Internet上使用的协议。由于TCP／IP具有跨平台、可路由的特点，可以实现导构网络的互联，同时也可以跨网段通信。这使得许多网络操作系统将TCP／IP作为内置网络协议。我们组建局域网时，一般主要使用TCP／IP协议。当然，TCP／IP协议相对于其他协议来说，配置起来也比较复杂，因为每个节点至少需要一个IP地址、一个子网掩码、一个默认网关、一个计算机名等。