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网络基础知识
前段时间有很多朋友对我说他们对网络基础的了解还不是很好,问我是不是能够
介绍一些的这方面内容。
盛情难却,今天我就向大家介绍一下网络基础知识
一.网络的定义及特点
计算机网络,就是把分布在不同地理区域的计算机与专门的外部设备用通信线路
互连成一个规模大、功能强的网络系统,从而使众多的计算机可以方便地互相传递信
息,共享信息资源。
一般来说,计算机网络可以提供以下一些主要功能:
*资源共享网络的出现使资源共享变得很简单,交流的双方可以跨越时空的障
碍,随时随地传递信息。
*信息传输与集中处理数据是通过网络传递到服务器中,由服务器集中处理后
再回送到终端。
*负载均衡与分布处理负载均衡同样是网络的一大特长。
举个典型的例子:
一
个大型ICP(Internet内容提供商)为了支持更多的用户访问他的网站,在全世界多个
地方放置了相同内容的WWW服务器;通过一定技巧使不同地域的用户看到放置在离他最
近的服务器上的相同页面,这样来实现各服务器的负荷均衡,同时用户也省了不少冤枉
路。
*综合信息服务网络的一大发展趋势是多维化,即在一套系统上提供集成的信
息服务,包括来自政治、经济、等各方面资源,甚至同时还提供多媒体信息,如图象、
语音、动画等。
在多维化发展的趋势下,许多网络应用的新形式不断涌现,如:
①电子邮件——这应该是大家都得心应手的网络交流方式之一。
发邮件时收件
人不一定要在网上,但他只要在以后任意时候打开邮箱,都能看到属于自己的来信。
②网上交易——就是通过网络做生意。
其中有一些是要通过网络直接结算,这
就要求网络的安全性要比较高。
③视频点播——这是一项新兴的娱乐或学习项目,在智能小区、酒店或学校应
用较多。
它的形式跟电视选台有些相似,不同的是节目内容是通过网络传递的。
④联机会议——也称视频会议,顾名思义就是通过网络开会。
它与视频点播的
不同在于所有参与者都需主动向外发送图像,为实现数据、图像、声音实时同传,它对
网络的处理速度提出了最高的要求。
以上对网络的功能只是略举一二,我们将在以后的篇幅中用更详尽的案例去充实
大家对网络的理解。
网络的分类及组成
网络依据什么划分,又是如何组成的呢?
计算机网络的类型有很多,而且有不同的分类依据。
网络按交换技术可分为:
线
路交换网、分组交换网;按传输技术可分为:
广播网、非广播多路访问网、点到点网;
按拓朴结构可分为总线型、星型、环形、树形、全网状和部分网状网络;按传输介质又
可分为同轴电缆、双纽线、光纤或卫星等所连成的网络。
这里我们主要讲述的是根据网
络分布规模来划分的网络:
局域网、城域网、广域网和网间网。
1.局域网-LAN(LocalAreaNetwork)
将小区域内的各种通信设备互连在一起所形成的网络,覆盖范围一般局限在房
间、大楼或园区内。
局域网的特点是:
距离短、延迟小、数据速率高、传输可靠。
目前常见的局域网类型包括:
以太网(Ethernet)、令牌环网(Token
Ring)、光纤分布式数据接口(FDDI)、异步传输模式(ATM)等,它们在拓朴结构、
传输介质、传输速率、数据格式等多方面都有许多不同。
其中应用最广泛的当属以太
网——一种总线结构的LAN,是目前发展最迅速、也最经济的局域网。
局域网的常用设备有:
*网卡(NIC)插在计算机主板插槽中,负责将用户要传递的数据转换为网络上
其它设备能够识别的格式,通过网络介质传输。
它的主要技术参数为带宽、总线方式、
电气接口方式等。
*集线器(Hub)是单一总线共享式设备,提供很多网络接口,负责将网络中多
个计算机连在一起。
所谓共享是指集线器所有端口共用一条数据总线,因此平均每用户
(端口)传递的数据量、速率等受活动用户(端口)总数量的限制。
它的主要性能参数
有总带宽、端口数、智能程度(是否支持网络管理)、扩展性(可否级联和堆叠)等。
*交换机(Switch)也称交换式集线器。
它同样具备许多接口,提供多个网络
节点互连。
但它的性能却较共享集线器大为提高:
相当于拥有多条总线,使各端口设备
能独立地作数据传递而不受其它设备影响,表现在用户面前即是各端口有独立、固定的
带宽。
此外,交换机还具备集线器欠缺的功能,如数据过滤、网络分段、广播控制等。
*线缆局域网的距离扩展需要通过线缆来实现,不同的局域网有不同连接线
缆,如光纤、双绞线、同轴电缆等。
2.城域网-MAN(MetropolitanAreaNetwork)
MAN的覆盖范围限于一个城市,目前对于市域网少有针对性的技术,一般根据实
际情况通过局域网或广域网来实现。
3.广域网-WAN(WideAreaNetwork)
WAN连接地理范围较大,常常是一个国家或是一个洲。
其目的是为了让分布较远
的各局域网互连,所以它的结构又分为末端系统(两端的用户集合)和通信系统(中间
链路)两部分。
通信系统是广域网的关键,它主要有以下几种:
*公共电话网即PSTN(PublicSwithedTelephoneNetwork),速度9600bps~
28.8kbps,经压缩后最高可达115.2kbps,传输介质是普通电话线。
它的特点是费用
低,易于建立,且分布广泛。
*综合业务数字网即ISDN(IntegratedServiceDigitalNetwork),也是一
种拨号连接方式。
低速接口为128kbps(高速可达2M),它使用ISDN线路或通过电信局
在普通电话线上加装ISDN业务。
ISDN为数字传输方式,具有连接迅速、传输可靠等特
点,并支持对方号码识别。
ISDN话费较普通电话略高,但它的双通道使其能同时支持两
路独立的应用,是一项对个人或小型办公室较适合的网络接入方式。
*专线即LeasedLine,在中国称为DDN,是一种点到点的连接方式,速度一般
选择64kbps~2.048Mbps。
专线的好处是数据传递有较好的保障,带宽恒定;但价格昂
贵,而且点到点的结构不够灵活。
*X.25网是一种出现较早且依然应用广泛的广域网方式,速度为9600bps~
64kbps;有冗余纠错功能,可靠性高,但由此带来的副效应是速度慢,延迟大;
*帧中继即FrameRelay,是在X.25基础上发展起来的较新技术,速度一般选择
为64kbps~2.048Mbps。
帧中继的特点是灵活、弹性:
可实现一点对多点的连接,并且
在数据量大时可超越约定速率传送数据,是一种较好的商业用户连接选择。
*异步传输模式即ATM(AsynchronousTransferMode),是一种信元交换网
络,最大特点的速率高、延迟小、传输质量有保障。
ATM大多采用光纤作为连接介质,
速率可高达上千兆(109bps),但成本也很高。
广域网与局域网的区别在于:
线路通常需要付费。
多数企业不可能自己架设线
路,而需要租用已有链路,故广域网的大部分花费用在了这里。
人们常常考虑如何优化
使用带宽,将“好刀用在刀刃上”。
广域网常用设备有:
*路由器(Router)广域网通信过程根据地址来寻找到达目的地的路径,这个
过程在广域网中称为"路由(Routing)"。
路由器负责在各段广域网和局域网间根据地
址建立路由,将数据送到最终目的地。
*调制解调器(Modem)作为末端系统和通信系统之间信号转换的设备,是广域
网中必不可少的设备之一。
分为同步和异步两种,分别用来与路由器的同步和异步串口
相连接,同步可用于专线、帧中继、X.25等,异步用于PSTN的连接。
4.网间网
即Internetwork,是一系列局域网和广域网的组合,因此包含的技术也是现有的
局域网和广域网技术的综合。
Internet便是一个当前最大也最为典型的网间网。
二.协议的定义及意义
如何定义网络协议,它有哪些意义?
协议是对网络中设备以何种方式交换信息的一系列规定的组合,它对信息交换的
速率、传输代码、代码结构、传输控制步骤、出错控制等许多参数作出定义。
网络是一个相互联结的大群体,因此要想加入到这个群体中来,就不能随心所
欲,任由兴之所发。
就好象一个国家或一个种族拥有自己的语言,大家都必须通晓并凭
借这种语言来对话一样,相互联结的网络中各个节点也需要拥有共同的“语言”,依据
它所定义的规则来控制数据的传递,这种语言便是大家经常听说的“协议”。
协议是
对网络中设备以何种方式交换信息的一系列规定的组合,它对信息交换的速率、传输代
码、代码结构、传输控制步骤、出错控制等许多参数作出定义。
对网络始入门者来说,纷繁复杂的协议常常让人头痛不已—这些协议各起什么作
用?
它们之间又有什么联系?
为什么有了A协议还需要补充B协议?
这些问题搞不清楚,
往往成为进一步学习的障碍。
其实这个问题应该这样理解:
是先有了各种不同语言的民
族,后来随着社会的发展,才有了不同民族间交流的需求。
网络也是这样,最初人们在
小范围内建立网络,只需要自己作一些简单的约定,保证这一有限范围内的用户遵守就
可以了;到后来网络规模越来越大,才考虑到制定更严格的规章制度即协议;而为了实
现多个不同网络的互联,又会增加不少新协议作为补充,或成长为统一的新标准。
数据在网络中由源传输到目的地,需要一系列的加工处理,为了便于理解,我们
这里不妨打个比喻。
如果我们把数据比做巧克力:
我们可以把加工巧克力的设备作为
源,而把消费者的手作为目的来看看会有什么样的传输过程。
巧克力厂通常会为每块巧
克力外边加上一层包装,然后还会将若干巧克力装入一个巧克力盒,再把几个巧克力盒
一起装入一个外包装,运输公司还会把许多箱巧克力装入一个集装箱,到达消费者所在
的城市后,又会由运输商、批发商、零售商、消费者打开不同的包装层。
不同层次的包
装、解包装需要不同的规范和设备,计算机网络也同样有不同的封装、传输层面,为此
国际标准化组织ISO于1978年提出“开放系统互连参考模型”,即著名的OSI(Open
SystemInterconnection)七层模型,它将是我们后续篇幅中要介绍的内容,这里先不
展开论述。
网络的协议就是用作这些不同的网络层的行为规范的。
网络在发展过程中
形成了很多不同的协议族,每一协议族都在网络的各层对应有相应的协议,其中作为
Internet规范的是ICP/IP协议族,这也是我们今天要讲的。
TCP/IP协议的定义以及层次、功能
什么是TCP/IP协议,划为几层,各有什么功能?
TCP/IP协议族包含了很多功能各异的子协议。
为此我们也利用上文所述的分层的
方式来剖析它的结构。
TCP/IP层次模型共分为四层:
应用层、传输层、网络层、数据链
路层。
TCP/IP网络协议
TCP/IP(TransmissionControlProtocol/InternetProtocol,传输控制协议/
网间网协议)是目前世界上应用最为广泛的协议,它的流行与Internet的迅猛发展密切
相关—TCP/IP最初是为互联网的原型ARPANET所设计的,目的是提供一整套方便实用、
能应用于多种网络上的协议,事实证明TCP/IP做到了这一点,它使网络互联变得容易起
来,并且使越来越多的网络加入其中,成为Internet的事实标准。
*应用层—应用层是所有用户所面向的应用程序的统称。
ICP/IP协议族在这一层
面有着很多协议来支持不同的应用,许多大家所熟悉的基于Internet的应用的实现就离
不开这些协议。
如我们进行万维网(WWW)访问用到了HTTP协议、文件传输用FTP协议、
电子邮件发送用SMTP、域名的解析用DNS协议、远程登录用Telnet协议等等,都是属于
TCP/IP应用层的;就用户而言,看到的是由一个个软件所构筑的大多为图形化的操作界
面,而实际后台运行的便是上述协议。
*传输层—这一层的的功能主要是提供应用程序间的通信,TCP/IP协议族在这一
层的协议有TCP和UDP。
*网络层—是TCP/IP协议族中非常关键的一层,主要定义了IP地址格式,从而能
够使得不同应用类型的数据在Internet上通畅地传输,IP协议就是一个网络层协议。
*网络接口层—这是TCP/IP软件的最低层,负责接收IP数据包并通过网络发送
之,或者从网络上接收物理帧,抽出IP数据报,交给IP层。
1.TCP/UDP协议
TCP(TransmissionControlProtocol)和UDP(UserDatagramProtocol)协议属
于传输层协议。
其中TCP提供IP环境下的数据可靠传输,它提供的服务包括数据流传
送、可靠性、有效流控、全双工操作和多路复用。
通过面向连接、端到端和可靠的数据
包发送。
通俗说,它是事先为所发送的数据开辟出连接好的通道,然后再进行数据发送
;而UDP则不为IP提供可靠性、流控或差错恢复功能。
一般来说,TCP对应的是可靠性要
求高的应用,而UDP对应的则是可靠性要求低、传输经济的应用。
TCP支持的应用协议主
要有:
Telnet、FTP、SMTP等;UDP支持的应用层协议主要有:
NFS(网络文件系统)、
SNMP(简单网络管理协议)、DNS(主域名称系统)、TFTP(通用文件传输协议)等。
IP协议的定义、IP地址的分类及特点
什么是IP协议,IP地址如何表示,分为几类,各有什么特点?
为了便于寻址和层次化地构造网络,IP地址被分为A、B、C、D、E五类,商业应
用中只用到A、B、C三类。
IP协议(InternetProtocol)又称互联网协议,是支持网间互连的数据报协议,
它与TCP协议(传输控制协议)一起构成了TCP/IP协议族的核心。
它提供网间连接的完
善功能,包括IP数据报规定互连网络范围内的IP地址格式。
Internet上,为了实现连接到互联网上的结点之间的通信,必须为每个结点
(入网的计算机)分配一个地址,并且应当保证这个地址是全网唯一的,这便是IP地
址。
目前的IP地址(IPv4:
IP第4版本)由32个二进制位表示,每8位二进制数为一个
整数,中间由小数点间隔,如159.226.41.98,整个IP地址空间有4组8位二进制数,由
表示主机所在的网络的地址(类似部队的编号)以及主机在该网络中的标识(如同士兵
在该部队的编号)共同组成。
为了便于寻址和层次化的构造网络,IP地址被分为A、B、C、D、E五类,商业应
用中只用到A、B、C三类。
*A类地址:
A类地址的网络标识由第一组8位二进制数表示,网络中的主机标识
占3组8位二进制数,A类地址的特点是网络标识的第一位二进制数取值必须为“0”。
不
难算出,A类地址允许有126个网段,每个网络大约允许有1670万台主机,通常分配给拥
有大量主机的网络(如主干网)。
*B类地址:
B类地址的网络标识由前两组8位二进制数表示,网络中的主机标识
占两组8位二进制数,B类地址的特点是网络标识的前两位二进制数取值必须为“10”。
B类地址允许有16384个网段,每个网络允许有65533台主机,适用于结点比较多的网络
(如区域网)。
*C类地址:
C类地址的网络标识由前3组8位二进制数表示,网络中主机标识占1
组8位二进制数,C类地址的特点是网络标识的前3位二进制数取值必须为“110”。
具有
C类地址的网络允许有254台主机,适用于结点比较少的网络(如校园网)。
为了便于记忆,通常习惯采用4个十进制数来表示一个IP地址,十进制数之间采
用句点“.”予以分隔。
这种IP地址的表示方法也被称为点分十进制法。
如以这种方式
表示,A类网络的IP地址范围为1.0.0.1-127.255.255.254;B类网络的IP地址范围为:
128.1.0.1-191.255.255.254;C类网络的IP地址范围为:
192.0.1.1-
223.255.255.254。
由于网络地址紧张、主机地址相对过剩,采取子网掩码的方式来指定网段号。
TCP/IP协议与低层的数据链路层和物理层无关,这也是TCP/IP的重要特点。
正因
为如此,它能广泛地支持由低两层协议构成的物理网络结构。
目前已使用TCP/IP连接
成洲际网、全国网与跨地区网。
三.网络发展简史
是什么促进了网络的发展?
纵观近几十年信息时代的风云变换,人们可以了解网络的发展是与计算机、尤其
是个人电脑(PC)的发展密切相关的。
第一台计算机诞生于1945年,标志着人类自学会使用工具的漫长岁月中,终于拥
有了可以替代人类脑力劳动的“工具”;到六、七十年代,进而衍生出计算机互连系
统—严格说来还算不上真正的网络—它是IBM和Digital的中央处理系统,网络主体是一
台或多台大型主机,被隔离在一个相对封闭的机房(那时人们通常称这种机房为“玻璃
屋”),然后由一群身穿白大褂的工作人员小心维护;大多数网络用户面对的是一台台
非智能化的终端,所有对终端的操作都将通过低速链路传递到主机去进行处理,网络的
效率主要由链路的速率和主机的性能决定。
这样的网络不是面向大众的,仅局限于一些
专业领域,如:
金融行业、研究机构等。
对大多数人而言,网络是陌生的、神秘的甚至
是虚无缥缈的东西。
直到八十年代PC的出现,才给网络吹来一股清新之风—相对终端而言,PC具备自
己的处理引擎(CPU)和文件存贮区域(硬盘),能够装载多种应用程序,独立地完成
许多工作,从而将强大的计算能力交到个人手里;相对大型主机而言,这种轻便的机器
内部结构大大简化,其价格远低于大型机,并且随着批量生产和技术的迅速成熟还在不
断下降,使越来越多的用户能享受到这种智能设备带来的迅速、方便、功能强大的服
务。
因此可以说PC的出现首先是满足了个人用户信息处理的需要。
但与个人信息处理紧
密相联的便是信息的交换,于是联网的需求应运而生—人们购买网络设备和连线,在自
己的办公室内搭建起局域网,实现本地通讯;为了扩展网络距离,又向提供服务的电话
公司租用电话线或其它线路,在城市的各个角落甚至城市之间建立起广域网;再进一步
发展下去,又出现了一类专门的服务行业,可以通过主干连接将原本隔离的多个网络互
联起来,构成跨越国度的网际网。
在这一过程中,Internet(国际互联网)的蓬勃兴起
毫无疑问地成为网络技术成长的催化剂。
Internet发展简史
Internet是如何演变的?
Internet的应用范围由最早的军事、国防,扩展到美国国内的学术机构,进而迅
速覆盖了全球的各个领域,运营性质也由科研、教育为主逐渐转向商业化。
在科学研究中,经常碰到“种瓜得豆”的事情,Internet的出现也正是如此:
它
的原型是1969年美国国防部远景研究规划局(AdvancedResearchProjectsAgency)
为军事实验用而建立的网络,名为ARPANET,初期只有四台主机,其设计目标是当网络
中的一部分因战争原因遭到破坏时,其余部分仍能正常运行;80年代初期ARPA和美国
国防部通信局研制成功用于异构网络的TCP/IP协议并投入使用;1986年在美国国会科
学基金会(NationalScienceFoundation)的支持下,用高速通信线路把分布在各地
的一些超级计算机连接起来,以NFSNET接替ARPANET;进而又经过十几年的发展形成
Internet。
其应用范围也由最早的军事、国防,扩展到美国国内的学术机构,进而迅速
覆盖了全球的各个领域,运营性质也由科研、教育为主逐渐转向商业化。
90年代初,中国作为第71个国家级网加入Internet,目前,Internet已经在我国
开放,通过中国公用互连网络(CHINANET)或中国教育科研计算机网(CERNET)都可与
Internet联通。
只要有一台微机,一部调制解调器和一部国内直拨电话就能够很方便地
享受到Internet的资源;这是Internet逐步"爬"入普通人家的原因之一;原因之二,友
好的用户界面、丰富的信息资源、贴近生活的人情化感受使非专业的家庭用户既做到应
用自如,又能大饱眼福,甚至利用它为自己的工作、学习、生活锦上添花,真正做到"
足不出户,可成就天下事,潇洒作当代人"。
网络的神奇作用吸引着越来越多的用户加入其中,正因如此,网络的承受能力也
面临着越来越严峻的考验—从硬件上、软件上、所用标准上......,各项技术都需要适
时应势,对应发展,这正是网络迅速走向进步的催化剂。
到了今天,Internet能够负担
如此众多用户的参与,说明我们的网络技术已经成长到了相当成熟的地步,用户自己也
能耳闻目睹不断涌现的新名词、新概念。
但这还不是终结,仅仅是历史长河的一段新纪
元的开始而已。
Internet的应用集锦
Internet可为我们做哪些事?
Internet如此美妙,初入门者不免好奇:
它究竟可以为我们做哪些事?
总的说
来,Internet是一套通过网络来完成有用的通讯任务的应用程序,下面的篇幅将从应用
入手,展示Internet的几项最广为流行的功能,它包括:
电子邮件、WWW、文件传输、
远程登录、新闻组、信息查询等。
1.电子邮件(Email)
有了通达全球的Internet后,人们首先想到的是可以利用它来提供个人之间的通
信,而且这种通信应能兼具电话的速度和邮政的可靠性等优点。
这种思路生根发芽成长
起来,最终得到的果实便是Email。
通过它,每人都可以有自己的私有信箱,用以储存
已收到但还未来得及阅读的信件,Email地址包括用户名加上主机名,并在中间用@符号
隔开,如hdc@。
从最初的两人之间的通信,如今的电子邮件软件能够实现更为复杂、多样的服务
包括:
一对多的发信,信件的转发和回复,在信件中包含声音、图像等多媒体信息等
;甚至可以做到只要有你的邮件到达,挂在你身上的BP机就嘀嘀作响发出提示;人们还
可以象订购报刊杂志一样在网上订购所需的信息,通过电子邮件定期送到自己面前。
2.WWW
WorldWideWeb(通常被称为WWW)在中文里常被译作“万维网”,除发音相近
外,也体现了其变化万千的内涵。
用户借助于一个浏览器软件,在地址栏里输入所要查
看的页面地址(或域名),就可以连接到该地址所指向的WWW服务器,从中查找所需的
图文信息。
WWW访问的感觉有些象逛大商场,既可以漫无边际地徜徉,也可以奔着一个
目标前进;但不论如何,当用户最终获得想要的内容时,也许已经跨越了千山万水,故
有时我们也称之为“Web冲浪”。
WWW服务器所存贮的页面内容是用HTML语言(HyperTextMark-upLanguage)书写
的,它通过HTTP协议(HyperTextTransferingProtocol)传送到用户处。
3.文件传输(FTP)
尽管电子邮件也能传送文件,但它一般用于短信息传递。
Internet提供了称作FTP
(FileTransferProtocol)的文件传输应用程序,使用户能发送或接收非常大的数据
文件:
当用户发出FTP命令,连接到FTP服务器后,可以输入命令显示服务器存贮的文件
目录,或从某个目录拷贝文件,通过网络传递到自己的计算机中。
FTP服务器提供了一种验证用户权限的方法(用到用户名、密码
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