计算机网络与通信基础/谢雨飞

"计算机网络技术的发展，促进了我国信息化的发展。信息化是当今世界经济社会发展的重要因素，是我国实现现代化、工业化的关键性的一环。《计算机网络与通信基础》着眼于实际应用，具有鲜明特点，依据且不限于专业规范，分别从基本概念、专业技能素质和专业综合素质三个方面突出本课程所要具备的知识和能力；注重计算机网络与通信技术与专业结合的紧密性，为进一步深入学习研究智能化和信息化技术提供相关的知识基础。 《计算机网络与通信基础》在内容组织和编排方式上突出以下特点： （1）按照教育部的有关精神，实施“工学结合”的人才培养模式和“岗位导向”的课程教学模式。在每一章节的一开始，给出教学基本要求，然后按知识能力要求，循序渐进地写出正文 （2）从技术现状出发，注重发展前沿。教材将保证内容的新颖性、案例的多样性和版式的创新性。力求反映计算机网络与通信技术的近期新成果。编写中注重内容的科学性、严谨性、优选性、实用性和针对性，与我国现有计算机网络与通信技术发展的环境紧密结合，与本科教育教学改革的理念相适应。 （3）从教学角度思考，建立立体化教材。通过图片、视频以及音频等多种多媒体技术手段，充分考虑教师教学需求，提供电子课件、实例源文件、教学大纲等，方便老师的备课与讲授。 （4）培养学生自主学习能力，以及探究学习能力。计算机网络与通信是一个不断发展的领域，技术更新的速度非常快。为了让学生能够了解该领域的近期新动态，跟上时代的发展，故在教材建设中，很多新的知识、新的技术将在教材中体现出来，尤其是电子教材建设非常重要。教材的内容可以适当超前，从而培养学生的自主学习能力。而终身学习能力已成为大学生必须具备的基本素质。 《计算机网络与通信基础》将计算机网络与通信和建筑行业特色相结合，由具有多年从事计算机网络与通信技术教学和建筑智能化信息化教学经验的老师撰写，力求少而精，以满足应用为尺度，降低了难度。全书分为理论部分和实践部分，理论部分包括：数据通信基础、计算机局域网、计算机广域网、网络互连技术、网络管理、计算机网络操作系统、网络工程设计；实践部分包括：网络基础实践、网络操作系统的配置实践、局域网组网与配置。 《计算机网络与通信基础》可以作为建筑行业的相关专业涉及建筑智能化技术、建筑信息技术、楼宇控制系统等工程技术的技术人员、建筑弱电工程师、设计人员和管理人员学习计算机网络与通信相关知识的参考书。 作者简介 谢雨飞，北京建筑大学电气与信息工程学院讲师。2012年博士毕业于北京交通大学交通信息工程及控制专业。主要研究方向：复杂系统建模与求解、网络安全技术等。发表EI、核心期刊论文10余篇。 田启川，北京建筑大学电气与信息工程学院博士，教授、硕士生导师。2006年博士毕业于西北工业大学控制理论与控制工程专业；2006年评为副教授，为“电路与系统”、“控制科学与工程”学科硕士生导师。主要研究方向为数字图像处理、模式识别、嵌入式系统开发、物联网技术应用、建筑智能化等。现为中国计算机学会（CCF）高级会员、中国电子学会会员，《自动化学报》、《电子学报》期刊审稿专家。主持完成自然基金、留学回国人员科研项目等科研项目多项，发表论文60余篇，出版专著两部，重量规划教材一部，主持或参与制（修）定国家标准、地方标准两项，授权发明专利、实用新型专利10余项。"

本书将计算机网络与通信和建筑相结合，由多年从事计算机网络与通信技术教学，且在建筑智能化、信息化方面具备丰富教学科研经验的教师撰写，内容简而精，以满足应用为尺度，降低难度。 本书分为理论篇和实践篇： 理论篇包括计算机网络基础知识、数据通信基础、计算机局域网、计算机广域网、网络互联技术、网络管理、计算机网络操作系统、网络规划与设计； 实践篇包括网络基础实践、网络操作系统的配置实践、局域网组网与配置。 本书可以作为本科相关专业“计算机网络与通信”课程的教材，也可作为建筑智能化技术、建筑信息技术、楼宇控制系统等相关工程技术人员、建筑弱电工程师、设计人员和管理人员学习计算机网络与通信相关知识的参考书。

谢雨飞，北京建筑大学电气与信息工程学院讲师。2012年博士毕业于北京交通大学交通信息工程及控制专业。主要研究方向：复杂系统建模与求解、网络安全技术等。发表EI、核心期刊论文10余篇。

理论篇 第1章绪论 1．1计算机网络的概念 1．1．1计算机网络的定义 1．1．2计算机网络的功能 1．1．3计算机网络的特征 1．2计算机网络的分类 1．3计算机网络体系结构 1．3．1计算机网络体系结构的概念 1．3．2ISO/OSI参考模型 1．3．3TCP/IP模型 1．4计算机网络与通信技术和智能建筑与“智慧城市” 1．4．1计算机网络和智能建筑 1．4．2通信技术和智能建筑 1．4．3计算机网络与通信技术和“智慧城市” 本章小结 习题 第2章数据通信基础 2．1数据通信的基本知识 2．1．1信息、数据与信号 2．1．2信道 2．2数据传输技术 2．2．1传输方式 2．2．2模拟传输与数字传输 2．2．3模拟信号的数字化传输 2．2．4数字调制技术 2．2．5数字信号的基带传输 2．2．6信道复用 2．3数据交换技术 2．3．1电路交换 2．3．2报文交换 2．3．3分组交换 本章小结 习题 第3章计算机局域网 3．1局域网概述 3．1．1局域网的体系结构 3．1．2局域网的组成和特点 3．1．3网络拓扑结构 3．1．4介质访问控制 3．1．5局域网的相关标准 3．2常用局域网 3．2．1以太网 3．2．2令牌环网 3．2．3FDDI网 3．3高速局域网技术 3．3．1构建高速局域网的技术 3．3．2需要考虑的问题 3．4无线局域网 3．4．1无线局域网概述 3．4．2无线局域网的组网模式 3．5虚拟局域网 3．5．1虚拟局域网的概念 3．5．2虚拟局域网的分类 本章小结 习题 第4章计算机广域网 4．1广域网的基本概念 4．1．1广域网的特点 4．1．2广域网的类型 4．1．3广域网的组网方式 4．2常用的广域网技术 4．2．1公用电话交换网 4．2．2综合业务数据网 4．2．3X．25分组交换数据网 4．2．4帧中继 4．2．5数字数据网 4．2．6数字用户线 4．2．7异步传输模式 本章小结 习题 第5章网络互联技术 5．1网络互联的概念 5．1．1网络互联的类型 5．1．2网络互联的层次 5．1．3网络互联的方式 5．2网络设备选型 5．2．1网络接口卡 5．2．2集线器 5．2．3交换机 5．2．4路由器 5．2．5防火墙 5．2．6服务器 5．3网络传输介质 5．3．1双绞线 5．3．2同轴线缆 5．3．3光纤 5．3．4无线传输介质 5．4TCP/IP 5．4．1TCP/IP概述 5．4．2IP 5．4．3ARP 5．4．4网络控制信息协议 5．4．5虚拟专用网与NAT 5．4．6DHCP 5．5IPv6 5．5．1IPv6的产生背景 5．5．2IPv6的组成结构 5．5．3IPv4向IPv6的过渡技术 5．5．4IPv6的优势特点 5．6物联网 5．6．1物联网的定义 5．6．2物联网的关键技术 5．6．3物联网的特点 5．6．4物联网的发展现状和未来趋势 本章小结 习题 第6章网络管理基础 6．1网络管理的概念 6．1．1网络管理的定义 6．1．2网络管理的方式 6．1．3网络管理的结构 6．1．4网络管理系统的组成 6．2网络管理的功能和性能指标 6．2．1网络管理的功能 6．2．2网络管理系统的性能指标 6．3网络管理协议 6．3．1网络管理协议发展简介 6．3．2常见的网络管理协议 6．4网络管理的发展趋势 本章小结 习题 第7章计算机网络操作系统 7．1网络操作系统概述 7．1．1网络操作系统的定义 7．1．2网络操作系统的结构 7．1．3网络操作系统的工作模式 7．2网络操作系统的基本服务功能及其特征 7．2．1网络操作系统的基本服务功能 7．2．2网络操作系统的特征 7．3常见的网络操作系统 7．3．1Windows类 7．3．2NetWare类 7．3．3UNIX系统 7．3．4Linux系统 本章小结 习题 第8章网络规划与设计 8．1网络规划设计的意义 8．2网络规划设计的内容 8．3网络拓扑层次化结构设计 8．4网络安全系统设计 8．5网络规划设计案例 8．5．1某企业网络规划与设计 8．5．2校园网络设计方案 本章小结 习题 实践篇 第9章网络基础实践 9．1常见网络设备与连接线的认识 9．2双绞线的制作与测试 9．3常见网络测试命令使用 本章小结 习题 第10章网络操作系统的配置实践 10．1用户的创建、删除与登录 10．2FTP文件服务器配置与管理 10．3WWW网页服务器配置与管理 本章小结 习题 第11章局域网组网与配置 11．1对等网的组建与文件共享 11．2组建客户端/服务器网络 11．3交换机的配置 11．4路由器的配置 本章小结 习题 参考文献

    第3章
     CHAPTER 3
     计算机局域网
     计算机局域网(Local Area Network，LAN)是在一个局部的地理范围内(如一个企业、学校和机关内)，面积一般是方圆几千米以内，将各种计算机、外部设备和数据库等互相连接起来组成的计算机通信网。它可以通过数据通信网或专用数据电路，与远方的局域网、数据库或处理中心相连接，构成一个较大范围的信息处理系统。
     局域网可以实现文件管理、应用软件共享、打印机共享、扫描仪共享、工作组内的日程安排、电子邮件和传真通信服务等功能。局域网严格意义上是封闭型的，可以由办公室内几台甚至成千上万台计算机组成。决定局域网的主要技术要素为网络拓扑、传输介质与介质访问控制方法。
     本章重点阐述局域网的相关概念、几种常用的局域网及其技术、高速局域网和无线局域网。
     3．1局域网概述
     3．1．1局域网的体系结构
     局域网的体系结构与OSI的体系结构有很大的差异。它的体系结构只有OSI的下三层，即物理层、数据链路层、网络层，而没有第四层以上的层次。即使是下三层，也由于局域网是共享广播信道，且产品的种类繁多，涉及多种介质访问方法，所以两者存在着明显的差别。
     在局域网中，物理层负责物理连接和在介质上传输比特流，其主要任务是描述传输介质接口的一些特性，这与OSI参考模型的物理层相同。
     但由于局域网可以采用多种传输介质，各种介质的差异很大，所以局域网中物理层的处理过程更加复杂。通常，大多数局域网的物理层分为两个子层： 一个子层描述与传输介质有关的物理特性，另一子层描述与传输介质无关的物理特性。
     在局域网中，数据链路层的主要作用是通过一些数据链路层协议，在不太可靠的传输信道上实现可靠的数据传输，负责帧的传送与控制，这与OSI参考模型的数据链路层相同。但局域网中，由于各站共享网络公共信道，因此必须解决信道如何分配，如何避免或解决信道争用，即数据链路层必须具有介质访问控制功能。又由于局域网采用的拓扑结构与传输介质多种多样，相应的介质访问控制方法也有多种，因此在数据链路功能中应该将与传输介质有关的部分和无关的部分分开。这样，IEEE 802局域网参考模型中的数据链路层划分为两个子层： 介质访问控制层(Medium Access Control，MAC)和逻辑链路控制层(Logical Link Control，LLC)。
     在IEEE 802局域网参考模型中没有网络层。这是因为局域网的拓扑结构非常简单，且各个站点共享传输信道，在任意两个节点之间只有专享的一条链路，不需要进行路由选择和流量控制，所以在局域网中不单独设置网络层，这与OSI参考模型是不同的。但从OSI的观点看，网络设备应连接到网络层的服务访问点SAP上。因此，在局域网中虽不设置网络层，但将网络层的服务访问点SAP设在LLC子层与高层协议的交界面上。
     3．1．2局域网的组成和特点
     一般来说，局域网由资源硬件、通信硬件、网络操作系统和通信协议组成。
     1. 资源硬件
     局域网中的设备可大体分为服务器、工作站、连接设备和外围设备，它们统称为资源硬件。
     (1) 服务器。服务器和工作站具有提供服务与被服务的对应关系，服务器是中枢核心，通常可以进一步分为文件服务器、打印服务器和邮件服务器。服务器通常选用高档微机、专用服务器或小型计算机。
     (2) 工作站。联网的计算机如果不是服务器，便称为网络工作站，简称工作站。
     (3) 连接设备。连接设备是把局域网中的通信线路连接起来的各种设备的总称，这些设备包括中继器、集线器、交换机等。
     (4) 外围设备。服务器连接的磁带机、绘图仪、外接硬盘等都可以作为共享的外围设备，最常见的是网络共享打印机。
     2. 通信硬件
     资源硬件的互联要通过通信硬件完成，通信硬件主要由网卡和通信线路组成，从网络协议的观点看，局域网的通信硬件主要是实现物理层和介质访问控制层功能，在网络节点(工作站和服务器都是网络节点)之间提供数据帧的传输通路。
     (1) 网卡： 是网络接口卡的简称(Network Interface Card，NIC)，也称网络适配器。每一台接入局域网的计算机，包括工作站和服务器，都要在它的扩展槽中插入一块网卡，通过网卡上的线缆接头接入局部网络的线缆系统。
     (2) 通信线路： 网络中实际进行数据传输的物理介质。
     3. 网络操作系统
     网络操作系统除了具有一般操作系统的功能以外，还具有网络通信相关功能。目前常见的网络操作系统有Windows系列、Linux等。
     4. 通信协议
     不同的拓扑结构具有不同的通信控制要求，不同的带宽要求不同的帧长，不同的传输介质决定了不同的编码方式、作用距离和工作方式(半双工、全双工)，等等，这一切细节都需要在通信协议中具体规定。
     局域网一般为一个部门或单位所有，建网、维护以及扩展等较容易，系统灵活性高。其主要特点是：
     (1) 覆盖的地理范围较小，只在一个相对独立的局部范围内联，如一座或集中的建筑群内；
     (2) 使用专门铺设的传输介质进行联网，数据传输速率高(10Mbps~10Gbps)； (3) 通信延迟时间短，可靠性较高；
     (4) 局域网可以支持多种传输介质；
     (5) 局域网大多采用广播方式传输数据；
     (6) 便于安装、维护和扩充，建网成本低、周期短。
     3．1．3网络拓扑结构
     局域网通常是分布在一个有限地理范围内的网络系统，一般所涉及的地理范围只有几千米。局域网专用性非常强，具有比较稳定和规范的拓扑结构。常见的局域网拓扑结构有星形、总线型、环形、树形等。
     1. 星形网络
     星形网络中的每一个节点设备都以中心节点为中心，各个站点通过连接线与中心节点相连，如果一个工作站需要传输数据，它首先必须通过中心节点，如图3．1所示。
     图3．1星形网络拓扑结构
     由于在这种结构的网络系统中，中心节点是控制中心，任意两个节点间的通信最多只需两步，所以传输速度快，并且网络构形简单、建网容易，便于控制和管理。但这种网络系统可靠性低，共享能力差，并且一旦中心节点出现故障则导致所有渠道瘫痪。
     2. 总线型网络
     总线型结构网络是将各个节点设备和一根总线相连，网络中所有的节点工作站都通过总线进行信息传输，但一段时间内只允许一个节点利用总线发送数据，如图3．2所示。作为总线的通信连线可以是同轴线缆、双绞线，也可以是扁平线缆。
     图3．2总线型网络拓扑结构
     在总线型结构中，作为数据通信必经的总线的负载能量是有限度的，这是由通信介质本身的物理性能决定的。所以，总线型结构网络中工作站节点的个数是有的，如果工作站节点的个数超出总线负载能量，就需要延长总线的长度，并加入相当数量的附加转接部件，使总线负载达到容量要求。
     总线型结构网络简单、灵活，可扩充性能好，所以进行节点设备的插入与拆卸非常方便。另外，总线型结构网络可靠性高、网络节点间响应速度快、共享资源能力强、设备投入量少、成本低、安装使用方便，当某个工作站节点出现故障时，对整个网络系统影响小。因此，总线型结构网络是最普遍使用的一种网络。但是由于所有的工作站通信均通过一条共用的总线，所以，实时性较差。另外，总线型的传输距离有限，通信范围受到，而且故障诊断和隔离较困难。
     3. 环形网络
     环形结构是网络中各节点通过一条首尾相连的通信链路连接起来的一个闭合环形结构网，如图3．3所示。
     图3．3环形网络拓扑结构
     环形网络的结构也比较简单，系统中各工作站地位相等，系统中通信设备和线路比较节省。
     在环形网络中信息按固定方向单向流动，两个工作站节点之间仅有一条通路，系统中无信道选择问题； 环形网络中某个节点的故障将导致物理瘫痪。环形网络中，由于环路是封闭的，所以不便于扩充，系统响应延时长，且信息传输效率相对较低。
     4. 树形网络
     树形结构网络是天然的分级结构，又称为分级的集中式网络，如图3．4所示。
     图3．4树形网络拓扑结构
     树形网络的特点是成本低，结构比较简单。在网络中，任意两个节点之间不产生回路，每个链路都支持双向传输，并且网络中节点扩充方便、灵活，寻查链路路径比较简单。
     但在这种结构网络系统中，除叶节点及其相连的链路外，任何一个工作站或链路发生故障会影响整个网络系统的正常运行。