1.3　相關知識

1.3.1　計算機網絡的概念和組成

計算機網絡是指將地理位置不同的具有獨立功能的多臺計算機及其外圍設備，通過通信線路連接起來，在網絡操作系統，網絡管理軟件及網絡通信協議的管理和協調下，實現資源共享和信息傳遞的計算機系統。

簡單地說，計算機網絡就是通過電纜、電話線或無線通信將兩臺以上的計算機互連起來的集合。

計算機網絡通俗地講就是由多臺計算機（或其他計算機網絡設備）通過傳輸介質和軟件物理（或邏輯）連接在一起組成的。總的來說，計算機網絡的組成基本上包括：計算機、網絡操作系統、傳輸介質（可以是有形的，也可以是無形的，如無線網絡的傳輸介質就是看不見的電磁波）以及相應的應用軟件四部分。

1.計算機網絡的主要功能

計算機網絡的主要功能是實現計算機之間的資源共享、網絡通信和對計算機的集中管理。除此之外還有負荷均衡、分布處理和提高系統安全與可靠性等功能。

（1）資源共享

①硬件資源：包括各種類型的計算機、大容量存儲設備、計算機外圍設備，如彩色打印機、靜電繪圖儀等。

②軟件資源：包括各種應用軟件、工具軟件、系統開發所用的支撐軟件、語言處理程序、數據庫管理系統等。

③數據資源：包括數據庫文件、數據庫、辦公文檔資料、企業生產報表等。

④信道資源：通信信道可以理解為電信號的傳輸介質。通信信道的共享是計算機網絡中最重要的共享資源之一。

（2）網絡通信

通信通道可以傳輸各種類型的信息，包括數據信息和圖形、圖像、聲音、視頻流等各種多媒體信息。

（3）分布處理

把要處理的任務分散到各個計算機上運行，而不是集中在一臺大型計算機上。這樣，不僅可以降低軟件設計的復雜性，而且可以提高工作效率和降低成本。

（4）集中管理

計算機在沒有聯網的條件下，每臺計算機都是一個“信息孤島”。在管理這些計算機時，必須分別管理。而計算機聯網后，可以在某個中心位置實現對整個網絡的管理。如數據庫情報檢索系統、交通運輸部門的訂票系統、軍事指揮系統等。

（5）均衡負荷

當網絡中某臺計算機的任務負荷太重時，通過網絡和應用程序的控制和管理，將作業分散到網絡中的其他計算機中，由多臺計算機共同完成。

2.計算機網絡的結構組成

一個完整的計算機網絡系統是由網絡硬件和網絡軟件組成的。網絡硬件是計算機網絡系統的物理實現，網絡軟件是網絡系統中的技術支持。兩者相互作用，共同完成網絡功能。

網絡硬件：一般指網絡的計算機、傳輸介質和網絡連接設備等。

網絡軟件：一般指網絡操作系統、網絡通信協議等。

1）網絡硬件的組成

計算機網絡硬件系統是由計算機（主機、客戶機、終端）、通信處理機（集線器、交換機、路由器）、通信線路（同軸電纜、雙絞線、光纖）、信息變換設備（Modem，編碼解碼器）等構成。

（1）主計算機

在一般的局域網中，主計算機通常被稱為服務器，是為客戶提供各種服務的計算機，因此對其有一定的技術指標要求，特別是主、輔存儲容量及其處理速度要求較高。根據服務器在網絡中所提供的服務不同，可將其劃分為文件服務器、打印服務器、通信服務器、域名服務器、數據庫服務器等。

（2）網絡工作站

除服務器外，網絡上的其余計算機主要是通過執行應用程序來完成工作任務的，我們把這種計算機稱為網絡工作站或網絡客戶機，它是網絡數據主要的發生場所和使用場所，用戶主要是通過使用工作站來利用網絡資源。

（3）網絡終端

網絡終端是用戶訪問網絡的界面，它可以通過主機聯入網內，也可以通過通信控制處理機聯入網內。

（4）通信處理機

通信處理機一方面作為資源子網的主機、終端連接的接口，將主機和終端連入網內；另一方面它又作為通信子網中分組存儲轉發結點，完成分組的接收、校驗、存儲和轉發等功能。

（5）通信線路

通信線路（鏈路）是為通信處理機與通信處理機、通信處理機與主機之間提供通信信道。

（6）信息變換設備

信息變換設備對信號進行變換，包括：調制解調器、無線通信接收和發送器、用于光纖通信的編碼解碼器等。

2）網絡軟件的組成

在計算機網絡系統中，除了各種網絡硬件設備外，還必須具有網絡軟件。

（1）網絡操作系統

網絡操作系統是網絡軟件中最主要的軟件，用于實現不同主機之間的用戶通信，以及全網硬件和軟件資源的共享，并向用戶提供統一的、方便的網絡接口，便于用戶使用網絡。網絡操作系統有UNIX、Linux和Windows等。

（2）網絡協議

網絡協議是網絡通信的數據傳輸規范，網絡協議軟件是用于實現網絡協議功能的軟件。

目前，典型的網絡協議軟件有TCP/IP協議、IPX/SPX協議、IEEE 802標準協議系列等。其中，TCP/IP是當前異種網絡互連應用最為廣泛的網絡協議。

（3）網絡管理軟件

網絡管理軟件是用來對網絡資源進行管理以及對網絡進行維護的軟件，如性能管理、配置管理、故障管理、記費管理、安全管理、網絡運行狀態監視與統計等。

（4）網絡通信軟件

網絡通信軟件是用于實現網絡中各種設備之間進行通信的軟件，使用戶能夠在不必詳細了解通信控制規程的情況下，控制應用程序與多個站進行通信，并對大量的通信數據進行加工和管理。

（5）網絡應用軟件

網絡應用軟件是為網絡用戶提供服務，最重要的特征是它研究的重點不是網絡中各個獨立的計算機本身的功能，而是如何實現網絡特有的功能。

1.3.2　計算機網絡的類型

由于計算機網絡自身的特點，其分類方法有多種。根據不同的分類原則，可以得到不同類型的計算機網絡。

1.按覆蓋范圍分類

（1）局域網

局域網（Local Area Network，LAN）是在一個局部的地理范圍內（如一個學校、工廠和機關內），一般是方圓幾千米以內，將各種計算機、外圍設備和數據庫等互相連接起來組成的計算機通信網，如圖1-1所示。它可以通過數據通信網或專用數據電路，與遠方的局域網、數據庫或處理中心相連接，構成一個較大范圍的信息處理系統。局域網可以實現文件管理、應用軟件共享、打印機共享、掃描儀共享、工作組內的日程安排、電子郵件和傳真通信服務等功能。局域網嚴格意義上是封閉型的。它可以由辦公室內幾臺甚至成千上萬臺計算機組成。決定局域網的主要技術要素為網絡拓撲、傳輸介質與介質訪問控制方法。

局域網硬件一般由服務器、用戶工作站、傳輸介質、網絡設備四部分組成。其中常用的傳輸介質有雙絞線、同軸電纜、光纖等，常用的網絡設備有網卡、中繼器、集線器、交換機、三層交換機、防火墻、路由器等。

局域網一般為一個部門或單位所有，建網、維護以及擴展等較容易，系統靈活性高。其主要特點是：

①覆蓋的地理范圍較小，只在一個相對獨立的局部范圍內聯網，如一座或集中的建筑群內。

②使用專門鋪設的傳輸介質進行聯網，數據傳輸速率高（10Mbit/s～10Gbit/s）。

③通信延遲時間短，可靠性較高。

④局域網可以支持多種傳輸介質。

（2）城域網

城域網（Metropolitan Area Network，MAN）是一種大型的LAN，它的覆蓋范圍介于局域網和廣域網之間，一般為幾千米至幾萬米，城域網的覆蓋范圍在一個城市內，它將位于一個城市之內不同地點的多個計算機局域網連接起來實現資源共享。城域網所使用的通信設備和網絡設備的功能要求比局域網高，以便有效地覆蓋整個城市的地理范圍。一般在一個大型城市中，城域網可以將多個學校、企事業單位、公司和醫院的局域網連接起來共享資源。圖1-2所示是不同建筑物內的局域網組成的城域網。

（3）廣域網

廣域網（Wide Area Network，WAN）是在一個廣闊的地理區域內進行數據、語音、圖像信息傳輸的計算機網絡。由于遠距離數據傳輸的帶寬有限，因此廣域網的數據傳輸速率比局域網要慢得多。廣域網可以覆蓋一個城市、一個國家甚至于全球。因特網（Internet）是廣域網的一種，但它不是一種具體獨立性的網絡，它將同類或不同類的物理網絡（局域網、廣域網與城域網）互連，并通過高層協議實現不同類網絡間的通信。圖1-3所示是一個簡單的廣域網。

2.按網絡使用者分類

（1）公用網

公用網是指電信部門出資建造的大型網絡。公用就是所有愿意按電信公司的規定繳納費用的人都可以使用這種網絡，如CHINANET、CERNET等。

（2）專用網

專用網是某個部門，某個行業為各自的特殊業務工作需要而建造的網絡。這種網絡不對外人提供服務，如政府、軍隊、銀行、鐵路、電路、電力、公安等部門的網絡。

1.3.3　傳輸介質

傳輸介質就是通信中實際傳送信息的載體，在網絡中是連接收發雙方的物理通路；常用的傳輸介質分為有線介質和無線介質。

有線介質可傳輸模擬信號和數字信號（有雙絞線、細/粗同軸電纜、光纖），無線介質大多傳輸數字信號（有微波、衛星通信、無線電波、紅外、激光等）。

1.同軸電纜

同軸電纜的核心部分是一根導線，導線外有一層起絕緣作用的塑性材料，再包上一層金屬網，用于屏蔽外界的干擾，最外面是起保護作用的塑性外套，如圖1-4所示。

同軸電纜的抗干擾特性強于雙絞線，傳輸速率與雙絞線類似，但它的價格是雙絞線的兩倍。

同軸電纜的分類如下：

（1）細同軸電纜（RG-58），主要用于建筑物內網絡的連接。

（2）粗同軸電纜（RG-11），主要用于主干或建筑物間網絡的連接。

2.雙絞線

雙絞線是兩條相互絕緣的導線按一定距離絞合若干次，使得外部的電磁干擾降到最低限度，以保護信息和數據，如圖1-5（a）所示。

雙絞線的廣泛應用比同軸電纜要晚得多，但由于它提供了更高的性能價格比，而且組網方便，成為現在應用最廣泛的銅基傳輸媒體。缺點是傳輸距離受限。

雙絞線的連接：在制作網絡時，要用的RJ-45接頭，俗稱“水晶頭”的接頭，如圖1-5（b）所示。在將網絡插入水晶頭前，要對每條線排序。根據EIA/TIA接線標準，RJ-45接口的制作有兩種排序標準，即EIA/TIA568A和EIA/TIA568B。

EIA/TIA568A標準的線序為白綠、綠、白橙、藍、白藍、橙、棕、白棕。

EIA/TIA568B白棕的線序為白橙、橙、白綠、藍、白藍、綠、白棕、棕。

另外，根據雙絞線兩端線序的不同，也有兩種不同的連接方法。

直線連接法：是將電纜的一端按一定順序排序后接入RJ-45接頭，線纜的另一端也用相同的順序排序后接入RJ-45接頭。直接連接法制作的網線稱為直通線，通常用于不同類型的設備的互相連接。

交叉連接法：是線纜的一端用一種線序排列，如T568B標準線序，而另一端用不同的線序，如T568A標準線序。交叉連接法制作的網線稱為交叉線，通常用于連接同種設備。

網線的8根線芯，其線序如圖1-6所示。水晶頭的8個引腳，100MB網線事實上只用了其中4根。100BASE-T4 RJ-45對雙絞線的規定是：1、2用于發送，3、6用于接收，4、5和7、8是雙向線，未使用；其對引腳的規定如表1-1所示。

3.光纖

光纜是由一組光導纖維組成的用來傳播光束的、細小而柔韌的傳輸介質。與其他傳輸介質相比較，光纜的電磁絕緣性能好，信號衰變小，頻帶較寬，傳輸距離較大。光纜主要是在要求傳輸距離較長，布線條件特殊的情況下用于主干網的連接。光纜通信由光發送機產生光束，將電信號轉變為光信號，再把光信號導入光纖，在光纜的另一端由光接收機接收光纖上傳輸來的光信號，并將它轉變成電信號，經解碼后再處理。光纜的最大傳輸距離遠、傳輸速度快，是局域網中傳輸介質的佼佼者。

光纜是數據傳輸中最有效的一種傳輸介質，有以下幾個優點：

（1）頻帶極寬（GB）。

（2）抗干擾性強（無輻射）。

（3）保密性強（防竊聽）。

（4）傳輸距離長（2～10km，無衰減）。

（5）電磁絕緣性能好。

（6）中繼器的間隔較大。

光纜的主要用途：長距離傳輸信號，局域網主干部分，傳輸寬帶信號。

光纖通信系統組成：光纖通信系統是以光波為載體、光導纖維為傳輸介質的通信方式，起主導作用的是光源、光纖、光發送機和光接收機。

光纜依據傳輸點模數分類，可分為多模光纖和單模光纖兩類。

多模光纖：由發光二極管產生用于傳輸的光脈沖，通過內部的多次反射沿芯線傳輸。可以存在多條不同入射角的光線在一條光纖中傳輸。

單模光纖：使用激光作為光源體，光線與芯軸平行，損耗小，傳輸距離遠，具有很高的帶寬，但價格更高。在2.5Gbit/s的高速率下，單模光纖不必采用中繼器即可傳輸數十千米。

4.無線傳輸介質

無線傳輸介質是指利用各種波長的電磁波充當傳輸媒體的傳輸介質，不需要使用線纜傳輸，不受固定位置的限制，可以全方位實現三維立體通信和移動通信。

無線傳輸的優點在于安裝、移動以及變更都較容易，不會受到環境的限制。但信號在傳輸過程中容易受到干擾和被竊取，且初期的安裝費用較高。

現在已經利用了好幾個波段進行通信，目前多采用無線電波、微波、紅外線和激光等。

（1）無線電波

無線電波是指在自由空間（包括空氣和真空）傳播的射頻頻段的電磁波。

（2）微波

微波是指頻率為300MHz～300GHz的電磁波，是一種定向傳播的電波，在1000MHz以上，微波沿直線傳播，因此可以集中于一點，通過微型電視接收器把所有的能量集中于一小束，便可以獲得極高的信噪比，但是發射天線和接收天線必須精確對準。除此以為，這種方向性使成排的多個發射設備可以和成排的多個接收設備通信而不會發生串擾。

（3）衛星微波

衛星微波是利用地面上的定向拋物天線，將視線指向地球同步衛星。收發雙方都必須安裝衛星接收及發射設備，且收發雙方的天線都必須對準衛星，否則不能收發信息。

（4）紅外線

紅外線是波長介乎微波與可見光之間的電磁波，波長在760nm至1mm之間，比紅光長的非可見光。

（5）激光束

激光束也可以用于在空中傳輸數據。和微波通信相似，至少要有兩個激光站組成，每個站點都擁有發送信息和接收信息的能力。激光設備通常是安裝在固定位置上，通常安裝在高山上的鐵塔上，并且天線相互對應。由于激光束能在很長的距離上得以聚焦，因此激光的傳輸距離很遠，能傳輸幾十千米。

1.3.4　IP地址

1.IP地址的概念

網絡上的兩臺計算機在相互通信時，在它們所傳送的數據包里都會含有某些附加信息，這些附加信息就是發送數據的計算機的地址和接受數據的計算機的地址。類似人們日常生活中的電話通信，每個電話有唯一的電話號碼作為標識地址，在計算機通信中，也為每臺計算機事先分配一個類似標識地址，該標識地址就是IP地址。根據TCP/IP協議規定，IP地址是由32位二進制數組成，而且在Internet范圍內是唯一的。例如，某臺聯網的計算機的IP地址為11010010 01001001 10001100 00000010。

很明顯，這些數字對于人類來說不太好記憶。人們為了方便記憶，就將組成計算機的IP地址的32位二進制分成四段，每段8位，中間用小數點隔開，然后將每八位二進制轉換成十進制數，這樣上述計算機的IP地址就變成了210.73.140.2。

2.IP地址的分類

我們知道，因特網是把全世界的無數個網絡連接起來的一個龐大的網間網，每個網絡中的計算機通過其自身的IP地址而被唯一標識，據此可以設想，在Internet這個龐大的網間網中，每個網絡也有自己的標識符。這與人們日常生活中的電話號碼分為區號和號碼很相似，例如有一個電話號碼為020-3800××××，這個號碼中的前三位表示該電話是屬于哪個地區的，后面的數字表示該地區的某個電話號碼。與此類似，人們把計算機的IP地址也分成兩部分，分別為網絡標識和主機標識。同一個網絡上的所有主機都用同一個網絡標識，該網絡上的每個主機（包括網絡上工作站、服務器和路由器等）都有一個主機標識與其對應。IP地址的四個字節劃分為兩個部分，一部分用以標明具體的網絡段，即網絡標識；另一部分用以標明具體的結點，即主機標識，也就是說某個網絡中特定的計算機號碼。例如，某服務器的IP地址為210.73.140.2，對于該IP地址，把它分成網絡標識和主機標識兩部分可以寫成：

網絡標識：210.73.140.0

主機標識：　　　　　　2

合起來寫：210.73.140.2

由于網絡中包含的計算機有可能不一樣多，有的網絡可能含有較多的計算機，也有的網絡包含較少的計算機，于是人們按照網絡規模的大小，把32位地址信息設成三種定位的劃分方式，這三種劃分方法分別對應于A類、B類、C類、D類、E類IP地址。

（1）A類IP地址

A類IP地址第1段的范圍為0～127，0是保留的并且表示所有IP地址，而127也是保留的地址，并且是用于測試環回用的。因此A類地址的第一段的范圍其實是從1～126。

例如，10.0.0.1，第1段號碼為網絡號碼，剩下的三段號碼為本地計算機的號碼。轉換為二進制來說，一個A類IP地址由1字節的網絡地址和3字節主機地址組成，網絡地址的最高位的二進制必須是“0”，地址范圍從0.0.0.1到126.0.0.0。可用的A類網絡有126個，每個網絡能容納1億多個主機（224主機數目）。

A類地址默認子網掩碼為255.0.0.0。

（2）B類IP地址

B類IP地址第1段的范圍為128～191，如172.168.1.1，第一和第二段號碼為網絡號碼，剩下的兩段號碼為本地計算機的號碼。轉換為二進制來說，一個B類IP地址由2字節的網絡地址和2字節的主機地址組成，網絡地址的最高位的二進制必須是“10”，地址范圍從128.0.0.0到191.255.255.255。可用的B類網絡有16382個，每個網絡能容納6萬多個主機。

B類地址默認子網掩碼為255.255.0.0。

（3）C類IP地址

C類IP地址第1段的范圍為192～223，如192.168.1.1，第一、第二、第三段號碼為網絡號碼，剩下的最后一段號碼為本地計算機的號碼。轉換為二進制來說，一個C類IP地址由3字節的網絡地址和1字節的主機地址組成，網絡地址的最高位的二進制必須是“110”。范圍從192.0.0.0到223.255.255.255。C類網絡可達209萬余個，每個網絡能容納254個主機。

C類地址默認子網掩碼為255.255.255.0。

（4）D類IP地址

D類IP地址第1段的范圍為224～239，轉換為二進制來說，D類IP地址第一個字節以“1110”開始，它是一個專門保留的地址。它并不指向特定的網絡，目前這一類地址被用在多點廣播（Multicast）中。多點廣播地址用來一次尋址一組計算機，它標識共享同一協議的一組計算機。

（5）E類IP地址

E類IP地址第一段的范圍為240～254，轉換為二進制來說，E類IP地址第一個字節以“11110”開始，為將來使用保留。

各類IP地址的特點如表1-2所示。

3.特殊IP地址

互聯網中有六類IP地址具有特殊的用途，不能分配給主機。

（1）網絡地址

當用戶要表示一個網絡時就要用到網絡地址。在IP地址編碼方案中，網絡地址由一個有效的網絡號和全“0”的主機號構成。如某主機的IP地址為168.36.12.55，這是一個B類地址，則此主機所在網絡的地址為168.36.0.0。

（2）直接廣播地址

用戶向互聯網中某個網絡中的所有主機發送數據報，稱為直接廣播，具有這種特點的IP地址稱為直播廣播地址。在IP地址編碼方案中，直接廣播地址由一個有效的網絡號和全“1”的主機號構成。例如，當互聯網中的一臺主機使用168.36.255.255為目標地址發送數據報時，則網絡號為168.36.0.0的網絡中所有主機都能收到該數據報。

（3）有限廣播地址

用戶向本網中每一臺主機發送數據報，稱為有限廣播。有限廣播將廣播限制在最小的范圍內，當采用標準的IP地址編碼時，有限廣播將發生在本網絡之中，若采用子網編址，有限廣播將被限制在本子網中。有限廣播地址為255.255.255.255。

（4）本網特定主機地址

當用戶想與本網內部特定主機通信時，可通過將網絡地址全部設為“0”進行簡化（或不知道本網的網絡地址）。如某主機發送數據報時，其目標IP地址為0.0.136.32（B類地址），則表示該數據報要送到本網主機號為136.42的主機上。

（5）回環地址

A類地址中，網絡地址為127的地址用于網絡軟件測試或本機進程間通信。發送到這種地址的數據報不輸出到線路上，立即返回。

（6）本網絡本主機

全“0”的IP地址表示本網絡上的本主機。

4.子網掩碼

IP地址由網絡號和主機號兩部分構成，當大量個人用戶或小型局域網接入互聯網時，即使分配一個C類網絡地址也會造成IP地址的浪費。因此出現了將網絡進一步劃分為若干子網的設計，即把兩層IP地址結構中的主機號細分為子網號和主機號，如圖1-7所示。

為了標識一個IP地址中的網絡號、子網號、主機號，設計了子網掩碼。子網掩碼的長度也是32位，左邊是網絡位，用二進制數字“1”表示；右邊是主機位，用二進制數字“0”表示。如一個C類地址取主機號的兩位為子網號，則掩碼為11111111.11111111.11111111.11000000（255.255.255.192），子網可以產生64個可能的主機地址，但全0用于標識子網自身，全1用于子網廣播，只有62個地址可用，如網絡號為192.168.7，則子網IP地址范圍為192.168.7.193～192.168.7.254。

子網掩碼不能單獨存在，它必須結合IP地址一起使用。子網掩碼只有一個作用，就是將某個IP地址劃分成網絡號和主機號兩部分。

在實際工作中，不少用戶會走進一個誤區，例如，把192開頭的IP地址設置成B類地址，雖然在局域網中的網絡通信并不會受到影響，但事實上是不規范的一種劃分行為。

子網掩碼的簡單敘述：子網掩碼是一個32位地址，用于屏蔽IP地址的一部分以區別網絡標識和主機標識，并說明該IP地址是在局域網上還是在遠程網上。

以上述IP地址為例來說明一下，比如一個C類IP地址為192.168.0.1，子網掩碼為255.255.255.0（轉換二進制，255在二進制表示8個1，也就是全部占滿），該寫法表示這個C類IP地址的網絡號碼為192.168.0，而主機地址為1。

對于一個IP地址設定為192.168.0.1，子網掩碼設定為255.255.255.0，在表述上還可以書寫為192.168.0.1/24，其中的“/24”表示網絡號為IP地址的前24位，也就是子網掩碼為255.255.255.0。類似地，IP地址為192.168.7.193，子網掩碼為255.255.255.192，也可以書寫成192.168.7.193/26。

5.私有IP地址

在這么多網絡IP中，國際規定有一部分IP地址是用于局域網，也就是屬于私有IP，不在公網中使用，他們的范圍如下：

A類地址的私有IP范圍：10.0.0.0～10.255.255.255。

B類地址的私有IP范圍：172.16.0.0～172.31.255.255。

C類地址的私有IP范圍：192.168.0.0～192.168.255.255。

使用保留地址的網絡只能在內部進行通信，而不能與其他網絡互連。因為本網絡中的保留地址同樣也可能被其他網絡使用，如果進行網絡互連，尋找路由時就會因為地址的不唯一而出現問題。但是這些使用保留地址的網絡可以通過將本網絡內的保留地址翻譯轉換成公共地址的方式實現與外部網絡的互連。這也是保證網絡安全的重要方法之一。

在單位內部、家庭內部，私有IP地址被廣泛使用。例如，在家庭網絡中，家用路由器的地址為通常是192.168.1.1，家庭網絡都使用192.168.1.0網段。