计算机网络的定义

计算机网络，简单来说，就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，通过网络通信设备与通信线路连接起来，由功能完善的网络软件（包括网络操作系统、网络管理软件以及网络通信协议等）来实现信息交换和资源共享的计算机系统。

其中，网络通信设备主要包括以下几种：

（1）中继器（Repeater）：如图1.17所示，中继器是一种物理层的设备，其主要用于放大信号，补偿信号衰减，以支持远距离的通信。

（2）集线器（HUB）：如图1.18所示，集线器也是一种物理层的设备，其主要功能是信息分发，即，把从一个端口接收的所有信号向其他的所有端口分发出去，其中，一些集线器在分发之前还具有将弱信号重新生成的功能，另一些集线器还具有整理信号的时序的功能，以提供所有端口之间的同步数据通信。

图1.17 中继器

图1.18 集线器

（3）网卡：如图1.19所示，网卡是一种数据链路层的设备，作为局域网中连接计算机和传输介质的接口，其主要功能是不仅能实现与局域网传输介质之间的物理连接和电信号匹配，还可实现帧的发送与接收、帧的封装与拆封、介质访问控制、数据的编码与解码以及数据缓存的功能等。

（4）二层交换机：如图1.20所示，二层交换机的主要功能是识别数据包中的MAC地址信息，并根据MAC地址进行数据转发。二层交换机也是一种数据链路层的设备。

图1.19　网卡

图1.20 二层交换机

（5）网桥：如图1.21所示，网桥是一种数据链路层的设备，由于位于同一网段上的计算机设备可以直接相互通信，而位于不同网段上的设备则不能直接通信，因此它们之间的通信需要一种将不同网段连接在一起的网络互连设备。路由器和桥接器（网桥）都可以完成这样的工作，但是它们之间又有区别：当用网桥将两个网段连接起来时，这两个网段必须要使用相同的高层网络协议。

（6）三层交换机：如图1.22所示，三层交换机是一种具有部分路由器功能的交换机，其主要目的是加快大型局域网内部的数据交换。三层交换机也是一种网络层的设备。

图1.21　网桥

图1.22　三层交换机

（7）路由器：如图1.23和图1.24所示，路由器是一种网络层的设备，其主要功能是用于连通不同的网络，并选择信息传送的线路。路由器能够将不同网络或网段之间的数据信息进行转发，以使它们之间能够相互通信，从而构成一个更大的网络。

图1.23 CISCO 7206路由器

图1.24 TP-LINK无线路由器

通信线路主要包括有线线路和无线线路两种，其中：有线线路主要包括有双绞线、同轴电缆和光纤等，而无线线路则主要包括微波、红外线、激光以及卫星等。

◆ 双绞线：可分为非屏蔽双绞线（Unshielded Twisted Pair，UTP）和屏蔽双绞线（Shielded Twisted Pair，STP）两种，如图1.25和图1.26所示，其中，屏蔽双绞线电缆的外层由铝箔包裹，以减小辐射。按电气性能划分，双绞线（图1.27）又可以分为：1类、2类、3类、4类、5类、超5类、6类、超6类、7类共9种类型，类型数字越大，带宽越宽，价格越高。目前，计算机网络中常用的是第3类（带宽16 Mbps）、第5类（带宽100Mbps）、超5类（带宽100Mbps）以及第6类（带宽250Mbps）非屏蔽双绞线。

图1.25 非屏蔽双绞线外形图

图1.26 屏蔽双绞线外形图

图1.27 双绞线的制作方法

图1.28 同轴电缆外形图

双绞线的线路损耗较大，传输速率低，但价格相对便宜，容易安装，常用于对通信速率要求不高的网络连接中。

◆ 同轴电缆（图1.28）：同轴电缆是一种由一对同轴导线所组成的通信线路。同轴电缆的频带宽，损耗小，具有比双绞线更强的抗干扰能力和更好的传输性能。按照特性阻抗值不同，同轴电缆主要包括75Ω宽带同轴电缆和50Ω基带同轴电缆两种。

同轴电缆是目前局域网（LAN）和有线电视网中较为普遍采用的一种比较理想的传输介质。在局域网中常用基带电缆，其数据传输率为10Mbps，主要用于总线拓扑结构。基带电缆又可分为细缆和粗缆两种，其中：细缆的断头需要装配基本网络接头BNC（Basic Network Connector）或50Ω终端匹配器，然后再接到T形连接器的两端，其最大传输距离为925 m；而粗缆的断头则必须装配收发器与收发器电缆，其最大距离可达2 500m。

◆ 光纤（图1.29）：在通信系统中，目前最为普遍使用的是石英系光纤，一般由纤芯（光的通路）、包层（多层反射玻璃，将光线反射到纤芯）以及保护层组成。常用于点到点的远距离传输。由于光纤在任何时候都只能单向传输，因此，实现双向通信时光纤必须成对出现。用光纤来传输电信号时，在发送端先要将其转换成光信号，而在接收端则要由光检波器还原成电信号。按光在光纤中的传输模式，光纤可分为单模光纤（Single Mode Fiber）和多模光纤（Multi Mode Fiber）两种。

其中，“模”是指以一定角速度进入到光纤之中的一束光。单模光纤采用固体激光器做光源，多模光纤则采用发光二极管做光源。多模光纤允许多束光在光纤中同时传播，从而形成模分散（因为每一个“模”光进入光纤的角度不同，因此，它们到达另一端点的时间也不同，这种特征称为模分散）。模分散技术限制了多模光纤的带宽和传输距离，因此，多模光纤的芯线较粗，传输速度较低、距离也短，从而导致了多模光纤的整体传输性能较差，但其成本比较低，一般用于建筑物内或地理位置相邻的环境下。

单模光纤只能允许一束光传播，因此，单模光纤没有模分散特性。另外，单模光纤的纤芯相应也较细，传输频带较宽、容量很大，传输距离较长，但因其需要激光源，成本较高，通常在建筑物之间或地域分散时使用。单模光纤是当前计算机网络中研究与应用的重点，也是光纤通信与光波技术发展的必然趋势。

◆ 微波：微波是指频率为0.3～300GHz的电磁波，是无线电波中一个有限频带的简称，即波长在1 mm～1 m之间的电磁波，是分米波、厘米波、毫米波的统称。无线微波传输类似光线直线传输，是一种视距范围内的接力传输，具有视距范围内的直线传输和多径传输等特点。

◆ 红外线：红外线是一种波长介于可见光与微波之间的电磁波，红外线传输是一种点对点的无线传输方式，传输距离1～2 m，中间不能有障碍物，不能穿透墙壁，且需要对准方向（即可以看见对方）才能进行通信。自1974年发明以来，目前，红外线传输已得到普遍应用，如红外线鼠标、红外线打印机、红外线键盘等。

◆ 激光：激光具有方向性好与相干性强等特征，其波长介于微波与红外之间。激光传输具有容量大、速度快、抗干扰性强和保密性好等特点，因此使得激光成为发展空间通信卫星中最理想的数据传输载体。

◆ 卫星：卫星通信实际上也是一种微波通信，是以卫星作为中继站来转发微波信号，在多个地面站之间通信，卫星通信的主要目的是实现对地面的无缝覆盖。由于卫星工作于几百、几千甚至上万千米的轨道上，因此覆盖范围要远大于一般的移动通信系统。但卫星通信要求地面设备具有较大的发射功率，因此不易普及使用。

图1.29 光纤外形图