第1 章计算机网络概述

1、第1 章 计算机网络概述 教学提示：计算机网络是当今计算机科学与工程中迅速发展的新兴技术之一，也是计算机应用中一个空前活跃的领域。计算机网络是计算机技术与通信技术相互渗透、密切结合而形成的一门交叉科学。计算机网络的发展和应用水平直接反映了一个国家计算机技术和通信技术的水平。在以信息化带动工业化和以信息化推进现代化的过程中，计算机网络扮演着越来越重要的角色。 教学要求：了解计算机网络的基本知识，掌握计算机网络的拓扑结构、计算机网络的功能、特点与应用，理解计算机网络的体系结构及 OSI 参考模型和 TCP/IP 参考模型。 1.1 计算机网络的形成与发展 计算机网络涉及到通信技术与计算机技术两个领

2、域。目前，计算机技术与通信技术日益紧密结合，形成了计算机网络技术，并为人类社会的进步做出了极大的贡献。 计算机技术与通信技术的结合主要表现在两个方面：一方面，通信网络为计算机系统之间的数据传输和数据交换提供了物质基础；另一方面，计算机技术的发展渗透到通信技术中，促进了通信技术的发展，提高了通信网络的性能。 随着计算机的普及，计算机网络正以前所未有的速度向世界上的每一个角落延伸。与计算机技术相比，通信技术是一门相对古老的技术，19 世纪 30 年代发明了电报，19 世纪70 年代发明了电话。自 1946 年第一台数字电子计算机问世以后，在开始的大约十年时间内，计算机技术和通信技术之间几乎没有什么

3、联系。当时，数字电子计算机的数量很少，并且价格十分昂贵，只为少数专业人士使用，并且在使用时非常不方便。自 20 世纪 60 年代以来，人们就不断进行计算机技术与通信技术的结合，并取得了巨大的成功，逐渐形成了现代的计算机网络技术，并不断地向前发展。 1.1.1 计算机网络的形成与发展进程 1. 第一代面向终端的计算机网络 1954 年，人们开始使用一种被称作收发器的终端，将穿孔卡片上的数据从电话线路上发送到远地的计算机。后来，用户可在远地的电传打字机上输入自己的程序，而计算机算出的结果又可以从计算机传送到远地的电传打字机上打印出来。计算机技术与通信技术的结合就这样开始了。 由于当初计算机是为成批

4、处理信息而设计的，所以当计算机与远程终端相连接时，必须在计算机上增加一个接口，并且应使这个接口对计算机系统的软、硬件的影响尽可能地小。这样，就出现了如图 1.1所示的线路控制器(Line Controller)。在图 1.1 中，调制解调器用于完成计算机或终端上的数字信号与电话线路上传输的模拟信息之间的转换。 早期的线路控制器只能和一条通信线路相连，同时也只能适用于某一种固定的传输速率。由于在通信线路上信号是串行传输的，而在计算机系统内信息是并行传输的，因此线路控制器要能够进行串、并转换并进行相应的差错控制，以保证通信的正确性。此时，计算机仍主要用于成批处理，这样图 1.1 所示的系统通常被称

5、为联机系统，以区别于早期的脱机系统。 图1.1 计算机通过线路控制器与远程终端连接 随着远程终端的增多，为避免一台计算机使用多个线路控制器，20 世纪 60年代初期，出现了多重线路控制器(Multiline Controller)，它可以和多个远程终端相连接，如图 1.2所示。这种联机系统也被称为面向终端的计算机通信网。这是第一代计算机网络，在这代网络中，计算机是网络的中心和控制者，终端围绕着中心计算机分布在四周，而计算机的主要任务还是成批处理信息。 调制解调器 调制解调器 公用电话网 调制解调器 调制解调器 终端 多重线路 计算机 控制器 调制解调器 调制解调器 图1.2 多重线路控制器的使

6、用面向终端的连接 2. 第二代面向通信的计算机网络 在 20世纪 60 年代末期至 20世纪 70 年代中期，在单主机联机网络的基础上，完成了计算机网络体系结构与网络协议的研究，并形成了初级计算机网络，又称为计算机-计算机网络。这一代计算机网络划分为两大部分：一部分是以交换机为中心的通信子网，另一部分是由若干个主机和终端构成的用户资源子网。这代网络以通信子网为中心，并且以分组交换技术为基础理论。世界上第一个最成功的远程计算机网络是 1969 年由美国高级研究计划局(ARPA，Advanced Research Project Agency)组织研制的 ARPAnet 网络。1969 年 12月

7、，美国的分组交换网 ARPAnet(当时仅 4 个节点)投入运行，从此，计算机网络的发展就进入了一个崭新的纪元。1971 年 2月 ARPAnet 建成了具有 15个节点、23 台主机的网络并投入运行，它是世界上最早出现的计算机网络之一，现代计算机网络的许多概念和方法都来源于它，人们通常认为它是现代计算机网络的起源，同时，它也是 Internet 的起源。 ARPAnet 首先将一个计算机网络划分为“通信子网”和“资源子网”两大部分，现在的计算机网络仍然沿用这种组织方式，如图 1.3 所示。在计算机网络中，通信子网完成全网的数据传输和数据转发等通信处理工作，资源子网承担着全网的数据处理业务，并

8、向网络用户提供各种网络资源和网络服务。图中 CCP 是指通信控制处理机。3. 第三代开放式标准化计算机网络 20 世纪 70 年代以后，随着计算机网络体系结构和计算机网络互联标准问题的解决，出现了开放系统互联参考模型及网络协议，促进了符合国际标准化的计算机网络技术的发展。这种“开放式的标准化计算机网络”目前仍被广泛应用。其中，“开放式”是相对于那些只能符合个别用户要求的各自封闭的网络而言的，在“开放式”网络中，所有计算机和通信设备都遵循共同的国际标准，从而保证了不同厂商的网络产品能在同一网络中顺利地进行通信，以及不同的网络之间可以方便地进行互联。目前，存在着两种占主导地位的网络体系结构，一种是

9、 ISO(国际标准化组织)的OSI/RM(开放系统互联参考模型)体系结构，另一种是 TCP/IP(传输控制协议/网际协议)体系结构。 4. 新一代综合性、智能化、高速网络 自 20 世纪 90 年代以来，随着 Internet 的飞速发展，计算机网络向全面互联、高速和智能化方向发展，并且得到了广泛的应用。同时，与网络有关的技术在更大的范围内取得了很大的进展。例如，多介质计算技术和多介质通信技术共同发展，推动着光纤数字传输技术和宽带综合业务数字网的迅速发展；网络标准化工作进一步完善，网络体制趋于成熟，人们将更多的注意力转到提高线路容量和利用率上，研究和发展接入网和内部网及其设施，更注重网络互联和

10、互联标准。 目前，计算机网络由于 Internet 的进一步普及和发展，将面临诸多问题，如网络带宽限制问题、网络安全问题，IP 地址紧缺等问题。因此，新一代计算机网络应向高速、大容量、综合性和智能化的方向发展。目前，不断出现新的网络技术(如交换式以太网技术、ATM 技术、帧中继技术等)这些是构建新一代宽带综合业务数字网的技术基础。 1.1.2 计算机网络的定义 计算机网络的精确定义到目前为止尚未统一，关于计算机网络的最简单定义是：一些互相连接的、自治的计算机系统的集合。 不同网络的规模和复杂程度是互不相同的。当前，最复杂的网络当属 Internet，它使用TCP/IP 协议，由分布在世界不同地

11、理位置的不同计算机网络通过路由器连接而成。因此，也可把 Internet 看成是网络的网络。无论是简单的网络还是复杂的网络，都可以对网络作如下定义： 计算机网络是将分布在不同地理位置并具有独立功能的多个计算机系统通过通信设备和线路连接起来，以功能完善的网络软件(网络协议、信息交换方式及网络操作系统)实现网络资源共享的复合系统。 建立计算机网络的主要目的是实现资源共享。资源共享是指所有网络用户能够分享各计算机系统的全部或部分资源，这类资源被称为共享资源，共享资源包括硬件资源、软件资源和数据资源。 1.2 计算机网络的功能、特点和分类 前面介绍了计算机网络的形成与发展，并扼要地介绍了什么是计算机网

12、络，本节将从计算机网络的功能、特点和分类的角度来说明计算机网络。 1.2.1 计算机网络的功能 目前计算机网络在各行各业中有着广泛的应用，就计算机网络在各种应用中的作用，可以归结为以下 3 点。 (1) 计算机网络用户之间的通信、交往。在当前的网络应用中，网络用户之间通过网络进行通信交往是一种最常见的网络使用方法。例如，E-mail 的应用改变了人们传统的通信方式，使不同地域的人之间进行通信和交流更加快捷和方便。 (2) 资源共享。资源共享是建立网络的最主要目的，包括硬件资源、软件资源和数据资源的共享。例如，一个网络中的用户可以对网络中价值昂贵的资源进行共享使用，一方面降低了网络的投资成本，另

13、一方面，又极大地提高了资源的利用率。 (3) 计算机网络用户之间协同工作。通过网络，可以使得网络用户共同完成某一工作，提高工作效率。例如，多个网络用户可以通过计算机网络联合开发应用程序，以提高工作效率。在上述的 3 个功能中，最基本的功能就是资源共享，并由此引申出网络信息资源服务等应用，而网络用户之间的通信交往是实现网络的基本手段，无论任何工作都需通过网络通信来最终完成信息传输。 由于计算机网络具有通信、资源共享和协同工作等 3 大功能，因而成为信息产业的基础，并得到了日益广泛的应用。常见的计算机网络应用系统有： 1. 信息检索系统(IRS，Information Retrieve Syste

14、m) 随着全球性网络的不断发展，人们可以将自己的计算机连入网络，并使用 IRS 检索与查询向公众开放的信息资源。因此，IRS 是一类具有广泛应用的系统。 2. 办公自动化系统(OA，Office Automation) 办公自动化系统可以将一个单位或部分办公用的计算机和相关办公设备连接起来构成网络。可以为办公人员和企事业单位的管理人员提供各种现代化的办公手段，从而改进办公条件，提高办公业务的效率和质量，并能向有关人员和领导提供有用的信息。 3. 分布式控制系统(DCS，Distributed Control System) DCS 广泛应用于工业生产过程控制和自动控制领域。使用 DCS 可以提

15、高生产效率和质量，节省人力和物力，实现安全监控等目标。常见的 DCS 系统有：电力系统的监控调度系统，冶金、化工等行业的生产过程自动控制系统，交通调度和监控系统等。 4. 管理信息系统(MIS，Management Information System) MIS被广泛应用于企事业单位的人事、财务等管理。例如，使用 MIS，企业可以实现市场经营管理、生产制造管理、物资仓储管理、财务管理和人事管理等相关管理业务。建设计算机网络，并且在网络上使用 MIS，以实现各类管理活动，并能实现各部门之间的动态信息管理、查询和信息传递等业务，大幅度改进并提高企事业单位的生产管理水平。同时，又能为企事业单位的决策

16、和规划部门提供决策依据。 1.2.2 计算机网络的特点 计算机网络是一个多主机相连的复合系统，其结构与具有主机-终端结构的计算机系统不同，使得计算机网络有着自身的特点，主要表现在以下几方面。 1. 自主性 在计算机网络中，可以包括多台具有独立自主功能的计算机。所谓自主是指这些计算机离开网络后仍能独立地工作和运行。通常，将这些自主工作的计算机称为主机(host)，在网络中又称为节点，网络中的共享资源，通常分布在这些计算机中。与计算机网络不同的是，多用户分时系统是为了充分利用昂贵的计算机资源而发展起来的，这种系统目前仍在普遍使用。在这类系统中，一台中心计算机与若干台仅具有显示器和键盘的哑终端相连接

17、，供多个用户使用。哑终端不具有独立的数据处理能力，数据处理是由中心计算机完成的。2. 按协议标准连接 在组建计算机网络时，需要将有关的计算机系统“有机地”连接进来。所谓“有机地”连接是指在连接时要遵循一定的约定和规则，这些约定或规则就是网络协议，按这种协议标准连接就具有相应的网络体系结构。在一种特定的计算机网络中，要想实现网络通信，必须选用某种通信协议。 3. 具备资源共享能力 作为计算机网络，必须具备“资源共享”的能力。至于如何来实现资源共享，除了要具备自动管理资源以外的网络操作系统，更重要的是靠计算机通信网的开放互联环境的支持。在这一点上，计算机网络与分布式计算机系统是不同的。分布式计算机

18、系统可能是网络系统，也可能不是网络而仅仅是多处理机系统，整个系统的所有资源对用户完全透明，甚至连任务的分配和作业的调度都是由操作系统来自动完成的，用户完全不知道他所用的资源是在什么地方。计算机网络则不同，网络操作系统固然能自动管理网络内的资源，但用户必须知道他要使用的资源在哪里，然后，通过网络操作系统提供的手段，先把用户计算机登录到资源点上，才能共享该资源。如果分布式计算机系统也采用网络形态，可以认为分布式计算机系统是计算机网络的一种特例。 1.2.3 计算机网络的分类计算机网络的分类标准有许多种。例如，按覆盖范围分类，按拓扑结构分类，按网络协议分类，按计算机在网络中的地位分类，按传输介质的不

19、同利用方式分类等。不同的分类标准能得到不同的分类结果，本节将介绍 3 种不同标准的计算机网络分类。 1. 按计算机网络的覆盖范围分类 按计算机网络的覆盖范围来分类，可以将计算机分为 3 类，即：局域网(LAN，Local Area Network)、城域网(MAN，Metropolitan Area Network)和广域网(WAN，Wide Area Network)，它们的特性参数见表 1-1。表1-1 各类计算机网络特性参数 网络类型网络缩写覆盖范围地理位置传输速率局域网LAN10m房间4Mb/s10Gb/s100m建筑物1km校园MAN10km城市50Kb/s2Gb/sWAN10010

20、00km国家或地区9.6Kb/s2Gb/s1) 局域网 局域网是分布在有限地理范围内的网络。由于地理范围较小，因此，局域网通常用专用通信线路连接，故而数据传输速率较高。局域网的本质特征是覆盖范围小、数据传输速度快，一般属于具体单位管理。局域网的覆盖范围一般在几公里之内，它通常是由一个部门或一个单位组建的网络。局域网是在微型机得到广泛应用后迅速发展起来的。局域网易于组建和管理。同时，局域网具有简单的拓扑结构、较高的数据传输速率，传输延时小，另外还具有成本低、应用广泛、组网灵活和使用方便等优点。 2) 城域网 城域网是一种介于广域网和局域网之间的范围较大的网络，覆盖范围通常是一个城市的规模，从几公

21、里到几十公里甚至几百公里。城域网设计的目标是满足一个地区内的计算机互联的要求，以实现大量用户、多种信息传输为目标的综合信息传输网络。而在实际的应用中，几乎没有专门的城域网，通常使用局域网或广域网的技术去构建城域网，这样，反而显得更实用和方便。 3) 广域网 广域网也称为远程网。广域网通常是指将分布范围较大，覆盖一个地区、国家甚至全球范围内的局域网、主机系统等互联而成的大型计算机通信网络。广域网的特点是采用的协议和网络拓扑结构多样化、数据传输速率较低、传输延时较大。通常采用公共通信网作为通信子网，整个网络不是归属于一个单位或部门管理的。广域网通常是连接不同地区的大型主机的局域网，如 Intern

22、et 就是一种最重要的广域网。 2. 按传输介质的利用方式分类计算机网络是通过传输介质来传输或控制信息的。对于传输介质的两种不同利用方式形成了两种不同的网络，即共享介质的网络和交换式网络。 1) 共享介质的网络 传统的局域网大都以共享传输介质为基础的。例如，在以太网(Ethernet)中，各工作站共享总线，每一时刻只有一个工作站占用总线。在令牌环网(Token Ring)中，只有拥有令牌的工作站才能向网络发送信息。在这样的网络上，随着网络用户的增加，每个用户占用传输介质的时间将越来越少，网络通信的延时也将越来越大，网络的性能将越来越差。为了解决这个问题，人们采用了网络微化技术，即在网络中增加网

23、桥或路由器将网络分解为若干个较小的网络，各个网段内的计算机共享传输介质。如果要访问的目标计算机在其他网段内，访问才能穿过网桥或路由器；如果要访问的目标计算机就在本网段内，访问信息就被网桥或路由器限制在本网段内。 2) 交换式网络 交换式网络类似于电话网，电话网通过各电话交换机连接起来，每个电话交换机又连接若干个电话机，即使在同一地区的两个电话用户之间通话也要通过电话交换机。在交换式网络中，需要设置网络交换机，与网络交换机相连的网络或计算机之间可以通过交换机通信。图 1.4 给出了共享介质的局域网和交换式局域网示意图。 局域网交换技术把网络节点按照需要交换到特定的网段，在网段上按需要配置可以控制

24、数目的工作站。 局域网交换技术把共享介质分段，使每个局域网段上的节点工作站的数目减少到适当的程度，通过局域网的分段，还可以对特定的网段隔离通信，从而使工作站的配置和管理更加方便灵活。3. 按计算机在网络中的地位来分类 在计算机网络中，有一些计算机或设备为网络中的用户提供共享资源和应用软件实现的服务功能，这些计算机就称为服务器。而接受服务或需要访问服务器上共享资源的计算机称为客户机。在计算机网络中，服务器与客户机的地位或作用是不同的，服务器处于核心地位，而客户机则处于从属地位。依据计算机网络中服务器与客户机的不同地位，可以将局域网分为 3 类。 1) 基于服务器的网络 在计算机网络中，有几台计算

25、机或设备只作为服务器为网络用户提供共享资源，而其他计算机仅作为客户机去访问服务器上的共享资源，这种网络就是基于服务器的网络。在这种网络中，服务器处于核心地位，它在很大程度上决定网络的功能和性能。根据服务器所提供的共享资源的不同，通常可以将服务器分为文件服务器、打印服务器、邮件服务器、Web 服务器和数据库服务器等。 在基于服务器的网络中，可以集中管理网络的共享资源和网络用户，因而具有较好的安全性。由于重要的共享资源主要集中在服务器上，而服务器一般是集中管理的，故这种网络易于管理和维护。同时，基于服务器的网络还易于实现对网络用户的分级管理。在实际的应用中，大多数局域网都是基于服务器的网络。 2) 对等网络 对等网络与基于服务器的网络不同，它没有专用的服务器，网络中的每台计算机都能作为服务器，同时，又都可以作为客户机。每台计算机既可管理自身的资源和用户，同时，又可作为网络客户机去访问其他计算机中的资源。 在对等网络中，所有计算机的地位是平等的，因此，常常将对等网络称为工作组。在对等网络中，计算机的数目不能太多，一般不能超过 10台，这是因为在对等网络中所有的计算机地位相等，很可能出现这样的一种情况