计算机网络近年来获得了飞速的发展20年前

1、计算机网络近年来获得了飞速的发展。20年前，在我国很少有人接触过网络。现在,计算机通信网络以及 Internet已成为我们社会结构的一个基本组成部分。网络被应用于 工商业的各个方面，电子银行、电子商务、企业管理、信息服务业等都以计算机网络系 统为基础。从学校远程教育到政府日常办公乃至现在的电子社区，很多方面都离不开网 络技术。可以不夸张地说，网络在当今世界无处不在。1997年，在美国拉斯维加斯的全球计算机技术博览会上，微软公司总裁比尔盖茨 在演说中“网络才是计算机”的精辟论点，充分体现出信息社会中计算机网络的重要基 础地位。计算机网络技术的发展越来越成为当今世界高新技术发展的核心之一。网络的发

2、展也是一个经济上的冲击。数据网络使个人化的远程通信成为可能，并改 变了商业通信的模式。一个完整的用于发展网络技术、网络产品和网络服务的新兴工业 已经形成，计算机网络的普及性和重要性已经导致了在不同岗位上对具有更多网络知识 的人才的大量需求。企业需要雇员来规划、获取、安装、操作、管理那些构成计算机网 络的软硬件系统。另外，计算机编程已不再局限于个人计算机，现在的程序员要求设计 并实现能与其他计算机上的程序通信的应用软件。1.1 计算机网络的产生和发展计算机网络的产生和发展与计算机技术的发展、计算机应用的普及密不可分。我们 可以想象一下，当第一台计算机埃尼克（ ENIAC）诞生的时候，既没有联网的

3、要求，也 没有联网的对象，人们不会考虑把计算机互联起来形成计算机网络的问题，只有当计算 机数量达到一定程度，计算机应用普及到一定程度才会出现联网的要求，才会出现计算 机网络。1.1.1 广域网技术产生时期第一个计算机互联系统产生于20世纪50年代。1951年，为了冷战的需要，美国空军委托美国麻省理工学院林肯实验室，为美国空军设计半自动化地面防空系统。该系统由17个防区组成，每个防区的指挥中心装有两台旧M公司的AN/FSQ-7计算机，通过通信线路连接防区内各雷达观测站、机场、防空导弹和高射炮阵地，由计算机程序辅助 指挥员决策，自动引导飞机和导弹进行拦截。系统最终于1963年建成，称为 SAGE(

4、Semi-Automatic Ground Environment)。SAGE系统是计算机技术和通信技术结合的先 驱，很多现在习以为常的网络技术起源于这里。其主要贡献包括：?使用具有人机交互作用的显示器；?研制基于小型计算机的前端处理机；?制定了 1 600bps的数据通信规程；?高可靠性的路径选择算法。与此同时，民用计算机互联系统的研究也开始发展起来，如美国航空公司与旧M公司在20世纪50年代初开始研究，60年代初投入使用的由一台中央计算机与全美范围内 的2 000个终端组成的飞机订票系统；美国通用电气公司于 1968年投入运行的信息服务系统(GE Information Service),

5、其地理范围包括美国、欧洲I澳洲I和日本，系统由 75 个远程集中器、16个中央集中器和分布各地的主计算机组成，相互之间通过 56kbps的 通信线路互联，并具有交互处理和批处理能力。在早期的计算机网络研究中，对现代计算机网络影响最大的是ARPANET 。ARPANET的研究和建设始于 20世纪60代中期，时值冷战高峰。当时的美国国防部 (DOD)考虑到传统的电路交换电话网络太脆弱，因为一条线路或开关的损坏，就会终 止所有使用它们的会话，甚至部分网络，所以希望建立一个能在核战争的条件下幸免于 难的命令和控制网络，并将此任务交给了它的研究部门，即国防部高级研究计划局，简 称 DARPA 或者 AR

6、PA。ARPA没有科学家和实验室，主要通过合同方式，让技术思想比较先进的公司和大 学来完成该项任务。早期获得资助的一些大学研究了Paul Baran在20世纪60年代早期的兰德公司报告中建议的分组交换思想。经过研究后，ARPA最终确定国防部需要的网络应该是由子网和主机组成的分组交换网络，而不是改进传统的电路交换网络。在设计的这个分组交换网络中，子网由一些用小型机改装的设备构成，称为接口信 息处理机(Interface Message Processor, IMP),每台IMP至少应与两台其他 IMP通过通 信链路连接，这样如果某些线路或IMP被摧毁了，报文会自动重新按备用通路传递，从而提高安全

7、性和可靠性。网络中的每个节点由一台IMP和一台主机组成，处于同一房间，由短线互联。当有数据传输时，发送方主机将报文发送给IMP ,报文长度最大为 8063比特，IMP将完整的报文接收后，将报文分成最大为1008比特的分组，每个分组独立地发往目的地；在接收方，IMP接收每个分组，并将每个分组组装成完整的报文，然后将报文转发给接收主 机，因此该子网是第一个电子的存储-转发分组交换网。随后ARPA将此方案进行招标，12个公司参加竞标， 最终ARPA在1968年12月和 BBN签署了合同。BBN选择改进的Honeywell-316小型机作为IMP ,该小型机带有 12K 16b的核心存储器，并且没有安

8、装硬盘，IMP之间通过租用的56kbps线路互联。软件被分为两部分：子网和主机。子网软件指在IMP中运行的软件，包才IMP与主机和IMP与IMP之间的通信软件。主机端的软件指在主机中运行的软件，包括主机与IMP之间的通信软件和主机与主机之间的应用软件。由于软件开发的工作量很大，ARPA 1969年夏天在美国犹他州的 Snowbird召集了大多数是研究生参加的会议，然后交给每人一部分工作，他们必须自己想办法来实现。1969年12月开始启动了有 4个节点的实验性网络，包括 UCLA、UCSB、SRI和犹 他大学，因为它们和ARPA有大量合同，而且都有不同的和完全不兼容的主机。 随着IMP 的增加，

9、网络增长得非常快，并很快覆盖了全美国。后来，随着技术的发展和应用的需要，IMP软件被多次修改，包括为允许终端直接连接到特殊的IMP,即终端接口处理机( Terminal Interface Processor, TIP),而无需通 过一台主机，每台IMP有多台主机、主机与多台IMP连接和主机与IMP远距离连接等。这些研究最终产生了现在的TCP/IP (1974年)模型和协议，随后加州大学伯克利分校把TCP/IP集成到了 Berkeley UNIX操作系统中(BSD UNIX 4.2 ),并开发了网络编 程接口 Sockets,使得网络开发和网络互联变得更加容易。这一做法极大地推动了 TCP/I

10、P协议的推广和应用，也使得网络规模迅速扩大，最终形成今天的Interneto通过上述过程，可以看到这个时期(1951 1974)网络技术的发展有如下特点：(1)联网计算机地理分布广阔。这一时期，由于计算机的价格比较昂贵，通常一个单位可能只拥有一两台计算机，所以计算机总体数量比较少，而且在地理上也比较分散。 如前述的飞机订票系统，联网的计算机分布在全美国各地；通用公司的信息服务系统联 网计算机分布在全美、欧洲和亚洲等地。(2)通信线路主要是租用电信公司的线路交换网络。由于联网的计算机在地理上比 较分散，所以联网单位不可能自己铺设线路，只能采用当时已经遍布全球的、基于线路 交换的语音网络(Publ

11、ic Switched Telephone Network , PSTN),这导致了调制解调技术 和数字通信技术的产生。(3)采用分组交换技术。虽然这一时期的网络通信链路采用的是电路交换，但是在 数据传输中采用的是分组交换技术，这对后续的网络技术产生了极大影响。(4)独立的网络互联设备。这一时期网络中的另一个特点是把网络互联设备从计算机中独立出来，如 SAGE系统的前端处理机、通用公司的信息服务系统中的远程集中器和中央集中器、ARPANET中的接口信息处理机(IMP)等。网络设备的独立要求主机 必须考虑与网络设备的连接问题，主要包括主机和网络设备之间、网络设备和网络设备 之间的连接，这种独立导

12、致了计算机通信接口和独立网络设备的产生，如现在常用的串 行通信接口 RS-232和路由器等。(5)应用软件和通信软件分离。早期计算机网络中，应用软件主要是专用软件，如美国航空公司的订票系统等，直到ARPANET才开始出现通用软件。在这个过程中，应用软件是由计算机专业人员开发的，而底层通信软件则是传统电信公司开发的。从ARPANET技术的发展可以看出，TCP/IP协议只定义高层的协议，而如何把IP数据报转化成电信号，并在介质中传输却没有定义。但是CCITT的X.25. RS-232以及调制解调技术则解决了数据传输的问题，这些技术产生了现在的数字通信技术。总之，在早期，由于计算机整体数量较少，地理

13、分布比较分散，网络技术的发展以 广域网为主，网络拓扑结构则是以树型为主，多采用点对点或者点对多点链路。数字通 信技术在这个时期有了比较大的发展。1.1.2 局域网技术产生发展时期顾名思义，局域网技术是指将局部地区的计算机互联起来形成网络的技术。局域网 技术的产生是在 20世纪60年代，当时的美国夏威夷大学为了把Ohau岛上的IBM360计算机与分布在其他岛上以及海洋船上的终端、读卡机连接起来，研制了一个称为 ALOHA系统的无线计算机通信网络，其工作原理是：系统的“出境” （Outbound）表示从主机向岛屿发送数据，出境数据只要把接收方 地址放在传输电文的标题上，相应的接收站就可以译码；“入

14、境”（Inbound）表示从岛屿或船舶向主机发送数据，采用随机化的重传方法：副站（岛屿上的站）在操作员发出电 文或信息包后，该站等待主站发回确认电文。如果在一定的时限（200ns1500ns）内，在出境信道上未返回确认电文，则远方站（副站）会认为两个站在企图同时传输，因而 发生了碰撞冲突，使传输数据受破坏。此时两个站都将再次选择一个随机时间，试图重 发它们的信息包，这时成功的把握就非常大。这种类型的网络称为争用型网络，因为不同的站都在争用相同的信道，这个信道是 共享的。注意，与广域网的多路复用共享信道方式不同，这种共享信道的方式是竞争 性的。ALOHA系统无线网络的工作原理导致了现在使用最普遍

15、的以太网技术的诞生。Palo Alto研究中心（PARC）是Xerox公司下属的一家著名的研究所，在1972年PARC的研究员已经发明了世界上第一台叫EARS的激光打印机和第一台叫 ALTO的带图形用户界面的PC。Metcalfe在1972年来到PARC的计算机科学实验室， 并被当作网络专家。 他的第一 件工作是把 Xerox公司的 ALTO 计算机连到 ARPANET。 1972年底，Metcalfe和David Boggs根据ALOHA的原理设计了一套网络，将不同的ALTO计算机连接起来，接着又把NOVA计算机连接到EARS激光打印机。由于该网络是以 ALOHA系统为基础的，又 连接了众多

16、的 ALTO计算机，所以 Metcalfe把这个网络称为 ALTO ALOHA 网络。这是 世界上第一个个人计算机局域网络。1973年5月22日该网络开始运行，Metcalfe根据“电磁辐射是通过发光的以太来传播的”这一想法，把该网络改名为以太网（Ethernet）,网络的传输速率为 2.94Mbps。1979年7月，DEC、Intel和Xerox筹备召开三方会议，于 1980年9月30日公布了 第三稿的“以太网，一种局域网：数据链路层和物理层规范，1.0版”，这就是著名的以太网蓝皮书，也称为 DIX （取三家公司名字的第一个字母而组成的）版以太网 1.0规范。 数据传输速率为10Mbps。在

17、DEC、Intel和Xerox等公司对以太网技术进行标准化的同时，电气和电子工程师协会（IEEE）组成了一个定义与促进局域网标准的委员会，简称802委员会。802委员会在1981年6月成立了 802.3分委员会，研究以太网的标准化问题，并在 1983年通过 了 802.3标准，同时，施乐公司也将自己的4件以太网专利转交给了 IEEE,这样任何人都可以从IEEE获得使用以太网的许可权，费用是 1000美元。1989年ISO 88023采用 802.3标准作为国际标准，从而使得以太网得到国际承认。随着以太网技术的诞生，为了推广以太网技术的应用，Metcalfe和其合伙人成立了3Com公司，在198

18、0年8月公布了其第一个产品一一基于UNIX 操作系统的商业版TCP/IP; 1981年3月，3Com公司将第一批符合 802.3标准的网络收发器 3c100投放市 场，并在年底开始销售用于PDP/11.VAX系列计算机、SUN和Intel系列计算机上的网络插卡；1982年9月用于 旧M PC机的ISA总线网络适配器 EtherLink开始投放市场，并 随即配置相应的 DOS驱动软件。随后在其他公司的共同努力下，又出现了以太网集线器、 交换机，并引进了传统电信的综合布线技术，使得以太网超越众多局域网技术，成为局 域网技术的主流产品。虽然以太网技术的发展给以太网应用创造了很好的条件，但是真正促进以

19、太网技术 超越其他局域网技术的则是基于以太网的应用软件的开发。早期以太网技术最大的用处 是用来连接 ARPANET，但是，1980年Novell软件公司开发出了基于以太网的Netware网络操作系统，允许各个PC访问共享打印机、发送电子邮件、交换文件和访问中央数据库；为了保证网络操作系统的运行，Novell公司开始生产网络接口卡（NIC）,这些网卡称为NE2000 ,随后又开始出售生产网卡的许可证，这就产生了NE2000的兼容卡。Novell公司的这些举动大大推动了以太网的普及和应用，形成了几乎所有的计算机网络 都运行Netware操作系统的局面，也使得以太网技术超越其他局域网技术，成为局域网

20、 技术的主流。直到今天，绝大部分的计算机网络采用以太网技术，以太网技术本身也从802.3ae （万兆以太网）和1974年旧M公司提出802.3发展到802.3u （快速以太网）、802.3z （千兆以太网）802.3af 等。在以太网技术发展的同时，还产生了其他局域网网络技术。,SNA)并建立了自己的网络技术了自己的网络体系结构（ System Network Architecture 体系。SNA最初是一种树型结构，经过多次修改后 演变成为适合任意网络拓扑结构的网络体系，既可以组建局域网，又可以组建广域网。 后来根据计算机技 术和网络技术的发展，旧M 在原有的网络技术基础上，在1985年提出

21、了专门的局域网技术方案，这就 是著名IEEE 802.5协议。IEEE 802.5协议采用环型的 拓扑结构，网络中所有的主机头尾相接，使用旧M专用的屏蔽电缆连接，最多可以连接260个节点，传输速率为4Mbps或者16Mbps,环路总长度不超过 366m,网络中的主机利用令牌来使用共享介质，所 以这种网络又称为令牌环网络，其结构如图1-1所示。令牌环网络也可以使用无屏蔽的双绞线。在使用无屏蔽双绞线时，连接的节点数量 只有72个。目前，令牌环网络随着以太网技术的快速发展，已经逐渐淡出网络市场，但是作为 一种网络技术形式，它还有一定的代表意义。还有一种局域网技术有点类似于以太网和令牌环网的结合，这就

22、是令牌总线网。令 牌总线网的网络拓扑结构和以太网一样采用总线方式，但是共享介质的访问方式采用令 牌环网的令牌方式，相关的标准为 IEEE 802.4。采用令牌总线的网络是ARCnet,其全称是 Attached Resource Computer Network,即连接资源计算机网络。由 DataPoint公司在1977年推出，数据传输速率为2.5Mbps,可以使用93的同轴电缆，也可以使用无屏蔽双绞线或者光纤，网络能容纳的主机数量为 256台。因为 ARCnet中的网络地址是利用跳线开关设置的，而不是像以太网或者令牌 环网那样是在网卡生产的时候生产厂家就已经设置好了的。在各种局域网技术中，经

23、过早期的竞争和发展，以太网以其结构简单、组建方便、 网络形式灵活、传输速率高和普及率高等特点而脱颖而出，成为局域网技术中的主流， 而令牌环网和 ARCnet由于其传输速率低，用户普及率低而逐渐很少有人使用。在实际 应用中已经很难看到这两种网络形式，可以说在现代局域网络技术中，以太网技术一统 局域网技术天下。1.1.3 因特网的产生和发展1988年底，美国国家科学基金会（NSF）把分布在全美的五大超级计算机中心用通 信干线连接起来，组成基于TCP/IP协议的计算机通信网络 NSFnet,并以此作为Internet的基础，实现同其他网络的连接。然后 ARPAnet也划分成 ARPAnet和MILN

24、ET ,当 MILNET和NSFnet实现连接后，网络就正式采用了Internet的名称，其他联邦部门的计算机网也相继并入Interneto因特网是建立在 TCP/IP协议上的计算机网络。当美国国防 部建设完成 ARPAnet后，NSF计划采用 ARPAnet作为自己网络的主干，但是由于它的 军用性质，并且受控于政府机构，所以很难把它作为Internet的基础，NSF决定用公用通信线路连接自己的计算机，这样就奠定了今天的因特网的基础。从这以后，Internet逐渐向全社会开放，NSF巨型计算机中心就开始肩负维护和扩展的使命，也使得NSFnet成为Internet最重要的主干。由于Interne

25、t的巨大成功，一些原来不采用 TCP/IP协议的商业网络也开始向客户提 供Internet服务，把早期的 BITNET、USENET和DECnet这样一些不执行 TCP/IP协议 的网络也同Internet连接起来，这些网络共同形成了早期的Internet。随后，许多大公司发现Internet是与遍及全球的雇员保持联系以及与其他公司合作的极好方式，纷纷开始接入Internet,这使得Internet进入一个极度增长期。随着计算机逐渐进入家庭，服务提供商（ISP）也开始为个人访问Internet提供各种服务，这样以美 国为中心的Internet网络互联迅速向全球发展，联入的国家和地区日益增加，其

26、上的信息 流量也不断增加，特别是WWW文本服务的普及，使得网络用户数量和信息数量急剧膨胀。1.1.4 我国计算机网络的发展我国计算机网络早期以局域网络技术为主，大规模的网络是在1989年。当时国家计委决定利用世界银行贷款筹建北京中关村地区计算机网络（Nation Computing andNetwork Facility of China , NCFC）,该网由北京大学、清华大学和中国科学院三个子网 互联构成。1994年5月它作为我国第一个互联网与Internet连通，使中国成为加入互联网的第81个国家，并在此基础上建立由全国100所高校和科研单位参加的“中国教育和科研计算机网络（CERNET

27、）”。之后，几个全国范围的计算机信息网络相继建成，并开 始提供Internet接入服务，Internet从此在我国得到了迅猛发展。根据中国互联网络信息中心的统计，在 2001年，我国上网计算机数约1002万台，其中专线上网计算机数为 163万台，拨号上网计算机数为839万台；上网用户人数约2650 万人，其中专线上网的用户人数为454万，拨号上网的用户人数为 1793万。我国互联网一直保持高速增长态势。截至2004年12月，网民数、上网计算机数分别达到了 9400万、4160万；CN下注册的域名数、网站数分别达到了 432 077个、668 900个； 网络国际出口带宽总数达到74 429Mb

28、ps ;我国大陆的IPV4地址数达到了 59 945 728个。为用户提供接入服务的大型计算机网络由过去的中国科技网（CSTNET ）、中国公用计算机互联网（CHINANET ）、中国教育和科研计算机网（ CERNET）、中国金桥信息网 （CHINAGBN ） 4家发展到现在的中国科技网（ CSTNET ）、中国公用计算机互联网 （CHINANET ）、中国教育和科研计算机网（ CERNET）、中国联通互联网（UNINET ）、 中国网络通信集团（宽带中国CHINA169网）、中国国际经济贸易互联网、中国移动互联网（CMNET ）、中国长城互联网（CGWNET,建设中）和中国卫星集团互联网（C

29、SNET, 建设中）等9家。1.2计算机网络的类型和拓扑结构1.2.1 计算机网络的类型计算机网络是由传输介质连接在一起的一系列设备（网络节点）组成的资源共享系 统。一个节点可以是一台计算机、打印机或是任何能够发送或接收由网络上其他节点产 生数据的设备，这些设备通过连接实现资源的共享。根据不同的划分方式，计算机网络 可以分为不同的类型。1 .从网络服务方式划分从网络服务的管理角度，网络可以划分为对等网络（ Peer to Peer）、客户/服务器网 络和混合网络。对等网络是指网络中的计算机是平等的，既提供网络服务也共享网络服务，没有主 从之分。叶算机网络原理. 应用和实现现8客户/服务器网络指

30、网络中的主机划分为客户机和服务器，服务器提供所需要的网络服务，客户机不提供网络服务，只享受网络服务。需要注意的是在这种网络中经常存在 一台计算机既运行客户程序也运行服务器程序，看起来好像也是平等的，但是实际上是 不同的，因为同一个程序不能同时提供服务并享受服务，这一点和对等网络不同。混合网络指的是网络中同时有两种服务存在，既有对等网络服务方式，也有客户/服务器服务方式。2 .根据网络中的操作系统划分根据网络中使用的操作系统，计算机网络可以划分为Windows网络、Netware网络、UNIX网络、Linux网络和混合网络。Windows网络指的是网络中的主机和服务器所运行的操作系统为Windo

31、ws系列的操作系统，这种网络目前比较普遍。Netware网络是指网络主机所采用的操作系统为Novell的Netware系列操作系统。过去大多数的局域网是这样的网络。UNIX网络指采用UNIX操作系统白网络。UNIX操作系统过去主要用于工作站、小 型计算机和大、中型计算机，早期的 Internet主要由运行UNIX操作系统的计算机组成。Linux网络指的就是网络主机运行Linux操作系统白网络。Linux操作系统是近年来逐步普及的一种免费操作系统，作为分时的操作系统，Linux操作系统采用 UNIX系统的结构运行于PC机上，具有强大的联网能力，逐渐受到用户的喜爱。混合网络指的是网络中主机运行的操

32、作系统不是单一的，而是包含运行多种操作系 统的主机，也就形成了异构网络。3 .根据使用的网络协议划分根据网络使用的网络协议，计算机网络可以划分为Netbui、IPX/SPX和TCP/IP网络。4 .按节点分布的地理范围划分按照网络的规模，可以将网络分为局域网、城域网、广域网和互联网。网络的规模 可以以网上相距最远的两台计算机之间的距离来衡量。(1)局域网局域网(Local Area Network , LAN)的应用场合：?同一房间内的所有主机，覆盖距离为10m数量级；?同一楼内的所有主机，覆盖距离为100m数量级；?同一校园、厂区或院落内的所有主机，覆盖距离为1km数量级，这种情况也被称为校

33、园网，或者园区网。(2)城域网城域网(Metropolitan Area Network , MAN)指网络中所有主机(工作站点)分布在 同一城区内，覆盖范围大约在10km100km的数量级。(3)广域网广域网(Wide Area Network , WAN)指网络中所有主机与工作站点分布的地理范围 能够覆盖10km以上的范围，包括 10km、100km与1 000km及以上的数量级， 比如同一 个大城市，同一个国家或同一个洲甚至跨越几个洲等。计算机网络的地理范围实际上也是根据采用的不同技术来划分的。通常来讲，局域 网一般采用802.3、802.4、802.5和802.11 (无线分组交换网)等技术，城域网指的是采 用802.6,即DQDB协议的网络，而广域网则指采用 TCP/IP协议和数字通信技术组建的 网络。5 .根据网络的拓扑结构划分网络的拓扑结构就是网络中主机的连接方式。根据主机的连接方式，计算机网络 可以划分为总