计算机网络概述

1、11第1章 Error! No text of specified style in document.计算机网络概述电子计算机是20世纪人类最伟大、最卓越的发明之一，由计算机技术和通信技术相结合而产生的计算机网络使计算机的应用功能得到了加强、范围得到了扩展。近年来，随着计算机应用的日渐普及，人们已不再仅仅依赖于单机的工作，而要求计算机之间能够快捷、便利、稳定和安全地进行信息交换。本章将介绍与计算机网络相关的一些基本概念，包括计算机网络的定义、分类、工作特点、拓扑结构、标准化组织、我国计算机网络的发展等。1.1 计算机网络的产生和发展随着人们在半导体技术主要包括大规模集成电路（LSI）和超大规

2、模集成电路（VLSI）技术上取得的成就，使得计算机网络迅速地渗透计算机和通信两个领域。在这两个领域中，一方面通信网络为计算机之间数据的传输和交换提供了必要的手段；另一方面数字信号技术的发展已渗透到通信技术中，又推进了通信网络的各项性能。1.1.1 面向终端的第一代计算机网络1946年世界上第一台计算机（ENIAC）问世，此后的几年中，由于计算机的价格较高且数量有限，所以还没有人会想到将多台计算机连接起来并实现不同计算机之间的通信。到1954年，随着一种既能发送信息又能接收信息的终端设备收发器（Transceiver）的研制成功，人们实现了将穿孔卡片上的数据通过电话线路发送到远地的计算机上的梦想

3、。此后，电传打字机也作为远程终端与计算机实现了相连，用户可以在远程的电传打字机上输入自己的程序，经计算机处理后，程序又指挥计算机将处理结果再传送给电传打字机并在电传打字机上打印输出。1使用线路控制器的计算机网络因为早期的计算机是为成批处理信息而设计的，所以当计算机在和远程终端相连时，必须在计算机上安装一个叫做线路控制器（line controller）的设备，同时在线路的两端还必须各安装一台调制解调器（modem），如图1-1所示。因为电话线路本来是为传送模拟的语音信号而设计的，它不适合于传送计算机的数字信号，使用调制解调器的主要作用就是把计算机或终端的数字信号转换成可以在电话线路上传送的模拟

4、信号，同时将从电话线路上接收到的模拟信号转换成计算机或终端可以处理的数字信号。图1-1 使用线路控制器的计算机网络早期的线路控制器只能通过一条通信线路和一个远程的终端互联，随着远程终端数量的增多，为了避免一台计算机使用多个线路控制器，在20世纪60年代初便出现了如图1-2所示的多重线路控制器（multiline controller）。通过多重线路控制器，一台计算机可以通过公用电话网与多个终端相连。图1-2 使用多重线路控制器的计算机网络2使用前端处理机的计算机网络众所周知，计算机最初主要用于科学计算。然而，随着网络的出现和应用，人们逐渐发现计算机在非数值处理方面的应用远比纯粹的科学计算广泛得

5、多，也就是说人们已认识到了计算机在通信中的价值。然而，多重线路控制器严重限制了网络中用户数量的增加，每当增加一个新用户时，都需要对多重线路控制器进行软件和硬件的修改和重新配置，有些程序还需要重新编写。另外，多重线路控制器和线路控制器要占用大量的计算机资源，使计算机增加了相当大的额外开销。因此，在线路控制器和多重线路控制器投入使用之后，人们又研制出了前端处理机（Front End Processor，FED），简称为前端机。前端机可以完成全部的通信任务，而将计算机解放出来专门进行数据的处理，这样就大大减轻了计算机的额外开销，如图1-3所示的是通过一台前端机与多个远程终端相连的结构。3使用集中器的

6、计算机网络远程终端数量的不断增加，使通信费用也随之增加。为了节约通信费用，可在远程图1-3 使用前端处理机的计算机网络终端密集的地方安装一个集中器（concentrator）。集中器和前端机的功能有相似之处，也是一种通信处理机，它的一端用多条低速率线路与各终端相连，另一端则用一条高速率线路与计算机相连，如图1-4所示。如果一些终端处于闲置状态，集中器可以利用由此而产生的空闲时间来传送其他处于工作状态终端的数据，明显降低了通信线路的费用。另外，由于集中器距离终端较近，所以在集中器与终端之间可以省去调制解调器。图1-4 使用集中器的计算机网络线路控制器、前端机和集中器的使用，标志着第一代计算机网络

7、的问世。很显然，第一代计算机网络的结构和工作方式都非常简单，但是其中的许多网络至今仍在使用着。1.1.2 以分组交换为核心的第二代计算机网络图1-5 使用通信子网的计算机网络第二代计算机网络产生于1969年。第一代计算机网络是面向终端的，是一种以单个主机（计算机）为中心的星型网络，各终端通过通信线路共享主机的硬件和软件资源。而第二代计算机网络则强调了网络的整体性，用户不仅可以共享与之直接相连的主机的资源，而且还可以通过通信子网共享其他主机或用户的软、硬件资源，如图1-5 所示。在谈到第二代计算机网络时，必须强调分组交换（packet switching）概念。分组交换也称为包交换，它产生于第二

8、代计算机网络，同样是现代计算机网络的技术基础。然而，在分组交换出现之前，计算机网络还使用过电路交换（circuit switching）的通信方式。有关电路交换和分组交换的详细内容将在本书第2章中专门进行介绍。1.1.3 以OSI为核心的第三代计算机网络早期计算机之间的组网是有条件的，在同一网络中只能存在同一厂家生产的计算机，其他厂家生产的计算机无法接入。这种现象的出现，一方面与当时的条件有关，因为当时的计算机还远不如现在这样普及，更谈不上计算机之间的互联；另一方面也与未建立相关的标准有关，当时的计算机网络只是部分高等学府或科研机构针对自己的工作特点而建立的，还未能在大范围内（如不同的单位之间

9、）进行连接，他们各自为政，缺乏一个统一的标准。针对这种情况，出现了第三代计算机网络，第三代计算机网络的特点是制订了统一的不同计算机之间互联的标准，从而实现了不同厂家生产的计算机之间互联成网。计算机网络系统是非常复杂的，计算机之间的通信涉及许多复杂的技术，为实现计算机网络的通信，采用了分层的方法来解决复杂的问题。其中比较著名的有SNA和OSI。1974年，美国IBM公司公布了它研制的网络分层模型系统网络体系结构（system network architecture，SNA），SNA是一种使用较为普遍的网络体系结构模型。尽管现在SNA模型被认为是一种旧网络模型，但仍然得到了普遍发展。SNA的设计

10、采用了IBM大型机使用的主机到终端的通信模型。SNA模型只有六层，分别是数据链路层（DLC）、路径控制层（path control）、传输控制层（transmission control）、数据流控制层（data flow control）、表示层服务（presentation services）和事务层服务（presentation services）。1977年前后，国际标准化组织（International Standardization Organization，ISO）成立了一个专门机构，提出了一个各种计算机能够在世界范围内互联成网的标准框架，即著名的开放系统互联基本参考模型（Ope

11、n System Interconnect/Reference Model，OSI/RM），简称为OSI。OSI模型共分为七层，从下到上依次是物理层（physical layer）、数据链路层（DLC）、网络层（network layer）、传输层（transportl layer）、会话层（sessionl layer）、表示层（presentationl layer）和应用层（applicationl layer）。OSI参考模型的提出，解决了不同厂家生产的计算机之间的互联问题。现代计算机网络便是以OSI模型为标准进行工作的。有关OSI参考模型的详细内容将在本书的第3章中进行详细介绍。1.

12、1.4 以高速和多媒体应用为核心的第四代计算机网络第四代计算机网络是在进入20世纪90年代后，随着数字通信的出现而产生的，其特点是综合化和高速化。综合化是指采用交换的数据传送方式将多种业务综合到一个网络中完成。例如人们一直在使用一种与计算机网络很不相同的电话网传送语音信息，但是，现在已经可以将多种业务，如语音、数据、图像等信息以二进制代码的数字形式综合到一个网络之中进行传送。网络的高速化在近年来显得非常突出。例如以太网的速率，在短短的十几年间就从当初的10Mbit/s，发展到后来的100Mbit/s、1000Mbit/s，现在运行速率达到10000Mbit/s的万兆以太网也得到了广泛应用。网络

13、向综合化和高速化发展关键有两个原因：技术发展和应用需求。其中，进入20世纪90年代后，计算机技术、通信技术以及以互联网络为基础的计算机网络技术得到了突飞猛进的发展；另外，1993年9月15日，美国政府发布了一个在全世界引起很大反映的文件国家信息基础设施（NII）行动计划。NII是National Information Infrastructure的缩写，为此该文件也称为“NII行动计划”，也被通俗地称为“信息高速公路”。NII行动计划明确了美国国家信息基础设施建设的总体目标，随即全世界其他国家也纷纷制订和建立本国的NII。1994年9月美国政府又提出了建立全球信息基础设施（GII），建议将各

14、国的NII互联起来组成世界范围的NII，从而极大地推动了计算机网络的发展。1.2 计算机网络的概念信息化和全球化是当今世界知识经济的两个重要特点，而信息化和全球化的实现必须依靠完善的网络。这里所说的网络是广义的网络，包括电信网络、有线电视网络和计算机网络，统称为“三网”。三网的核心是计算机网络，目前发展最快的也是计算机网络。本书介绍的重点也是计算机网络。1.2.1 什么是计算机网络从技术上讲，计算机网络是计算机技术和通信技术相关结合的产物，通过计算机来处理各种数据，再通过各种通信线路实现数据的传输。从组成结构来讲，计算机网络是通过外围设备和连线，将分布在相同或不同地域的多台计算机连接在一起所形

15、成的集合。从应用的角度讲，只要将具有独立功能的多台计算机连接在一起，能够实现各计算机间信息的互相交换，并形成可共享计算机资源的系统便可称为网络。综合各方面的因素，对计算机网络的定义为：将分布于不同地理位置的多台具有独立功能的计算机通过外围设置和通信线路互联起来，在功能完善的管理软件的支持下实现相互资源共享的系统。计算机网络不存在地域的限制，只需要根据距离的远近采取不同的连接方式，即可实现不同计算机之间的互联，并进行计算机之间的资源共享和通信。一个完整的计算机网络包括以下的三个组成部分：· 计算机。根据在网络中所提供的服务的不同，可分为服务器和工作站。· 外围设施。包括连接设

16、备和传输介质两部分，其中主要的连接设备有网卡、交换机（早期也使用集线器）、路由器、防火墙等，传输介质主要有同轴电缆、双绞线、光纤、微波和红外线等。· 通信协议。计算机之间在通信时必须遵守的规则，是通信双方使用的通信语言。关于外围设施将在本书第4章和第5章中专门进行详细介绍，下面主要介绍通信协议的有关概念。协议是一组规则的集合，是进行交互的双方必须遵守的约定。在网络系统中，为了保证计算机之间能够正确地进行通信，针对通信中的各种问题，制订了一整套约定，将这套约定称之为通信协议。通信协议是套语义和语法规则，用来规定有关功能部件在通信过程中的操作。由于网络体系结构具有层次性，所以通信协议也是

17、分层的。通信协议并分成多个层次，每个层次内部又被分成不同的子层。不同层次负责不同的操作。网络协议由以下三个要素组成：· 语法。语法是数据与控制信息的结构或格式。包括数据格式、编码、信号电平等。· 语义。语义是用于协调和进行差错处理的控制信息。包括需要发生何种控制信息，完成何种操作，做出何种应答，等等。· 同步（定时）。同步是对事件实现顺序的详细说明。包括速度匹配、排序等。通信协议对通信软件和硬件的开发具有指导作用。通信协议描述要做什么、对于怎么做不进行限定。这样对软硬件开发商便提供了便利，他们只需要根据协议要求开发出产品，至于选择什么电子元件、使用何种语言开发则不

18、受约束。1.2.2 计算机网络与联机多用户系统传统的联机多用户系统都是由一台中央处理机、多台联机终端及一个多用户操作系统组成，系统中的终端不具有独立的处理能力。以分时系统为例，中央处理机将本机的主存分为两部分，其中一部分供本机使用，另一部分分配给终端用户，终端用户通过使用中央处理机CPU为每个用户划分的时间片来执行其应用程序。随着计算机技术的发展，一种新型的具有独立数据处理能力的终端（称为智能终端）出现，并应用到联机多用户系统中。但是，与传统的终端一样，智能终端中的资源既不能被中央处理机共享，也不能被其他的智能终端或终端共享。这是因为，智能终端本身是一台具有独立数据处理功能的计算机，具有自己的

19、CPU和操作系统，可以独立进行工作，但它在连接到多用户系统后，本地的资源（如硬盘、硬盘中的数据、软件等）无法被中央处理机和其他的终端或智能终端共享。所以，联机多用户系统中的终端或智能终端仅仅是系统中的输入/输出（I/O）设备，在联机多用户系统中只存在终端或智能终端共享中央处理机的资源，反之不然。在联机多用户系统中，网络中只输入键盘和鼠标等输入设备的操作命令，以及屏幕的显示结果，所在数据的处理都在中央处理机上进行。所以，联机多用户系统对网络带宽的要求不高。计算机网络与联机多用户系统之间的主要区别如表1-1所示。表1-1 计算机网络与联机多用户系统之间的主要区别区别 名称计算机网络联机分时多用户系

20、统共享资源网络用户可以相互共享资源各终端用户共享中央处理机的资源并行处理网络中的各计算机都具有独立处理能力，并不受其他计算机的制约各终端用户只是在一段时间内分时运行，同一时刻不存在两个用户同时运行的情况1.2.3 计算机网络与分布式计算机系统分布式计算机系统是一种计算机硬件的配置方式和相应的功能配置方式。它是一种多处理器的计算机系统，各处理器通过互联网络构成统一的系统。系统采用分布式计算结构，即把原来系统内CPU处理的任务分散给相应的CPU，实现不同功能的各个CPU相互协调，共享系统的外设与软件。在分布式计算机系统中可以实现互联计算机之间的协调操作，共同完成一项任务，一个大型程序将被分布在多台

21、计算机上并行处理，从而加快了系统的处理速度。分布式计算机系统简化了主机的逻辑结构，特别适合于工业生产线自动控制和企事业单位的管理。分布式计算机系统因其成本低，易于维护，成为计算机在应用领域发展的一个重要方向。与分布式计算机系统不同，计算机网络是在网络操作系统的支持下，实现计算机之间的资源共享，而网络中的计算机则是独立进行工作的。随着网络技术的发展，计算机网络系统也开始具有了分布式计算机系统的功能，例如Windows 2000 Advance Server、Windows Server 2003、UNIX和Linux等操作系统就支持分布式计算机系统。所以，分布式计算机系统也称之为分布式计算机网络

22、。需要说明的是，计算机网络、联机多用户系统和分布式计算机系统在网络拓扑、硬件连接和通信控制上是相同的。1.3 计算机网络的分类计算机网络可以从不同的角度对其进行分类，例如从网络的交换功能可以把计算机网络分为电路交换、报文交换、分组交换和混合交换（同时采用电路交换和分组交换）四种，按通信媒体的不同可以分为有线网络、无线网络和混合网络（有线和无线混合网络）三种。下面着重介绍计算机网络的其他两种分类方法。1.3.1 按连接范围分类根据网络连接范围的大小，可以将计算机网络分为局域网和广域网两种。1局域网（LAN）局域网（Local Area Network，LAN）也称为局部网络，一般是将一个相对较多

23、小区域（一般在几百米到几千米以内）内的计算机通过高速通信线路相连（现在传输速度一般在10Mbit/s以上）后所形成的网络。随着计算机技术的发展和应用范围的拓宽，局域网的作用和地位将显得越来越突出。过去，只有一些大中院校、科研院所、大型企业才拥有局域网，但是随着计算机应用的普及，单机操作存在的弊端日渐突出，人们已不仅仅要求计算机之间的资源共享，而且如大型软件的开发、大型CAD系统的设计、大批量视频影像的处理等，都需要通过局域网来进行协同工作，如果离开了局域网，这些工作将很难正常进行下去。2城域网（MAN）城域网（Metropolitan Area Network，MAN），基本上是一种大型的LA

24、N，通常使用与LAN相同的技术。所以，目前在按连接范围分类时可直接分为局域网和广域网，而不再有城域网。它既可能是公用网，也可能是私用网。MAN可以支持数据和语音，还可能涉及有线电视网。把MAN列为单独一类的主要原因是已经有了一个标准并且正在被实施，这就是分布式队列双总线（distributed queue dual bus，DQDB），即IEEE 802.6。DQDB由两条单向总线（电缆）组成，所有的计算机都连接在这两条总线上，不存在交换单元，计算机把分组分流到几条可能的引出电缆的设备，如图1-6所示，每条总线都有一个端点（head-end），它是一个启动传输活动的设备，当目标计算机在发送计算

25、机的右边时使用上面一条总线，反之则使用下面一条总线。图1-6 DQDB城域网的结构MAN结构的关键是使用了广播式介质（IEEE 802.6），使用两条电缆，所有的计算机都连接在这两条电缆中间。和其他类型的网络相比，MAN结构可简化设计。3广域网（WAN）尽管局域网在一个较小的范围之内可以共享信息和资源，但它却不能连接远程站点，所以在较大范围之内共享信息时就需要使用广域网。广域网（Wide Area Network，WAN）也称为远程网络，指作用范围通常为几十千米到几千千米的网络。简单地说，广域网是将多个局域网互联后所产生的范围更大的网络，各局域网之间既可以通过速度较低的电话线进行连接，也可以通

26、过高速电缆、光缆、微波天线或卫星等远程通信方式连接。其实，大多数广域网都隶属于不同的公司或单位，它一般存在不同的两种类型：一种是连接范围较为庞大的网络，如扩展到城市中主要地区的城域网，又如遍及全球的因特网Internet；另一种是由多个局域网互联后形成的范围更大的网络，如由多个相对较远的分公司组成的企业网或由多个相对较远的分校组成的校园网等。1.3.2 按使用范围分类随着网络技术的发展和应用范围的扩展，在像Internet等公共信息网得到快速发展的同时，一些专用网络也不断出现并投入了使用。根据使用范围的不同，可以将计算机网络分为公用网和专用网两类。1公用网公用网（public network）

27、是为公众提供各种信息服务的网络系统，如Internet，只要用户能够遵守网络服务商的使用和管理规则，都可以申请使用。我国的公用网通常由电信部门负责建设和营运，许多国家则是由政府和私营企业建设和营运。2专用网专用网（private network）由组织、系统或部门根据实际需要自己投资建立，只为网络拥有者提供服务。例如军队、公安、铁路、电力等系统均拥有本系统的专用网。随着技术的发展，公用网和专用网在某些方面开始共存。例如，通过频分复用、时分复用等信道共享技术，可以实现公用网和专用网共享同一条数据链路。1.4 计算机网络的拓扑结构计算机网络是由多台具有独立功能的计算机组成的一个集合，那么这些计算机

28、之间是如何组织起来的呢？这就涉及网络中一个十分重要的概念：网络拓扑。设计网络图时首先需要学会用不同的图标代表不同的设备（如服务器、工作站、交换机、路由器等），然后再用一定的连线将这些设备连接起来，即用不同的连线代表不同的网络连线（即传输介质，如细缆、双绞线、光纤、微波、红外线等）。在网络中，将不同设备根据不同的工作方式进行连接称之为拓扑（topology）。国外通常又称为设计（design）、图解（diagram）、映像（map）、物理布局（physical layout）等。各种不同计算机网络系统的拓扑结构是不同的，同时不同拓扑结构的网络其功能、可靠性、组网成本等方面也不相同。由于计算机局域

29、网和广域网的连接范围不同，所采用的技术、连接方式也不一样，所以网络拓扑结构也存在一定的区别。1.4.1 局域网的拓扑结构目前，局域网中常见的标准拓扑结构有总线型（bus）、星型（star）和环型（ring）三种类型。1总线型（bus）如果网络上的所有计算机都通过一条电缆线相互连接起来，这种拓扑结构就称作总线型网络结构，如图1-7（a）所示。总线型网络结构是最简单的网络结构，其中不插入任何其他的连接设备。网络中的每台计算机均可以接收从某一节点传送到另一节点的数据，所以这种拓扑结构有时也称作点对点的拓扑结构。当总线型计算机网络上的计算机进行通信时，它就将数据转换成电信号，然后再将电信号发送到电缆线上。同时电缆线上的其他计算机均在监听传送中的信号，但是只有那个地址与信号中所含地址相匹配的计算机才能接收电缆上的信号，而具有其他地址的计算机均将对此信号不做反应。由于总线型网络中的所有计算机共享一条电