第1章 计算机网络概述

第1章计算机网络概述

£□本章任务：

»计算机网络的产生与定义

A计算机网络的组成

A计算机网络的分类

＞计算机网络的功能和应用

2

1.1计算机网络的产生与定义

计算机网络是通信技术和计算机技术相结合的产物，

它是信息社会最重要的基础设施，并将构筑成人类社会的

信息高速公路。

1.1.1计算机网络的产生与发展

计算机网络的产生和发展以通信技术的发展为基础，

通信技术不断更新和快速发展为计算机网络的产生奠定了

良好的基石。

❖1.通信技术的发展

♦:♦通信技术的发展经历了一个漫长的过程，1835年莫尔斯

发明了电报，1876年贝尔发明了电话，从此开辟了近代

通信技术发展的历史。通信技术在人类生活和两次世界大

战中都发挥了极其重要的作用o

❖2.计算机网络的产生

*1946年诞生了世界上第一台电子数字计算机，从而开创

了向信息社会迈进的新纪元。20世纪50年代，美国利用

计算机技术建立了半自动化的地面防空系统（SAGE）,

它将雷达信息和其他信号经远程通信线路送至计算机进行

处理，第一次利用计算机网络实现远程集中控制，这是计

算机网络的雏形。

1969年美国国防部的高级研究计划局（DARPA）建立了

世界上第一个分组交换网ARPAnet,即Internet的前

身，这是一个只有4个结点的存储转发方式的分组交换广

域网，1972年在首届国际计算机通信会议（ICCC）上首

次公开展示了ARPAnet的远程分组交换技术。

*3.计算机网络的发展

*计算机网络的发展过程大致可分为以下四个阶段:

♦:♦第一阶段：以单个计算机为中心的远程联机系统，构成面

向终端的计算机通信网（20世纪50年代）

♦:♦第二阶段：多个自主功能的主机通过通信线路互联，形成

资源共享的计算机网络（20世纪60年代末）

♦:♦第三阶段：形成具有统一的网络体系结构、遵循国际标准

化协议的计算机网络（20世纪70年代末）

♦:♦第四阶段：向互连、高速、智能化方向发展的计算机网络

（始于20世纪80年代末）

*(1)面向终端的计算机通信网

♦1946年世界上第一台电子计算机ENIAC在美国诞

生时，计算机技术与通信技术并没有直接的联系

o自50年代开始，人们及各种组织机构使用计算

机来管理他们的信息的速度迅速增长。

♦20世纪50年代初，美国为了自身的安全，在美国

本土北部和加拿大境内，建立了一个半自动地面

防空系统SAGE(译成中文为赛其系统)，进行

了计算机技术与通信技术相结合的尝试。人们把

这种以单个计算机为中心的联机系统称做面向终

端的远程联机系统。…

计算机

终端调制解调器

图1-1-2单机系统的典型结构示意图

♦:♦上述单机系统有以下两个主要缺点：

♦:♦①主机既要负责数据处理，又要管理与终端的通

信，因此主机的负担很重。

♦:♦②由于一个终端单独使用一根通信线路，造成通

信线路利用率低。止匕外，每增加一个终端，线路

控制器的软硬件都需要做出很大的改动。M

为减轻主机的负担，可在通信线路和计算机之间设置

了一个前端处理设置一个前端处理机（FEP）,FEP

专门负责与终端之间的通信控制，而让主机进行数据

处理；为提高通信效率，减少通信费用，在远程终端

比较密集的地方增加一个集中器，集中器的作用是把

若干个终端经低速通信线路集中起来，连接到高速线

路上。然后，经高速线路与前端处理机连接。前端处

理机和集中器当时一般由小型计算机担当，因此，这

种结构也称为具有通信功能的多机系统,如图所示。

图1-1-3具有通信功能的多机系统示意

(2)多个自主功能的主机通过通信线路互联的计算机网络(计

算机-计算机网络)

该阶段也被看作是以共享资源为主要目的计算机网络发展阶

段，它是由若干台计算机相互连接起来的系统，即利用通信

线路将多台计算机连接起来，实现了计算机与计算机之间的

通信。

“猛着计算机应用的发展，出现了多台计算机互连的需求。

这种需求主要来自军事、科学研究、地区与国家经济信息分

析决策、大型企业经营管理。他们希望将分布在不同地点的

计算机通过通信线路互连成为计算机-计算机网络。网络用户

可以通过计算机使用本地计算机的软件、硬件与数据资源，

也可以使用连网的其它地方计算机软件、硬件与数据资源，

以达到计算机资源共享的目的。

♦：♦1969年在美国国防部高级研究计划管理局建成的

ARPAnet是这一阶段的代表。20世纪60年代至

70年代，分组交换的概念首先被提了出来，与此

同时美国和前苏联两个超级大国一直处于相互对

立的冷战阶段，美国国防部为了保证不会因其军

事指挥系统中的主计算机遭受来自前苏联的核打

击而使整个系统瘫痪，委托其所属的高级研究计

划局完成将多个大学、公司和研究所的多台计算

机互连的课题，并于1969年通过直接对分组交换

的研究和应用，成功研制了世界上第一个计算机

网络——ARPAneto

*1969年ARPA网是计算机网络技术发展的一个重要的里程

碑，它对发展计算机网络技术的主要贡献表现在以下几个

方面：

♦:♦④完成了对计算机网络的定义、分类与子课题研究内容的

描述；

♦:♦②提出了资源子网、通信子网的两级网络结构的概念；

*③研究了报文分组交换的数据交换方法；

*④采用了层次结构的网络体系结构模型与协议体系。

♦ARPR网络研究成果对推动计算机网络发展的意义是深远

的。

♦:♦这一阶段网络结构上的主要特点是：以通信子网为中心，

多主机多终端。这种以通信子网为中心的计算机互连网络

的典型结构如下图所示：

M

H滑5

图1-1-4计算机互联网络的逻辑结构

♦:♦资源子网由网络中的所有主机、终端、终端控制器、外设

（如网络打印机、磁盘阵列等）和各种软件资源组成，负

瀛耦糠处理和向网络用户（工作站或终端）提供网

♦:♦通信子网由各种通信设备和线路组成，承担资源子网的数

据传输、转核和变热等通彳言处理工作。

♦网络用户对网络的访问可分为两类：

♦:♦①本地访问：对本地主机访问，不经过通信子网，只银i

源子网内部进行。机逐

生②网络访问：通过通信子网访问远地主机上的资源。

计算机网络的资源子网与通信子网的结构使网络的数据处

理与数据通信有了清晰的功能界面。计算机网络可以分成

资源子网与通信子网来组建。通信子网可以是专用的，也

可以是公用的。为每一个计算机网络都建立一个专用通信

子网的方法显然是不可取的，因为专用通信子网造价很高

、线路利用率低，重复组建通信子网投资很大，同时也没

有必要。

随着计算机网络与通信技术的发展，70年代中期世界上便

出现了由国家邮电部门统一组建和管理的公应通信子网，

即公用数据网PDN。早期的公用数据网采用模拟通信的电

话通（言网，新型的公用数据网采用数字传输技术和报文分

组交税方法。

♦:♦典型的公用分组交换数据有美国的TELENET、加拿大的

DATAPAC、法国的TRANSPAC、英国的PSS、日本的

DDX等。公用分组交换网的组建为计算机网络的发展提供

了良好的外部通信条件。

(3)标准、开放的计算机网络阶段

经过20世纪60年代和70年代前期的发展，人们对网

络技术、方法和理论的研究日趋成熟。，最终促成国际标

准的制定，遵循网络体系结构标准建成的网络称为第三代

网络。

♦:*70年代初，一些大学和研究所为实现实验室或校园内多台

计算机共同完成科学计算和资源共享的目的，开始了局部

计黄机网络的研究。

*1972年美国加州大学研制了Newhall环网；

♦：.1976年美国XEROX公司研究了总线拓朴的实验

性Ethernet网；

1974年英国剑桥大学研制了Cambridgering环网。

♦这些都为80年代多种局部网产品的出现提供了理论研究与

实现技术的基础，对局部网络技术的发展起到了十分重要

的作用。局域网是继远程网之后发展起来的小型计算机网

络，它继承了远程网的分组交换筏术和计算机的I/O总线

结构技术，并具有结构简单、经济实用、功能强大和方便

灵活等特点，是随着微型计算机的广泛应用而发展起

♦:♦目前存在着两种占主导地位的网络体系结

构：

♦:♦一种是国际标准化组织ISO提出的OSIRM

（开放式系统互连参考模型）；

♦:♦另一种是Internet所使用的事实上的工业标

准TCP/IPRM（TCP/IP参考模型）o

对于这两种网络参考模型的详细内容我

们将在后面的章节中加以详细的论述。

♦:*(4)高速、智能的计算机网络阶段

♦:♦从20世纪80年代末开始，计算机网络技术进入新

的发展阶段，其特点是：互联、高速和智能化。

表现在：

♦:♦近年来，随着通信技术，尤其是光纤通信技术的

发展，计算机网络技术得到了迅猛的发展。光纤

作为一种高速率、高带宽、高可靠性的传输介质

,在各国的信息基础建设中使用越来越广泛，这

为建立高速的网络铺垫了基础。

-Jllft

♦①发展了以Internet为代表的互联网

♦:internet是覆盖全球的信息基础设施之一，对于用

户来说，它像是一个庞大的远程计算机网络。用

户可以利用Internet实现全球范围的电子邮件、电

子传输、信息查询、语音与图像通信服务功能。

♦:♦②发展高速网络

1993年美国政府公布了“国家信息基础设施”行动

计戈U(NII-NationalInformationInfrastructure),即

信息高速公路计划。这里的“信息高速公路”是指

数字化大容量光纤通信网络，用以把政府机构、

企业、大学、科研机构和家庭的计算机联网O

♦:♦③研究智能网络

♦:♦随着网络规模的增大与网络服务功能的增

多，各国正在开展智能网络INQntelligent

Network）的研究，以提高通信网络开发业

务的能力，并更加合理地进行网络各种业

务的管理，真正以分布和开放的形式向用

户提供服务。

♦:♦智能网的概念是美国于1984年提出的，智

能网的定义中并没有人们通常理解的“智能”

含义，它仅仅是一种‘业务网，目的是提高

通信网络开发业务的能力。M

♦:♦从计算机网络的产生我们可以清楚的看到，没有

通信技术和计算机技术的发展作为基础，就没有

计算机网络技术的产生和快速发展。计算机网络

是计算机技术和通信技术相结合的产物，这主要

体现在两个方面：一方面，通信技术为计算机之

间的数据传递和交换提供了必要的手段；另一方

面，计算机技术的发展渗透到通信技术中，又提

高了通信网络的各种性能。即使到了今天当光纤

代替铜缆，个人电脑代替很多专用计算机，服务

器代替一些大型计算机的时代，我们看到计算机

网络已经有了一个非常螯荣的今天，并且即将迎

来了一个更加光明的未乘。

112计算机网络的定义

♦:♦所谓计算机网络，是指利用通信设备和线路，将

分布在不同地理位置的、功能独立的多个计算机

系统连接起来，以功能完善的网络软件（即网络

通信协议、信息交换方式和网络操作系统等）实

现网络中资源共享和信息传递的系统

♦:♦概括起来说，计算机网络的定义涉及到以

下四个要点：

❖1.通信线路

❖2.网络结点

♦33.网络协议

❖4.网络操作系统

通信线路—网络综合布线工程

网络结点——无线接入技术、计算机技术、网络设备工程

计算机网络方向

W网络协议——网络新技术协议统一与研究

网络操作系统——网页网站建设、网络程序开发、

网络操作系统管理

网络服务管理与配置

♦:♦我们可以把计算机网络理解为独立的计算

机结构的延伸，如下图所示：

1.2计算机网络的组成

1.2.1计算机网络硬件

网络硬件是计算机网络系统的物质基础。要

构成一个计算机网络系统，首先要将计算机及其

附属硬件设备与网络中的其它计算机系统连接起

来。

1.主机(Host)

2.终端(Terminal)

3.传输介质

❖4.常见连网设备

♦：♦(1)网卡(NIC-NetworkInterfaceCard)

网卡又称为网络适配器或网络接口卡,

，如图1-2-

1所示。

图121PCI网卡和PCMCIA网卡

*(2)调制解调器(Modem)

Modem是一种信号转换装置。

其作用是：发送信息时，将计算机的数字

信号转换成可以通过模拟通信线路传输的

模拟信号，这就是“调制”；

接收信息时，把模拟通信线路

上传来的模拟信号转换成数字信号传送给

计算机，这就是“解调”。

*(3)中继器(Repeater)与集线器(HUB)

中继器是最简单的网络延伸设备，其作

用就是放大通过网络传输的数据信号。

*9,需

|口onta

中继四

a工作站n工用站工隹站

图1-2-2中继器连接示意图1-2-3集线器连接示

*(4)网桥(Bridge)

♦:♦网桥的作用是扩展网络的距离，减轻网络

的负载。由网桥隔开的网络段仍属于同一

网络，有相同的网络地址，但分段地址不

同。

♦:♦⑸路由器(Router)

♦:♦路由器用于连接多个逻辑上分开的网络。

当数据从一个子网传输到另一个子网时，

可通过路由器来完成。

♦(6)其它

♦:♦除了上面提到的连网设备，在广域网中还用到以下设备:

♦☆线路控制器：主计算机或终端设备与线路上调制解调

器的接口设备。

☆通信控制处理机：负责通信处理工作的计算机。有多

种名称，如，通信控制机(CCP-Communication

ControllerProcessor)>前端处理机(FEP-FrontEnd

Processor)>接口报攵处理机(IMP-lnterfaceMessage

Processor，等。

♦:♦☆集中器、多路选择器：通过通信线路分别和多个远程

终端相连接的设备。

*122计算机网络软件

♦:♦网络软件主要包括：

*1.网络操作系统：网络操作系统是网络的

心脏和灵魂，负责管理和调度网络上的所

有硬件和软件资源，使各个部分能够协调

一致的工作，为用户提供各种基本网络服

务，并提供网络系统的安全性保障。

♦:♦常用的网络操作系统有Windows2000

Server、Netware、Unix>Linux等。

♦:*2.网络通信协议：

♦：♦在网络中，为了使网络设备之间能成功地发送

和接收信息，必须制定相互都能接受并遵守的语

言和规范，这些规则的集合就称为网络通信协议

♦:♦如TCP/IP、SPX/IPX、NetBEUI等。

❖3.网络数据库系统：

♦网络数据库系统是建立在网络操作系统之上的一

种数据库系统，可以集中驻留在一台主机上（集

中式网络数据库系统），也可以分布在每台主机

上（分布式网络数据库系统）

❖4.网络管理软件：用来对网络资源进行管

理和对网络进行维护。

❖5.网络工具软件：用来扩充网络操作系统

功能的软件，如，网络通信软件、网络浏

览器、网络下载软件等。

❖6.网络应用软件：基于计算机网络应用而

开发并为网络用户解决实际问题的软件。

如，铁路联网售票系统、物流管理系统、

连锁超市销售管理系统等。

1.3计算机网络的分类

❖1.3.1按网络的拓扑结构分类

♦:♦网络拓扑可反映网络中各实体之间的结构

关系，有星形、总线形、环形、树形和网

状形等，其中星形、总线形、环形是三种

基本的拓扑结构。

图1-3-1计算机网络的几种拓扑结构

星形结构

♦:♦星形结构是周域网中最常用的物理拓扑结构，，

一种集中控制疝的结沟(如图(a)所示)：以一口

设备为中央结点，其它外围结点都通过一条点到

点的链路单独与中心结点相连，各外围结点之间

的通信必须通过市央结点进行。

♦:♦这种拓扑结构的优点是：结构简单，容易实现，

在网络中增加新的结点也很方便，易于维护、管

理及实现网络监控，某个结点与中央结点的链路

故障不影响其它结点间的正常工作。

♦:♦缺点是：对中央结点的要求较高。如果中央结点

发生故障，就会造成整个网络的瘫痪。

.A

*2.环形结构

♦:♦环形结构如图(b)所示，各结点通过链路连接，在

网络中形成一个首尾相接的闭合环路，信息在环

中作单向流动，通信线路共享。

♦:♦这种拓扑结构的优点是：结构简单，容易实现，

信息的传输延迟时间固定，且每个结点的通信机

会相同。缺点是：网络建成后，增加新的结点较

困难；止匕外，链路故障对网络的影响较大，只要

有一个结点或一处链路发生故障，则会造成整个

网络的瘫痪。

♦:*3.总线形结构

♦:♦总线形结构如图⑹所示，网络中的所有结点均连接到一

条称为总线的公共线路上，即所有的结点共享同一条数

据通道，结点间通过广播进行通信。

♦:♦这种拓扑结构的优点是：连接形式简单、易于实现、组

网灵活方便、所用的线缆最短、增加和撤消结点比较灵

活（不如星形结构），个别结点发生故障不影响网络中

其它结点的正常工作。

♦:♦缺点是：传输能力低，易发生“瓶颈”现象；安全性低，

链路故障对网络的影响大，总线的故障会导致网络瘫痪

；此外结点数量的增多也影响网络性能。

❖4.其它结构

♦:♦树形结…构：…该…结构…可…以看八彳一’、；如图⑹所示。窿日了伟霸

结构，具有根结点和各分rT/5o

之外，所有根结点和子结点都具有转发功能，其结构比星形

结构复杂，数据在传输的过程中需要经过多条链路，时延较

大，适用于分级管理和控制系统，是一种广域网常用的拓扑

幺吉木勾

♦:♦网状形结构：该结构由分布在不同地点、各自独立的结点经

链路连接而成，每一个结点至少有一条链路与其它结点相连

,每两个结点间的通信链路可能不止一条，需进行路由选择

，如图(e)防不。

♦:♦其优点是：可靠性高、灵活性好、结点的独立处理能力强、

信息法输容量大；

♦:♦缺点是：结构复杂、管理难度大、投资费用高。网状形结杓

是一种广域网常用的拓扑结构，互联网大多也采用这种结陶

❖1.3.2按网络的地理覆盖范围分类

♦:♦根据计算机网络所覆盖的地理范围、信息的传输

速率及其应用目的，计算机网络通常被分为局域

网（LAN）、城域网（MAN）、广域网（WAN）

、接入网（AN）o

.局域网（LAN,LocalAreaNetwork）

♦局域网也称局部网，是在局部范围内构建的

网络，是指将有限的地理区域内的各种通信设备

互连在一起的通信网，其覆盖范围一般在几公里

以内，通常不超过10公里，属于一个部门或单位

组建的小范围网络。

❖2.广域网(WAN,WideAreaNetwork)

♦:♦广域网指的是实现计算机远距离连接的计算机网

络，可以把众多的城域网、局域网连接起来，也

可以把全球的区域网、局域网连接起来。

<♦3.城域网(MAN,MetropolitanAreaNetwork)

♦:♦城域网有时又称之为城市网、区域网、都市网，

其规模介于局域网与广域网之间，范围可覆盖一

个城市或地区，一般距离从几十千米到上百千米

4.接入网(AN,AccessNetwork)

♦:♦接入网又称为本地接入网或居民接入网。

它是近年来由于用户对高速上网需求的增

加而出现的一种网络技术，如图1.4所示。

局域।可接入网企业网

图1.4广域网、城域网、接入网和局域网的关系

♦:♦对于几种常用的网络，我们可以将它们的特点总

结如下表：

覆盖传输速使用方向

范围度稳定性

LAN很小很快稳定局部资源共学，部分网络服务应

用

MAN小快稳定城市范围内的网络服务应用

全

WAN大较快较稳定

用

❖1.3.3按网络的管理方式分类

♦:♦网络按照其管理方式可分为：客户机/服务器网络和对等

网络。

❖1.客户机/服务器网络(Client/server)

在客户机/服务器网络中(以下简z称C/S结构)，有一

台或多台高性能的计算机专门为其它计算机提供服务，这

类计算机称之为服务器；而其它与之相连的用户计算机通

过向服务器发出请求可获得相关服务，这类计算机称之为

客户机。

♦2.对等网络

对等网络也称为点到点网络，指两台计算机之间通过一条

物理线路连接。

♦134按网络的使用范围分类

♦网络按照其使用范围可分为公用网和专用网。

♦1.公用网

公用网一般是由国家邮电或电信部建设的通信网络，由政府电信部

、】管理和控制。按规定缴纳相关租用费用的部门和个人均可以使用公

用网。例如公共电话交换网PSTN、数字数据网DDN、综合业务数字

网ISDN等

❖2.专用网

♦:♦专用网是指单位自建的、满足本单位业务

需求的网络。专用网不向本单位以外的人

提供服务。如，金融、石油、军队、铁路

、电力等系统均拥有本系统的专用网。

♦:♦随着信息时代的到来，各企业纷纷采用

Internet技术建立内部专用网(Intranet)。它

以TCP/IP协议作为基础，以Web为核心应

用，构成统一和便利的信息交换平台。

14计算机网络的功能和应用

1.4.1计算机网络的功能

数据通信

♦:♦数据通信是计算机网络最基本的功能之一，利用这一功能

,分散在不同地理位置的计算机就可以相互传输信息。该

功能是计算机网络实现其他功能的基础。

*2.计算机系统的资源共享

♦:♦对于用户所在站点的计算机而言，无论硬件还是软件，性

能总是有限的。一台个人电脑用户，可以通过使用网中的

某一台高性能的计算机来处理自己提交的某个大型复杂的

问题，用户还可以像使用自己的个人电脑一样，使用网上

的一台高速打印机打印报表、文档等。

❖3.进行数据信息的集中和综合处理

♦:♦将分散在各地计算机中的数据资料适时集

中或分级管理，并经综合处理后形成各种

报表，提供给管理者或决策者分析和参考

,如自动订票系统、政府部门的计划统计

系统、银行财政及各种金融系统、数据的

收集和处理系统、地震资料收集与处理系

统、地质资料采集与处理系统等。

祗

❖4.均衡负载，相互协作

♦:♦当某一个计算中心的任务很重时，可通过

网络将此任务传递给空闲的计算机去处理

,以调节忙闲不均现象。

❖5.提高了系统的可靠性和可用性

当网中的某一处理机发生故障时，可由别

的路径传输信息或转到别的系统中代为处

理，以保证用户的正常操作，不因局部故

障而导致系统的瘫痪。

❖6.进行分布式处理

♦:♦对于综合性的大型问题可采用合适的算法

,将任务分散到网中不同的计算机上进行

分布式处理。

以上列举的只是一些计算机网络的常用

功能，随着计算机技术的不断发展，计算

机网络的功能和提供的服务将会不断增加

❖1.4.2计算机网络的应用

❖1.方便的信息检索

♦:♦计算机网络使我们的信息检索变得更加高

效、快捷，通过网上搜索、WWW浏览、

FTP下载，我们可以非常方便地从网络上

获得所需的信息和资料。

❖2.现代化的通信方式

♦：.网络上使用最为广泛的电子邮件目前已经

成为一种最为快捷、廉价的通信手段。

.A

*3.办公自动化

♦:♦通过将一个企业或机关的办公电脑及其外部设备

连成网络，既可以节约购买多个外部设备的