第1章 计算机网络概述

第1章计算机网络概述计算机网络技术在通信技术高速发展的今天，计算机网络已走进我们生活的每个角落，它的诞生使计算机体系结构发生了巨大变化，在当今社会经济中起到了非常重要的作用，对人类社会的进步做出了巨大贡献。计算机网络是现代通信技术与计算机技术紧密结合的产物，从某种意义上讲，计算机网络的发展水平不仅反映了一个国家的计算机科学和通信技术水平，而且已经成为衡量其国力及现代化程度的重要标志之一。大家天天都在用网络，但我们是否真正了解计算机网络？带着疑问，让我们从计算机网络的形成与发展入手，来了解计算机网络吧。引子【知识目标】1.学习计算机网络的形成与发展过程。2.学习计算机网络的定义、组成、分类等基本概念。3.学习计算机网络常见的拓扑结构。4.学习计算机网络领域的新技术。【技能目标】1.熟悉计算机网络的形成与发展过程。2.掌握计算机网络的定义、组成、分类等基本概念。3.了解计算机网络领域的新技术。【素养目标】1.培养学生的自主学习能力、思考问题能力和认识世界的能力。2.培养学生认真、严谨的品质。3.培养学生的创新和爱国精神。4.了解行业发展和就业趋势，激发学生的学习兴趣。学习目标1.1计算机网络形成与发展1.1.1计算机网络的形成过程

任何一种新技术的出现通常都遵循一条规律，即强烈的社会需求与先期技术的成熟。一般来讲，计算机网络的发展可分为4个阶段。第一个阶段：为单主机远程联机系统。第二个阶段：以资源共享为目的的多主机、多终端的互联通信网络。第三个阶段：面向全球范围的开放式、标准化计算机网络。第四个阶段：高速、智能化的计算机网络。1.1.2单主机远程联机系统1946年，世界上第一台电子数字计算机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。20世纪50年代初，由于美国军方的需要，美国半自动地面防空系统SAGE进行了计算机技术与通信技术相结合的尝试。在这项研究的基础上，人们实现了以单个计算机为中心的联机系统称作面向终端的远程联机系统。当时，计算机主机昂贵，而通信线路和通信设备的价格相对便宜，为了共享主机资源和进行信息的采集及综合处理，联机终端网络是一种主要的系统结构形式，这种以单计算机为中心的联机系统如图1-1所示。图1-1以单计算机为中心的远程联机系统1.1.2单主机远程联机系统面向终端的远程联机系统即多个终端用户分时占用主机上的资源，这种结构被称为第一代网络。在单处理机联机网络中，主机既要承担通信工作又要承担数据处理工作，因此，主机的负荷较重且效率低。另外，每一个分散的终端都要占用一条通信线路，线路利用率低，且随终端用户的增多，系统费用也在增加。因此，为了提高通信线路的利用率并减轻主机的负担，便使用了多点通信线路、集中器以及通信控制处理机。多点通信线路就是在一条通信线路上连接多个终端，如图1-2所示，多个终端可以共享同一条通信线路与主机进行通信，极大地提高信道的利用率。图1-2多点通信线路1.1.2单主机远程联机系统前端处理器（Front-EndProcessor，FEP）或称通信控制处理机（CommunicationControlProcessor，CCP）的作用就是完成全部的通信任务，让主机专门进行数据处理，以提高数据处理的效率，如图1-3所示。图1-3使用FEP和集中器的通信系统1.1.3多主机互联系统随着计算机应用的发展，出现了多台计算机互联的需求。这一阶段研究的典型代表是美国国防部高级研究计划局（AdvancedResearchProjectsAgency，ARPA）的ARPAnet（ARPA网）。1969年美国国防部高级研究计划局提出将多个大学、公司和研究所的多台计算机互联的课题。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。（1）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。各主机间资源共享，是真正意义上的计算机网络。（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。多主机互联系统1.1.4标准化计算机网络计算机网络发展的第三个阶段是加速体系结构与协议国际标准化的研究与应用，特征是网络体系结构的形成和网络协议的标准化。国际标准化组织ISO提出了OSIRM——开放系统互连参考模型。1.1.5智能化的计算机网络及其发展目前计算机网络的发展正处于第四个阶段。这一阶段计算机网络发展的特点是：互联、高速、智能与更为广泛的应用。1.2计算机网络的基本概念1.2.1

计算机网络的定义

计算机网络是通过通信设备和通信线路，将分布在不同地理位置且功能独立的多个计算机系统相互连接，按照相同的通信协议，在网络操作系统的管理和控制下，实现资源共享和高速通信的系统。一般来讲，构成计算机网络的要素有4点。（1）两台或两台以上功能独立的计算机相互连接，以达到相互通信的目的。（2）计算机之间要用通信设备和传输介质连接起来。（3）计算机之间通信要遵守相同的网络通信协议。（4）具备网络软件、硬件资源管理功能，以达到资源共享的目的。1.2.2

计算机网络的组成1．计算机网络的逻辑组成

计算机网络按逻辑功能可分为资源子网和通信子网两部分。

资源子网是计算机网络中面向用户的部分，负责数据处理工作，相当于OSI模型中高四层的功能，OSI模型会在本书的第3章讲授。通信子网是网络中的数据通信系统，它由用于信息交换的网络节点处理机和通信链路组成，主要负责通信处理工作，相当于OSI模型中低三层的功能。

为了使网络内各计算机之间的通信可靠、有效，通信各方必须共同遵守统一的通信规则即通信协议。1.2.2

计算机网络的组成2．计算机网络的物理组成计算机网络按物理结构可分为网络硬件和网络软件两部分，计算机网络的物理组成如图1-4所示。硬件：计算机、网络设备和传输介质软件：网络系统软件和网络应用软件图1-4计算机网络的物理组成1.2.3

计算机网络的功能1．计算机网络的主要功能（1）数据通信。如电子邮件、网上聊天等。（2）资源共享。如网上浏览新闻、查找学习资料等，学校的电子阅览室。（3）提高安全与可靠性。如网络中一般不设中心计算机，各个计算机的地位是平等的，因而整个网络不会因个别计算机故障而瘫痪，提高了系统的可靠性。（4）数据信息的集中和综合处理。如分散在各地的计算机中的数据资料，可以通过网络系统适时地集中或分级管理，经综合处理后形成的各种数据、图表，可提供给用户使用。1.2.3

计算机网络的功能2．因特网的主要功能（1）收发电子邮件。（2）浏览万维网。（3）阅读网络新闻。（4）电子公告。（5）远程登录。（6）下载资料。（7）信息查询。（8）实时交谈和电子商务。1.2.4计算机网络的分类

由于计算机网络自身的特点，其划分有多种形式，比如，可以按网络的作用范围、网络的传输方式、通信介质以及网络的使用范围等划分。1．按网络的作用范围划分按网络所覆盖的地理范围，计算机网络可分为局域网、城域网和广域网。（1）局域网（LocalAreaNetwork，LAN）。局域网是计算机通过高速线路连接组成的网络，一般限定在较小的区域内局域网的主要特点如下。●建设单位自主规划、设计、建设和管理。●传输速度高，但网络覆盖范围有限。●主要面向单位内部提供各种服务。1.2.4计算机网络的分类（2）城域网（MetropolitanAreaNetwork，MAN）。城域网一般限定在一座城市范围内，覆盖的地理范围半径从几十千米到数百千米。城域网的主要特点如下。●建设城市自主规划、设计、建设和管理。●传输速度较高，网络覆盖范围局限在一个城市。●面向一个城市或一个城市的某系统内部提供电子政务、电子商务等服务。1.2.4计算机网络的分类（3）广域网（WideAreaNetwork，WAN）。广域网的覆盖范围很大，覆盖范围半径从数百千米到数千千米，可以是一个地区或一个国家，甚至世界几大洲，故又称远程网。广域网的主要特点如下。●建设涉及国际组织或机构。●网络覆盖范围没有限制。●长距离的数据传输容易出现错误。●传输速度受限。●管理复杂，建设成本高。1.2.4计算机网络的分类

由于计算机网络自身的特点，其划分有多种形式，比如，可以按网络的作用范围、网络的传输方式、通信介质以及网络的使用范围等划分。2．按网络的传输方式划分（1）点对点传输方式。（2）广播传输方式。

在广播网络中，若某个分组发出以后，网络中的每一台机器都接收并处理它，则称这种方式为广播（Broadcast）；若分组是发送给网络中的某些计算机，则被称为多点广播或组播（Multicast）；若分组只发送给网络中的某一台计算机，则称为单播（Unicast)。1.2.4计算机网络的分类

3．按通信介质划分（1）有线网。有线网指采用双绞线、同轴电缆、光纤等物理介质传输数据的网络。

●双绞线。网是目前最常见的联网方式之一，它比较经济且安装方便，传输速率的抗干扰能力一般，广泛应用于局域网中；可以通过电话线上网、现有电力网电缆上网。

●同轴电缆。

●光纤。光纤网采用光导纤维作为传输介质，光纤传输距离长、传输速率高，且抗干扰能力强，不会受到电子监听设备的监听，是安全性网络的理想选择。（2）无线网。无线网指使用电磁波作为传输介质的计算机网络，它可以传送无线电波和卫星信号。无线网包括以下几种网络。、无线电话网、语音广播网、无线电视网、微波通信网、卫星通信网。1.2.4计算机网络的分类

4．按网络的使用范围划分（1）公用网。公用网一般由政府的电信部门组建、管理和控制，网络内的传输和交换装置可提供（如租用）给任何部门或单位使用。（2）专用网。专用网是由某个单位或部门组建的，不允许其他部门或单位使用，例如：金融、石油、铁路、电力、证券、保险等行业都有自己的专用网。5．按网络控制方式划分（1）集中式计算机网络。（2）分布式计算机网络。6．按拓扑结构划分计算机网络按照网络的拓扑结构类型，可分为总线型、星形、环形、树形、复合型或网状等。1.3计算机网络的拓扑结构1.3计算机网络的拓扑结构

将网络中的计算机和通信设备等网络单元抽象为“节点”，把网络中的传输介质抽象为“线”。网络拓扑就是通过网中节点和通信线路之间的几何关系来表示网络结构，反映网络中各实体的结构关系。计算机网络的拓扑结构定义可描述为：网络中各节点物理上连接的几何形状。计算机网络按照不同的网络拓扑结构，可分为总线型结构、环形结构、星形结构、树形结构和网状结构等，如图1-8所示。图1-8常见计算机网络拓扑结构1.3计算机网络的拓扑结构1．总线型结构

在总线型拓扑结构中，采用单根传输线路作为公共传输信道，所有网络节点通过专用的连接器连接到这个公共信道上，这个公共信道被称为总线。任何一个节点发送的数据都能通过总线进行传播，同时能被总线上的所有其他节点接收，即当某一连接的设备监听到总线上有传输的数据时，只接收与自己地址匹配的数据。可见，总线型拓扑结构的网络是一种广播式网络。典型的总线型拓扑结构的网络是粗、细同轴电缆以太网。总线型拓扑结构如图1-8（a）所示。总线型拓扑结构网络的特点：结构简单，易于扩充，但网络中节点多时，传输速度会减小。1.3计算机网络的拓扑结构2．环形结构

对于环形拓扑结构，网络上每个工作站有两个连接，分别连接离其最近的左右邻居，全网各节点和通信线路的连接形成一个闭合的物理回路即环。数据绕环单向传输，每个工作站作为中继器工作，接收和响应与其地址匹配的分组，将其他分组发至下一个“下游”站。环形拓扑结构如图1-8（c）。典型的环形拓扑结构的网络是FDDI网络。环形拓扑结构网络的特点：路径选择简单、传输延迟确定，但增减节点较复杂、单环传输不可靠。1.3计算机网络的拓扑结构3．星形结构

在星形拓扑结构中，网络中所有的节点都连接到一个网络中继设备上，如集线器、交换机等，中继设备从其他的网络设备那里接收信号，然后确定路线发送信息到正确的目的地。每一个网络设备都能独立访问介质，共享或独立使用各自的带宽进行通信。星形拓扑结构如图1-8（b）所示。典型的星形拓扑结构的网络是使用集线器或交换机连成的以太网。

星形拓扑结构网络的特点：结构简单、易于实现、维护容易。其优点是当某台计算机或某条电缆出现问题时，不会影响其他计算机正常通信。缺点是每台计算机都通过一条专用电缆和中心节点相连，比较浪费电缆，而且中心节点（集线器或交换机）的故障会直接造成网络瘫痪。星形拓扑成为目前非常常用的一种拓扑结构。1.3计算机网络的拓扑结构4．树形结构

树形结构是从总线型结构和星形结构演变而来的，是一种分层结构，如图1-8（d）所示。各节点按一定的层次连接起来，其形状像一棵倒置的树，故取名为树形结构。在树形结构的顶端有一个根节点，它带有分支，每个分支也可以带有子分支。树形结构与带有几个段的总线型结构的主要区别在于根节点。树形拓扑结构可以看成星形拓扑结构的一种扩展，它适用于分级管理和控制的网络系统，其特点同星形结构。1.3计算机网络的拓扑结构5．网状结构

网状结构是指将各网络节点与通信线路互联成不规则或规则的形状，每个节点至少与其他两个节点相连，如图1-8（e）所示。大型互联网一般都采用网状结构，例如，中国教育和科研计算机网（ChinaEducationandResearchNetwork,CERNET)以及国际互联网Internet的主干网部分。在网状结构的网络中，传输数据时可充分、合理地使用网络资源，并且具有很高的可靠性，但这种可靠性是以高投资和高复杂度的管理为代价的。1.4计算机网络领域的新技术1.4.1虚拟化技术虚拟化技术是一种资源管理技术，是将计算机的各种实体资源，如服务器、网络、内存及存储等，予以抽象、转换后呈现出来，清除实体结构间不可切割的障碍，使用户可以用比原本的组态更好的方式来应用这些资源。虚拟化技术与多任务以及超线程技术是完全不同的。虚拟化技术是云计算中非常关键的技术，将虚拟化技术应用到云计算平台中，可以获得更良好的特性。虚拟化技术可以分为平台虚拟化、资源虚拟化和应用程序虚拟化3类。我们通常所说的虚拟化技术主要指平台虚拟化技术，是针对计算机和操作系统的虚拟化。平台虚拟化通过使用控制程序，隐藏特定计算机平台的实际物理特性，为用户提供抽象的、统一的、模拟的计算机环境。未来虚拟化的发展将是多元化的，将包括服务器、存储、网络等更多元素的虚拟化，用户将无法分辨哪些是虚，哪些是实。虚拟化将改变传统IT架构，并且将互联网中的所有资源连在一起，形成一个大的计算中心，而我们不用关心这一切，只需要关心提供给我们的服务是