计算机网络

参考教材《计算机网络》（21世纪大学本科计算机专业系列教材）吴功宜编著清华大学出版社《计算机网络原理》（第二版）李增智、陈妍等编著西安交大出版社《数据通信与网络教程》(美)William A.Shay著高传善等译机械工业出版社《数据通信与计算机网络》（面向21世纪课程教材）高传善、钱松荣、毛迪林等编著《计算机网络--自顶向下方法与Internet特色》James F.Kurose Keith W.Ross高等教育出版社第一章概述本章内容主要包括：计算机网络的产生与发展、计算机网络的概念，计算机网络与其他相关系统之间的区别和联系、计算机网络的分类、计算机网络的基本组成与基本结构等方面的内容。

《计算机网络》是“计算机网络课程群”的主干课程。

计算机网络课程群主要课程包括：《计算机网络》、《计算机网络工程》、《分布式软件开发技术》、《信息安全及实践》、《嵌入式系统》、《网络协议分析与设计》、《网络存储技术》等。

1.1计算机网络的一般概念1.1.1计算机网络的发展历程1．具有远程通信功能的联机系统阶段图1-1为联机终端网络系统示意图。

图1-1远程联机系统构成在联机终端网络系统中，主机（HOST）采用分时多用户操作系统，与多处理机网络相比较存在三个明显的不足：①.主机负荷较重，既要承担通信工作，又要承担数据处理，主机效率低；②.远程终端通过专线与主机相连，通信线路的利用率低，通信费用高；③.采用集中控制方式，可靠性较低。

图1-2为具有远程通信功能的多机系统的示意图。

图1-2多机联机系统构成具有远程通信功能的联机系统称为第一代网络。

2．计算机互连系统阶段从60年代中期至70年代中期，随着计算机技术和通信技术的发展，利用通信线路把多个具有通信功能的联机系统连接起来，构成了多处理机为中心的网络系统。

如图1-3所示。

在计算机互连系统中，主机间的通信通过CCP的中继功能间接进行。

由CCP及其连接线路组成的传输网络称为通信子网，负责网上各主机间的通信控制及数据传输，是网络的内层或骨架层；网上的各主机负责数据的存储和处理，是计算机网络资源的拥有者，它们构成了网络的资源子网，是网络的外层。

通信子网和资源子网组成了统一的资源共享的计算机网络系统。

这种具有两层逻辑结构的计算机—计算机网络称为第二代网络。

3．体系结构标准化阶段为了实现各类网络的互联、适应更大范围的资源共享、促进网络的开放性及标准化程度，国际标准化组织（ISO）于70年代后期开始制定一系列国际标准，并于1981年正式公布了“开放系统互连参考模型”（OSI—Open System Interconnection Basic Reference Model)，从而确立了计算机网络的体系结构。

按照标准化的体系结构建立的计算机网络称为第三代网络。

1.1.2计算机网络的定义及功能1．计算机网络的定义对于计算机网络（Computer Network）在不同的阶段或从不同的观点看，其定义也不尽相同。

目前，一种公认的定义是：将分布在不同地理位置上的具有独立功能的计算机及其外部设备，通过通信线路和设备连接起来，按照某种事先约定的规则（通信协议）进行信息交换，以实现资源共享的系统称为计算机网络。

2．计算机网络的功能⑴共享资源计算机网络的主要目的是资源共享。

共享的资源有：硬件资源，如CPU处理能力、输入/输出设备、传输介质、存储设备、终端设备等；软件资源，包括各种系统软件、应用软件、服务程序、标准协议等；数据资源，如各种数据文件、数据库等，数据形式可以是数字数据、语音数据、图形图象数据等。

⑵分布式处理包括分布式输入、分布式处理和分布式输出三个方面。

其中分布式输入和分布式输出是指将大量的数据输入/输出工作分散在多个计算机上进行，以解决输入/输出的“瓶颈”问题，提高设备的利用率；分布式处理则指对于一些大型的综合性问题，把数据处理的功能分散到多个计算机上进行处理，对网络中的资源进行合理的配置和选择，加快运算速度。

⑶提高可靠性和可扩充性在单机环境中，应用系统的可靠性由主机确定，而在网络系统中，分布式处理可使运行环境更加广泛，应用系统的可靠性和稳定性不因少数设备的故障而受影响。

随着应用需求的增长，只需在网络中增加适量的处理机数量，即可使网络系统和应用范围方便地扩充，而不需要对设备进行更新升级。

⑷信息通信实现计算机之间信息的交换，使分散于不同地域的数据和信息进行集中管理和控制。

通过电子邮件（E-mail）、传真、远程数据交换等功能，使网络成为一种有力的通信手段，完成网络会议、多媒体信息传输、图文电视、远程教学、协同工作、政务公开、家庭办公等各种以信息交换为基础的网络服务。

1.2计算机网络的构成及分类1.2.1计算机网络的构成要素尽管计算机网络的组成较复杂，但其构成的基本要素却很简单，主要包括共享能力、联系通道和通信规则三个方面。

1．共享能力共享能力反映出网络系统所提供的服务能力，主要包括：文件服务、打印服务、消息服务、应用服务、数据库服务等。

2．联系通道即传输媒介，是实现计算机间及其各种设备间互连的介质，是信息传输的通路，这条传输通路可以是有线的，也可以是无线的。

3．通信规则即通信协议。

通信协议一般与网络的特性、结构、所提供的服务类型等有关，主要涉及介质的连接方式、信息的组织、传输、控制、检错等定义。

1.2.2计算机网络的分类对计算机网络进行分类，目的在于加深对网络特性的全面理解。

从不同的角度观察网络系统，可有不同的划分方法。

1．按规模划分⑴广域网WAN（Wide Area Network）：又称远程网，网络覆盖范围一般为几十至几千公里；传输介质通常使用公共媒介，如公用数据网、电话网、卫星、光纤等；传输速率一般低于1M bps。

目前最大的广域网是Internet网。

⑵局域网LAN（Local Area Network）：网络作用范围一般为十公里以内，通常为一个单位所有；采用专用传输介质，常见的有同轴电缆、双绞线、光纤等；数据传输速率可达每秒几十兆位至每秒几百兆位。

局域网具有距离短、传输率高、出错率低、响应快、组网灵活、使用方便、建设费用低等特点，是目前网络领域发展和应用最活跃的分支。

有时，在WAN和LAN之间又划分出城域网MAN（Metroplitan Area Network），其规模界于二者之间，运行方式与LAN相似。

2．按逻辑划分⑴资源子网：由网络中的所有主机、I/O设备、各种软件、数据资源等构成，负责全网的数据维护及管理，向用户提供各种网络资源和网络服务。

⑵通信子网：包括用于信息交换的节点处理机、通信链路和各种连接设备组成的独立的数据通信系统，承担全网的数据传输、中继转接、加工和格式转换等通信处理工作，是用户使用资源子网的物质基础。

3．按拓扑结构划分通信子网中传输介质与各转发节点的物理连接结构及互连模式称为子网的拓扑结构。

常见的拓扑结构主要有总线型、环型和星型三种基本结构，如图1-4所示。

⑴总线型结构：各节点通过网络主干（总线）实现连接和数据传输，具有结构简单、节点的插入/删除方便、易扩充、造价低、安装和使用方便的特点。

但由于各节点的通信都需经由总线，故线路争用现象严重，不适用于实时性要求较高的场合。

⑵环型结构：各节点前后相连，构成一个环，信息沿环单向顺序传递。

其优点是信息单向流动，不存在信道争用问题，控制简单。

⑶星型结构：是一种集中控制的主从结构，具有结构简单、便于集中管理、网络的连接和扩充容易的优点。

缺点是中心节点负担较重，可靠性较低。

除上述三种基本结构外，还可有树型结构、网状结构、全连接结构以及不规则结构等种种变形结构。

4．按通信传播方式划分⑴广播网：网络中所有计算机共享同一通信信道，任何一个节点发送的信息均可被其他节点接收到。

根据不同的目的节点类型，地址又可分为：单目地址、多目地址和广播地址三类。

⑵点—点网：将通信收/发双方用一条通信线路以点—点连接形式进行互连，它们位于信道的两端，又称为链路型网络。

5．按网络工作模式划分⑴对等网络（Peer to Peer）：在对等网络系统中，每个节点具有同等地位，它们既是服务器，又是工作站，资源分布于各节点中。

⑵文件服务器网：网络中的共享资源以文件形式集中存储在服务器上，并由服务器统一管理和控制。

⑶客户机/服务器网（Client/Server）：在C/S网络中，任务由服务器和客户机共同承担，C/S 结构为用户提供了一个理想的分布处理环境，是数据库技术与网络技术结合的结果。

6．按数据的组织方式划分⑴分布式网络：网络中的资源分散在各节点中，它们既是互连的，又是独立的。

其特点是：系统独立性强、用户使用方便灵活，但系统管理复杂、保密性及安全性差、数据一致性维护困难、冗余度大。

⑵集中式网络：网络资源由主服务器统一存储、控制和管理，各工作站只能在起决定作用的主服务器支配下进行工作。

集中式网络的特点是系统响应时间短、可靠性高、便于管理，但系统适应性差。

较理想的网络系统一般综合采用上述两种方法。

7．按信号传输速率分类⑴低速网：传输速率为0.3M～1.5M bps(见于早期网络)⑵中速网：传输速率为1.5M～45M bps(如传统的ARCnet、Ethernet、Token Ring等)⑶高速网：传输速率为45M bps以上(如FDDI、ATM、高速以太网)⑷超高速网：传输速率在1000M bps以上(如千兆以太网)8.按数据交换方式划分(1)直接交换网:又称电路交换网。

直接交换网进行数据通信交换时，首先申请通信的物理通路，物理通路建立后通信双方开始通信传输数据。

在传输数据的整个时间内通信双方始终独占所占用的信道。

(2)存储转发网:进行数据通信交换时，先将数据在交换装置控制下存入缓冲器中暂存，并对存储的数据进行一些必要的处理，当指定的输出线空闲时，再将数据发送出去。

存储转发交换网又包括报文交换和分组交换两种交换方式的网络。

(3)混合交换网:在这种网络中所采用的数据交换方式是将存储转发交换和电路交换两种方式混合起来，综合各自优点来进行数据交换的网络系统，如ATM、帧中继交换网。

9.按信息容量划分(1)基带网络:是指系统中所传输的数据信号是基带数据信号的网络系统。

其中基带信号是信源发出的原始编码信号。

由于基带信号占有整个信道带宽，所以同时只能传输一路信息。

大多数局域网是基带网。

(2)窄带网络:通常是指带宽小于或等于64kbps，在业务上仅提供单一的话音业务为主的网络。

因特网中，采用传统的带宽为64kbps的电话网络进行数据信号传输的系统就是窄带网。

(3)宽带网络:是同时能够传输多路信息，每路信息使用不同的频率范围，通过多路复用多个信道来实现不同的多路信号在同一个物理信道传输的，带宽不小于2Mbps的系统。