计算机网络技术

1. 计算机网络技术

2. 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 • 计算机网络的组成 • 计算机网络的分类 • 计算机网络的功能和应用

3. 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。

4. 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。

5. 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）

6. (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。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。

7. 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。此外，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。 图1-1-2  单机系统的典型结构示意图

8. 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1-1-3所示。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1-1-3所示。

9. 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。 随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。

10. 1969 年在美国建成的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——ARPANET。

11. 1969年ARPR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； • 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：

12. 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，负责全网的数据处理和向网络用户（工作站或终端）提供网络资源和服务。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，负责全网的数据处理和向网络用户（工作站或终端）提供网络资源和服务。 • 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、转接和变换等通信处理工作。 • 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，只在资源子网内部进行。 • ②网络访问：通过通信子网访问远地主机上的资源。 图1-1-4  计算机互联网络的逻辑结构

13. 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。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用通信子网，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信网，新型的公用数据网采用数字传输技术和报文分组交换方法。 • 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。

14. (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，开始了局部计算机网络的研究。 • 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Cambridge ring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技术和计算机的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来的。

15. 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OSI RM（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/IP RM（TCP/IP参考模型）。 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。

16. (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。

17. 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”行动计划(NII-National Information Infrastructure)，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 。

18. 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IN(Intelligent 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。

19. 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繁荣的今天，并且即将迎来了一个更加光明的未来。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繁荣的今天，并且即将迎来了一个更加光明的未来。

20. 1.1.2 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

21. 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 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 • 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 • 3．网络协议 • 4．网络操作系统

22. AGP总线 Cache 存储器 处理机 系统总线 HOST/PCI SCSI接口 LAN USB主 控器 图形 桥 串行 PCI总线 Modem 扩充 总线接口 EISA总线 计算机中设备构成的总线结构 计算机构成的网络结构 • 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：

23. 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

24. 4．常见连网设备 • (1) 网卡（NIC-Network Interface Card） 网卡又称为网络适配器或网络接口卡，是一种插入主机扩展槽的扩充卡，如图1-2-1所示。 图1-2-1  PCI网卡和PCMCIA网卡

25. (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”。

26. (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。 图1-2-2  中继器连接示意                     图1-2-3  集线器连接示意

27. (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。 • (5) 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。

28. (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 Controller Processor)、前端处理机(FEP-Front End Processor)、接口报文处理机(IMP-Interface Message 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。

29. 1.2.2 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Windows 2000 Server、Netware、Unix、Linux等。

30. 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）

31. 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。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。

32. 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。

33. 图1-3-1  计算机网络的几种拓扑结构

34. 1．星形结构 • 星形结构是局域网中最常用的物理拓扑结构，它一种集中控制式的结构（如图(a)所示）：以一台设备为中央结点，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中央结点进行。 • 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。

35. 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；此外，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。

36. 3．总线形结构 • 总线形结构如图(c)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。

37. 4．其它结构 • 树形结构：该结构可以看作是星形结构的扩展，是一种分层结构，具有根结点和各分支结点，如图(d)所示。除了叶结点之外，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结构。 • 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)所示。 • 其优点是：可靠性高、灵活性好、结点的独立处理能力强、信息传输容量大； • 缺点是：结构复杂、管理难度大、投资费用高。网状形结构是一种广域网常用的拓扑结构，互联网大多也采用这种结构

38. 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）。 • 1．局域网（LAN, Local Area Network） • 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。

39. 2．广域网（WAN, Wide Area Network） • 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, Metropolitan Area Network） • 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。

40. 4．接入网（AN, Access Network） • 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。 图1.4 广域网、城域网、接入网和局域网的关系

41. 对于几种常用的网络，我们可以将它们的特点总结如下表：

42. 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。

43. 1.3.4 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门建设的通信网络，由政府电信部门管理和控制。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。

44. 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。

45. 1.4 计算机网络的功能和应用 1.4.1 计算机网络的功能 • 1．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。

46. 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。

47. 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。

48. 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。 以上只是列举了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。

49. 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。

50. 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成本，又可以共享许多办公数据，并且可对信息进行计算机综合处理与统计，避免了许多单调重复性的劳动。 • 4．电子商务与电子政务 • 企业与企业之间、企业与个人之间可以通过网络来实现贸易、购物；政府部门则可以通过电子政务工程实施政务公开化，审批程序标准化，提高了政府的办事效率并使之更好地为企业或个人服务。