第1章 计算机网络概论

计算机网络最重要的两个功能：连通性和共享性 网络={计算机、接点、链路} 网络的网络=互联网={网络、路由器、链路} 网络把许多计算机连接在一起，而互联网则把许多网络连接在一起。

本章学习要求： 了解：计算机网络的形成与发展 掌握：计算机网络的定义 掌握：计算机网络的拓扑构型 掌握：计算机网络的分类 了解：典型的计算机网络 了解：公共数据网的发展 了解：计算机网络的应用领域 了解：计算机网络应用带来的社会问题

1.1 计算机网络的形成与发展

1.1.1 计算机网络发展阶段的划分 第一阶段：20世纪50年代 数据通信技术的研究与发展 第二阶段：20世纪60年代 1.1.1 计算机网络发展阶段的划分 第一阶段：20世纪50年代 数据通信技术的研究与发展 第二阶段：20世纪60年代 ARPANET与分组交换技术的研究与发展 第三阶段：20世纪70年代 网络体系结构与协议标准化的研究 广域网、局域网与公用分组交换网的研究与应用 第四阶段：20世纪90年代 Internet技术的广泛应用 网络计算技术的研究与发展 宽带城域网与接入网技术的研究与发展 网络与信息安全技术的研究与发展

1.1.2 计算机网络的形成 1946年世界上第一台电子数字计算机ENIAC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）的研究开始了计算机技术与通信技术相结合的尝试； 随着计算机应用的发展，出现多台计算机互连的需求，网络用户希望通过网络实现计算机资源共享的目的； 典型的研究成果是ARPA网。

1.1.3 网络体系结构与协议标准化的研究 一些大的计算机公司提出了各种网络体系结构与网络协议； 国际标准化组织（ISO）成立专门委员会研究网络体系结构与网络协议国际标准化问题； ISO正式制订开放系统互连参考模型，并制订了一系列的协议标准； 在1969年ARPANET的实验性阶段，研究人员就开始了TCP/IP协议雏形的研究； TCP/IP协议的成功促进了Internet的发展，Internet的发展又进一步扩大了TCP/IP协议的影响。

1.1.4 Internet的应用与高速网络技术发展 高速局网络技术发展迅速，Fast Ethernet、Gigabit Ethernet已开始进入实用阶段，速率为10Gbps的Ethernet网正在研究之中； 基于光纤与IP技术的宽带城域网与宽带接入网技术已经成为研究、应用与产业发展的热点问题之一； 网络计算技术已经成为重要的网络应用与研究领域。

1.1.5 宽带网络与全光网络技术发展 很多国家的政府与企业投入巨额资金，把宽带网络作为战略产业来发展； 宽带网络在基础设施、网络产品、信息服务等多个层面上提供了巨大的市场机会，为新的网络服务运营商提供了发展的空间，从而也带动了网络产业的结构调整； 宽带网络建设的两个关键是宽带骨干网技术和宽带接入网技术的发展； 全光网会给未来通信网的宽带、容量带来更大地发展空间。

1.2 计算机网络的定义

1.2.1 计算机网络定义的基本内容 资源共享观点的定义：以能够相互共享资源的方式互连起来的自治计算机系统的集合。 网络建立的主要目的是实现计算机资源的共享； 互连的计算机是分布在不同地理位置的多台独立的“自治计算机系统”； 连网计算机在通信过程中必须遵循相同的网络协议。

1.2.2 计算机网络与分布式计算机系统的区别 分布式计算机系统中“存在着一个能为用户自动管理资源的网络操作系统，由它调用完成用户任务所需要的资源，而整个网络像一个大的计算机系统一样对用户是透明的。” 计算机网络为分布式系统的研究提供了技术基础，而分布式系统是计算机网络技术发展的高级阶段。

1.2.3 现代网络结构的特点 早期计算机网络结构：资源子网和通信子网

现代网络结构的变化 随着微型计算机的广泛应用，大量的微型计算机是通过局域网连入广域网，而局域网与广域网、广域网与广域网的互连是通过路由器实现的； 在Internet中，用户计算机需要通过校园网、企业网或ISP联入地区主干网，地区主干网通过国家主干网联入国家间的高速主干网，这样就形成一种由路由器互联的大型、层次结构的互联网络。

Internet结构示意图

1.3 计算机网络的拓扑构型

1.3.1 计算机网络拓扑的定义 拓扑学是几何学的一个分支，是从图论演变而来。拓扑学首先把实体抽象成与其大小、形状无关的点，将连接实体的线路抽象成线，进而研究了点、线、面之间的关系; 计算机网络拓扑是通过网中结点与通信线路之间的几何关系表示网络结构，反映出网络中各实体间的结构关系; 计算机网络拓扑主要是指通信子网的拓扑构型; 拓扑设计对网络性能、系统可靠性与通信费用都有重大影响。

1.3.2 计算机网络拓扑的分类 网络拓扑方法：根据通信子网中通信信道类型分类； 通信信道类型：广播信道与点-点线路； 在采用广播信道通信子网中，一个公共的通信信道被 多个网络结点共享； 广播信道通信子网的基本拓扑构型：总线型、树型、 环型、无线通信与卫星通信型 在采用点-点线路的通信子网中，每条物理线路连接一对结点； 点-点线路的通信子网基本拓扑构型：星型、环型、树型、网状型

1.4 计算机网络的分类

1.4.1 根据网络传输技术进行分类 通信信道的类型有两类： 广播通信信道 点-点通信信道 相应的计算机网络也可以分为两类： 广播式网络（Broadcast Networks） 点-点式网络（Point-to-Point Networks）

1.4.2 根据网络覆盖范围进行分类 按覆盖的地理范围分类，计算机网络可以分为三类： 局域网（LAN，Local Area Network） 城域网（MAN，Metropolitan Area Network） 广域网（WAN，Wide Area Network）

局域网的技术特点 覆盖有限的地理范围，它适用于公司、机关、校园、工厂等有限范围内的计算机、终端与各类信息处理设备连网的需求； 提供高数据传输速率（10Mbps～10Gbps）、低误码率的高质量数据传输环境； 一般属于一个单位所有，易于建立、维护与扩展； 从介质访问控制方法的角度，局域网可分为共享介质 式局域网与交换式局域网两类。

城域网的技术特点 城域网是介于广域网与局域网之间的一种高速网络； 城域网设计的目标是要满足几十公里范围内的大量企业、机关、公司的多个局域网互连的需求； 实现大量用户之间的数据、语音、图形与视频等多种信息的传输功能； 城域网在技术上与局域网相似。

广域网的技术特点 广域网也称为远程网； 覆盖的地理范围从几十公里到几千公里； 覆盖一个国家、地区，或横跨几个洲，形成国际性的远程网络； 通信子网主要使用分组交换技术； 它将分布在不同地区的计算机系统互连起来，达到资源共享的目的。

1.5 典型计算机网络

1.5.1 ARPANET 1969年11月，实验性的ARPANET开通； 1975年，ARPANET 已经连入了100多台主机，并且结束了网络实验阶段，移交美国国防部国防通信局正式运行； 1983年1月，ARPANET向TCP/IP的转换结束； 80年代中期，ARPANET成为Internet的主干网； 1990年，ARPANET退役。 ARPANET对网络的产生与发展起了重要的影响。

1.5.2 NSFNET 1984年，NSF决定组建NSFNET； NSFNET采取的是一种层次型结构，分为主干网、地区网与校园网； 1990年，NSFNET主干网的传输速率为44.746Mbps； 1995年4月1日，NSF和MCI合作创建了NvBS（very high-speed backbone service） ； vBNS主干网运行的速率范围是从622Mbps（OC12）到4.8G bps（OC48）。

1.5.3 Internet 80年代中期人们开始认识到Internet的重要作用； 90年代是Internet历史上发展的最快的时期； Internet应用主要有E-mail、WWW、Telnet、FTP与Usenet等，随着Internet规模和用户的不断增长，Internet上的应用领域也进一步得到开拓； 从用户的角度来看，Internet是一个全球范围的信息资源网； 从网络结构角度看，Internet是一个由路由器互联起来的大型网际网。

1.5.4 Internet2 由于Internet的商业化与业务量增多，导致网络整体性能降低； 1996年10月，一些大学申请建立Internet2，为其成员组织服务，初始运行速率可达10Gbps； Internet 2可以用于多媒体虚拟图书馆、远程医疗、远程教学、视频会议、视频点播、天气预报等领域； Internet 2在网络层运行的是IPv4，同时也支持IPv6业务，希望形成下一代Internet的技术与标准。

1.6 公共数据网的发展

1.6.1 X.25网 X.25网是一种典型的公用分组交换网，它是CCITT为广域网制定的一个公用分组交换网； 制定X.25标准的基础是传输速率低、误码率高的通信线路，为了克服通信线路数据传输质量较差的缺点，X.25标准采用了复杂的差错控制、流量控制与拥塞控制机制，协议复杂，工作效率不高； X.25网的传输速率一般为64Kbps； X.25标准主要是针对大型机与终端连网 。

1.6.2 帧中继 帧中继主要考虑如何减少数据帧在通信子网中的开销，没有采用流量控制与差错控制机制，通信子网中的差错控制由主机的高层来保证； 数据帧通过帧中继网的处理时间可以比通过X.25网降低一个数量级，而吞吐量要比X.25网络提高一个数量级以上； 目前帧中继网的数据传输速率一般为1.5Mbps； 帧中继网主要用于局域网之间的互连。

1.6.3 综合业务数据网 CCITT提出将语音、数据、图像等业务综合在ISDN一个网络之中； B-ISDN的目标是将语音、数据、静态与动态图像传输，以及N-ISDN提供的所有服务综合在一个通信网中，覆盖从低传输速率、非实时传输要求，到高传输速率、实时突发性等各类传输要求； B-ISDN采用异步传输模式ATM技术 。

从传统的电信网 向ISDN的发展

1.6.4 异步传输模式 ATM是一种面向连接的技术； 采用小的、固定长度的信元作为数据传输单元； 能够支持数字、语音、图像、视频等多媒体通信； ATM以统计时分多路复用方式动态分配网络带宽，网络传输延时小，适应实时通信的要求； ATM没有链路级纠错与流量控制，协议简单，数据交换效率高； ATM采用两级虚电路机制，增加虚电路分配灵活性； ATM的数据传输速率可以在155Mbps～2.4Gbps。

1.7 计算机网络的应用

1.7.1 单位信息管理 计算机网络可以实现资源的共享 ； 计算机网络可以提高信息系统的可靠性； 计算机网络可以节约资金； 计算机网络可以增强信息系统的可扩展性 。

1.7.2 个人信息服务 远程信息访问 新的通信工具 家庭娱乐

1.8 计算机网络应用带来 的社会问题

计算机网络的广泛应用对经济、文化、教育、科学的发展，以及人类生活质量的提高产生重要影响 计算机网络不可避免地带来一些新的社会、道德、政治与法律问题； “网络社会”中的“道德”与“法律”，这对于人类是一个新的课题。

1.9 小结

计算机网络是计算机技术与通信技术高度发展、紧密结合的产物，对当前社会发展产生重要影响； 当前计算机网络发展的特点是Internet的广泛应用与高速网络技术的迅速发展； 从资源共享观点来看，计算机网络是“以能够相互共享资源的方式互连起来的自治计算机系统的集合”； 随着微型计算机和局域网的广泛应用，在现代的广域网一般是通过路由器将局域网与广域网互联起来，构成各种信息系统的运行平台；

计算机网络拓扑是用通信子网中结点与通信线路之间的几何关系来表示网络的结构。网络拓扑反映出网络中各实体间的结构关系，它对网络性能、系统可靠性与通信费用都有重大影响； 计算机网络的分类方法主要有两类：按网络所使用的传输技术与根据网络的覆盖范围分类。根据网络的覆盖范围与规模分类，计算机网络分为局域网、城域网与广域网等三类； 计算机网络应用的主要领域是单位信息管理与个人信息服务 ； 计算机网络的广泛应用对经济、文化、教育、科学的发展产生重要影响，同时不可避免带来一些新的社会、道德、政治与法律问题。