计算机网络与应用 张宝明

学习目标 课时 参考书 考核方式 32学时（20上课+12上机） 计算机网络实用技术教程，徐万涛等，清华大学出版社，2007 计算机网络实用技术教程，郭秋萍，北京航天航空大学，2006 考核方式

第1章 计算机网络概论 本章学习目标 1.1 计算机网络的产生与发展 1.2 计算机网络的定义和组成 1.3 计算机网络的功能和应用 第1章 计算机网络概论 本章学习目标 1.1 计算机网络的产生与发展 1.2 计算机网络的定义和组成 1.3 计算机网络的功能和应用 1.4 计算机网络的分类 1.5 计算机网络的拓扑结构 1.6 思考题

本章学习目标 本章主要介绍了计算机网络的基础知识。通过本章的学习，读者应掌握以下内容： 计算机网络的产生与发展 计算机网络的定义和组成 计算机网络的功能和应用 计算机网络的分类和拓扑结构

1.1 计算机网络的产生与发展 1.1.1 计算机网络的产生 1.1.2 计算机网络的发展 1.1.3 计算机网络系统的发展趋势 1.1 计算机网络的产生与发展 1.1.1 计算机网络的产生 1.1.2 计算机网络的发展 1.1.3 计算机网络系统的发展趋势 1.1.4 我国计算机网络的发展

1.1.1 计算机网络的产生 1．具有远程通信功能的单机系统 2．具有远程通信功能的多机系统 1.1.1 计算机网络的产生 1．具有远程通信功能的单机系统 2．具有远程通信功能的多机系统 3．具有统一体系结构、国际化标准协议的计算机网络

1．具有远程通信功能 的单机系统 其基本思想是在计算机内增加一个通信装置，使主机具备通信功能。将远程用户的输入输出装置通过通信线路与计算机的通信装置相连。这样，用户就可以在远程终端上键入自己的程序和数据，再由主机进行处理，处理结果通过主机的通信装置，经由通信线路返回给用户终端。

1．具有远程通信功能 的单机系统

2．具有远程通信功能的多机系统 在主机前设置一台通信处理机，专门负责与终端的通信工作。可以协助主机对信息进行预处理，让主机的时间全部花在数据处理上。这样就显著地提高了主机进行数据处理的效率。在用户终端较集中的区域设置线路集中器。大量终端先通过低速线路连到集中器上，集中器按照某种策略分别响应各个终端，并把终端送来的信息按一定格式汇集起来，再通过高速传输线路一起送给前端处理机，如图l-2所示。

2．具有远程通信功能的多机系统

3．具有统一体系结构、国际化标准协议的计算机网络 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，通过通信线路和通信设备连接起来，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。

3．具有统一体系结构、国际化标准协议的计算机网络

1.1.2 计算机网络的发展 1．广域计算机网络的发展 2．局域计算机网络的发展 3．互联网的发展

1．广域计算机网络的发展 广域网络覆盖面大，通常跨越许多地区、整个国家乃至跨洋过海连接。广域网络的发展是从ARPAnet的诞生开始的。 早期的公用数据网采用的是模拟通信电话网，进而发展成为新型的数字通信公用数据网。典型的公用数据网有美国的Telenet等；我国也于1993年和1996年分别开通了公用数据网CHINAPAC和CHINADDN。

2．局域计算机网络的发展 局域计算机网络是指分布于一个部门、一个校园或一栋楼内局部区域的计算机网络，简称为局域网或局部网。 一个单位或部门拥有的计算机数量越来越多，共享资源、互联通信的要求促使了局域网的诞生和发展。典型局域网有EtherNet和Token-Ring等。

3．互联网的发展 ARPANET开创了网络的一个新纪元，ARPANET成为Internet的主干网。 美国国家科学基金会，于1986年建成了基于TCP/IP的国家科学基金网NSFNET。NSFNET也和ARPANET相连，并逐步成为Internet的主干网。 ANS公司于1993年建造了一个速率为45Mbps的主干网ANSNET以取代速率只有1.544Mbps的NSFnet。1996年主干网速率已提升到155Mbps，目前，因特网的一些主干网速率已提升到10GMbps，部分实验线路速率已超过100Gb/s。

1.1.3 计算机网络系统的发展趋势 1．开放性方向发展 2．一体化方向发展 3．多媒体网络方向发展 4．高效、安全的网络管理方向发展 1.1.3 计算机网络系统的发展趋势 1．开放性方向发展 2．一体化方向发展 3．多媒体网络方向发展 4．高效、安全的网络管理方向发展 5．智能化网络方向发展

1．开放性方向发展 计算机网络系统开放性的体现，是基于统一网络通信体系结构协议标准的互联网结构，而统一网络分层体系结构标准是互联异种机的基本条件。标准化始终是发展计算机网络开放性的一项基本措施。 这种全球开放性必然引起网络系统容量需求的极大增长，从而推动计算机网络系统向广域、宽带、高速、大容量方向发展。21世纪的计算机网络将是不断融入各种新信息技术，进一步面向全球开放的广域、宽带、高速网络。

2．一体化方向发展 “一体化”是一个系统优化的概念，其基本含义是：从系统整体性出发，对系统进行重新设计、构建，以达到进一步增强系统功能、提高系统性能、降低系统成本和方便系统使用的目的。

2．一体化方向发展 目前计算机网络系统的这种一体化发展方向正沿着两条不同的基本路径展开： 一是重新安排网络系统内部元素的分工协同关系，例如客户/服务器结构、各种专用浏览器、“瘦客户机”、网络计算机、无盘工作站等，被设得更专门化、更高效。 二是基于虚拟技术，通过硬件的重新组织和软件的重新包装所构成的各种网络虚拟系统

3．多媒体网络方向发展 多媒体技术与计算机网络的融合是必然的趋势。目前多媒体处理控制技术的蓬勃发展，为多媒体计算机网络的形成和发展提供了有力的技术支持。电信网、电视网和计算机网的“三网合一”也在更高层次上体现了多媒体计算机网络系统的发展趋势。21世纪的计算机网络必定是融合包括电信、电视等更广泛功能，渗入到千千万万家庭的多媒体计算机网络。

4．高效、安全的 网络管理方向发展 对于计算机网络是这样一个复杂的大系统，如果没有有效的管理方法、管理体制和管理系统的支撑与配合，很难使它维持正常的运行，保证其功能和性能的实现。计算机网络管理的基本任务包括系统配置管理、故障管理、性能管理、安全管理和计费管理等几个主要方面。

4．高效、安全的 网络管理方向发展 网络管理系统已成为计算机网络系统中不可分割的一部分。当前网络管理应着眼于网络系统整体功能和性能的管理，趋于采用适应大系统特点的集中与分布相结合的管理体制。网络系统的高效管理，特别是网络系统的安全管理，显得尤为重要。21世纪的计算机网络应该是更加高效管理和更加安全可靠的网络。

5．智能化网络方向发展 人工智能技术在传统计算机基础上进一步模拟人脑的思维活动能力，包括对信息进行分析、归纳、推理、学习等更高级的信息处理能力，在现代社会信息化的过程中，人工智能技术与计算机网络技术的结合与融合，构成了具有更多思维能力的智能计算机网络，也是综合信息技术的必然发展趋势。21世纪的计算机网络将是人工智能技术和计算机网络技术更进一步融合的网络系统，它将使社会信息网络更加有序化，更加智能化。

1.1.4 我国计算机网络的发展 1．我国公用网的初步建立 2．大型国有企业、机关专用计算机网络的建立 3．中小型企业、机关局域网的建立 1.1.4 我国计算机网络的发展 1．我国公用网的初步建立 2．大型国有企业、机关专用计算机网络的建立 3．中小型企业、机关局域网的建立 4．我国“三金”工程的建成 5．我国Internet的建立 6．我国计算机网络发展战略的几点思考

1．我国公用网的初步建立 （1）中国公用分组交换数据网（CHINAPAC） 1989年11月通过试运行和验收，开始有3个分组节点（北京、上海、广州）和8个集中器。在北京、上海设有国际出入口。 （2）中国数字数据网（CHINADDN） 它是我国的高速信息国道。它是利用光纤（包括数字微波和卫星）数字电路传输和数字交叉复用节点组成的数字数据传输网。目前DDN可达最高传输速率为150Mbps，用户速率可达2Mbps。

2．大型国有企业、机关专用计算机网络的建立 我国较早在铁道部建立了自己的专用计算机网络，在20世纪80年代后期，还有一些国民经济的重要部门，如银行、民航、海关、证券、卫生等部门也建立了自己的计算机网络，如以北京的海关总署为中心连接全国39个海关的数据网、上海的万国证券公司的全国资金清算网络系统、全国民航的订票系统、全国工商银行联网的OA系统等，它们采用了各种先进的网络技术和通信技术，为我国网络通信技术的发展开创了一个极好的机遇。

3．中小型企业、机关局域网的建立 除了上述远程广域网外，20世纪80年代，PC机的发展带动了局域网的大力发展。国内许多中小型单位、企业机关、大学、研究院都陆续安装了大量的局域网。局域网的价格便宜，所有权和使用权都属于本单位，便于开发、管理和维护，同时技术比较简单，便于人们理解和接受，所以发展很快。我国广大的公职人员、工程技术人员、产业工人等成为计算机网络的用户，计算机局域网的普及和应用在我国得到了迅速发展。

4．我国“三金”工程的建成 国务院直接组织的“三金”工程，于1993年下半年开始启动。“三金”工程指“金桥”、“金卡”和“金关”工程。“金桥”工程就是要建设我国社会经济信息平台。“金桥”工程是“三金”工程的基础。“金卡”工程是指电子货币工程，是银行信用卡支付系统工程。它是金融电子化和商业流通现代化的重要组成部分，将与银行、内贸等部门紧密配合实施。“金关”工程是指国家对外经济贸易信息网工程，当前主要推广电子数据交换，实现无纸贸易。

5．我国Internet的建立 目前，我国有可以与因特网互连的八个全国范围的主要互联网，它们是：中国公用计算机互联网CHINANET、中国教育和科研计算机网CERNET、中国科学技术网CSTNET、中国网通公用互联网（网通控股）CNCNET、中国联通互联网UNINET、宽带中国CHINA169网（网通集团）、中国国际经济贸易互联网CIETNET和中国移动互联网CMNET。

5．我国Internet的建立 2005年1月19日，中国互联网络信息中心（CNNIC）公布了“中国互联网络发展状况统计报告”。截止到2004年12月31日，我国国际线路的总容量为74429M，分布情况如下： l   中国科技网（CSTNET）：5275M。 l   中国公用计算机互联网（CHINANET）：46268M。 l   中国教育和科研计算机网（CERNET）：1022M。 l   中国联通互联网（UNINET）：1645M。 l   中国网络通信集团（宽带中国CHINA169网）：19087M。 l   中国国际经济贸易互联网（CIETNET）：2M。 l   中国移动互联网（CMNET）：1130M。 l   中国长城互联网（CGWNET）：（建设中）。 l   中国卫星集团互联网（CSNET）：（建设中）。

5．我国Internet的建立 如表1-1所示是中国互联网络信息中心公布的我国最近几年Internet的发展情况。

6．我国计算机网络发展战略的几点思考 主要有： （1）计算机网络建设与基础信息技术发展的关系 （2）网络基础设施与应用系统建设的关系 （3）中央统筹规划与地方分散建设的关系 （4）独立自主与引进技术的关系

1.2 计算机网络的定义和组成 1.2.1 计算机网络的定义 1.2.2 计算机网络的基本组成 1.2.3 通信子网与资源子网

1.2.1 计算机网络的定义 计算机网络是计算机技术与通信技术相结合的产物，它实现了远程通信、远程信息处理和资源共享。经过几十年的发展，计算机网络已由早期的“终端—计算机网”、“计算机—计算机网”成为现代具有统一网络体系结构的计算机网络。

1.2.1 计算机网络的定义 计算机网络的定义随网络技术的更新可从不同的角度给以描述，目前人们已公认的有关计算机网络的定义是：计算机网络是将地理位置不同，且有独立功能的多个计算机系统利用通信设备和线路互相连接起来，且以功能完善的网络软件（包括网络通信协议、网络操作系统等）实现网络资源共享的系统。

1.2.1 计算机网络的定义 在上述的定义中，有以下特点： （1）计算机的数量是“多个”，而不是单一的。 1.2.1 计算机网络的定义 在上述的定义中，有以下特点： （1）计算机的数量是“多个”，而不是单一的。 （2）计算机是能够独立工作的系统。任何一台计算机都不能干预其他计算机的工作。例如启动、停止等。任意两台计算机之间没有主从关系。 （3）计算机可以处在异地。每台计算机所处的地理位置对所有的用户是完全透明的。 （4）处在异地的多台计算机由通信设备和线路进行连接，从而使各自具备独立功能的计算机系统成为一个整体。 （5）在连接起来的系统中必须有完善的通信协议、信息交换技术、网络操作系统等软件对这个连接在一起的硬件系统进行统一的管理，从而使其具备数据通信、远程信息处理、资源共享的功能。

1.2.2 计算机网络的基本组成 1．计算机网络硬件系统 2．计算机网络软件系统

1．计算机网络硬件系统 包括：主计算机、终端、集中器、前端处理机、通信处理机、通信控制器、线路控制器等。

2．计算机网络软件系统 通常包括： 网络操作系统：它是最主要的网络软件，负责管理网络中各种软硬件资源。 网络通信软件：它实现网络中节点间的通信。 网络协议和协议软件：它通过协议程序实现网络协议功能。 网络管理软件：它用来对网络资源进行管理和维护。 网络应用软件：它为用户提供服务，解决某方面的实际应用问题。

1.2.3 通信子网与资源子网 用户资源子网专门负责全网的信息处理任务，以实现最大限度地共享全网资源的目标。用户资源子网包括主机及其他信息资源设备。 通信子网是计算机网络中负责数据通信的部分，传输介质可以是架空明线、双绞线、同轴电缆、光纤等有线通信线路，也可以是微波、通信卫星等无线通信线路。

1.2.3 通信子网与资源子网 1．用户资源子网 2．通信子网

1．用户资源子网 用户子网的组成： （1）主计算机 （2）终端 （3）通信控制设备

2．通信子网 （1）两种类型的通信子网 （2）通信子网的三种组织形式 （3）节点处理机 （4）通信线路 点对点通信子网、广播式通信子网 结合型、专用型、公用型 （3）节点处理机 节点处理机也叫做通信处理机或前端处理机，是一种专用计算机，一般由小型机或微型机配置通信控制硬件和软件组成。主要完成以下三个功能：网络接口功能、存储/转发功能、网络控制功能。 （4）通信线路 通信线路用来连接上述组成部件。通信线路可以是有线通道，也可以是无线通道。

1.3 计算机网络的功能和应用 1.3.1 计算机网络的功能 1.3.2 计算机网络的应用

1.3.1 计算机网络的功能 1．通信功能 2．资源共享 3．提高系统的可靠性 4．网络分布式处理与均衡负载 5．分散数据的综合处理

1．通信功能 通信功能是计算机网络最基本的功能，且通信功能还是计算机网络其他各种功能的基础。所以通信功能是计算机网络最重要的功能。

2．资源共享 总之，通过资源共享，大大地提高了系统资源利用率，使系统的整体性能价格比得到改善。 计算机资源主要指计算机硬件资源、软件资源和数据资源，所以计算机网络中的资源共享包括硬件资源共享、软件资源共享和数据资源共享。 总之，通过资源共享，大大地提高了系统资源利用率，使系统的整体性能价格比得到改善。

3．提高系统的可靠性 在一个系统中，当某台计算机、某个部件或某个程序出现故障时，必须通过替换资源的办法来维持系统的继续运行，以避免系统瘫痪。而在计算机网络中，各台计算机可彼此互为后备机，每一种资源都可以在两台或多台计算机上进行备份。这样当某台计算机、某个部件或某个程序出现故障时，其任务就可以由其他计算机或其他备份的资源所代替，避免了系统瘫痪，提高了系统的可靠性。

4．网络分布式处理与均衡负载 所谓网络分布式处理，是指把同一任务分配到网络中地理上分布的结点机上协同完成。 通常，对于复杂的、综合性的大型任务，可以采用合适的算法，将任务分散到网络中不同的计算机上去执行。另一方面，当网络中某台计算机、某个部件或某个程序负担过重时，通过网络操作系统的合理调度，可将其任务的一部分转交给其他较为空闲的计算机或资源去完成。

5．分散数据的综合处理 网络系统还可以有效地将分散在网络各计算机中的数据资料信息收集起来，从而达到对分散的数据资料进行综合分析处理，并把正确的分析结果反馈给各相关用户的目的。

1.3.2 计算机网络的应用 综上所述，计算机网络具有数据通信、资源共享、提高系统可靠性和均衡负载等诸多功能。因此，计算机网络自20世纪60年代末诞生以来，仅几十年时间，就以异常迅猛的速度发展起来，并在工业、农业、商业、交通运输、文化教育、国防军事以及科学研究等领域获得越来越广泛的应用。

1.4 计算机网络的分类 1.4.1 计算机网络的不同分类 1.4.2 根据网络的传输技术进行分类 1.4.3 根据网络的覆盖范围进行分类

1.4.1 计算机网络的不同分类 （1）按网络的拓朴结构分类：有星型网、环型网、总线网、树型网、网状网和混合网。 1.4.1 计算机网络的不同分类 （1）按网络的拓朴结构分类：有星型网、环型网、总线网、树型网、网状网和混合网。 （2）按网络的交换方式分类：有电路交换网、信息交换网、分组交换网、帧交换网、信元交换网（即ATM网）。 （3）按传输媒体分类：有细缆网、双绞线网、光纤网、卫星网、无线网。 （4）按使用单位或性质分类：有企业网、校园网、政府网、教育科研网。 （5）按应用性质分类：有证劵业务网、新闻综合业务网、多媒体公用信息网。

1.4.1 计算机网络的不同分类 （6）按网络操作系统分类：有NetWare网、Windows NT网、LAN Manager网。 1.4.1 计算机网络的不同分类 （6）按网络操作系统分类：有NetWare网、Windows NT网、LAN Manager网。 （7）按生产厂家分类：有Novell网、IBM Token-Ring网、3Com Ethernet网。 （8）按网络的控制方式分类：有集中式网络、分布式网络。 （9）按网络协议分类：有TCP/IP网、X.25网、ATM网、FDDI网。 （10）按网络的传输带宽分类：有窄带网、宽带网。 （11）按普及程度分类：有专用网络、公众网络。

1.4.2 根据网络的传输技术进行分类 1．广播式网络 2．点到点式网络

1．广播式网络 在广播式网络中，所有联网计算机都共享一个公共通信信道。当一台计算机利用共享通信信道发送报文分组时，所有其他的计算机都会“接收”到这个分组。由于发送的分组中带有目的地址与源地址，接收到该分组的计算机将检查目的地址是否是与本节点地址相同。如果被接收报文分组的目的地址与本节点地址相同，则接收该分组，否则丢弃该分组。

2．点到点式网络 与广播式网络相反，在点到点式网络中，每条物理线路连接一对计算机。假如两台计算机之间没有直接连接的线路，那么它们之间的分组传输就要通过中间节点的接收、存储、转发，直至目的节点。由于连接多台计算机之间的线路结构可能是复杂的，因此从源节点到目的节点可能存在多条路由。决定分组从通信子网的源节点到达目的节点的路由需要有路由选择算法。采用分组存储转发与路由选择是点到点式网络与广播式网络的重要区别之一。

1.4.3 根据网络的覆盖范围进行分类 1．局域网LAN 2．城域网MAN 3．广域网WAN

1．局域网LAN 局域网用于将有限范围内（如一个实验室、一幢大楼、一个校园）的各种计算机、终端与外部设备互连成网。局域网按照采用的技术、应用范围和协议标准的不同可以分为共享局域网与交换局域网。局域网技术发展迅速，应用日益广泛，是计算机网络中最活跃的领域之一。

2．城域网MAN 城市地区网络常简称为城域网。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联的需求，以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。

3．广域网WAN 广域网也称为远程网。它所覆盖的地理范围从几十公里到几千公里。广域网覆盖一个国家、地区，或横跨几个洲，形成国际性的远程网络。广域网的通信子网主要使用分组交换技术。广域网的通信子网可以利用公用分组交换网、卫星通信网和无线分组交换网，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 计算机网络的拓扑结构 1.5.1 计算机网络拓扑结构的概念 1.5.2 网络拓扑结构的分类和特点

1.5.1 计算机网络拓扑的概念 拓扑学是几何学的一个分支，它是从图论演变过来的。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，进而研究点、线、面之间的关系。计算机网络拓扑通过网中节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。拓扑设计是建设计算机网络的首步，也是实现各种网络协议的基础，它对网络性能、系统可靠性与通信费用都有重大影响。计算机网络拓扑主要是指通信子网的拓扑构型。

1.5.2 网络拓扑结构的分类和特点 网络拓扑可以根据通信子网中通信信道类型分为两类：点到点线路通信子网的拓扑和广播信道通信子网的拓扑。 1.5.2 网络拓扑结构的分类和特点 网络拓扑可以根据通信子网中通信信道类型分为两类：点到点线路通信子网的拓扑和广播信道通信子网的拓扑。 在采用点到点线路的通信子网中，每条物理线路连接一对节点。采用点到点线路的通信子网的基本拓扑构型有四类：星型、环型、总线型、树型和网状型，如图1-4所示。

1.5.2 网络拓扑结构的分类和特点

1.5.2 网络拓扑结构的分类和特点 （1）星型拓扑的主要特点。在星型拓扑构型中，节点通过点到点通信线路与中心节点连接。中心节点控制全网的通信，任何两节点之间的通信都要通过中心节点。星型拓扑构型结构简单，易于实现，便于管理，但是网络的中心节点也是全网可靠性的瓶颈，中心节点的故障可能造成全网瘫痪。

1.5.2 网络拓扑结构的分类和特点 （2）环型拓扑的主要特点。在环型拓扑构型中，节点通过点到点通信线路连接成闭合环路。环中数据将沿一个方向逐站传送。环型拓扑结构简单，传输延时确定，但是环中每个节点与连接节点之间的通信线路都会成为网络可靠性的瓶颈。环中任何一个节点出现线路故障，都可能造成网络瘫痪。为保证环的正常工作，需要较复杂的环维护处理。环节点的加入和撤出过程都比较复杂。

1.5.2 网络拓扑结构的分类和特点 （3）树型拓扑的主要特点。树型拓扑构型可以看成是星型拓扑的扩展。在树型拓扑构型中，节点按层次进行连接，信息交换主要在上、下节点之间进行，相邻及同层节点之间一般不进行数据交换或数据交换量小。树型拓扑网络适用于汇集信息的应用要求。

1.5.2 网络拓扑结构的分类和特点 （4）网状型拓扑的主要特点。网状拓扑构型又称为无规则型。在网状拓扑构型中，节点之间的连接是任意的，没有规律。网状拓扑的主要优点是系统可靠性高，但结构复杂，必须采用路由选择算法与流量控制方法。目前实际存在与使用的广域网基本上都是采用网状拓扑构型。

1.6 思考题 1．计算机网络的发展可划分为几个阶段？每个 阶段各有何特点？ 2．计算机网络可从哪几个方面进行分类？ 1.6 思考题 1．计算机网络的发展可划分为几个阶段？每个 阶段各有何特点？ 2．计算机网络可从哪几个方面进行分类？ 3．局域网、城域网与广域网的主要特征是什么？ 4．通信子网与资源子网各有哪些功能? 5．常见的计算机网络拓扑有几种，各有什么特 点?