《计算机网络》

第一章 计算机网络概述 1.1 计算机网络的发展 1.2 计算机网络的定义 1.3 计算机网络的功能 1.4 计算机网络的分类与拓扑结构 第一章 计算机网络概述 1.1 计算机网络的发展 1.2 计算机网络的定义 1.3 计算机网络的功能 1.4 计算机网络的分类与拓扑结构 1.5 网络的基本组成 1.6 计算机网络的应用 1.7 标准化组织 1.8 计算机网络的发展趋势

学习目标： 什么是计算机网络？它是如何组成的？ 计算机网络是如何分类的？它的拓扑结构有哪些？ 计算机网络的功能及作用是什么？ 什么是TCP/IP协议？ 未来计算机网络将如何发展

1.1 计算机网络的发展 计算机网络发展到今天仅有几十年的历史，Internet——最大的计算机网络,已经被人们所熟知，人类正由此进入一个前所未有的信息化社会。Internet正在向全世界各地延伸和扩散，不断增添吸收新的网络成员，已经成为世界上覆盖面最广，规模最大，信息资源最丰富的计算机网络，联网主机多不胜数，并且在迅猛的增加。 计算机网络是计算机技术和通信技术相结合的产物，试图解决以下的问题： 数据的传输、交换（交换机技术，IP地址分配，路由及路由器技术） 存储（服务器或存储技术） 网络及其数据安全问题

1.1.1 远程终端连接 20世纪60年代早期，面向终端的计算机网络，即以一台中央主计算机连接大量在地理上处于分散位置的终端。所谓的终端通常指一台计算机的外部设备，包括显示器和键盘，无中央处理器（CPU，Central Processing Unit）和内存。随着连接终端数的增加，为了减轻中心计算机的负担，在通信线路和中心计算机之间设置了一个前端处理机（FEP，Front End Processor）或通信控制器（CCU，Communication Control Unit），专门负责与终端之间的通信控制，出现了数据处理与通信控制的分工，以便更好的发挥中心计算机的处理能力。

1.1.2 计算机网络阶段（局域网） 从20世纪60年代中期开始，出现了若干个计算机互连系统，开创了计算机——计算机通信时代。这一阶段计算机网络的主要特点是：资源的多向共享、分散控制、分组交换、采用专门的通信控制处理机、分层的网络协议，这些特点往往被认为是现代计算机网络的典型特征。但这个时期的网络产品彼此之间是相互独立的，没有统一标准。 这一阶段计算机网络可分成通信子网和用户资源子网。交换技术上为电路交换及分组交换。用户可以访问本地主机及资源子网。

1.1.3 计算机网络互连阶段 20世纪70年代中期，计算机网络开始向体系结构标准化的方向迈进，即正式步入网络标准化时代。1984年ISO正式颁布了一个开放系统互连参考模型的国际标准0SI7498。模型分为七个层次，有时也被称为 ISO/OSI七层参考模型。从此网络产品有了统一的标准，同时也促进了企业的竞争，尤其为计算机网络向国际标准化方向发展提供了重要依据。 Internet最早起源于美国国防部高级研究计划署DARPA（Defence Advanced Research Projects Agency）的前身ARPAnet，该网于1969年投入使用。由此，ARPAnet成为现代计算机网络诞生的标志。 90年代后期，由于windows的普及应用及Internet的商业化，使Internet的发生了飞跃。商业机构一踏入Internet这一陌生世界，很快发现了它在通信、资料检索、客户服务等方面的巨大潜力。于是世界各地的无数企业纷纷涌入Internet，带来了计算机网络发展史上的一个新的飞跃。

1.1.3 计算机网络互连阶段 Internet 正以令人难以置信的速度成为我们日常生活中不可或缺的一部分.

1.1.4计算机网络在中国的发展历程 第一阶段为1986.6－1993.3是研究试验阶段(E-mail Only) 在此期间中国一些科研部门和高等院校开始研究Internet联网技术，并开展了科研课题和科技合作工作。这个阶段的网络应用仅限于小范围内的电子邮件服务，而且仅为少数高等院校、研究机构提供电子邮件服务。 第二阶段为1994.4至1996年，是起步阶段（Full Function Connection） 1994年4月，中关村地区教育与科研示范网络工程进入互联网，实现和Internet的TCP/IP连接，从而开通了Internet全功能服务。 第三阶段从1997年至今，是快速增长阶段。国内互联网用户数97年以后基本保持每半年翻一番的增长速度。

1.1.4计算机网络在中国的发展历程 我国已建立了四大公用数据通信网，为我国Internet的发展创造了条件。 中国公用分组交换数据通信网（ChinaPAC）。 中国公用数字数据网（ChinaDDN）。 中国公用帧中继网（ChinaFRN）。 中国公用计算机互联网（ChinaNet）。

1.2 计算机网络的定义 计算机网络是按照网络协议，将地理上分散的、独立的计算机相互连接的集合。 1.2 计算机网络的定义 计算机网络是按照网络协议，将地理上分散的、独立的计算机相互连接的集合。 从这个简单的定义可以看出，计算机网络涉及到三个方面的问题。 （1）独立的计算机：组成网络的计算机要求是独立的。 （2）计算机间及其网络间的通信：目的是实现信息共享。 （3）协议：计算机系统之间的信息交换，必须有某种约定或规则，这就是协议。这些协议可以由硬件或软件来实现。

1.3 计算机网络的功能 数据通信功能 计算机网络中的计算机之间能相互进行数据传输、交换信息。如：信息点播（例如视频点播VOD），电子邮件，网络游戏，信息查询与检索，文件传输与交换（FTP）等。 资源共享功能 在计算机网络中，共享的网络资源可以有多种形式：数据、信息、软件、硬件等。通过计算机网络系统，计算机可以使用远程计算机的强大处理能力或其它硬件设备，例如通过TELNET远程登录，可以使用远程计算机强大运算能力处理本地复杂的数据运算，通过网络打印方式，可将本地打印功能将由网络打印机打印，而不必自己购买打印机。

1.4 计算机网络的分类 （1）按网络的作用范围或地理跨度划分 局域网（Local Area Network），简称LAN 1.4 计算机网络的分类 （1）按网络的作用范围或地理跨度划分 局域网（Local Area Network），简称LAN 城域网（Metropolitan Area Network），简称MAN 广域网（Wide Area Network），简称WAN （2）按传输介质分类 有线网 （双绞线，同轴电缆，光纤等） 无线网 （电磁波，红外，蓝牙等 ） （3） 按网络的传输技术划分 广播式网络 点到点网络（Point-to-Point Network）

局域网（Local Area Network） 为家庭、建筑或园区提供服务的网络视为局域网（LAN） 网络基础架构在以下方面可能存在巨大差异: 覆盖的区域大小 连接的用户数量 可用的服务数量和类型

广域网

The Internet – 由多个网络组成的网络 LANs 和 WANs 可连接成网际网络.

1.4 计算机网络的拓扑结构 计算机网络的拓扑结构 1.4 计算机网络的拓扑结构 计算机网络的拓扑结构 计算机网络的拓扑结构就是网络中通信线路和站点（计算机或设备）的几何排列形式。在计算机网络中，将主机和终端抽象为点，将通信介质抽象为线，形成电和线组成的图形。 计算机网络的常见网络拓扑结构有：总线型，环型，星型，树型，网状结构（分布式结构）型，蜂窝状结构等

1.4 计算机网络的拓扑结构 逻辑拓扑和物理拓扑 物理拓扑是节点与它们之间的物理连接的布局。表示如何使用介质来互连设备即为物理拓扑。 1.4 计算机网络的拓扑结构 逻辑拓扑和物理拓扑 物理拓扑是节点与它们之间的物理连接的布局。表示如何使用介质来互连设备即为物理拓扑。 逻辑拓扑是网络将帧从一个节点传输到另一节点的方法。此布局由网络节点之间的虚拟连接组成，与其物理布局无关。

(a) 星型；(b) 环型；(c) 树型；(d) 全连接；(e) 总线型；(f) 不规则型 1.4 计算机网络的拓扑结构 (a) 星型；(b) 环型；(c) 树型；(d) 全连接；(e) 总线型；(f) 不规则型

1.4 计算机网络的拓扑结构 总线型拓扑（Bus topology） 1.4 计算机网络的拓扑结构 总线型拓扑（Bus topology） 总线拓扑结构是一种共享通路的物理结构（总线与微机原理同理！），普遍用于局域网的连接。 总线拓扑结构的优点是：安装容易,扩充或删除一个节点很容易,不需停止网络的正常工作,节点的故障不会殃及系统。由于各个节点共用一个总线作为数据通路,信道的利用率高。总线结构的缺点：由于信道共享,连接的节点不宜过多，负载过重可能导致系统的崩溃。

1.4 计算机网络的拓扑结构 环型拓扑（Ring topology） 1.4 计算机网络的拓扑结构 环型拓扑（Ring topology） 环型拓扑结构是将网络节点连接成闭合结构。信号顺着一个方向从一台设备传到另一台设备,每一台设备都配有一个收发器,信息在每台设备上的延时时间是固定的。 这种结构特别适用于实时控制的局域网系统。 环型拓扑结构的特点是：安装容易,费用较低,电缆故障容易查找和排除。有些网络系统为了提高通信效率和可靠性,采用了双环结构,即在原有的单环上再套一个环,使每个节点都具有两个接收通道。环型网络的弱点是,当节点发生故障时,整个网络就不能正常工作。

1.4 计算机网络的拓扑结构 星型拓扑（star topology） 1.4 计算机网络的拓扑结构 星型拓扑（star topology） 星型拓扑结构是一种以中央节点为中心,把若干外围节点连接起来的辐射式互联结构。这种结构适用于局域网,特别是近年来连接的局域网大都采用这种连接方式。这种连接方式一般以双绞线作连接线路。 星型拓扑结构的特点是：安装容易,结构简单,费用低,通常以交换机(switch或hub)作为中央节点,便于维护和管理。中央节点的正常运行对网络系统来说是至关重要的。

1.4 计算机网络的拓扑结构 树型结构 树型拓扑结构就像一棵“根”朝上的树,与总线拓扑结构相比,主要区别在于总线拓扑结构中没有“根”。这种拓扑结构的网络是星型拓扑结构的扩展，应用较为流行。 树型拓扑结构的特点：优点是容易扩展、故障也容易分离处理,缺点是整个网络对根或节点的依赖性很大,一旦网络的根发生故障,整个系统就不能正常工作。

1.4 计算机网络的拓扑结构 分布式结构（网状拓扑结构） 1.4 计算机网络的拓扑结构 分布式结构（网状拓扑结构） 在网状拓扑结构中，网络的每台设备之间均有点到点的链路连接，采用分散控制，具有很高的可靠性；网中的路径选择最短路径算法，故网上延迟时间少，传输速率高，但控制复杂；一般用于广域网。

1.4 计算机网络的拓扑结构 蜂窝拓扑结构 蜂窝拓扑结构是无线局域网中常用的结构。它以无线传输介质（微波、卫星、红外等）点到点和多点传输为特征，是一种无线网，适用于城市网、校园网、企业网。

1.5 网络的基本组成 网络的基本组成 计算机网络在逻辑功能上可分成两个子网：资源子网（承担数据处理任务）和通信子网（负责数据通信），组成两级网络结构。

1.5 网络的基本组成 计算机网络由多台计算机（或其它计算机网络设备）通过传输介质和软件物理（或逻辑）连接在一起组成的。总的来说计算机网络的组成基本上包括：计算机、服务器，网络操作系统、传输介质，以及相应的软件。

1.5 网络的基本组成 网络工作站与服务器 网络工作站是指连接在计算机网络中并通过应用程序来执行任务的个人计算机。它是网络数据主要的发生场所和使用场所。用户通过工作站使用网络资源并完成自己的任务。网络操作系统通过在个人计算机中增加网络功能，使之成为网络工作站。 网络服务器(Server)是一台被网络工作站访问的计算机系统，通常是一台高性能计算机，例如大型机、小型机、UNIX工作站和高档PC机等。网络服务器包括各种网络信息资源，并负责管理资源和协调网络用户对资源的访问。网络服务器是计算机网络的核心设备，网络中可共享的资源大都集中在网络服务器中。 服务器的构成与微机基本相似，有处理器、硬盘、内存、系统总线等，它们是针对具体的网络应用特别制定的，因而服务器与微机在处理能力、稳定性、可靠性、安全性、可扩展性、可管理性等方面存在差异很大。

1.5 网络的基本组成 TCP/IP协议 Internet依靠TCP/IP协议，在全球范围内实现不同硬件结构、不同操作系统、不同网络系统的互联。在Internet上，每一个节点都依靠唯一的IP地址互相区分和相互联系。IP地址是一个32位二进制数的地址,由4个8位字段组成，每个字段之间用点号隔开,用于标识TCP/IP宿主机。 每个IP地址都包含两部分:网络ID和主机ID。网络ID标识在同一个物理网络上的所有宿主机，主机ID标识该物理网络上的每一个宿主机，于是整个Internet上的每个计算机都依靠各自唯一的IP地址来标识。 IP地址构成了整个Internet的基础，它是如此重要，每一台联网的计算机无权自行设定IP地址，有一个统一的机构-IANA负责对申请的组织分配唯一的网络ID,而该组织可以对自己的网络中的每一个主机分配一个唯一的主机ID，正如一个单位无权决定自己在所属城市的街道名称和门牌号，但可以自主决定本单位内部的各个办公室编号一样。

1.5 网络的基本组成 路由器 路由器是一种多端口设备，它可以连接不同传输速率并运行于各种环境的局域网和广域网，也可以采用不同的协议。路由器属于OS I 模型的第三层。网络层指导从一个网段到另一个网段的数据传输，也能指导从一种网络向另一种网络的数据传输。过去，由于过多的注意第三层或更高层的数据，如协议或逻辑地址，路由器曾经比交换机和网桥的速度慢。因此，不像网桥和第二层交换机，路由器是依赖于协议的。在它们使用某种协议转发数据前，它们必须要被设计或配置成能识别该协议。

1.5 网络的基本组成 网络操作系统 网络操作系统(network operation system --NOS)是网络的心脏和灵魂，是能够控制和管理网络资源的特殊的操作系统。它与一般的计算机操作系统不同的是：它在计算机操作系统下工作，使计算机操作系统增加了网络操作所需要的能力。 网络操作系统主要是指运行在各种服务器上的操作系统，目前主要有UNIX，linux、windows以及Netware系统等。各种操作系统在网络应用方面都有各自的优势，而实际应用却千差万别，这种局面促使各种操作系统都极力提供跨平台的应用支持。 一般情况下，NOS是以使网络相关特性最佳为目的的，如共享数据文件、软件应用，以及共享硬盘、打印机、调制解调器、扫描仪和传真机等。

1.6计算机网络的应用 1.办公自动化OA (Office Automation) 　办公自动化系统,按计算机系统结构来看是一个计算机网络,每个办公室相当于一个工作站。它集计算机技术、数据库、局域网、远距离通信技术以及人工智能、声音、图像、文字处理技术等综合应用技术之大成,是一种全新的信息处理方式。 2.电子数据交换EDI（Electronic data interchange) 电子数据交换,是将贸易、运输、保险、银行、海关等行业信息用一种国际公认的标准格式,通过计算机网络通信,实现各企业之间的数据交换,并完成以贸易为中心的业务全过程。

1.6计算机网络的应用 3.电信（或远程交换，Telecommuting) 　远程交换是一种在线服务(Online Serving)系统,原指在工作人员与其办公室之间的计算机通信形式,按通俗的说法即为家庭办公。 一个公司内本部与子公司办公室之间也可通过远程交换系统,实现分布式办公系统。远程交换的作用也不仅仅是工作场地的转移,它大大加强了企业的活力与快速反应能力。 4.远程教育(Distance Education) 　远程教育是一种利用在线服务系统,开展学历或非学历教育的全新的教学模式。远程教育几乎可以提供大学中所有的课程,学员们通过远程教育,同样可得到正规大学从学士到博士的所有学位。这种教育方式,对于已从事工作而仍想完成高学位的人士特别有吸引力。

1.6计算机网络的应用 5.电子银行 电子银行也是一种在线服务系统,是一种由银行提供的基于计算机网络的新型金融服务系统。 6.电子公告板系统BBS （Bulletin Board System) 电子公告板是一种发布并交换信息的在线服务系统。BBS可以使更多的用户通过电话线以简单的终端形式实现互联,从而得到廉价的丰富信息,并为其会员提供进行网上交谈、发布消息、讨论问题、传送文件、学习交流和游戏等的机会和空间。

1.7 标准化组织 (1)ISO：国际标准化组织（International Standard Organization）。 (2)ANSI：美国国家标准协会（American National Standard Institute）。 设计了ASCII代码组，它是一种广泛使用的数据通信标准代码。 (3)ITU：国际电信联盟（International Telecommunication Union）。 ITU有3个主要部门：无线通信部门（ITU-R），电信标准化部门（ITU-T），开发部门（ITU-D）。1953年－1993年，ITU-T被称为CCITT（国际电报电话咨询委员会）。CCITT建议自1993年起都打上了ITU-T标记。 (4)EIA：电子工业协会（Electronic Industries Association）（最为人熟悉的EIA标准之一是RS-232C接口，这一通信接口允许数据在设备之间交换）。 (5)IEEE：电气和电子工程师协会（Institute of Electrical and Electronics Engineers）。IEEE设置了电子工业标准，IEEE分成一些标准委员会（或工作组），每个工作组负责标准的一个领域，工作组802设置了网络上的设备如何彼此通信的标准。

1.8 计算机网络的发展趋势 （1）软交换技术 从广义上讲，软交换是指一种体系结构。利用该体系结构建立下一代网络框架，主要包含软交换设备、信令网关、媒体网关、应用服务器、综合接入设备等等。从狭义上讲，软交换是指软交换设备，其定位是在控制层。它的核心思想是硬件软件化，通过软件的方式来实现原来交换机的控制、接续和业务处理等功能。各实体之间通过标准的协议进行连接和通信。

1.8 计算机网络的发展趋势 （2）IPv6技术 未来的计算机网络是基于IPv6技术的网络。现有的IPv4技术在地址空间方面有很大的局限性，已成为网络发展的最大障碍。此外，IPv4在服务质量，传送速度，安全性，支持移动性与多播等方面也有局限性，这些局限性妨碍网络的发展，使许多服务与应用难以开展。因此，在IPv6的设计过程中除了要根本解决地址短缺问题外，还要考虑在IPv4中解决不好的许多问题，例如提高网络吞吐量，改善服务质量，提高安全性，支持即插即用和移动性，更好地实现多播功能等。IPv6将使网络上升到一个新台阶，并将在发展过程中不断地完善。

1.8 计算机网络的发展趋势 （3）光交换与智能光网络技术 尽管波分复用光纤通信系统有巨大的传输容量，但它只提供了原始带宽，还需要有灵活的光网络结点实现更加有效与更加灵活的组网能力。当前组网技术正从具有上下光路复用（OADM，Optical Add/Drop Multiplexer）和光交叉连接（OXC，Optical Cross Connect）功能的光联网向由光交换机构成的智能光网络发展；从环形网向网状网发展；从光—电—光交换向全光交换发展。即在光联网中引入自动波长配置功能，也就是自动交换光网络（ASON， Automatic Switched Optical Network），使静态的光联网走向动态的光联网。

1.8 计算机网络的发展趋势 （4）宽带接入技术 计算机网络必须要有宽带接入技术的支持，各种宽带服务与应用才有可能开展。因为只有接入网的带宽瓶颈问题被解决，核心网和城域网的容量潜力才能真正发挥。尽管当前宽带接入技术有很多种，但只要是不和光纤或光结合的技术，就很难在下一代网络中应用。目前光纤到户（FTTH，Fiber To The Home）的成本已下降至光技术可以普及的程度。这里涉及两个新技术，一个是基于以太网的无源光网络（EPON，Ethernet Passive Optical Network）的光纤到户技术，一个是自由空间光系统（FSO，Free Space Optical）。

1.8 计算机网络的发展趋势 （5）3G（第3代）以上的移动通信系统技术 3G系统比现用的2G和2.5G系统传输容量更大，灵活性更高，它处理多媒体业务，已形成很多的标准，并出现新的商业模式。3G以上包括后3G，4G，乃至5G系统，它们将更是以宽带多媒体业务为基础，使用更高更宽的频带，传输容量会更上一层楼。它们可在不同的网络间无缝连接，提供满意的服务；同时网络可以自行组织，终端可以重新配置和随身携带，是一个包括卫星通信在内的端到端的IP系统，可与其它技术共享一个IP核心网。它们都是构成下一代移动互联网的基础设施。

本章小结 本章小结 计算机网络定义：计算机网络是按照网络协议，将地理上分散的、独立的计算机相互连接的集合。 计算机网络的分类：可以按网络的作用范围，按网络的传输技术，按网络的适用范围，按传输介质分类，按企业和公司管理等进行分类。 计算机网络的常见拓扑结构：1.总线型；2.环型；3.星型；4.树型；5.网状结构；6.蜂窝状结构等。 计算机网络的主要功能：1．数据通信； 2.资源共享； 3．提高计算机系统可靠性和可用性。