计算机网络及应用 第一章 计算机网络概述

计算机网络究竟是什么？它是什么样子的？

计算机网络定义 将地理位置不同，并具有独立功能的多台计算机系统通过通信设备和线路按不同的形式连接起来，以功能完善的网络软件实现在网络中资源共享和信息传递的系统。

多个计算机系统 由各种通信设备和通信线路组成的通信子网 网络软件

第1章 计算机网络概述 1.1 计算机网络的产生和发展 1.2 计算机网络的概念、功能及组成 1.3 计算机网络的分类

1.1 计算机网络的产生和发展 1.面向终端的远程联机系统 2.共享资源的计算机网络 3.标准化网络 4.互联网与物联网　　

1.1.1 面向终端的远程联机系统 　　早期的计算机制造成本高、主机昂贵且数量很少，一台计算机只能供一个人使用。使用计算机时用户必须进入特定的计算机机房，在计算机的控制台上进行操作。

世界上第一台电子数字式计算机于1946年2月15日在美国宾夕法尼亚大学研制成功，它的名称叫ENIAC(埃尼阿克)。它使用了17468个真空电子管，耗电174千瓦，占地170平方米，重达30吨，每秒钟可进行5000次加法运算。

为了实现计算机远程操作，提高对计算机资源的充分利用，科学家利用各种通信手段，将终端和计算机进行远程连接，使用户在自己的办公室通过终端就可以使用远程计算机。 终端可以处于不同的地理位置，通过传输介质及相应的通信设备与一台远程计算机相连，用户可以通过本地终端或远程终端登录并使用远程计算机系统。

这种以单个计算机为中心的计算机系统称为面向终端的远程联机系统，如图1-1所示，可以称为第一代计算机网络。20世纪50年代建立于美国的半自动地面防空系统SAGE就属于这种网络。

改进：在主计算机的外围增加一台计算机，专门用于处理终端的通信信息及控制通信线路，并能对用户的作业进行某些预处理操作，通常称这台计算机为通信控制处理机，也称前置处理机。同时，在终端设备较集中的地方设置一台集中器，终端通过低速线路先汇集到集中器上，然后再用高速线路将集中器连到主机上，这样就形成了多机系统。20世纪60年代初，美国航空公司的航空订票系统就属于这种网络。

第一代计算机网络存在以下明显的缺点： 　　(1) 以主机为中心，联机系统上的终端没有独立的数据处理能力。 　　(2) 由于主机系统通过串行接口RS-232与多用户系统相连接，它既要承担数据处理任务，又要承担数据通信任务，致使主机系统负担较重。 　　(3) 终端设备运行速度慢，操作时间长，每个用户都要独占一条长距离的通信线路，线路利用率较低。 　　(4) 这种结构属于集中控制方式，可靠性低。

1.1.2 共享资源的计算机网络 　　从20世纪60年代中期到70年代中期，人们提出利用通信线路将多个计算机连接起来，形成了多计算机互连的网络，为用户提供服务。同时，数据处理与通信不再采用集中模式，而是由分散在不同地理位置的计算机共同完成，这就是以共享资源为目的的第二代计算机网络。

第二代计算机网络在逻辑上可分为两大部分：资源子网和通信子网。 ★资源子网由主机、终端、终端控制器、联网外设、各种软件资源与信息资源组成，它负责全网的数据处理并向网络用户提供各种网络资源与服务。 ★通信子网由通信控制处理机、通信线路和其他通信设备组成，负责网络数据传输与转发等通信处理任务。 1969年美国国防部建成的ARPANET实验网就是这种网络。

第二代计算机网络的特点是： 　　(1) 实现了分布式的资源共享。 　　(2) 具有分组交换的数据交换方式。 　　(3) 采用专门的通信控制处理机。 　　(4) 使用分层的网络协议。 　　以上几点也是计算机网络的一般特征

1.1.3 标准化网络 20世纪70年代后期，许多国际组织诸如国际标准化组织(ISO)、国际电气电子工程师协会(IEEE)、国际电报电话咨询委员会(CCITT)等都成立了专门的研究机构来研究计算机系统的互连、计算机网络协议标准化等问题。 1979年，ISO公布了开放系统互连参考模型(Open System Interconnection/Reference Model，OSI/RM)。 OSI/RM极大地推动了网络标准化的进程，使人类步入了第三代计算机网络的时代。

1.1.4 互联网与物联网 　　随着计算机网络的飞速发展，人们在全球范围内建立了不计其数的局域网和广域网。为了扩充网络规模以实现更大范围的资源共享，人们迫切需要将这些网络互联在一起，于是国际互联网Internet应运而生。 　　Internet是全球规模最大的、最开放的，由众多广域网和局域网通过多个路由器互连而成的巨型计算机网络。Internet的网络体系结构采用TCP/IP协议集。 因特网（Internet）.VS.万维网（world wide web）

第四代计算机网络的特点是： 　　(1) 广泛的资源共享。 　　(2) 高速的数据传输。 　　(3) 综合的业务服务。

1.1.5 局域网的发展 　　早期的计算机网络大多为广域网，而局域网的出现与发展是在20世纪70年代个人计算机(Personal Computer，PC)推出以后。到80年代，由于PC和小型机的性能不断提高、价格不断降低，计算机也开始步入寻常百姓家，网络应用也从科学计算走入日常事务处理。 　　由于个人计算机的大量涌现，以信息交换和资源共享为目的的要求开始凸显。人们开始把一个办公室、一栋楼或一个园区的计算机连接起来，相互之间交换信息，交互工作，共享硬件资源(如贵重仪器设备)和软件资源，于是就产生了局域网技术。

1.1.6 计算机网络的发展趋势 　　计算机网络技术的进步，促进了网络应用的普及。而网络应用需求的不断扩大，又推动了计算机网络进一步的发展。进入21世纪，计算机网络正在向高速化、综合化、宽带化、智能化、标准化、通信的可移动性及安全性等方向发展。信息高速公路概念的提出为人们展示了信息化社会的美好前景—为用户提供声音、图像、图形、数据和文本的综合服务，实现用户之间的多媒体通信。 视频：未来生活网络世界

1.2 计算机网络的概念、功能及组成 1.2.1 计算机网络的概念 将地理位置不同，并具有独立功能的多台计算机系统通过通信设备和线路按不同的形式连接起来，以功能完善的网络软件实现在网络中资源共享和信息传递的系统。

1.2.2 计算机网络的主要功能 数据通信（基础） 资源共享 提高系统可靠性 促进分布式数据处理和分布式数据库的发展 提高系统处理能力

1. 数据通信 　　数据通信是指在计算机之间传送数据，包括数字、文字、声音、图像与视频信号等。利用数据通信功能，人们可以进行各种远程通信，实现网络上的应用，如收发电子邮件、视频点播、视频会议、远程教学、远程医疗与网上消息发布等。数据通信是计算机网络各种功能的基础，有了数据通信，才会有资源共享，才会有其他的各种功能。

2. 资源共享 　　在计算机网络中有许多昂贵的资源，如大型数据库、巨型计算机等，不能为一个用户所拥有，所以必须实现资源共享。这里的资源可包括硬件资源、软件资源和数据资源。硬件资源包括各种大型的处理器、存储设备、输入/输出设备等。软件资源包括操作系统、应用软件和驱动程序等，通过计算机网络可以实现这些软件的共享。数据资源包括用户文件、配置文件、数据文件等。

3. 提高系统可靠性 　　在单个系统中，一个部件或计算机的暂时失效必须通过替换资源的方法来维持原来系统的继续运行。但在网络中，一种资源可以存放在多个地点，并且用户可以通过多种途径访问网络的某种资源。因此，当某一节点发生故障，可以转到其他系统中代为处理或通过别的路径传送信息，从而避免了单点失效对用户的影响，增加了系统的可靠性。

4. 促进分布式数据处理和分布式数据库的发展 　　由于计算机价格的快速下降，在计算机网络内计算机和通信装置的性价比发生了显著的变化，因此可在获得数据和需要进行数据处理的地方设置计算机，把数据处理的功能分散到各个计算机上，利用网络环境来实现分布式处理以及建立性能优良、可靠性高的分布式数据库系统。普适计算技术会在商务应用中大力发展。

5. 提高系统处理能力 　　在网络中，由于每台计算机需要处理的任务不同，那么就可能出现忙闲不均，甚至个别计算机负担过重的现象。这时，计算机网络具有均衡负载的功能，可以通过网络调度来协调工作，把负担过重的计算机上的部分工作交给“闲”的计算机去做。而有一些科学计算题目非常大，致使一台计算机难以完成，这时可以通过计算机网络，在网络操作系统或应用软件的统一管理与调度下，让多台计算机协同工作，共同完成计算，以提高系统的性能。 ★云计算

1.2.3 计算机网络的基本组成 计算机系统 通信链路和通信设备 网络协议 网络软件 硬件 软件

1. 计算机系统 　　计算机网络的第一个要素是具备两台或两台以上拥有独立功能的计算机系统。计算机系统是网络的基本单元，是计算机网络的主体，属于被连接的对象。它主要负责数据信息的收集、处理、存储和传播，还可以提供资源共享和各种信息服务。 　　计算机网络连接的计算机系统可以是巨型机、大型机、小型机、工作站或微机，以及笔记本电脑或其他数据终端设备。

2. 通信链路和通信设备 　　通信链路指的是传输介质及其连接部件，包括光缆、同轴电缆和双绞线等。 通信设备指网络连接设备和网络互联设备，包括以下几个部分： 　　1) 调制解调器(Modem)猫 调制解调器是一种把要传输的信号调制到载波上或从载波上把信号分离出来的设备。

2) 网络接口卡(Network Interface Card) 　　网络接口卡简称网卡，又称网络适配器，是插在计算机总线插槽内或某个外部接口上的扩展卡，它与网络程序(网络操作系统)配合工作，负责把将要发送的数据转换为网络上其他设备能够识别的格式，通过网络介质传输，或从网络介质接收信息，转换成网络程序能够识别的数据格式。

3) 各种网络互联设备 　　网络互联设备包括集线器(Hub)、中继器(Repeater)、交换机(Switch)、网桥(Bridge)、路由器(Router)与网关(Gateway)等。

3. 网络协议 　　网络协议是指通信双方就通信如何进行所必须共同遵守的约定和通信规则的集合。例如采用何种格式表达、组织和传输数据，采用何种方式检查和纠正传输过程中出现的错误，以及传输信息的时序组织与控制机制等。现代网络采用层次结构，协议规定了分层规则、层间关系和执行信息传递过程的方向、分解与重组等。

4. 网络软件 　　为了协调系统资源，系统需要通过网络软件对网络资源进行全面管理、合理调度和适当分配，并采取一系列安全措施，防止用户对数据与信息的不合理访问造成数据与信息的破坏及丢失。网络软件是实现网络功能所不可缺少的软环境。 通常网络软件包括： 　　(1) 网络协议软件（能用） (2) 网络操作系统（好用） (3) 网络管理及网络应用软件（用的放心）

1.3 计算机网络的分类 1.3.1 按网络覆盖的范围分类 　　按网络覆盖的地理范围可将计算机网络划分为局域网、广域网和城域网三种。

1. 局域网（例如：企业网、校园网） 　　局域网(Local Area Network，LAN)是将较小地理区域内的各种数据通信设备连在一起的通信网络，也就是在一个较小区域范围内，将分散的计算机系统或数据终端互连起来为实现资源共享而构成的网络。局域网与广域网和城域网相比，具有以下特点： (1) 网络覆盖的地理范围比较小，一般在几十米到几十千米。 　　(2) 传输速率较高，通常在10 Mb/s以上，目前可达到10 Gb/s，响应时间为百微秒。 　　(3) 误码率低。

(4) 局域网拓扑结构简单，大多采用总线结构、星型、环型等拓扑结构，系统容易配置和管理。 　　(5) 按照采用的技术、应用范围和协议标准的不同，可分为共享局域网和交换局域网。 (6) 网络控制趋向分布式，由于局域网采用了分布式控制方法，因而减少了对某个节点的依赖性，减小并避免了一个节点故障对整个网络的影响。 　　(7) 局域网通常归属一个单位的组织管理，不对外提供公共服务，管理方便，安全和保密性好。

　　2. 广域网 　　广域网(Wide Area Network，WAN)又称远程网，是在一个广阔的地理区域内进行数据、语音、图像等信息传输的通信网。广域网覆盖的范围大，一般可从几千米到几万千米。例如，一个大城市、一个地区、一个国家或洲际间建立的网络都属于广域网。广域网的主要特点如下： (1) 覆盖的地理区域大，通常由几千米到几万千米，网络可跨越市、地区、省、国家、洲，甚至全球。 　　(2) 广域网的连接常借用公用通信网，单独建造一个广域网的费用极其昂贵。

　　(3) 传输速率较慢，一般在64 kb/s～2 Mb/s。但随着广域网技术的发展，传输速率也在不断地提高。目前通过光纤介质，广域网的传输速率可提高到155 Mb/s～2.5 Gb/s，最高可达10 Gb/s。 　　(4) 网络通信控制比较复杂，尤其是使用公共传输网，要求连接到网上的任何用户都必须严格遵守各种标准和规程。 　　(5) 网络拓扑结构比较复杂，广域网大多采用分布式网络结构，即所有计算机都与交换节点相连，从而实现网络中任何两台计算机间的通信。

　　3. 城域网 　　城域网（Metropolitan Area Network， MAN）所采用的技术基本上与局域网相类似，只是规模上要大一些，它的覆盖范围介于广域网和局域网之间，可满足大量企业、机关与公司的多个局域网互联的需求。 目前，城域网正在逐步地融入到局域网中。

　　1.3.2 按通信介质分类 　　根据网络使用的通信介质，可以把计算机网络分为有线网络(如以双绞线为传输介质的双绞线网、以光缆为传输介质的光纤网、以同轴电缆为传输介质的同轴电缆网等)和无线网络(以卫星、微波等为无线介质)。

　　1.3.3 按通信方式分类 　　1. 广播式网络 　　广播式网络是指所有的节点共享一个公共的通信信道。一台计算机发送的数据可以被连接到共享信道的所有其他计算机所接收。广播式网络主要应用于局域网中的总线结构网络、星型网络和树型网络。这种网络的典型代表是以太网。 　　2. 点到点网络 　　点对点网络是以点对点的连接方式把各个计算机连接起来的网络。这种传播方式的主要拓扑结构有星型、树型、环型和网状结构。

　　1.3.4 按使用范围分类 　　1. 公用网 　　公用网又称公众网，一般由政府的电信部门组建、控制和管理，网络内的数据传输和交换设备可租用给任何个人或部门使用。 　　2. 专用网 　　专用网通常由一个部门、一个系统、学校或公司等组建、管理和使用。多数局域网属于专用网。某些广域网也可用作专用网，如广电网、铁路网等。

　　1.3.5 按拓扑结构分类 　　拓扑学是几何学的一个分支，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。 网络拓扑抛开了网络中的具体设备，把工作站、服务器等网络单元抽象为点，把网络中的电缆等通信介质抽象为线，构成了不同的几何图形，从而抽象出了网络系统的具体结构。

　　计算机网络系统的拓扑结构主要有星型、树型、总线、环型、网状结构等几种。

　　 1. 星型网络 　　星型网络也叫集中式网络，一般由一个功能较强的中心节点(集线器或交换机)以及一些通过点到点链路连接到中心节点的从节点组成。中心节点是整个网络的处理控制中心，所有的信息流都必须经过中心节点。从节点则只有较少的处理控制功能，任何两个从节点之间不能直接通信，如果要通信都必须经过中心节点。

　　星型网络的优点有： 　　(1) 结构简单，便于管理和维护。 　　(2) 易于实现结构化布线。 　　(3) 配置方便，网络中计算机的添加或移出都非常简单，易于扩展和升级。 　　(4) 容错性远远大于其他结构的网络，如果一台计算机断开连接或者一根电缆出现故障，只有该计算机会受到影响，网络上其他的计算机可以照常通信。

　　星型网络的缺点有： 　　(1) 线路专用，电缆成本高。 　　(2) 星型网络由中心节点控制与管理，中心节点是整个网络可靠性的瓶颈，中心节点的可靠性基本上决定了整个网络的可靠性，中心节点一旦出现故障，会导致整个网络的瘫痪。 　　(3) 中心节点分布处理能力较低，负担重，易成为信息传输的瓶颈。

　　2. 树型网络 　　树型网络也叫多级星型网络。树型网络的特点是连网计算机按树型组成，树的每个节点都是计算机或转接设备。一般来说，越靠近树根，节点的处理能力就越强。在树型结构中有多个中央节点，但主要的数据流通在网络的各分支之间进行，形成一种分级管理的集中式网络，因此，树型网络又称为分级的集中式网络，适合于数据分级传送的场合。如果树型网络仅有两级，就变为星型网络。

　　树型网络的优点有： 　　(1) 分级结构，各节点按一定的层次连接。 　　(2) 连接容易，易于扩展。 　　(3) 易于进行故障隔离，可靠性高。 　　树型网络的缺点有： 　　(1) 共享能力差。 　　(2) 对根节点的依赖性大，一旦根节点出现故障，将导致整个网络瘫痪。 　　(3) 电缆成本高。

　　 3. 总线结构网络 　　总线结构网络由各节点计算机“挂接”在一条高速公用总线上而构成。对总线结构网络而言，其通信网络中只有传输媒体，没有交换机等网络设备，所有网络节点都通过介质连接接口装置直接与传输媒体相连。总线上各节点计算机地位相等，无中心节点，属于分布式控制。总线结构网络采用广播通信方式，即由一个节点发出的信息可被网络上的多个节点所接收。

　　　总线结构网络的优点有： 　　(1) 结构简单，易于扩展。 　　(2) 共享能力强，便于广播式传输。 　　(3) 易于安装，费用低。 　　(4) 采用分布控制方式，各节点通过总线直接通信。 　　(5) 各工作节点平等，都有权争用总线，不受某节点仲裁。

　　总线结构网络的缺点有： 　　(1) 实时性较差，当节点通信量较大时，网络性能会急剧下降。 　　(2) 网络效率和带宽利用率低。 　　(3) 传输媒体的负载能力有限，网络节点的个数受限制。 　　(4) 访问控制复杂。

4. 环型网络 　　环型网络是一种常见的局域网类型，网络中各节点计算机由一条通信线路连接形成一个首尾相连的闭合环路。在环路中，信息是按一定方向从一个节点传输到下一个节点的，每个节点按位转发信息。环型信道也是一条广播式信道，常用令牌控制来协调各节点发送信息和接收信息。

　　环型网络的优点有： 　　(1) 各节点间无主从关系，结构简单。 　　(2) 信息流在网络中沿单向传递，延迟固定，实时性较好。 　　(3) 两个节点之间仅有唯一的路径，简化了路径选择，有利于进行故障排除。 　　环型网络的缺点有： 　　(1) 可靠性差，任何线路或节点发生故障，都有可能引起整个网络的故障，且故障检测困难。 　　(2) 可扩充性差。

　　5. 网状结构网络 　　网状结构网络也叫分布式网络，网状结构网络中的每一节点和网络上其他所有节点都有通信线路连接，这种网络的复杂性随着节点数目的增加而迅速增加。 例如，将5个节点用点—点方式全部连接起来，每个节点需要4条线路，必须有4个通信端口，整个网络共需要10条(N(N－1)/2)线路。

　　网状结构网络的主要特点如下： 　　(1) 节点存在冗余链路，可靠性高。 　　(2) 可选择最佳路径，减少时延，改善流量分配，提高网络性能。 　　(3) 管理复杂，需要解决路径连接、拓扑优化与流量控制等问题。 　　(4) 线路成本高。