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计算机网络
计算机网络
目录
计算机网络的发展过程
计算机网络的功能
一、计算机网络的组成及分类
网络体系结构
二、局域网的分类
网络基础知识概述与定义
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计算机网络的发展过程
一：
第一阶段可以追溯到20世纪50年代。
那时人们开始将彼此独立发展的计算机技术与通信技术结合起来，完成了数据通信与计算机通信网络的研究，为计算机网络的出现做好了技术准备，奠定了理论基础。
二：
分组交换的产生：
20世纪60年代，美苏冷战期间，美国国防部领导的远景研究规划局ARPA提出要研制一种崭新的网络对付来自前苏联的核攻击威胁。
因为当时，传统的电路交换的电信网虽已经四通八达，但战争期间，一旦正在通信的电路有一个交换机或链路被炸，则整个通信电路就要中断，如要立即改用其他迂回电路，还必须重新拨号建立连接，这将要延误一些时间。
这个新型网络必须满足一些基本要求：
1：
不是为了打电话，而是用于计算机之间的数据传送。
2：
能连接不同类型的计算机。
3：
所有的网络节点都同等重要，这就大大提高了网络的生存性。
4：
计算机在通信时，必须有迂回路由。
当链路或结点被破坏时，迂回路由能使正在进行的通信自动地找到合适的路由。
5：
网络结构要尽可能地简单，但要非常可靠地传送数据。
根据这些要求，一批专家设计出了使用分组交换的新型计算机网络。
而且，用电路交换来出传送计算机数据，其线路的传输速率往往很低。
因为计算机数据是突发式地出现在传输线路上的，比如，当用户阅读终端屏幕上的信息或用键盘输入和编辑一份文件时或计算机正在进行处理而结果尚未返回时，宝贵的通信线路资源就被浪费了。
分组交换是采用存储转发技术。
把欲发送的报文分成一个个的“分组”，在网络中传送。
分组的首部是重要的控制信息，因此分组交换的特征是基于标记的。
分组交换网由若干个结点交换机和连接这些交换机的链路组成。
从概念上讲，一个结点交换机就是一个小型的计算机，但主机是为用户进行信息处理的，结点交换机是进行分组交换的。
每个结点交换机都有两组端口，一组是于计算机相连，链路的速率较低。
一组是于高速链路和网络中的其他结点交换机相连。
注意，既然结点交换机是计算机，那输入和输出端口之间是没有直接连线的，它的处理过程是：
将收到的分组先放入缓存，结点交换机暂存的是短分组，而不是这个长报文，短分组暂存在交换机的存储器（即内存）中而不是存储在磁盘中，这就保证了较高的交换速率。
再查找转发表，找出到某个目的地址应从那个端口转发，然后由交换机构将该分组递给适当的端口转发出去。
各结点交换机之间也要经常交换路由信息，但这是为了进行路由选择，当某段链路的通信量太大或中断时，结点交换机中运行的路由选择协议能自动找到其他路径转发分组。
通讯线路资源利用率提高：
当分组在某链路时，其他段的通信链路并不被目前通信的双方所占用，即使是这段链路，只有当分组在此链路传送时才被占用，在各分组传送之间的空闲时间，该链路仍可被其他主机发送分组。
可见采用存储转发的分组交换的实质上是采用了在数据通信的过程中动态分配传输带宽的策略。
三：
因特网时代
internet的基础结构大体经历了三个阶段的演进，这三个阶段在时间上有部分重叠。
1：
从单个网络ARPAnet向互联网发展：
1969年美国国防部创建了第一个分组交换网ARPAnet只是一个单个的分组交换网，所有想连接在它上的主机都直接于就近的结点交换机相连，它规模增长很快，到70年代中期，人们认识到仅使用一个单独的网络无法满足所有的通信问题。
于是ARPA开始研究很多网络互联的技术，这就导致后来的互联网的出现。
1983年TCP/IP协议称为ARPAnet的标准协议。
同年，ARPAnet分解成两个网络，一个进行试验研究用的科研网ARPAnet，另一个是军用的计算机网络MILnet。
1990，ARPAnet因试验任务完成正式宣布关闭。
2：
建立三级结构的因特网：
1985年起，美国国家科学基金会NSF就认识到计算机网络对科学研究的重要性，1986年，NSF围绕六个大型计算机中心建设计算机网络NSFnet，它是个三级网络，分主干网、地区网、校园网。
它代替ARPAnet称为internet的主要部分。
1991，NSF和美国政府认识到因特网不会限于大学和研究机构，于是支持地方网络接入，许多公司的纷纷加入，使网络的信息量急剧增加，美国政府就决定将因特网的主干网转交给私人公司经营，并开始对接入因特网的单位收费。
3：
多级结构因特网的形成：
1993年开始，美国政府资助的NSFnet就逐渐被若干个商用的因特网主干网替代，这种主干网也叫因特网辅助提供者ISP，考虑到因特网商用化后可能出现很多的ISP，为了是不同ISP经营的网络能够互通，在1994创建了4个网络接入点NAP分别有4个电信公司经营，本世纪初，美国的NAP达到了十几个。
NAP是最高级的接入点，它主要是向不同的ISP提供交换设备，是它们相互通信。
现在的因特网已经很难对其网络结构给出很精细的描述，但大致可分为五个接入级：
网络接入点NAP，多个公司经营的国家主干网，地区ISP，本地ISP，校园网、企业或家庭PC机上网用户。
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计算机网络的功能
计算机网络的功能主要表现在硬件资源共享、软件资源共享和用户间信息交换三个方面。
（1）硬件资源共享。
可以在全网范围内提供对处理资源、存储资源、输入输出资源等昂贵设备的共享，使用户节省投资，也便于集中管理和均衡分担负荷。
（2）软件资源共享。
允许互联网上的用户远程访问各类大弄数据库，可以得到网络文件传送服务、远地进程管理服务和远程文件访问服务，从而避免软件研制上的重复劳动以及数据资源的重复存贮，也便于集中管理。
（3）用户间信息交换。
计算机网络为分布在各地的用户提供了强有力的通信手段。
用户可以通过计算机网络传送电子邮件、发布新闻消息和进行电子商务活动。
概述
计算机网络，是指将地理位置不同的具有独立功能的多台计算机及其外部设备，通过通信线路连接起来，在网络操作系统，网络管理软件及网络通信协议的管理和协调下，实现资源共享和信息传递的计算机系统。
简单地说，计算机网络就是通过电缆、电话线或无线通讯将两台以上的计算机互连起来的集合。
计算机网络的发展经历了面向终端的单级计算机网络、计算机网络对计算机网络和开放式标准化计算机网络三个阶段。
计算机网络通俗地讲就是由多台计算机（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、网络操作系统、传输介质（可以是有形的，也可以是无形的，如无线网络的传输介质就是空气）以及相应的应用软件四部分。
在定义上非常简单﹕网络就是一群通过一定形式连接起来的计算机。
一个网络可以由两台计算机组成﹐也可以是在同一大楼里面的上千台计算机和使用者。
我们通常指这样的网络为局域网（LAN﹐LocalAreaNetwork）﹐由LAN再延伸出去更大的范围﹐比如整个城市甚至整个国家﹐这样的网络我们称为广域网（WAN﹐WideAreaNetwork）﹐当然您如果要再仔细划分的话﹐还可以有MAN（MetropolitanAreaNetwork）和ANC（CitywideAreaNetwork）﹐这些网络都需要有专门的管理人员进行维护。
而我们最常触的Internet则是由这些无数的LAN和WAN共同组成的。
Internet仅是提供了它们之间的连接﹐但却没有专门的人进行管理（除了维护连接和制定使用标准外）﹐可以说Internet是最自由和最没王管的地方了。
在Internet上面是没有国界种族之分的﹐只要连上去﹐在地球另一边的计算机和您室友的计算机其实没有什么两样的。
因为我们最常使用的还是LAN﹐（即使我们从家中连上Internet﹐其实也是先连上ISP的LAN）﹐所以这里我们主要讨论的还是以LAN为主。
LAN可以说是众多网络里面的最基本单位了﹐等您对LAN有了一定的认识﹐再去了解WAN和Internet就比较容易入手了﹐只不过需要了解更多更复杂的通讯手段而已。
Internet?
Intranet?
Extranet?
接触过网络的朋友﹐或多或少都应该听过上面几个名词吧﹖不过﹐大家可知道它们之间的分别和如何定义吗﹖
其实﹐最早出现的名词应该是Internet﹐然后人们将Internet的概念和技巧引入到内部的私人网络﹐可以是独立的一个LAN也可以是专属的WAN﹐于是就称为Intranet了。
它们之间的最大分别是﹕开放性。
Internet是开放的﹐不属于任何人﹐只要能连接得到您就属于其中一员﹐也就能获得上面开放的资源﹔相对而言﹐Intranet则是专属的﹑非开放的﹐它往往存在于于私有网络之上﹐只是其结构和服务方式和设计﹐都参考Internet的模式而已。
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一、计算机网络的组成及分类
计算机网络通俗地讲就是由多台计算机（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、网络操作系统、传输介质（可以是有形的，也可以是无形的，如无线网络的传输介质就是空气）以及相应的应用软件四部分。
要学习网络，首先就要了解目前的主要网络类型，分清哪些是我们初级学者必须掌握的，哪些是目前的主流网络类型。
虽然网络类型的划分标准各种各样，但是从地理范围划分是一种大家都认可的通用网络划分标准。
按这种标准可以把各种网络类型划分为局域网、城域网、广域网和互联网四种。
局域网一般来说只能是一个较小区域内，城域网是不同地区的网络互联，不过在此要说明的一点就是这里的网络划分并没有严格意义上地理范围的区分，只能是一个定性的概念。
下面简要介绍这几种计算机网络。
1。
局域网（LocalAreaNetwork；LAN）
通常我们常见的“LAN”就是指局域网，这是我们最常见、应用最广的一种网络。
现在局域网随着整个计算机网络技术的发展和提高得到充分的应用和普及，几乎每个单位都有自己的局域网，有的甚至家庭中都有自己的小型局域网。
很明显，所谓局域网，那就是在局部地区范围内的网络，它所覆盖的地区范围较小。
局域网在计算机数量配置上没有太多的限制，少的可以只有两台，多的可达几百台。
一般来说在企业局域网中，工作站的数量在几十到两百台次左右。
在网络所涉及的地理距离上一般来说可以是几米至10公里以内。
局域网一般位于一个建筑物或一个单位内，不存在寻径问题，不包括网络层的应用。
这种网络的特点就是：
连接范围窄、用户数少、配置容易、连接速率高。
目前局域网最快的速率要算现今的10G以太网了。
IEEE的802标准委员会定义了多种主要的LAN网：
以太网（Ethernet）、令牌环网（TokenRing）、光纤分布式接口网络（FDDI）、异步传输模式网（ATM）以及最新的无线局域网（WLAN）。
这些都将在后面详细介绍。
2。
城域网（MetropolitanAreaNetwork；MAN）
这种网络一般来说是在一个城市，但不在同一地理小区范围内的计算机互联。
这种网络的连接距离可以在10￣100公里，它采用的是IEEE802.6标准。
MAN与LAN相比扩展的距离更长，连接的计算机数量更多，在地理范围上可以说是LAN网络的延伸。
在一个大型城市或都市地区，一个MAN网络通常连接着多个LAN网。
如连接政府机构的LAN、医院的LAN、电信的LAN、公司企业的LAN等等。
由于光纤连接的引入，使MAN中高速的LAN互连成为可能。
城域网多采用ATM技术做骨干网。
ATM是一个用于数据、语音、视频以及多媒体应用程序的高速网络传输方法。
ATM包括一个接口和一个协议，该协议能够在一个常规的传输信道上，在比特率不变及变化的通信量之间进行切换。
ATM也包括硬件、软件以及与ATM协议标准一致的介质。
ATM提供一个可伸缩的主干基础设施，以便能够适应不同规模、速度以及寻址技术的网络。
ATM的最大缺点就是成本太高，所以一般在政府城域网中应用，如邮政、银行、医院等。
3。
广域网（WideAreaNetwork；WAN）
这种网络也称为远程网，所覆盖的范围比城域网（MAN）更广，它一般是在不同城市之间的LAN或者MAN网络互联，地理范围可从几百公里到几千公里。
因为距离较远，信息衰减比较严重，所以这种网络一般是要租用专线，通过IMP（接口信息处理）协议和线路连接起来，构成网状结构，解决循径问题。
这种城域网因为所连接的用户多，总出口带宽有限，所以用户的终端连接速率一般较低，通常为9.6Kbps￣45Mbps如：
邮电部的CHINANET，CHINAPAC，和CHINADDN网。
4.互联网（Internet）
互联网又因其英文单词“Internet”的谐音，又称为“英特网”。
在互联网应用如此发展的今天，它已是我们每天都要打交道的一种网络，无论从地理范围，还是从网络规模来讲它都是最大的一种网络，就是我们常说的“Web”、“WWW”和“万维网”等多种叫法。
从地理范围来说，它可以是全球计算机的互联，这种网络的最大的特点就是不定性，整个网络的计算机每时每刻随着人们网络的接入在不变的变化。
当您连在互联网上的时候，您的计算机可以算是互联网的一部分，但一旦当您断开互联网的连接时，您的计算机就不属于互联网了。
但它的优点也是非常明显的，就是信息量大，传播广，无论你身处何地，只要联上互联网你就可以对任何可以联网用户发出你的信函和广告。
因为这种网络的复杂性，所以这种网络实现的技术也是非常复杂的，这一点我们可以通过后面要讲的几种互联网接入设备详细地了解到。
上面讲了网络的几种分类，其实在现实生活中我们真正遇得最多的还要算是局域网，因为它可大可小，无论在单位还是在家庭实现起来都比较容易，应用也是最广泛的一种网络，所以在下面我们有必要对局域网及局域网中的接入设备作一个进一步的认识。
5.无线网
随着笔记本电脑（Cnotebookcompnter）和个人数字助理（PersonalDigitalAssistant，PDA）等便携式计算机的日益普及和发展，人们经常要在路途中接听电话、发送传真和电子邮件阅读网上信息以及登录到远程机器等。
然而在汽车或飞机上是不可能通过有线介质与单位的网络相连接的，这时候可能会对无线网感兴趣了。
虽然无线网与移动通信经常是联系在一起的，但这两个概念并不完全相同。
表1-2给出了它们之间的对比。
例如当便携式计算机通过PCMCIA卡接入电话插口，它就变成有线网的一部分。
另一方面，有些通过无线网连接起来的计算机的位置可能又是固定不变的，如在不便于通过有线电缆连接的大楼之间就可以通过无线网将两栋大楼内的计算机连接在一起。
无线网特别是无线局域网有很多优点，如易于安装和使用。
但无线局域网也有许多不足之处：
如它的数据传输率一般比较低，远低于有线局域网；另外无线局域网的误码率也比较高，而且站点之间相互干扰比较厉害。
用户无线网的实现有不同的方法。
国外的某些大学在它们的校园内安装许多天线，允许学生们坐在树底下查看图书馆的资料。
这种情况是通过两个计算机之间直接通过无线局域网以数字方式进行通信实现的。
另一种可能的方式是利用传统的模拟调制解调器通过蜂窝电话系统进行通信。
目前在国外的许多城市已能提供蜂窝式数字信息分组数据（CellularDigitalPacketData，CDPD）的业务，因而可以通过CDPD系统直接建立无线局域网。
无线网络是当前国内外的研究热点，无线网络的研究是由巨大的市场需求驱动的。
无线网的特点是使用户可以在任何时间、任何地点接入计算机网络，而这一特性使其具有强大的应用前景。
当前已经出现了许多基于无线网络的产品，如个人通信系统（PersonalCommunicationSystem，PCS）电话、无线数据终端、便携式可视电话、个人数字助理（PDA）等。
无线网络的发展依赖于无线通信技术的支持。
目前无线通信系统主要有：
低功率的无绳电话系统、模拟蜂窝系统、数字蜂窝系统、移动卫星系统、无线LAN和无线WAN等。
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网络体系结构
要想让两台计算机进行通信，必须使它们采用相同的信息交换规则。
我们把在计算机网络中用于规定信息的格式以及如何发送和接收信息的一套规则称为网络协议（networkprotocol）或通信协议（communicationprotocol）。
为了减少网络协议设计的复杂性，网络设计者并不是设计一个单一、巨大的协议来为所有形式的通信规定完整的细节，而是采用把通信问题划分为许多个小问题，然后为每个小问题设计一个单独的协议的方法。
这样做使得每个协议的设计、分析、编码和测试都比较容易。
分层模型（layeringmodel）是一种用于开发网络协议的设计方法。
本质上，分层模型描述了把通信问题分为几个小问题（称为层次）的方法，每个小问题对应于一层。
1.4.1协议分层
为了减少网络设计的复杂性，绝大多数网络采用分层设计方法。
所谓分层设计方法，就是按照信息的流动过程将网络的整体功能分解为一个个的功能层，不同机器上的同等功能层之间采用相同的协议，同一机器上的相邻功能层之间通过接口进行信息传递。
为了便于理解接口和协议的概念，我们首先以邮政通信系统为例进行说明。
人们平常写信时，都有个约定，这就是信件的格式和内容。
首先，我们写信时必须采用双方都懂的语言文字和文体，开头是对方称谓，最后是落款等。
这样，对方收到信后，才可以看懂信中的内容，知道是谁写的，什么时候写的等。
当然还可以有其他的一些特殊约定，如书信的编号、间谍的密写等。
信写好之后，必须将信封装并交由邮局寄发，这样寄信人和邮局之间也要有约定，这就是规定信封写法并贴邮票。
在中国寄信必须先写收信人地址、姓名，然后才写寄信人的地址和姓名。
邮局收到信后，首先进行信件的分拣和分类，然后交付有关运输部门进行运输，如航空信交民航，平信交铁路或公路运输部门等。
这时，邮局和运输部门也有约定，如到站地点、时间、包裹形式等等。
信件运送到目的地后进行相反的过程，最终将信件送到收信人手中，收信人依照约定的格式才能读懂信件。
如图所示，在整个过程中，主要涉及到了三个子系统、即用户子系统，邮政子系统和运输子系统。
各种约定都是为了达到将信件从一个源点送到某一个目的点这个目标而设计的，这就是说，它们是因信息的流动而产生的。
可以将这些约定分为同等机构间的约定，如用户之间的约定、邮政局之间的约定和运输部门之间的约定，以及不同机构间的约定，如用户与邮政局之间的约定、邮政局与运输部门之间的约定。
虽然两个用户、两个邮政局、两个运输部门分处甲、乙两地，但它们都分别对应同等机构，同属一个子系统；而同处一地的不同机构则不在一个子系统内，而且它们之间的关系是服务与被服务的关系。
很显然，这两种约定是不同的，前者为部门内部的约定，而后者是不同部门之间的约定。
在计算机网络环境中，两台计算机中两个进程之间进行通信的过程与邮政通信的过程十分相似。
用户进程对应于用户，计算机中进行通信的进程（也可以是专门的通信处理机〕对应于邮局，通信设施对应于运输部门。
为了减少计算机网络设计的复杂性，人们往往按功能将计算机网络划分为多个不同的功能层。
网络中同等层之间的通信规则就是该层使用的协议，如有关第N层的通信规则的集合，就是第N层的协议。
而同一计算机的不同功能层之间的通信规则称为接口（interface），在第N层和第（N+1）层之间的接口称为N/（N+1）层接口。
总的来说，协议是不同机器同等层之间的通信约定，而接口是同一机器相邻层之间的通信约定。
不同的网络，分层数量、各层的名称和功能以及协议都各不相同。
然而，在所有的网络中，每一层的目的都是向它的上一层提供一定的服务。
协议层次化不同于程序设计中模块化的概念。
在程序设计中，各模块可以相互独立，任意拼装或者并行，而层次则一定有上下之分，它是依数据流的流动而产生的。
组成不同计算机同等层的实体称为对等进程（peerprocess）。
对等进程不一定非是相同的程序，但其功能必须完全一致，且采用相同的协议。
分层设计方法将整个网络通信功能划分为垂直的层次集合后，在通信过程中下层将向上层隐蔽下层的实现细节。
但层次的划分应首先确定层次的集合及每层应完成的任务。
划分时应按逻辑组合功能，并具有足够的层次，以使每层小到易于处理。
同时层次也不能太多，以免产生难以负担的处理开销。
计算机网络体系结构是网络中分层模型以及各层功能的精确定义。
对网络体系结构的描述必须包括足够的信息，使实现者可以为每一功能层进行硬件设计或编写程序，并使之符合相关协议。
但我们要注意的是，网络协议实现的细节不属于网络体系结构的内容，因为它们隐含在机器内部，对外部说来是不可见的。
现在我们来考查一个具体的例子：
在图1-11所示的5层网络中如何向其最上层提供通信。
在第5层运行的某应用进程产生了消息M，并把它交给第4层进行发送。
第4层在消息M前加上一个信息头（header），信息头主要包括控制信息（如序号）以便目标机器上的第4层在低层不能保持消息顺序时，把乱序的消息按原序装配好。
在有些层中，信息头还包括长度、时间和其他控制字段。
在很多网络中，第4层对接收的消息长度没有限制，但在第3层通常存在一个限度。
因此，第3层必须将接收的入境消息分成较小的单元如报文分组（packet），并在每个报文分组前加上一个报头。
在本实例中，消息M被分成两部分：
M1和M2。
第3层确定使用哪一条输出线路，并将报文传给第2层。
第2层不仅给每段消息加上头部信息，而且还要加上尾部信息，构成新的数据单元，通常称为帧（frame），然后将其传给第1层进行物理传输。
在接收方，报文每向上递交一层，该层的报头就被剥掉，决不可能出现带有N层以下报头的报文交给接收方第N层实体的情况。
要理解图1-11示意图，关键要理解虚拟通信与物理通信之间的关系，以及协议与接口之间的区别。
比如，第4层的对等进程，在概念上认为它们的通信是水平方向地应用第四层协议。
每一方都好像有一个叫做“发送到另一方去”的过程和一个叫做“从另一方接收”的过程，尽管实际上这些过程是跨过3/4层接口与下层通信而不是直接同另一方通信。
抽象出对等进程这一概念，对网络设计是至关重要的。
有了这种抽象技术，网络设计者就可以把设计完整的网络这种难以处理的大问题，划分成设计几个较小的且易于处理的问题，即分别设计各层。
1.4.2服务类型
服务（service）这个极普通的术语在计算机网络中无疑是一个极重要的概念。
在网络体系结构中，服务就是网络中各层向其相邻上层提供的一组操作，是相邻两层之间的界面。
由于网络分层结构中的单向依赖关系，使得网络中相邻层之间的界面也是单向性的：
下层是服务提供者，上层是服务用户。
而服务的表现形式是原语（primitive），比如库函数或系统调用。
为了更好地讨论网络服务，我们先解释几个术语。
在网络中，每一层中至少有一个实体（entity）。
实体既可是软件实体（比如一个进程），也可以是硬件实体（比如一块网卡）。
在不同机器上同一层内的实体叫做对等实体（peerentity）。
N层实体实现的服务为N+1层所利用，而N层则要利用N-1层所提供的服务。
N层实体可能向N＋1层提供几类服务，如快速而昂贵的通信或慢速而便宜的通信。
N＋1层实体是通过N层的服务访问点（ServiceAccessPoint，SAP）来使用N层所提供的服务。
N层SAP就是N+1层可以访问N层服务的地方。
每一个SAP都有一个唯一地址。
为了使读者更清楚，我们可以把电话系统中的SAP看成标准
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