第6章计算机网络.docx
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第6章计算机网络
第6章 计算机网络
从上个世纪70年代到今天，伴随计算机网络技术的迅猛发展，计算机网络已从小型局域网发展到全球互联网。
通过计算机网络进行信息检索、学习交友、娱乐购物已成为人们日常生活和工作中不可缺少的组成部分，网络技术已经成为信息社会不可缺少的知识。
本章介绍计算机网络的基础知识以及局域网的组成，通过对本章的学习掌握计算机网络的组成及体系结构，并为网络的应用提供理论基础。
6.1 计算机网络基础
继1946年第一台计算机诞生之后，计算机应用迅速渗透到社会生活的各个方面及各个技术领域。
社会的信息化、数据处理、资源共享等的种种应用需要，使计算机技术、通信技术、多媒体技术相互促进推动了计算机向群体化方向发展，这种发展的直接产物就是计算机网络，它的诞生使计算机体系结构发生了巨大变化。
几十年来，计算机网络从简单到复杂，从最初的高深莫测走向普通人的生活，为人类社会发展做出了巨大的贡献。
6.1.1 计算机网络的概念
1.计算机网络的定义
计算机网络就是利用通信设备与连接线路将物理位置不同、功能不同的具有独立功能的计算机系统、终端设备有机地连接起来，并配以功能完善的网络软件实现资源共享与信息传输的系统。
这些功能独立的计算机系统、终端设备通过网络，按照一定的通信协议实现资源与信息的共享，极大地扩充了计算机系统的功能。
2.计算机网络的形成与发展
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。
1952年，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。
SAGE系统将远程雷达与其他测量设施连接起来，使得观测到的防空信息通过总长度达241万千米的通信线路与一台IBM计算机连接，实现了分散的防空信息能够集中的处理与控制。
1954年，收发器终端的研制成功，开始了计算机与通信的结合。
人们通过电话线路将收发器与远方的计算机连接起来。
利用收发器将穿孔卡片上的数据从电话线路上发送到远方的计算机。
用户可在远方的电传打字机上输入自己的程序，而计算机算出的结果又可从计算机传送到电传打字机打印出来。
1966年12月，罗伯茨开始全面负责ARPA网的筹建。
经过近一年的研究，罗伯茨选择了一种名为IMP（接口信号处理机，路由器的前身）的技术，来解决网络间计算机的兼容问题，并首次使用了“分组交换”（PacketSwitching）作为网间数据传输的标准。
这两项关键技术的结合为ARPA网奠定了重要的技术基础，创造了一种更高效、更安全的数据传递模式。
1969年10月，罗伯茨完成了首个数据包通过ARPA网由UCLA（加州大学洛杉矶分校）出发，经过漫长的海岸线，完整无误地抵达斯坦福大学的实验。
1969年12月，Internet的前身——美国ARPA网诞生，这标志着计算机网络开始兴起。
ARPA网是一种采用分组交换技术的网络。
分组交换技术使计算机网络的概念、结构和网络设计方面都发生了根本性的变化，并为后来的计算机网络打下了坚实的基础。
按照计算机网络技术的发展历程，网络的发展大致可以划分为四个阶段：
（1）第一阶段：
终端—计算机网络，即计算机网络的萌芽阶段
20世纪60年代中期之前的第一代计算机网络是以单个计算机为中心的终端—计算机网络，是早期计算机网络的主要形式。
第一代计算机网络将一台计算机经通信线路与若干终端直接相连，如图6——1（a）所示。
终端是一台计算机的外部设备，包括显示器和键盘，无CPU和内存，不具备自主处理数据的能力，只负责采集数据，将数据发送至中央主机。
随着远程终端的增多，在主机前增加了前端机（FEP），如图6——1（b）所示。
当时，人们把计算机网络定义为“以传输信息为目的而连接起来，实现远程信息处理或进一步达到资源共享的系统”，这样的通信系统已具备了网络的雏形。
这个时期的典型应用为20世纪60年代初的美国航空订票系统SABRE 1，该系统由一台中心计算机和分布在全美范围内的2000多个终端组成，各终端通过电话线连接到中心计算机。
图6——1终端—计算机网络
（2）第二阶段：
计算机—计算机网络，即计算机网络的形成阶段
20世纪60年代中期至70年代，计算机网络由多个主机通过通信线路互联组成，主机之间不是直接用线路相连，而是由接口报文处理机（IMP）转接后互联，如图6——2所示。
IMP和它们之间互联的通信线路一起负责主机间的通信任务，构成通信子网。
通信子网互联的主机负责运行程序，提供资源共享，组成资源子网。
形成了计算机网络的基本概念。
图6——2 计算机—计算机网络
（3）第三阶段：
网络互联互通阶段，即计算机网络发展的成熟阶段
20世纪70年代末至90年代的第三代计算机网络是具有统一的网络体系结构并遵循国际标准的开放式和标准化的网络。
ARPAnet兴起后，计算机网络发展迅猛，各大计算机公司相继推出自己的网络体系结构及实现这些结构的软硬件产品。
由于没有统一的标准，不同厂商的产品之间互联很困难。
为此，国际标准化组织ISO在1984年正式颁布了“开放系统互联基本参考模型”OSI国际标准，使计算机网络体系结构实现了标准化。
（4）第四阶段：
高速网络技术阶段
20世纪90年代初至今是计算机网络飞速发展的阶段，其特点是：
互联、高速和智能化。
表现在：
①发展了以Internet为代表的互联网。
②发展高速网络。
③发展智能网络。
6.1.2 计算机网络的功能
计算机网络的主要功能是向用户提供资源的共享和数据的传输，而用户本身无需考虑自己以及所用资源在网络中的位置。
其功能主要表现在以下几个方面：
1.资源共享
网络中的计算机不仅可以使用本机的资源，还可以使用网络中其他计算机的资源。
“资源”指的是网络中所有的软件、硬件和数据资源。
“共享”指的是网络中的用户都能够部分或全部地享受这些资源。
例如，某些地区或单位的数据库（如飞机机票、饭店客房等）可供全网使用；一些外部设备如打印机，通过网络可以使不具有这些设备的用户也能使用这些硬件设备。
如果不能实现资源共享，各地区都需要有完整的一套软、硬件及数据资源，则将大大地增加全系统的投资费用。
资源共享提高了网络中软、硬件的利用率，增强了网络中计算机的处理能力。
这是计算机网络最主要的功能。
2.数据通信
通过网络可以实现终端、计算机与计算机之间的数据传递，包括文字信件、新闻消息、咨询信息、图片资料、报纸版面等，也可实现各计算机之间高速可靠地传送数据并进行信息处理，如传真、电子邮件（E mail）、电子数据交换（EDI）、电子公告牌（BBS）、远程登录（Telnet）与信息浏览等通信服务。
利用这一特点，可将分散在各个地区的单位或部门用计算机网络联系起来，进行统一的调配、控制和管理。
这是计算机网络最基本的功能。
3.均衡负载互相协作
当某台计算机负担过重时，或该计算机正在处理某项工作时，网络可将新任务转交给空闲的计算机来完成，这样的处理能均衡各计算机的负载，提高处理问题的实时性。
通过网络可以缓解用户资源缺乏的矛盾，使各种资源得到合理的调整。
4.分布处理
对大型综合性问题，可将问题各部分交给不同的计算机分头处理，即通过网络将问题分散到多个计算机上进行分布式处理，可以充分利用网络资源，扩大计算机的处理能力，增强实用性，同时也可使各地的计算机通过网络资源共同协作，进行联合开发、研究等。
5.提高计算机的可靠性
在单机的情况下，计算机若有故障容易引起停机。
将计算机连成网络后，网络中各个计算机互为后备，这样网络可靠性会大大增强。
当某一处计算机发生故障时，可由别处的计算机代为处理，还可以在网络节点上设置备用设备作为全网络公用后备，这样，整个计算机网络就不会由于某台设备出现故障而瘫痪，大大提高了计算机网络系统的可靠性和可用性。
这对于金融、军事、航空、实时控制等对可靠性要求较高的场合是至关重要的。
6.1.3 计算机网络的分类
计算机网络系统的分类方法很多，也各具特点，因此，可从不同的角度进行分类。
1.按照网络的覆盖面划分
（1）局域网（LAN）
LAN是指将有限的地理区域内的计算机、终端设备互联在一起所形成的网络，一般指分布于几千米范围内的网络。
例如，把分散在一座楼、一个大院内的许多计算机连接在一起，相互通信组成的计算机网络。
其特点是距离短、延迟小、数据传输速率高、传输可靠。
（2）城域网（MAN）
MAN的覆盖范围就是城市区域，一般是在方圆10km～60km范围内，最大不超过100km。
它的规模介于局域网与广域网之间，但在更多的方面较接近于局域网。
（3）广域网（WAN）
WAN连接地理范围较大，一般超过100km，用于实现远距离计算机的连接。
常常是一个国家或是一个洲甚至覆盖全球，例如Internet就是全球最大的广域网。
2.按照网络的管理方式划分
（1）客户机/服务器网络
服务器是指专门提供服务的高性能计算机或专用设备，客户机是指用户计算机。
客户机/服务器网络是由客户机向服务器发出请求并获得服务的一种网络形式。
多台客户机可以共享服务器提供的各种资源。
这是最常用、最重要的一种网络类型。
客户机/服务器网络不仅适合于同类计算机联网，也适合于不同类型的计算机联网，如PC机、Mac机的混合联网。
在这种网络中计算机的权限、优先级易于控制，监控容易实现，网络管理能够规范化。
客户机/服务器网络性能取决于服务器的性能和客户机的数量。
目前，针对这类网络有很多优化性能的服务器称为专用服务器。
银行、证券公司都采用这种类型的网络。
（2）对等网
对等网不要求专用服务器，每台客户机都可以与其他客户机对话，共享彼此的信息资源和硬件资源，组网的计算机一般类型相同。
这种组网方式灵活方便，但是较难实现集中管理与监控，安全性低，较适合作为部门内部协同工作的小型网络。
3.按照网络的数据交换方式划分
（1）线路交换网络
该方式类似传统的电话线路交换方式。
网中计算机进行通信之前，必须申请建立一条实际的物理连接，双方通信的线路接通后开始传送数据。
通信过程中独占线路。
（2）报文交换网络
该方式不要求在两个通信节点之间建立专用通路。
节点把要发送的信息组织成一个数据包——报文，报文中含有目的地址。
报文在传输的过程中要经过若干个中间设备，在每一个交换设备处，每一个节点接收整个报文，检查目标节点地址，然后根据网络中的交通情况在适当的时候转发到下一个节点。
等待前往目的地址的线路空闲时，再将报文转发出去。
报文要经过多次的存储——转发，最后到达目标，因而这样的网络叫存储——转发网络。
（3）分组交换网络
将一个长的报文划分为许多定长的报文分组，在每个分组的前面加上一个分组头。
网络中的各节点采用存储转发技术将分组传输到接收方。
接收方将各个分组重新组装成完整的数据块。
这不仅大大简化了对计算机存储器的管理，而且加速了信息在网络中的传播速度。
由于分组交换优于线路交换和报文交换，具有许多优点。
因此，它已成为计算机网络中传输数据的主要方式。
4.按照网络的传输技术划分
（1）广播式网络
广播式网络仅有一条通信信道，被网络上的所有计算机共享。
在网络上传输的数据单元（分组或包）可以被所有的计算机接收。
在包中的地址段表明了该包应该被哪一台计算机接收。
计算机一旦接收到包，就会立刻检查包中所包含的地址，如果是发送给自己的则处理该包，否则就会丢弃。
（2）点到点网络
点到点网络所采用的传输技术是点到点通信信道技术。
在点对点网络中，每条物理线路连接一对计算机。
如果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来接收、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一般比较复杂，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路由选择算法来计算。
6.1.4 计算机网络的拓扑结构
网络中各站点相互联接的方法和形式称为网络拓扑结构，如图6——3所示，常见的网络拓扑结构有总线型、星型、环型、网状型、树型等。
图6——3 计算机的网络拓扑结构
1.总线型结构
总线型结构只用一条总线电缆（BUS）把网络中所有的计算机连接在一起，各工作站地位平等，无控制节点。
单一节点的故障不会影响其他节点工作，其传递方向总是从发送信息的节点开始向两端扩散，如同广播电台发射的信息一样，因此又称广播式计算机网络。
总线型拓扑结构信息发送的过程为：
各节点在接受信息时都进行地址检查，看是否与自己的工作站地址相符，相符则接收网上的信息。
由于所有的节点共享一条公用的传输链路，容易产生冲突，所以一次只能由一个设备传输。
节点在发送数据前要先检测总线是否空闲，如果空闲则发送数据；若忙，则等待总线空闲再发送。
总线型结构网络的优点是结构简单，可扩充性好。
当需要增加节点时，只需要在总线上增加一个分支接口便可与分支节点相连，当总线负载不允许时还可以扩充总线；使用的电缆少，且安装容易；使用的设备相对简单，可靠性高。
缺点是总线任务容易出现瓶颈现象，维护难，分支节点故障查找难，不能保证信息的及时传送，不具有实时功能。
2.星型结构
星型结构由中央节点和通过点到点链路连接到中央节点的各节点组成，如图6——3（b）所示。
这种结构以中央节点为中心，因此又称为集中式网络。
星型拓扑结构信息发送的过程为：
某一工作站有信息发送时，将向中央节点申请，中央节点响应该工作站，并将该工作站与目的工作站或服务器建立会话。
此时，就可以进行无延时的会话了。
工作站到中央节点的线路是专用的，不会出现拥挤的瓶颈现象。
星型拓扑结构被广泛地应用于网络中智能主要集中于中央节点的场合。
由于所有节点的往外传输都必须经过中央节点来处理，因此，对中央节点的要求比较高。
星型拓扑结构的优点是：
对外围节点要求较低，节点故障易于检测和隔离，单个外围节点故障不会影响全网，易于扩展和维护。
其缺点是：
对中心节点要求过高，一旦中心节点出现故障会危及整个网络，每个节点都要专用的通信线路，资源利用率低，成本高。
3.环型结构
环型结构由网络中若干节点通过点到点的链路首尾相连形成一个闭合的环，如图6——3（c）所示。
在这种结构中，每台计算机都连着下一台计算机，而最后一台计算机则连着第—台计算机。
这种拓扑结构采用非集中控制方式，各节点间无主从关系。
环型拓扑结构采用的信息传输方式也是广播方式。
在环形网中，有一个作为传输标志的令牌信息始终在各个计算机之间依次传输。
若某台计算机要发送信息给另一台计算机，它必须等令牌到达该计算机时将其俘获，并修改令牌，添加上要发送的数据及接收方的地址，然后沿环形网络继续传递这个令牌，这个令牌所经过的每台计算机都能收到，计算机收到令牌后判断自己的地址是否与令牌中接收方的地址相同。
如相同，则接收其中的数据，并向发送方反馈一条报文，发送方收到该回答后，再创建一个新的令牌放到网络中去、以便其他站点俘获令牌；如不相同，则把该令牌继续传送到下一台计算机。
环型结构的优点是：
结构简单。
环型结构的缺点是：
可靠性较低，当某一节点出现故障会引起通信中断。
因此在实际应用中一般采用双环结构提高可靠性。
4.网型结构
网型结构网络上的每个工作站都至少有两条链路与网络中的其他工作站相连，网状结构的控制功能分散在网络的各个节点上。
即使一条线路出故障，通过迂回线路，网络仍能正常工作。
因此，这种结构稳定性好、可靠性高，但网络控制往往是分布式的，比较复杂，对系统的管理、维护比较困难。
5.树型结构
树型结构由星型结构演变而来，由多个星型网络按层次方式排列构成，形状像一棵倒置的树。
与星型结构相比，它的通信线路总长度短，成本较低，节点易于扩充，寻找路径比较方便，但除了叶节点及其相连的线路外，任一节点或其相连的线路故障都会使系统受到影响。
其优点是易于扩展和故障隔离。
缺点是对根节点的依赖性太大，如果根发生故障则全网不能正常工作。
6.1.5 数据通信技术
计算机网络涉及通信技术与计算机技术两个领域，数据通信技术是建立计算机网络系统的基础之一。
这一节我们简单介绍有关通信技术的一些基本概念。
1.数据
数据是进行各种统计、计算、科学研究或技术设计等所依据的数值（是反映客观事物属性的数值），是表达知识的字符的集合。
数据是信息的表现形式。
数据可以是连续的值，例如声音，称为模拟数据；也可以是不连续（离散）的值，例如成绩，称为数字数据。
数据通信就是指传输介质把数据从一个地方向另一个地方传送。
数据在传送之前需要先经过编码转变为信号才能在介质上传播。
2.信息
信息是对数据的提炼。
是完成从定量到定性的过程。
信息的来源可以是数据，也可以是信息本身，是对数据经过加工处理并可以对人类客观行为产生影响的数据表现形式。
3.信号
信号指的是数据的电磁编码或电子编码。
和数据一样，信号也分为模拟信号和数字信号。
模拟信号是指电信号的参量是连续取值的，其特点是幅度连续，如图6——4（a）所示。
常见的模拟信号有电话、传真和电视信号等。
数字信号是离散的，从一个值到另一个值的改变是瞬时的，就像开启和关闭电源一样，如图6——4（b）所示。
数字信号的特点是幅度被限制在有限个数值之内。
常见的数字信号有电报符号、数字数据等。
图6——4 模拟信号与数字信号
4.信道
信道是指信息传输的通道，即信息进行传输时所经过的一条通路。
一条传输介质上可以有多条信道（多路复用）。
与信号的分类相对应，信道可以分为用来传输数字信号的数字信道和用来传输模拟数据的模拟信道。
数字信号经过数——模转换后可以在模拟信道上传输；模拟信号经过模——数转换后可以在数字信道上传输。
5.数据通信中的技术指标
（1）数据传输率
数据传输率是指单位时间内传输的信息量，可用“比特率”来表示。
比特率是每秒种传输二进制信息的位数，单位为“位/秒”，通常记作bit/s。
主要单位有Kbit/s，Mbit/s，Gbit/s。
（2）传输带宽
带宽（Bandwidth）是指每秒传输的最大字节数，也就是一个信道的最大数据传输速率，单位也为“位/秒”（bit/s）。
高带宽则意味着系统的高处理能力。
不过，传输带宽与数据传输速率是有区别的，前者表示信道的最大数据传输速率，是信道传输数据能力的极限，而后者是实际的数据传输速率，像公路上的最大限速与汽车实际速度的关系一样。
（3）时延
时延就是信息从网络的一端传送到另一端所需的时间。
（4）误码率
误码率是指二进制数据位传输时出错的概率。
它是衡量数据通信系统在正常工作情况下的传输可靠性的指标。
在计算机网络中，一般要求误码率低于10－6，若误码率达不到这个指标，可通过差错控制方法检错和纠错。
6.并行、串行传输
并行传输指同时使用n条连接线来传输n个比特位，如图6——5（a）所示。
这种方式下，每个比特都使用专用的线路，而一组中的n个比特就可以在每个时钟脉冲从一个设备同时传输到另一个设备。
其主要特点是传输速度快，但费用高，所以并行传输通常用于短距离传输。
在串行传输中，比特是一个一个依次发送的，如图6——5（b）所示，因此在两个通信设备之间传输数据只需要一条通信信道，而不是n条。
其主要特点是传输范围广，成本低，但是速度较慢，常用于远距离网络传输。
图6——5并行传输与串行传输
7.数据通信方式
数据通信有单工、半双工、全双工3种通信方式，如图6——6所示。
其中，单工通信方式只允许单方向发送数据，即数据由发送端传向接收端；半双工通信方式允许两个方向交替地而不能同时地传输数据；全双工通信方式允许两个方向同时传输数据。
图6——6 数据通信方式
6.2 计算机网络的组成
6.2.1 计算机网络的逻辑组成
从计算机网络的基本功能（逻辑）结构来说，可以把一个网络分成通信子网和资源子网两部分，如图6——7所示。
图6——7 通信子网与资源子网
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，负责各设备之间的数据通信、数据加工和信息交换等通信任务。
通信子网实现基本数据的传输，消除各种不同计算机技术之间的差异，保证分布在网络上的计算机之间的通信联系的畅通，从而向网络的高层提供信息传递的服务。
资源子网由网络中的所有计算机、终端、I/O设备、各种软件资源和数据库组成，负责网络系统的数据处理业务，向网络用户提供各种网络资源和网络服务。
6.2.2 计算机网络的物理组成
计算机网络系统是一个集计算机硬件设备、通信设施、软件系统及数据处理能力为一体的，能够实现资源共享的现代化综合服务系统。
不同类型的计算机网络，其组成各不相同，但都包括网络硬件和网络软件这两个部分。
1.计算机网络硬件
计算机网络硬件包括计算机硬件系统和各种终端设备，通信线路和通信设备，负责数据处理和数据转发，并为数据传输提供通道，是计算机网络中处理数据和传输数据的物质基础。
硬件系统中设备的组成形式决定了计算机网络的类型。
下面介绍几种常用的硬件设备。
（1）计算机系统
计算机系统主要功能是完成数据处理任务，并为网络内的其他计算机提供共享资源。
网络中的计算机一般分为两类：
服务器（Server）和工作站（Client）。
服务器通常是一台速度快，存储量大的计算机，是网络资源的提供者。
用于网络管理、运行应用程序、处理网络各工作站的信息请求。
根据其作用不同又可分文件服务器、应用程序服务器、通信服务器、数据库服务器等。
工作站也称客户机，进入网络中的由服务器进行管理和提供服务的任何计算机都属于工作站，其性能一般低于服务器。
另外，现在的计算机网络还连接着其他类型的设备，如终端、打印机等，更好地实现资源共享。
（2）网络连接设备
网络连接设备主要功能是完成计算机之间的数据通信，包括数据的接收和发送。
网络连接设备一般包括网络适配器、调制解调器、集线器等。
图6——8 网卡
①网络适配器（NIC）。
网络适配器也称网络接口卡，简称网卡，如图6——8所示。
网卡是安装在计算机主板上的电路板插卡。
网卡的作用是将计算机与通信设施相连接，将计算机的数字信号转换成通信线路能够传送的信号。
②调制解调器（Modem）。
调制解调器俗称“猫”，如图6——9所示。
它是一个通过电话拨号接入Internet的必备的硬件设备。
通常计算机处理的是“数字信号”，而通过电话线路传输的信号是“模拟信号”。
调制解调器的作用就是当计算机发送信息时，将计算机内部使用的数字信号转换成可以用电话线传输的模拟信号，通过电话线发送出去；接收信息时，把电话线上传来的模拟信号转换成数字信号传送给计算机，供其接收和处理。
按调制解调器与计算机连接方式可分为内置式与外置式。
内置式调制解调器体积小，使用时插入主机板的插槽，不能单独携带；外置式调制解调器体积大，使用时与计算机的通信接口（COM1或COM2）相连，有通信工作状态指示，可以单独携带、能方便地与其他计算机连接使用。
图6——9 调制解调器
③集线器（Hub）。
集线器是局域网中使用的连接设备，它具有多个端口，可连接多台计算机，如图6——10所示。
在局域网中常以集线器为中心，将所有分散的工作站与服务器连接在一起，形成星型结构的局域网系统。
集线器的优点除了能够互联多个终端以外，其优点是当其中一个节点的线路发生故障时不会影响到其他节点。
图6——10 集线器
（3）传输介质
用于网络设备之间的通信连接。
常用的网络传输介质有同轴电缆、双绞线、光纤等。
①同轴电缆（CoaxialCable）。
同轴电缆的内外由相互绝缘的同轴导体构成：
内导体为铜线，外导体为铜管或网，如图6——11（a）所示。
电磁场封闭在内外导体之间，故辐射损耗小，受外界干扰影响小。
常用于传送多路电话和电视。
同轴电缆根据其直径大小可以分为：
粗同轴电缆与细同轴电缆。
粗缆适用于比较大型的局部网络，它的标准距离长，可靠性高，由于安装时不需要切断电缆，因此可以根据需要灵活调整计算机的入网位置，但粗缆网络必须安装收发器电缆，安装难度大，所以总体造价高。
相反，细缆安装则比较简单，造价低，但由于安装过程要切断电缆，两头须装上基本网络连接头（BNC），
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