01章 计算机网络概论.docx
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01章计算机网络概论
第1章
计算机网络概论
本章要点
计算机网络（ComputerNetwork）是利用通信线路和通信设备，把分布在不同地理位置的具有独立功能的多台计算机、终端及其附属设备互相连接，按照网络协议进行数据通信，由功能完善的网络软件，实现资源共享和网络通信的计算机系统的集合。
它是计算机技术与通信技术相结合的产物。
本章将就这些内容展开全面讨论，目的是让学生首先掌握计算机网络的定义、组成及功能与应用，了解计算机网络的产生与发展，理解计算机网络的拓扑结构和分类等计算机网络的基础知识。
本章内容包括：
计算机网络的概述
计算机网络的产生与发展
计算机网络的基本组成与逻辑结构
计算机网络的拓扑结构
计算机网络的分类
1.1 计算机网络概述
什么是计算机网络？
计算机网络具有哪些功能及计算机网络的应用领域是本节要介绍的主要内容。
1.1.1计算机网络的定义
要研究计算机网络，首先要了解什么是计算机网络。
计算机网络是一个具有特定含义的网络。
在系统论中，一般把若干“元件”通过某种手段连接在一起就称为网络。
被连接的“元件”不同，所构成的网络也不同。
例如，连接电话交换机就构成电话交换网络，连接发电系统就构成输电、配电网络，连接计算机就构成计算机网络，等等。
1．最简单的计算机网络
有两种方法可以组成最简单的计算机网络，一是用通信线路将两台微机通过后面板上的通信端口COM1和COM2或打印端口LPT1连接起来，二是用双绞线（交叉线）将两台微机通过网卡进行连接，如图1－1所示。
通信线缆或双绞线的长度一般限制在几米之内，这种方式一般用于笔记本和台式计算机之间交换数据。
图1－1线缆直接连接计算机
2．局域网
要扩大计算机的连网范围，就需要准备网卡、通信电缆、线缆连接器等硬件设备和网络操作系统。
利用通信线路和通信设备将多台计算机互相连接起来，然后在每台计算机上安装所需要的网络操作系统，就组建了一个局域网，如1-2所示就是一个典型的局域网。
图1-2 典型的局域网
组建局域网是实现资源共享最经济、最有效的方法。
建立了局域网之后，所有连网的计算机都可以使用网络上的共享打印机、硬盘等昂贵资源，也使得计算机之间传输数据变得非常容易，还可以使用多用户的网络版软件。
3．广域网
通过公共通信线路可以在两台异地计算机之间进行点对点通信，实现包括传送文件、收发传真等功能。
如图1-3所示，在两台异地计算机之间，通过调制解调器（Modem）和通信软件，利用现有的拨号电话就可以实现远程通信了。
如果拨号通信的对方是因特网服务商的网络服务器，那么这台个人计算机就与因特网连通，并可以享用因特网的各种服务了。
图1-3 通过公用电话线路实现远程通信
组建广域网时，要得到比电话网更好的通信速度和质量，可以使用数据通信线路。
为了有效地利用通信设施，常通过租用公共数据通信网的专线来组建广域网。
综上所述，“计算机网络”主要包含连接对象（即元件）、连接介质（光缆、双绞线等）、连接的控制机制（如约定、协议、软件）和连接的方式与结构四个方面。
计算机网络连接的对象是各种类型的计算机（如大型计算机、工作站、微型计算机等）或其他数据终端设备（如各种计算机外部设备、终端服务器等），计算机网络的连接介质是通信线路（如光缆、双绞线、微波、卫星等）和通信设备（各种类型的网络设备、Modem等），计算机网络的控制机制是各层网络协议和各类网络软件，计算机网络的连接方式与结构多种多样。
由此得到计算机网络的定义是：
利用通信线路和通信设备，把地理上分散、并具有独立功能的多个计算机系统互相连接、按照网络协议进行数据通信，由功能完善的网络软件实现资源共享的计算机系统的集合。
计算机网络是指以实现远程通信和资源共享为目的，大量分散但又相互连接的计算机系统的集合。
1970年，美国信息学会对计算机网络的定义是：
计算机网络是把地理位置上分散的以能够相互共享资源（硬件、软件、信息）的方式而连接起来，并且具有独立功能的计算机系统之集合。
总之，计算机网络的本质是把两台以上具有独立功能的计算机系统互连起来，以达到资源共享和远程通信的目的。
从用户的角度看，计算机网络是一个透明的数据传输机制和资源共享、协同工作的信息处理系统。
1.1.2 计算机网络的功能
计算机网络具有丰富的资源和多种功能，其主要功能是共享资源和远程通信。
1．资源共享
所谓共享资源就是共享网络上的硬件资源、软件资源和信息资源。
⑴ 硬件资源
计算机网络的主要功能之一就是共享硬件资源。
所谓共享硬件资源就是连在网络上的所有用户可以共享网络上各种不同类型的硬件设备，如巨型计算机或专用高性能计算机，大容量磁盘，高性能打印机，高精度绘图设备，以及通信线路和通信设备等。
共享硬件资源的好处是显而易见的，网上一个低性能的计算机，可以通过网络使用各种不同类型的设备，既解决了部分资源贫乏的问题，同时也有效地利用了现有的资源，充分发挥了资源的潜能，提高了资源利用率。
⑵ 软件资源
在互连网上有极为丰富的软件资源，可以让大家共享。
可共享的软件资源包括：
各种操作系统及其应用软件、工具软件、数据库管理软件和各种Internet信息服务软件，等等。
共享软件允许多个用户同时调用服务器中的各种软件资源，并能保持数据的完整性和一致性。
用户可以通过客户机/服务器（C/S）或浏览器/服务器（B/S）模式或其他多种形式，使用各种类型的网络应用软件，共享远程服务器上的软件资源。
用户也可以通过一些网络应用程序（如FTP）将共享软件下载到本地机使用，匿名FTP就是专门提供共享软件的信息服务之一。
⑶ 信息资源
信息也是一种资源，而且是一种更重要的资源。
Internet就是一个巨大的信息资源宝库，它像是一个信息的海洋，取之不尽，用之不完。
在Internet上的信息资源涉及各个领域，内容极为丰富。
每个接入Internet的用户都可以共享这些信息资源。
可以在任何时间、以任何形式去搜索、访问、浏览、获取网上的信息，共享网上的信息资源。
可共享的信息包括科学技术、社会文化、文艺体育、休闲娱乐、医疗卫生等方方面面的内容。
通过Internet信息服务系统，用户主要可以获得三个方面的服务：
一是可以浏览Web服务器上的主页及各种链接；获取FTP服务器中的软件与文档；二是检索各种数据库中的数据信息；三是查询各种各样的电子图书、电子出版物、网上信息、网络新闻、阅读各种远程教学课件和培训资源等，凡是网上有的信息都可以共享。
2．通信功能
通信功能是计算机网络的另一个主要功能，它可以为网络用户提供强有力的通信手段。
建设计算机网络的主要目的就是让分布在不同地理位置的计算机用户之间能够相互通信、交流信息和共享资源。
计算机网络提供了一条可靠的通信通道，它可以传输各种类型的信息，包括数据信息和图形、图像、声音、视频流等各种多媒体信息。
利用网络的通信功能，人们可以进行远程的各种通信、实现各种网络上的应用，如收发电子邮件，视频点播、视频会议，远程教学、远程医疗、在网上发布各种消息，进行各方面的讨论，等等。
3．其他功能
计算机网络除了上述功能外，还有以下功能：
⑴ 高可靠性
单个计算机或系统难免出现暂时故障，致使系统瘫痪，通过计算机网络提供一个多机系统的环境，可以实现两台或多台计算机互为备份，使计算机系统的冗余备份功能成为可能，从而提高整个系统的可靠性。
⑵ 均衡负荷
计算机网络具有均衡负载的功能，当网络上某台主机的负载过重时，通过网络和一些应用程序的控制和管理，可以将任务交给网上其他的计算机去处理，由多台计算机共同完成，起到均衡负荷的作用，以减少延迟，提高效率，充分发挥网络系统上各主机的作用。
⑶ 协调运算
计算机系统的一个基本应用就是计算，许多科学领域都离不开计算。
而有一些科学计算的题目非常之大，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和调度下，让多台计算机协同工作（ComputerSupportedCooperativeWork，CSCW），共同完成计算，以提高系统的性能。
⑷ 分布式处理
在网络环境中，可以构建分布式处理系统，以提高系统的处理能力，高效地完成一些大型应用系统的程序计算及大型数据库的访问等，使计算机网络除了可以共享文件、数据和设备外，还能共享计算能力和处理能力，如分布式计算系统、分布式数据库管理系统，等等。
1.1.3计算机网络的应用
计算机网络可以应用于任何行业、任何领域，包括政治、经济、军事、科学、文教及生活等诸多方面。
它为各行各业的生产与管理乃至人们的学习、工作与生活，提供了物质基础，使之进入了一种崭新的方式。
计算机网络的应用主要分为以下两个方面：
1．在单位信息管理中的应用
计算机网络在单位信息管理中的应用，主要是实现以下一些目标：
⑴ 可以实现资源共享
目前，企业、机关、校园内都使用很多的计算机，它们通常分布在办公大楼、工厂与校园内。
同时，有一些公司拥有很多家工厂，这些工厂与公司的分支机构可能分布在世界各地。
为了实现对全公司的生产、经营，以及客户资料等信息的收集、分析、管理工作，很多公司将在公司大楼、厂区内，以及分布在世界各地的分支机构的计算机连入各自的局域网内，然后再将这些位置分散的局域网互连起来，构成支持整个公司的大型信息系统的网络环境。
这样，就可以超越地理位置的限制，实现分布在世界各地的计算机资源的共享。
我们可以通过计算机网络方便地收集各种信息资源，利用不同的计算机软件对信息进行处理，将各种管理信息发布到各地的机构中，完成信息资源的收集、分析、使用与管理，完成从产品设计、生产、销售到财务的全面管理。
目前，我们几乎进入了“公司就是网络”的时代。
⑵ 可以提高信息系统的可靠性
如果我们将重要的文件复制并存储到二三台机器里，一旦其中一台机器发生故障，其他机器中的文件拷贝还可以使用，网络中的多台计算机可以互为备份，如果其中有一台机器发生故障，其他机器仍然能够使用，不至于造成系统工作中断。
⑶ 可以节约资金
目前，微机一般具有很好的性能价格比。
一个工厂可以只有一台大型机，它的运行速度可以是微机的几十倍，但它的价格与运行维护费用却是微机价格的几千倍。
这样，我们可以考虑为每个用户购置一台微机作为客户机，然后购置一台或几台性能较强、配置较高的计算机作为服务器，用网络将多台分散的客户机与服务器互连起来，构成客户/服务器结构。
在这种结构中，客户机向服务器发出服务请求，服务器在接收到客户机请求后，利用服务器资源完成客户请求的信息查询、检索与处理，再将检索和处理的结果回送给客户机。
⑷ 可以增强信息系统的可扩展性
随着企业、机关规模的扩大，计算机应用的规模也将相应增大。
这时，信息系统的扩展表现在两个方面：
一是网络共享信息量的增大；二是网络用户数与计算机的增多。
当网络共享信息量增大时，需要增加网络服务器的数量；当网络用户数增多时，需要增加客户机的数量。
在客户/服务器模式中，服务器与客户机数量的增加、网络规模的扩大是很容易就能实现的。
⑸ 可以为用户提供一种功能强大的通信工具
工作人员可以在家中远程登录到单位的计算机上，通过家里的计算机完成当天的工作；技术人员可以分散在不同的地方，通过计算机网络来共同设计一种产品；两个网络用户无论相距多远，都可以通过电子邮件传送信息。
计算机网络的应用正在改变着企业、公司、机关、学校的工作方式与人际交往方式，利用网络进行商务谈判、订立商务合同和银行结算的方式已经在国际贸易与商业活动中越来越普及。
2．在个人信息服务中的应用
计算机网络在个人信息服务中的应用与单位网络的工作方式不同：
家庭和个人一般拥有一台或几台微型计算机，它们通过接入网连接到Internet中可以获得各种信息服务。
⑴ 远程信息访问
我们可以通过WWW方式访问各类信息系统，它包括政府、教育、艺术、保健、娱乐、科学、体育、旅游等各方面的信息，甚至还包括各类商业广告。
随着报纸走向在线与个人化，人们可以通过网络查看报纸或新闻，或是通过频道技术自动下载感兴趣的内容。
⑵ 新的通信工具
20世纪个人之间通信的基本工具是电话，21世纪个人之间通信的基本工具是计算机网络。
目前，电子邮件已广泛应用，初期的电子邮件只能传送文本文件，而现在已经可以传输语音与图像文件。
现在的Internet上存在着很多的新闻组，参加新闻组的人可以在网上对某个感兴趣的问题进行讨论，或是阅读有关这方面的资料，这是计算机网络应用中很受欢迎的一种通信方式。
IP电话也是基于计算机网络的一类典型的个人通信服务。
⑶ 家庭娱乐
家庭娱乐正在对信息服务业产生着巨大的影响，它可以让人们在家里点播电影和电视节目。
新的电影可能成为交互式的，观众在看电影时还可以随时参与到电影情节中去。
家庭电视也可以成为交互式的，观众可以参与到猜谜等活动之中。
游戏在家庭娱乐中的应用最普遍。
目前，已经有很多人喜欢上多人实时仿真游戏。
如果使用虚拟现实的头盔和三维、实时、高清晰度的图像，我们就可以共享虚拟现实的很多游戏和进行多种训练。
总之，随着网络技术的发展和各种应用的需求，计算机网络应用的范围也在不断地扩大，应用领域也越来越宽广，越来越深入，许多新的计算机网络应用系统不断地涌现出来。
如：
工业自动化、辅助决策、虚拟大学、远程教育、远程医疗、管理信息系统、数字图书馆、电子博物馆、全球情报检索与查询、网上购物、电子商务、视频会议、视频广播与点播、过程控制，等等。
基于计算机网络的信息服务、通信与家庭网络应用都正在促进网络、软件产业，以及信息产品制造业与信息服务业的高速发展，也正在引起产业结构和从业人员结构的变化，将来会有更多的人将转移到基于网络的信息服务产业上来。
1.2 计算机网络的产生与发展
在过去的300多年中，每个世纪都有一种主流技术。
18世纪是伟大的机械时代，19世纪是蒸汽时代，而20世纪和21世纪则是信息时代、网络时代，是计算机大普及、大发展的时代。
1946年世界上第一台计算机（ENIAC）的研制成功及其迅速地普及与发展，使人类开始走向信息时代。
计算机技术与通信技术在发展中相互渗透，相互结合。
通信技术为多台计算机之间进行数据传输、信息交流和资源共享提供了必要的传输通道和通信手段。
计算机技术反过来又应用于通信技术的各个领域，大大的提高了通信系统的性能。
正如有些专家所描述的那样：
现在几乎没有无通信的计算机，也几乎没有无计算机的通信。
计算机技术与通信技术的相互渗透和密切结合就产生了计算机网络。
计算机网络是随着计算机和通信技术的发展而不断发展的，其发展速度异常迅猛，它已成为IT界发展最快的技术领域之一。
计算机网络的发展动力与其他科学技术一样，可以归结为需求牵引、技术驱动、市场竞争与经济保障。
下面我们以此为线索，简要考察一下计算机网络由简单到复杂逐步发展的历程。
回顾计算机网络的发展历史，通常把计算机网络的发展归纳为四个阶段：
●面向终端的计算机通信网络；
●以共享资源为目标的计算机网络；
●开放式标准化网络；
●互联网。
1.2.1面向终端的计算机通信网络
早期的计算机价格昂贵，数量很少。
一台计算机只能供一个人使用，而且每次上机用户都必须进入计算机机房，在计算机的控制台上进行操作。
这种方式不能充分利用计算机资源，而且用户使用起来也极为不便。
后来，随着计算机软、硬件的发展，出现了高速大容量存储器系统，开发了多道程序和分时操作系统，使计算机能够同时处理多个应用进程，并允许多个用户通过终端同时访问一台计算机。
但是，由于此时的终端是直接通过异步串行口与计算机相连，因此要使用计算机仍然需要到计算机机房的终端上去操作。
为了实现计算机的远程操作，以提高对计算机这个昂贵资源的利用率，科学家们利用通信手段，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的计算机。
终端可以处于不同的地理位置，它通过传输介质及相应的通信设备与一台计算机相连，用户可以通过本地终端或远程端登录到远程计算机上，使用该计算机系统，远程用户可以在本地方便地使用计算机，这就产生了通信技术与计算机技术的结合。
这种具有通信功能的面向终端的计算机系统，如图1-4（a）所示，或以单台计算机为中心的远程联机系统，如图1-4（b）所示，被称为第一代计算机网络——面向终端的计算机通信网络。
图1-4面向终端的计算机通信网络
面向终端的计算机通信网络，是指只有一台主机与多个终端连接的网络，在每个终端和主机之间都有一条专用的通信线路。
这种系统的线路利用率很低。
另外，主机肩负着数据处理和通信处理两大功能，加重了主机的负担。
为了提高通信线路的利用率和减轻主机的压力，在具有通信功能的多终端系统中，使用了终端控制器（TerminalController，也称集中器）和前端处理器（Front-endProcessor，也称前端机）。
集中器用于连接控制多个终端，让多台终端共用一条通信线路与主机通信。
前端机放在主机的前端，承担通信处理功能，以减轻主机的负担。
面向终端的计算机通信网络的主要特点如下：
（1）终端到计算机的连接，而不是计算机到计算机的连接。
终端是一个连接到一台计算机主机的装置。
用户在终端的键盘上操作，将从键盘上输入的命令、控制键或启动应用进程的信息直接送给主机，与主机上的进程进行通信。
主机则将执行结果回送给终端，并在终端显示器上显示。
在终端上操作如同直接在主机的操作台上操作一样。
在分时系统中，多个用户可以通过终端“同时”使用一台主机，就好像自己独享该计算机一样。
面向终端的计算机通信网络就是通过终端与计算机的连接，共享计算机资源，以完成计算机通信功能。
（2）主机负担过重。
在面向终端的计算机通信网络中，多个终端共同使用一台主计算机，连在该机上的所有终端提交的任务都由主计算机处理，而且主计算机既要处理通信功能又要处理数据和作业进程，致使计算机主机的负担过重。
面向终端的计算机通信网络的第一个典型实例是SAGE。
SAGE是美国在20实际50年代中期建立的半自动地面防空系统。
该系统共连接了1000多个远程终端，主要用于远程控制导弹制导。
该系统能够将远距离雷达设备收集到的数据，由终端通过通信线路传送给一台中央主计算机，由主机进行计算处理，然后将处理结果再通过通信线路回送给远程终端去控制导弹的制导。
另一面向终端的计算机通信网络的典型实例是SABRE-1。
SABRE-1是20世纪60年代美国建立的航空公司飞机订票系统，该系统由一台主机和连接到美国各地区的2000多台终端组成。
人们可以通过这个系统在远程终端上预订飞机票。
第一代计算机网络——面向终端的计算机通信网，严格地讲，不能算作现在意义上的计算机网络。
这些系统的建立没有资源共享的目的，只是为了能进行远程通信。
但是，它实现了计算机技术与通信技术的结合，可以让用户以终端方式与远程主机进行通信，使用远程计算机的资源，因此可以说它是计算机网络的初级阶段。
1.2.2以共享资源为目标的计算机网络
计算机网络发展的第二个阶段是以共享为目的的单个计算机网络。
20世纪60年代，随着计算机性能的不断提高和价格的陆续下调，许多单位和机构已具有购买多台计算机的能力。
一些政府部门、教育机构或公司都购置了多台具有独立功能的计算机。
为了在这些计算机之间互相通信，充分利用本地资源和共享远程系统的软件、硬件和信息资源，人们提出将多台计算机相互连接起来的需求。
此时，计算机的数据处理与通信已不再采用集中模式，而是由分散在不同地理位置的计算机共同完成。
这种以共享资源为目的，将多台计算机系统通过某种通信手段互连而成的网络，就是第二阶段的计算机网络。
这种网络中的计算机彼此独立又相互连接，它们之间没有主从关系。
ARPANET就是第二阶段计算机网络的典型代表。
20世纪60年代后期，美国国防部高级研究计划局ARPA（AdvancedResearchProjectAgency，后称为DARPA——DefenseAdvancedResearchProjectAgency）提供经费资助，由美国一些大学和公司合作，共同研究开发了这种新型的计算机网络。
经过专家们的调查研究，决定建设一个多个节点的分组交换网络，由通信子网和主机组成。
并于1969年12月建成一个具有四个节点（UCLA、UCSB、SRI和犹他大学）的实验性网络，并投入运行和使用，这就是著名的ARPANET。
最初的ARPANET的网络结构如图1-5所示。
图中：
H（HOST）是计算机主机；IMP（InterfaceMessageProcessor）是接口信息处理机。
从图中可以看出，ARPANET子网是由接口信息处理机IMP组成，IMP由通信线路连起来。
IMP负责通信处理，它具有路径选择和存储转发功能。
在ARPANET中，把运行应用程序的主计算机称为主机。
主机之间的信息交换需要通过IMP完成。
例如，如果计算机H1要发送一些数据给计算机H2，H1首先应将数据送给IMP1，然后由IMP1把数据转发给IMP3，再经IMP4到达IMP2，由IMP2将数据转发给H2。
图1-5ARPANET结构示意图
ARPANET发展很快，从1969年的4个节点，很快扩展到35个节点。
特别是20世纪80年代，ARPANET采用了开放式网络互连协议TCP/IP以后，发展得更为迅速。
到了1983年ARPANET已拥有200台IMP和数百台主机。
网络覆盖范围也已延伸到夏威夷和欧洲。
事实上，ARPANET是Internet的雏形，是Internet初期的主干网。
ARPANET是计算机网络发展的一个里程碑，它标志着以资源共享为目的的计算机网络的诞生，是第二阶段计算机网络的一个典型范例，它为网络技术的发展做出了突出的贡献。
无论在理论方面还是在技术方面，对其后网络的发展影响都很大。
其贡献主要表现在它是第一个以资源共享为目的的计算机网络、它使用TCP/IP协议作为通信协议，使网络具有很好的开放性，为Internet的诞生奠定了基础。
此外，它还实现了分组交换的数据交换方式，并提出了计算机网络的逻辑结构由通信子网和资源子网组成的重要基础理论。
1.2.3标准化网络
第二代计算机网络，大多是由研究部门、大学或计算机公司自行开发研制的，他们没有统一的体系结构和标准。
如：
IBM公司于1974年公布了“系统网络体系结构SNA”，DEC公司于1975年公布了“分布式网络体系结构DNA”等。
各个厂家生产的计算机产品和网络产品无论从技术还是从结构上都有很大的差异，从而造成不同厂家生产的计算机及网络产品很难实现互连。
这种局面严重阻碍了计算机网络的发展，也给广大用户带来极大的不便。
因此，建立开放式的网络，实现网络标准化，已成为历史发展的必然。
1977年，国际标准化组织（ISO，InternationalStandardsOrganization）为适应网络标准化的发展趋势，专门在计算机与信息处理标准化技术委员会（TechnicalCommittee）TC97下，成立了一个新的分委员会（Sub-Committee）SC16。
该委员会在研究分析已有的网络结构基础上，致力于研究开发一种“开放式系统互连”的网络结构标准。
ISO于1984年公布了“开放系统互连参考模型”的正式文件，即著名的国际标准ISO7498，通常称它为开放系统互连参考模型OSI/RM。
OSI/RM已被国际社会广泛认可，成为一个计算机网络体系结构的标准。
国际标准化组织和网络产品的生产厂家都按照OSI/RM划分的层次结构开发国际标准，并按照国际标准生产网络设备，开发网络应用软件。
OSI/RM极大地推动了网络标准化的进程。
从此，计算机网络进入了标准化网络阶段。
网络的标准化又促进了计算机网络的迅速发展，因此标准化网络也是计算机发展的重要阶段，有人把这个阶段的网络称为第三代网络。
1.2.4互联网
随着计算机网络的发展，在全球建立了不计其数的局域网和广域网，为了扩大网络规模以实现更大范围的资源共享，人们
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