第1章計算機網絡概述學習目標學習和掌握計算機網絡實用技術之前，首先應了解計算機網絡的基礎知識。本章將對計算機網絡的定義、組成、拓撲結構、分類、功能和應用等基礎知識進行詳細的介紹。本章要點0計算機網絡的定義0計算機網絡的發展0計算機網絡的組成0計算機網絡拓撲結構0計算機網絡的分類0計算機網絡的功能和應用1.1計算機網絡的定義由于計算機網絡技術在不斷發展，因此在不同的發展階段，其定義也不盡相同。從目前計算機網絡現狀來看，計算機網絡的定義為：將相互獨立的計算機系統以通信線路相連接，按照網絡協議進行數據通信，從而實現網絡資源共享的計算機系統的集合。要更好地理解定義，應掌握以下幾個概念：」計算機之間相互獨立：首先，從數據處理能力方面來看，計算機既可以單機工作,也可以聯網工作，并且計算機在聯網工作時，網內的一臺計算機不能強制性地控制另一臺計算機；其次，從計算機分布的地理位置來看，計算機是獨立的個體，可以"遠在天邊"，也可以"近在眼前"。」網絡協議：處于計算機網絡的各臺計算機在通信過程中，必須共同遵守統一的網絡規定，這樣才能夠實現各個計算機之間的互相訪問。」通信線路：計算機網絡必須使用傳輸介質和互連設備將各個計算機連接起來，其中的傳輸介質可以是同軸電纜、雙絞線、光纖以及無線電波等，這些設備和傳輸介質共同組成了計算機網絡中的通信線路。」資源共享：處于計算機網絡中的任一計算機，都可以將計算機本身的資源共享給其他處于該網絡中的計算機使用，這些被共享的資源可以是硬件，也可以是軟件和信息資源等。提示：用戶透明性觀點定義網絡：使用一個能為用戶自動管理資源的網絡操作系統來管理用戶任務所需要

的資源，而整個網絡像一個大的計算機系統一樣對用戶是透明的。1.2計算機網絡的發展隨著計算機的廣泛應用，計算機網絡的影響也越來越大，計算機網絡從形成、發展到廣泛應用，大致經歷了以下幾個階段。1.2.1第一代計算機網絡早在20世紀50年代，人們利用通信線路，將多臺終端設備連到一臺計算機上，構成“主機-終端”系統，如圖1-1所示。這種面向終端的計算機網絡雛形，稱之為第一代計算機網絡。提示：圖1-1“主機-圖1-1“主機-終端”系統這里所說的終端不能夠單獨進行數據處理，僅能完成簡單的輸入輸出，所有數據處理和通信處理任務均由計算機主機完成。第一代計算機網絡一一“主機-終端”系統，由于終端沒有獨立處理數據的能力，因此并不是真正意義上的計算機網絡。但在這個階段中，逐步開始了計算機技術與通信技術相結合的研究，是當代計算機網絡發展的基礎。1.2.2第二代計算機網絡在20世紀60年代，計算機應用普及范圍逐漸增大，許多行業都開始配置大、中型計算機系統。正因為如此，在地理位置分散的各個部門間的信息量交換也越來越大，使得多個計算機系統通過通信線路連接成為一個計算機通信網絡，以方便信息交換。在這種計算機網絡中，各個計算機都具有獨立處理數據的能力，并且不存在主從關系。通常情況下，稱這種計算機網絡為第二代計算機網絡，它實現了計算機和計算機之間的通信。第二代計算機通信網絡，主要用于傳輸和交換信息，由于沒有成熟的網絡操作系統的支持，因此資源共享程度不高。在這個階段，產生了通信子網和用戶資源子網的概念，因此，第二代計算機網絡也稱為兩級結構的計算機網絡。例如，美國的的ARPAnet網絡就是第二代計算機網絡的典型代表，它是Internet的前身。

處于這個階段的計算機網絡，主要特征在于用了分組交換技術。所謂分組，就是將一個報文（Message）劃分成若干個較小的數據段，并給每個數據段添加控制信息，封裝成一個組。在第二代計算機網絡中，面向無連接的分組交換方式誕生了。這種交換的原理是指：由源主機發出的報文分組，經過分組交換網中的結點交換機逐點進行接收、存儲和轉發，最后到達目地主機。1.2.3第三代計算機網絡到了20世紀70年代中期，計算機網絡已經發展到一個新的階段，出現了眾多的網絡體系結構與網絡協議，將這些網絡協議和網絡體系結構進行國際標準化處理是急需解決的。舉個例子來說明，當時，IBM公司采用的是SNA網絡體系結構，而DEC公司采用的是DNA數字網絡體系結構，這兩種網絡體系結構存在著較大的差異，因此無法實現不同網絡之間的互連，限制了計算機網絡的發展。直到1977年，國際標準化組織（ISO，InternationalStandardsOrganization）制定了著名的計算機網絡體系結構國際標準一一開放系統互連參考模型（OSI/RM，OpenSystemInterconnection/ReferenceModel）oOSI/RM的產生，標志著第三代計算機網絡的誕生，它對網絡技術的發展產生了極其重要的影響。【電藤基獨-實例?上機系列<程】第三代計算機網絡的主要特征是網絡中所有的計算機遵守同一種網絡協議，突出了資源共享（硬件、軟件和數據）。如今，我們所使用internet是這一特征的充分寫照，在網絡中所有的計算機遵守同一種TCP/IP協議。【電藤基獨-實例?上機系列<程】1.2.4第四代計算機網絡從20世紀90年代開始，微電子技術、大規模集成電路技術、光通信技術和計算機技術不斷發展，為計算機網絡技術的發展提供了有力的支持。而在Internet中實現了全球范圍的電子郵件、WWW、文件傳輸、圖像通信等數據服務，這些都對計算機網絡的傳輸速度提出了更高的要求。由此可見，信息綜合化和傳輸高速化是第四代計算機網絡的特點。提示：支持第四代計算機網絡的技術有：高速網絡、異步傳輸模式（ATM）、光纖傳輸介質、分布式網絡、智能網絡、互聯網技術等。計算機網絡技術正逐步走向系統化、科學化和工程化，它將進一步朝著開放、綜合、高速、智能的方向發展，從而應用到更廣泛的領域、滿足用戶更多的需求。1.3計算機網絡的組成不同的計算機網絡在網絡規模、網絡結構、通信協議和通信系統、計算機硬件及軟件配置方面都有著很大的差異。無論網絡的復雜程度如何，根據網絡的定義，從系統組成上來說，一個計算機網絡主要分為計算機系統（主機與終端）、數據通信系統、網絡軟件及協議三大部分；從計算機網絡的功能來講，一個計算機網絡也可以分為通信子網和資源子網兩大部分。1.3.1計算機系統計算機系統是網路的基本組成部分，它主要完成數據信息的收集、存儲、管理和輸出的任務，并提供各種網絡資源。計算機系統根據其在網絡中的用途，一般分為主機和終端。主機（Host）主機是主計算機的簡稱，其功能是負責數據處理和網絡控制，也是網絡中的主要資源提供者。它主要是由大型機、中小型機或高檔微型計算機組成，網絡軟件和網絡的應用服務程序安裝在主機中，在一般的局域網中主機通常也被稱為服務器（Server）。終端（Terminal）終端是網絡中的用戶進行網絡操作、實現人機對話的重要工具。它在局域網中通常被稱為工作站（Workstation）o1.3.2數據通信系統數據通信系統是連接網絡的橋梁，它提供各種連接技術和信息交換技術，主要由通信控制處理機、傳輸介質和網絡連接設備等組成。通信控制處理機通信控制處理機主要負責主機與網絡的信息傳輸控制，它的主要功能是線路傳輸控制、錯誤檢測與恢復、代碼轉換以及數據幀的裝配與拆卸等。提示：在交互式應用為主的局域網中，通常情況下不需要配備通信控制處理機，但需要安裝網絡適配器（網卡）用來擔當通信部分的功能。傳輸介質傳輸介質是指傳輸數據信號的物理通道，將網絡中各種設備相互連接起來。網絡中的傳輸介質是多種多樣的，總的來說分為兩類：無線傳輸介質（如微波）和有線傳輸介質（如雙絞線）。網絡連接設備網絡連接設備是用來實現網絡中各計算機之間的連接、網絡與網絡之間的互連、數據信號的變換和路由選擇等功能。網絡連接設備包括中繼器、集線器、調制解調器、路由器以及交換機等。1.3.3網絡軟件網絡軟件是計算機網絡中不可或缺的組成部分。網絡的正常工作需要網絡軟件的控制，這就如同單個計算機是在軟件的控制下工作一樣。網絡軟件一方面授權用戶對網絡資源訪問，幫助用戶方便、快速地訪問網絡；另一方面，網絡軟件也能夠管理和調度網絡資源，提供網絡通信和用戶所需要的各種網絡服務。網絡軟件一般包括網絡操作系統、網絡協議、管理和服務軟件等。1.3.4通信子網和資源子網圖1-2資源子網與通信子網從功能上看，計算機網絡主要具有完成網絡通信和資源共享兩大功能。為了實現這兩個功能，計算機網絡必須具有數據通信和數據處理兩種能力。從這個前提出發，計算機網絡可以從邏輯上被劃分成兩個子網：通信子網和資源子網，如圖1-2圖1-2資源子網與通信子網【電藤基獨-實例?上機系列<程】通信子網【電藤基獨-實例?上機系列<程】通信子網主要負責網絡的數據通信，為網絡用戶提供數據傳輸、轉接、加工和變換等數據信息處理工作。通信子網由通信控制處理機（又稱網絡結點）、通信線路、網絡通信協議以及通信控制軟件組成。資源子網資源子網主要用于網絡的數據處理功能，向網絡用戶提供各種網絡資源和網絡服務。它主要由主機、終端、I/O設備、各種網絡軟件和數據資源組成。提示：將計算機網絡劃分為通信子網與資源子網，符合網絡體系結構的分層思想，讓網絡研究和設計更加方便。1.4計算機網絡拓撲結構拓撲學是幾何學中的一個分支，它是從圖論演變來的。在計算機網絡中，拓撲結構是決定通信網絡性質的關鍵因素之一。

1.4.1拓撲結構與計算機網絡拓撲拓撲學是數學中一個重要的、基礎性的分支。它最初是幾何學的一個分支。它是把實際生活中的物體抽象為與其大小、形狀無關的點，再將這些點之間的連接抽象為線段，以方便研究它們之間的關系。在計算機網絡中，通常也借用這種方法來描述結點之間的連接方式：將處于網絡中的計算機和通信設備抽象成結點，將結點之間的通信線路抽象成鏈路線條，這種由結點和線路連接組成的幾何圖形稱為計算機網絡拓撲結構。總的說來，計算機網絡拓撲是指一種網絡形狀，或者是指計算機網絡在物理上的連通性。1.4.2計算機網絡拓撲結構的分類及其特點網絡的拓撲結構主要有：星型拓撲、總線型拓撲、環型拓撲、樹型拓撲和網狀拓撲。星型拓撲星型拓撲是由中央結點和通過點到點通信鏈路連接到中央結點的各個站點組成，如圖1-3所示。星型拓撲結構具有以下優點：1）控制簡單在星型網絡中，任意站點只和中央結點相連接，因而媒體訪問控制方法和訪問協議十分簡單。2）故障診斷和隔離容易在星型網絡中，中央結點對連接線路可以逐一地隔離開來進行故障檢測和定位，單個連接點的故障只影響一個設備，不會影響全網，從而方便故障診斷和隔離。3）方便服務在星型網絡中，中央結點可方便地對各個站點提供服務和網絡重新配置。星型拓撲結構的缺點有：1）電纜長度和安裝工作量大因為每個站點都要和中央結點直接連接，需要耗費大量的電纜，安裝、維護的工作量也驟增。2）中央結點的負擔較重，形成瓶頸一旦中央結點發生故障，則全網受影響，因而對中央結點的可靠性和冗余度方面的要求很高。3）各站點的分布處理能力較低星型拓撲結構廣泛應用于網絡智能集中于中央結點的場合。從目前的趨勢看，計算機的發展已從集中的主機系統發展到大量功能很強的微型機和工作站，在這種形勢下，傳統的星型拓撲的使用會越來越少。口

樹型拓撲樹型拓撲形狀像一棵倒置的樹，頂端是樹根，樹根以下帶分支，每個分支還可再帶子分支，如圖1-4所示。樹根接收各站點發送的數據，然后再廣播發送到整個網絡。樹型拓撲的特點大多與總線型拓撲的特點相同，但也有一些特殊之處。樹型拓撲的優點如下：1）易于擴展這種結構可以延伸出很多分支和子分支，這些新結點和新分支都能容易地加入網絡。2）故障隔離較容易如果某一分支的結點或線路發生故障，很容易將故障分支與整個系統隔離開來。樹型拓撲的缺點是：各個結點對根的依賴性太大，如果根結點發生故障，則整個網絡都不能正常工作。從這一點來看，樹型拓撲結構的可靠性有點類似于星型拓撲結構。總線型拓撲【電藤基獨-實例?上機系列<程】總線型拓撲結構采用一個信道作為傳輸媒體，所有站點都通過相應的硬件接口直接連到這一公共傳輸媒體上，該公共傳輸媒體即稱為總線。任何一個站點發送的信號都沿著傳輸媒體傳播，而且能被所有其他站點所接收。總線型拓撲結構如圖1-5所示。【電藤基獨-實例?上機系列<程】總線型拓撲結構的優點：—p——工」總線結構所需要的電纜數量少。亡I口亡I口圖1-5總線型拓撲」總線結構簡單，又是無源工作，有較高的可靠性。總線型拓撲的缺點：」總線的傳輸距離有限，通信范圍受到限制。」故障診斷和隔離較困難。」分布式協議不能保證信息的及時傳輸，不具有實時功能。站點必須是智能的，要有媒體訪問控制功能，從而增加了站點的硬件和軟件開銷。環型拓撲環型拓撲網絡由站點和連接站點的鏈路組成一個閉合環，如圖1-6/口口所示。環型拓撲的優點如下：X口1）電纜長度短'J口"’環型拓撲網絡所需的電纜長度和總線型拓撲網絡相似，比星型拓撲圖1-6環型拓撲結構短。

2）可使用光纖光纖的傳輸速率很高，十分適合于環型拓撲的單方向傳輸。環型拓撲的缺點如下：1）結點的故障會引起全網故障因為環上的數據傳輸要通過接在環上的每一個結點，一旦環中某一結點發生故障就會引起全網的故障。2）故障檢測困難這與總線型拓撲相似，因為不是集中控制，故障檢測需在網上各個結點進行，因此就不容易進行故障檢測和隔離。3）信道利用率低環型拓撲結構的媒體訪問控制協議都采用令牌傳遞的方式，在負載很輕時，信道利用率相對來說就比較低。網狀拓撲【電藤基獨.圖1-7網狀拓撲網狀拓撲如圖1-7所示。這種結構在廣域網中得到了廣泛的應用，它的優點是不受瓶頸問題和失效問題的影響。由于結點之間有許多條路徑相連，可以為數據流的傳輸選擇適當的路由，從【電藤基獨.圖1-7網狀拓撲1.4.3計算機網絡拓撲結構的選擇計算機網絡拓撲結構的選擇往往與傳輸媒體的選擇及媒體訪問控制方法的確定緊密相關。在選擇網絡拓撲結構時，應該考慮的主要因素有以下幾點：」可靠性：盡可能提高可靠性，以保證所有數據流能準確接收；還要考慮系統的可維護性，使故障檢測和故障隔離較為方便。」費用：在組建網絡時，需要考慮適合特定應用的信道費用和安裝費用。」靈活性：需要考慮系統在今后擴展或改動時，能容易地重新配置網絡拓撲結構，能方便地處理原有站點的刪除和新站點的加入。」響應時間和吞吐量：要為用戶提供盡可能短的響應時間和最大的吞吐量。第1草計算機網絡概述。1.5計算機網絡的分類計算機網絡分類的方法很多，對計算機網絡進行分類時，根據其強調的網絡特性不同，分類方法也不同，下面將介紹幾種常用的分類方法。1.5.1按網絡覆蓋范圍分類計算機網絡根據覆蓋的地域范圍與規模可以分為3類：局域網(LAN，LocalAreaNetwork)、城域網(MAN，MetropolitanAreaNetwork)和廣域網(WAN，WideAreaNetwork)。局域網局域網是指在有限的地域范圍內(一般不超過幾十千米)，把分散的計算機、終端、大容量存儲器的外圍設備、控制器、顯示器等相互連接起來，進行高速數據通信的計算機網絡。從功能的角度來看，局域網的服務用戶個數有限，但是局域網的配置容易，速率高，一般可達4Mbps?2Gbps，使用費用也低。城域網【電藤基獨-實例?上機系列<程】城域網所覆蓋的地域范圍限在一座城市的范圍內，即10km?100km的區域。早期的城域網，采用光纖作為主干，在整個城市中分布，即為光纖分布式數據接口(FDDI，FiberDistributedDataInterface)，目前正轉向采用光纖作為主要的傳輸介質，通常采用基于IP交換的高速路由交換機或者采用ATM交換機作為交換結點的傳輸方案。【電藤基獨-實例?上機系列<程】城域網的數據傳輸速率較高，一般可達50Kbps?l00Kbps。現在已有主干帶寬為千兆的光纖寬帶城域網，可提供10/100/1000Mbps的高速連接。廣域網廣域網在地域上可以覆蓋跨越國界、洲界，甚至全球范圍。目前，Internet是現今世界上最大的廣域計算機網絡，它是一個橫跨全球、供公共商用的廣域網絡。除此之外，許多大型企業以及跨國公司和組織也建立了屬于內部使用的廣域網絡。如原郵電部的CHINANET、CHINAPAC和CHINADDN網。廣域網利用公用分組交換網、衛星通信網和無線分組交換網，將分布在不同地區的局域網或計算機系統互連起來，從而達到資源共享的目的，其速率為9.6Kbps?45Mbps。1.5.2按網絡傳輸方式分類計算機網絡按照傳輸方式分類，可以分為廣播式網絡(BroadcastNetworks)和點-點式網絡(Point-to-PointNetworks)兩類，下面分別進行介紹。廣播式網絡所謂廣播式網絡，即網絡中所有結點采用一個共用的通信信道來“廣播”數據和“收聽”數據。從發送方發出的數據中，會附帶發送節點的地址(源地址)和接收節點的地址(目的地址)，在網絡中所有結點“收聽”到發送出來的數據后，都需要將數據中帶有的目的地址與自己結點本身的地址進行比較，假如該數據的目的地址與本結點地址相同，則表示是發給本站的數據而接收；其他所有“收聽”的結點將自動丟棄該數據。點-點式網絡所謂點-點式網絡，即是指計算機網絡中的每條鏈路連接一對結點。現在對兩種情況來分析：假如兩個結點之間存在直接鏈路，則可以在兩者中直接進行發送和接收數據；假如兩個結點之間沒有直接鏈路，則它們之間需要通過中間結點來轉發數據。點-點式網絡采用數據分組存儲、轉發與路由選擇技術，而廣播式網絡不需要。1.5.3按服務方式分類按照服務方式分類，可以將計算機網絡分為對等網和客戶機/服務器網絡兩種。對等網對等網中沒有專用的服務器，在網絡中的每一臺計算機的地位都是平等的，即每一臺計算機既是服務器又是客戶機。網絡中的每臺計算機都可以與其他計算機對話，共享彼此的信息資源和硬件資源，一般而言，參與組網的計算機類型幾乎都相同，如圖1-8所示。圖1-8對等網絡客戶機/服務器網絡在計算機網絡中，如果只有1臺或者幾臺計算機作為服務器為網絡上的用戶提供共享資源，而其他的計算機僅作為客戶機訪問服務器中提供的各種資源，這樣的網絡就是客戶機/服務器網絡。服務器是指專門提供服務的高性能計算機或專用設備，根據服務器所提供的資源的不同，又可以把服務器分為文件服務器、應用程序服務器和通信服務器等。客戶機是指用戶計算機。采用這種網絡方式，其特點是安全性較高，計算機的權限、優先級易于控制，監控容易實現，網絡管理能夠規范化。服務器的性能和客戶機的數量決定了該網絡的性能。如圖1-9所示為客戶機/服務器網絡。

圖1-9基于服務器的網絡1.5.4按網絡的拓撲結構分類網絡的拓撲結構是指網絡中通信線路、計算機以及其他設備的物理布局。選擇哪種拓撲結構與具體的網絡要求相關，網絡拓撲結構主要影響網絡設備的類型、設備的能力、網絡的擴張潛力、網絡的管理模式等。在前面已經學習了網絡拓撲結構，按照網絡拓撲結構可將計算機網絡分為總線型網絡、環型網絡、星型網絡、樹型網絡。1.5.5按網絡傳輸介質分類計算機網絡按傳輸介質分類可以分為有線網和無線網兩種。有線網所謂有線網絡，即是指網絡通過某種線形傳輸介質連接而成，如同軸電纜、雙絞線以及光纖等。采用同軸電纜連網的特點是：經濟實惠、傳輸率和抗干擾能力一般、傳輸距離較短。采用雙絞線連網的特點是：價格便宜、安裝方便，但易受干擾、傳輸率較低、傳輸距離比同軸電纜短。采用光纖連網的特點是：傳輸距離長、傳輸速率高、抗干擾性強。無線網所謂無線網絡，即是指采用空氣中的電磁波作為載體來傳輸數據的網絡。如今，無線網絡的特點有連網費用較高、數據傳輸率高、安裝方便、傳輸距離長、抗干擾性不強等。無線網包括無線電話、無線電視網、微波通信網、衛星通信網等。1.5.6按網絡的交換方式分類所謂網絡的交換方式，其實是指一種轉接的方式。在計算機網絡中，需要通過交換設備，在用戶需要時提供數據傳輸的通道。計算機網絡按交換方式分類可以分為以下幾種：線路交換網絡線路交換網絡是由電話線路系統演變而來的，早期的計算機網絡就是采用線路交換的方式來進行數據傳輸的。報文交換網絡報文交換是指當計算機之間開始通信時，發送端發出的一個報文被存儲在計算機網絡中的一個交換器中，交換器根據報文的目的地址選擇合適的路徑發送報文。采用這種交換方式的網絡，通常稱之為報文交換網絡。分組交換網絡【史藤基獨.宴例?上機系列*】1【史藤基獨.宴例?上機系列*】11.6計算機網絡的功能和應用計算機網絡自20世紀60年代末誕生以來，僅20多年時間，便以異常迅猛的速度發展起來，被越來越廣泛地應用于政治、經濟、軍事、生產及科學技術的各個領域。下面介紹計算機網絡的功能和應用。1.6.1計算機網絡的功能計算機網絡的主要功能包括數據通信、資源共享、提高計算機的可靠性以及提高系統處理能力等幾個方面。數據通信數據通信是計算機網絡的基本功能，它使得網絡中的計算機與計算機之間能夠相互傳輸各種信息，對分布在不同地理位置的部門進行集中管理與控制。資源共享資源共享是計算機網絡的一個重要功能。在計算機網絡中，資源共享包括硬件資源共享與軟件資源共享這兩個方面。硬件資源共享是指計算機的處理能力，打印機等計算機外設以及計算機的磁盤系統等；軟件資源共享包括數據資源和通用程序等。提示：資源共享提高了資源的利用率，它打破了資源在地理位置上的約束，使得用戶在使用千里以外的資源時就如同使用本地資源一樣。提高計算機可靠性計算機網絡可以提高計算機的可靠性。這是因為在單一的計算機系統中，如果計算機中的某個部件暫時失效，必須通過替換資源的辦法來維持計算機系統的正常運行。而在計算機網絡中存在著可替代的資源，例如將某些重要的文件備份在處于網絡中的其他計算機上，這樣即使計算機網絡中一臺計算機出現故障，別的計算機就可以承擔它的任務，使系統的可靠性提高了。提高系統處理能力由于單一計算機的處理能力非常有限，而利用計算機網絡，可通過網絡中的計算機協同操作和并行處理來提高整個系統的處理能力，并使網內各計算機負載均衡。因此，通過計算機網絡可以緩解用戶資源缺乏的矛盾，使各種資源得到合理的調整。另一方面，對某些大型的任務而言，通過網絡將其分散到多個計算機上進行處理，也可以使各地的計算機通過網絡資源共同協作，這樣也提高了系統的處理能力。1.6.2計算機網絡的主要應用隨著Internet的日益普及，計算機網絡已經在工業、農業、國防、科研、文化教育以及日常生活等各個領域得到廣