1 计算机网络概述（一）：概述

目标

• 了解计算机网络的产生和发展过程
• 了解计算机网络的分类方法
• 掌握计算机网络的通信子网类型和拓扑结构
• 掌握计算机网络的体系结构、分层原理和标准化组织
• 初步掌握OSI/RM、TCP/IP和IEEE 802三种模型

1 计算机网络概述

1.1 计算机网络的定义和演变

计算机网络（Computer Network）是计算机技术和通信技术紧密结合的产物。计算机在通信中的应用促使数据通信和数字通信技术迅速发展，并促进了通信由模拟向数字化并最终向综合服务的方向发展，通信技术则为计算机之间信息的快速传递、资源共享和协调合作提供了强有力的手段。IEEE高级委员会坦尼鲍姆博士给它的定义是“计算机网络是一组自治计算机互联的集合”。自治（或自主）是指每台计算机都有自主权，不受别人控制，互联则是指使用传输介质将计算机连接起来。

1、计算机网络的定义

网络是一系列复杂的人或事物的系统。生活中就存在许多网络，例如电话网、铁路网、高速公路网等。以铁路网类比，所谓计算机网络，就是把分布在不同地理位置的计算机、终端，通过通信设备和线路连接起来，以功能完善的网络软件（网络通信协议，信息交换方式及网络操作系统等），实现互相通信及网络资源共享的系统。
计算机网络的一个重要特征：共享资源。用户能够通过网络来共享软件、硬件和数据资源。
计算机网络的主要功能：

• 数据通信（连通性）
• 资源共享（软件、硬件和数据资源）
• 提高系统可靠性
• 分布式处理（分布式处理和均衡负荷）
• 。。。。。。

2、计算机网络的演变

主要分为几个阶段：

• 面向终端的计算机网络（也就是具有通信功能的单机系统段）：简单来说就是有一台主计算机与若干个地理上分散的终端相连。主计算机接收远程终端的原始数据和程序，并进行数据处理。每个用户在自己的终端上分时轮流地使用主机系统的资源。主机在具有数据处理功能的同时，还兼具通信功能。结构如下图所示：
  

  这个阶段的网络系统存在两个比较大的问题：1）随着终端数目的增多，主机负荷加重，系统效率下降。2）线路利用率低，费用较高。因为每个终端独占一条线路。

• 具有通信功能的多机系统阶段：为了解决以上问题，发展成了多机模式。其主要原理是数据处理和数据通信分开工作。主机专门进行数据处理，而在主机和通信线路之间设置一台功能简单的计算机，专门负责处理网络中数据通信、传输和控制。这种负责通信的计算机称为通信控制处理机CCP（Communication Control Processor）或称为前端处理机FEP（Front End Processor）。它一方面作为资源子网的主机和终端的接口节点；另一方面又担负通信子网中的报文分组的接收、校验、存储、转发等任务，从而将源主机的报文准确地发送到目的主机。结构如下图所示：
  

• 计算机网络阶段：第二代计算机网络是将若干个联机系统中的主机互联，为用户提供服务，以达到资源共享的目的，或者联合起来完成某项任务。它和第一代网络的区别在于多个主机都具有自主处理能力，它们之间不存在主从关系，第二代计算机网络的典型代表是Internet的前身ARPA网。
  

• 局域网：随着硬件价格的下降和微机的广泛应用，一个单位或部门拥有微机的数量越来越多，因此需要将它们连接起来，以达到资源共享和互相传递信息的目的。局域网联网费用低，传输速度高。其典型代表是以太网（Ethernet）和令牌环网（Token Ring）。
  

  扩展：ARPA网（ARPAnet）是美国国防部高级研究计划署ARPA（现在称为DARPA，Defense Advanced Research Project Agency）提出设想并与许多大学和公司共同研究发展起来的，1969年建网时，仅有4 台主机。ARPA网采用分组交换技术，当4 个节点之间的某一条通信线路因某种原因被切断以后，仍能够保证信息通过其他线路在各主机之间传递。ARPA网在1971年增至26 台主机，发展到1975 年，已将100 多台不同型号的大型计算机连入网内。ARPA网成为第一个完善地实现分布式资源共享的网络，为计算机网络的发展奠定了基础，现代计算机网络的许多概念和方法都来源于它，ARPA网是最早将计算机网络分为资源子网和通信子网两部分的网络。

3、网络发展的里程碑

• 1969年建立的ARPA网，使用TCP/IP协议，它为Internet的发展奠定了基础。
• 20世纪70年代出现局域网，特别是70年代中期美国Xerox公司研制的以太网（Ethernet），对网络的普及起着重要的作用。
• 80 年代，CCITT建立了使用国际线路传输声音数据的国际标准，ISO制定了开放系统互联参考模型OSI/RM（Open System Interconnection Basic/Reference Model）。
• 1989年Web技术的出现，使Internet得到了普及，Web也就是WWW（World Wide Web）是一个超文本系统，可以为用户提供良好的信息查询界面，没有WWW就没有Internet的今天。
• 1993年9月，美国克林顿政府提出了国家信息基础设施NII（National Information Infrastructure）的信息高速公路计划，NII能使美国所有的国民需要信息时，可以在需要的场所，以适当的价格得到系统的支持。NII由通信网络、信息设备、信息数据库和人机部分构成。
• 进入21 世纪，为解决IP地址紧缺问题，出现了IPv 6技术，IPv 4网络向IPv 6网络的演变已经拉开了序幕。

4、我国的网络发展

20 世纪90 年代是中国计算机网络大发展的年代，并陆续建造了基于Internet技术并接入Internet的四大全国范围的公用计算机网络，它们分别为：
1）中国公用计算机互联网（CHINANET）：CHINANET始建于1995 年，由中国电信负责运营，该网由主干网和接入网组成。主干网的速率以2.048Mbps为主，逐步提高到E3（34Mbps）甚至更高速率。接入网由各省建设的网络构成，用户通过163（现在已将电话号码、用户名和口令都改为16300）拨号方式上网。
2）中国金桥信息网（CHINAGBN）CHINAGBN始建于1993 年，即金桥工程。以吉通通信为业主，该网由地面光纤网和卫星网组成。主干网的速率以128kbps～8Mbps为主，主要为金融、海关、外贸、气象、交通等部门提供数据、语音、图像信息服务。
3）中国教育和科研计算机网（CERNET）CERNET始建于1994 年，是一个公益性网络，为国民教育、科研提供信息服务。该网由主干网、地区网和校园网三级结构组成。主干网的速率以2Mbps为主，随着网络技术的发展其速率正逐步提高。
4）中国科学技术网（CSTNET）CSTNET始建于1994年，由中科院建设和管理。除了这四大网络外，还有中国科学院高能物理研究所计算中心网（GLOBALNET）、中国科学院计算机网络信息中心网（NCFC）等网络，它们都是所谓的“自治系统”。后来又陆续开通了几个网络，分别是中国联通互联网（UNINET）、中国网通宽带数据网（CNCNET）、中国移动互联网（CMNET）、中国国际经济贸易互联网（CIENET）、中国长城互联网（CGWNET）、中国卫星集团互联网（CSNET）和利用军队资源的数据网等。它们称为Internet服务提供商（ISP）或网络服务提供商（NSP）。这些网络的建成，使我国的计算机网络水平上升到一个新的阶段。

1.2 计算机网络的分类、组成和网络性能

1、计算机网络的分类

计算机网络种类很多，性能各有差异。可以从不同角度进行分类：

• 按覆盖范围分类：
  • 广域网（WAN）：是利用公共通信设施，在远程用户之间进行信息交换的系统。其特点是分布范围广。WAN一般不具备规则的拓扑结构，特点是速度慢、延迟长，入网的站点不参与网络的管理，它的管理工作由复杂的互联设备（如交换机、路由器）处理。
    • 广域网可分为陆地网、卫星网和分组无线网
    • 按其提供的业务带宽不同，可分为窄带WAN和宽带WA N。窄带WAN有公共电话交换网PSTN、综合业务数字网ISDN、数字数据网DDN、X.25和帧中继网等，宽带WAN有异步传输模式ATM、同步数字系列SDH等。
  • 局域网LAN（Local Area Network）：特点是地理范围有限，规模较小，通常局限于一个单位或一幢大楼内，最大节点数为几百个至几千个，适用于企业、机关、学校等单位。局域网组建方便，建网周期短，见效快，成本低，使用灵活，社会效益大，是目前计算机网络发展最活跃的分支。而且由于其传输距离近，数据传输速率高，误码率低，传输延迟短。
    • 局域网按照采用的技术、应用范围和协议标准的不同，可以分为共享式局域网、交换式局域网、虚拟局域网和无线局域网等
  • 城域网MAN（Metropolitan Area Network）：介于广域网与局域网之间的一种高速网络，通常覆盖一个城市或地区，距离从几十千米到上百千米。。目前MAN建设主要采用的是IP技术和ATM技术。城域网设计的目标是满足几十千米范围内的大量企业、机关、高校和公司的多个局域网互联的需求，以实现大量用户之间的数据、语音、图形与视频等多种信息的传输功能。
  • 除了上述种类之外还有：校园网（Campus Area Network）、内部网（Intranet）、外部网（Extranet）和全球网（Global Area Network）。随着计算机网络技术的发展，目前的局域网、广域网和城域网的界限已经变得模糊了。
• 按通信速率分类：
  • 低速网：网络数据传输速率为300bps～1.4Mbps，系统通常是使用调制解调器，利用公用电话网PSTN实现。广域网一般是低速网。
  • 中速网：网络数据传输速率为1.5～45Mbps，这种系统主要是传统的数字式公用数据网。
  • 高速网：网络数据传输速率为50～1000Mbps。信息高速公路的数据传输速率将会更高，局域网是高速网。ATM网的传输速率可以达到2.5Gbps。
• 按带宽分类：
  • 基带网络：在计算机网络中，原始数字信号所固有的频带（没有加以调制的）叫基本频带，简称基带，这种原始的数字信号称为基带信号。数字数据直接在信道中传输，或者说只传输数字信号的，称为基带传输，其网络称为基带网络。
  • 宽带网络：宽带网络（也称频带网络）采用模拟传输技术。把不同频率的多种调制信号在同一传输线路中传输称为宽带传输，相应的网络称为宽带网。
• 根据网络采用的交换技术分类：
  • 电路交换网络：指在进行数据传输期间，发送点（源）与接受点（目的）之间构成一条实际连接的专用物理线路，最典型的电路交换网络就是公用电话交换网
  • 报文交换网络：又称为存储-转发技术，该方式不需要建立一条专用的物理线路，信息先被分解成报文，然后一站一站地从源头送达目的地，这有点类似通常的邮政寄信方式。
  • 分组交换网络：基本原理与报文交换相同，它也不需要建立专用的物理线路，但信息传送的单位不是报文而是分组，分组的最大长度比报文短得多。
• 按拓扑结构分类：（网络中各个节点相互连接的方法和形式称网络拓扑）
  
  • 总线型拓扑：采用单个总线进行通信，所有的站点都通过相应的硬件接口直接连接到传输总线上，一个网段内的所有节点共享总线资源。
    • 优点：结构简单，易于扩充；易于布线和维护；
    • 缺点：故障诊断困难；总线的带宽容易成为网络瓶颈；
    • 应用场景：常用于单向广播型网络，如有线电视网、语音广播网等
  • 星形拓扑：星形拓扑是由中央节点和通过点到点链路接到中央节点的各站点组成。中央节点执行集中式通信控制策略，而各个站点的通信处理负担都很小，一旦建立了通道连接，能以较高速率在连通的两个站之间传送数据。
    • 优点：结构简单，便于管理，扩展网络简单，易于更改，也易于检测和隔离故障；网络性能较高，各条线路可以同时进行数据传输。
    • 缺点：依赖于中央节点，中央节点容易成为性能瓶颈；对中央节点的可靠性要求较高；维护和安装费用高；
  • 环形拓扑：在环形拓扑结构中，各个网络节点连接成环。在环路上信息单向从一个节点传送到另一个节点，传送路径固定，没有路径选择的问题。
    • 优点：结构简单，容易实现，吴路径选择；所需电缆长度短
    • 缺点：可靠性差，一旦任何一个站点出故障，都会引起全网故障；故障排查困难。
  • 树形拓扑：可以认为是分层的星形拓扑，其特点和星形拓扑类似，与星形拓扑相比更适合分层管理
  • 网状拓扑：网状拓扑节点之间的连接是任意的、无规律的，即任两个节点之间可以没有、有一条或有多条线路。
    • 优点：系统可靠性高
    • 缺点：结构复杂、建设费用高、布线困难
    • 应用场景：常用于大型网络系统和公共通信骨干网
  • 混合型拓扑：由以上两种或多种拓扑结构混合而成。可以综合多种拓扑结构的优点。
• 按传输介质工作方式分类：
  • 共享介质网络：共享介质访问技术意味着有多个设备或终端连接在同一段通信介质上且均有使用权限，需要共享该通信介质资源。如果多个设备同时使用共享介质会发生冲突，此时需要通过协议来协调各设备使用共享介质的时间段。例如校园或楼宇内的语音广播系统就是典型的共享介质网络。
    • 优点：结构简单，易于扩充，造价低
    • 缺点：如果网络设备增加，网络通信的延时也会增大，从而造成网络性能的下降。
  • 交换式网络：是将传统共享介质分成一系列独立的网段，每一段上仅连接两台网络设备或终端，从而将大的通信流量分成许多小的通信支流，从根本上消除了共享介质造成的拥塞和瓶颈。交换式网络类似于电话网，电话网通过各电话交换机连接起来，每个电话交换机又连接若干个电话机，即使在同一地区的两个电话用户之间通话也要通过电话交换机。在交换式网络中，需要设置网络交换机，与网络交换机相连的计算机之间通过交换机进行通信。
    • 优点：便于管理、容易扩展，增删节点不影响网络的其余部分，也易于检测和隔离故障，网络性能较高，各条线路可以同时进行数据传输
    • 缺点：线缆总长度较长，且需要增加交换设备，造价较高。
• 除了以上分类方法外，还有：
  • 按网络协议分类：可把计算机网络分为以太网（Ethernet）、令牌环网（Token Ring）、光纤分布式数据接口FDDI（Fiber Distributed Data Interface）、X.25分组交换网络、TCP/IP网络、SNA网络、异步传输模式（ATM）等
  • 按网络操作系统分类：Novell公司的Netware网络、3COM公司的3+Share和3+OPEN网络、Microsoft公司的LAN Manager网络和Windows NT/2000网络、Banyan公司的VINES网络、UNIX网络等
    

2、计算机网络的组成

计算机网络是一个十分复杂的系统

• 计算机的逻辑组成：（也可以说是功能组成）
  • 通信子网：主要提供数据通信。来完成网络主机之间的数据传输、交换、通信控制和信号变换等通信处理工作，由通信控制处理机（CCP）、通信线路和其他通信设备组成的数据通信系统。其中，信号变换是指根据不同传输系统的要求对数据的信号进行变换。例如，为了利用现有电话线传输数据，需要对数字信号与模拟信号进行变换；使用光纤时光电信号的变换；无线通信的发送和接收等。
  • 资源子网：主要进行数据处理。为用户提供了访问网络的能力，它由主机系统、终端控制器、请求服务的用户终端、通信子网的接口设备、提供共享的软件资源和数据资源（如数据库和应用程序）构成。它负责网络的数据处理业务，向网络用户提供各种网络资源和网络服务。
• 计算机的硬件系统：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。一般来说由5个部分组成：
  • 网络工作站：网络工作站是指连接到计算机网络中并通过应用程序来执行任务的个人计算机。它是网络数据主要的发生场所和使用场所。用户主要通过工作站来使用网络资源并完成自己的任务。网络操作系统通过在个人计算机中增加网络功能，使之成为网络工作站。
  • 服务器：是指能向网络用户提供特定的服务软件的计算机。它包含2方面的内容：一方面，服务器的作用是为网络提供特定的服务，而人们通常会以服务器提供的服务来命名服务器，如提供文件共享服务的服务器称为文件服务器，提供打印服务的服务器称为打印服务器等；另一方面，服务器是软件和硬件的统一体，特定的服务程序需要运行在特定的硬件基础上，如大量内存、高速大容量硬盘等。服务器要完成服务功能，需要由服务程序完成服务功能。网络服务器是网络资源管理和共享的核心。网络服务器的性能对整个网络的资源共享起着决定性的影响。
  • 客户机：
  • 传输介质：是网络中信息传输媒体，是网络通信的物质基础。
  • 网络连接设备：网络中使用的连接设备有网络适配器、中继器、集线器、路由器、网桥、网关等。
    • 网络适配器：也称做接口卡或网卡。它是网上设备（如工作站、服务器等）到网络传输媒体的通信枢纽，是完成数据传输的关键部件。
    • 中继器：是连接网络线路的一种装置,常用于两个网络节点之间物理信号的双向转发工作。中继器完成物理线路的连接，对衰减的信号进行放大，保持与原数据相同。
    • 集线器：差不多就是个多端口的中继器，把每个输入端口的信号放大再发到别的端口去，集线器可以实现多台计算机之间的互联，因为它有很多的端口，每个口都能连计算机。
    • 网桥：是一个局域网与另一个局域网之间建立连接的桥梁。网桥是属于数据链路层的一种设备，它的作用是扩展网络和通信手段，在各种传输介质中转发数据信号，扩展网络的距离。
    • 交换机：可以理解为高级的网桥，他有网桥的功能，但性能比网桥强。交换机和网桥的细微差别就在于：交换机常常用来连接独立的计算机，而网桥连接的目标是LAN，所以交换机的端口较网桥多。只认MAC地址，不认IP。
    • 路由器：主要工作就是为经过路由器的每个IP数据包寻找一条最佳传输路径，并将该数据有效地传送到目的站点。路由器的基本功能是，把数据（IP报文）传送到正确的网络。
    • 网关：在网络层以上实现网络互连，是最复杂的网络互连设备，仅用于两个高层协议不同的网络互连。网关既可以用于广域网互连，也可以用于局域网互连。网关是一种充当转换重任的计算机系统或设备。
• 计算机的软件系统：根据网络软件在网络系统中所起的作用不同，可以将其大致分为5类。
  • 网络协议软件：用以实现网络协议功能的软件称为网络协议软件。用以实现网络协议功能的软件称为网络协议软件。协议软件的种类非常多，不同体系结构的网络系统都有支持自身系统的协议软件，在体系结构中不同层次上又有不同的协议软件。对某一协议软件来说，到底把它划分到网络体系结构中的哪一层是由协议软件的功能来决定的，所以同一协议软件，它在不同的体系结构中所隶属的层次不一定相同。
  • 网络通信软件：在网络系统中，主机与主机或主机与终端之间的连接方式有2种。
    • 主机是通过通信接口与其他计算机连接。这种连接方式必须遵守网络协议所规定的接口关系。
    • 主机直接通过通信媒体与主机或终端相连接。由于这种连接方式所连接的终端和计算机种类不同，没有固定标准，并且连接接口关系不一定与网络协议的规定相一致，所以在这种情况下，主机操作系统中除了要配置实现网络通信的低级协议软件外，还要为各种相连的终端或计算机配置相应的通信软件。通信软件使用户能够在不必了解通信控制规则的情况下，控制自己的应用程序，同时能与多个站点进行通信，并对大量的数据进行加工
  • 网络管理软件：主要功能是解决网络管理中出现的问题
  • 网络操作系统：基本任务就是要屏蔽本地资源与网络资源的差异性，为用户提供各种基本网络服务功能，完成网络资源的管理，并提供网络系统的安全性服务。
  • 网络应用软件：基本任务就是要屏蔽本地资源与网络资源的差异性，为用户提供各种基本网络服务功能，完成网络资源的管理，并提供网络系统的安全性服务。

3、网络主要性能

通过MODEM拨号上网和通过宽带上网的速度是不一样的，其网络性能也不同。影响网络性能的因素有很多，传输距离的远近、使用的线路、采用的传输技术、带宽、网络上在线用户的数量、网络设备的性能等都对网络的性能产生影响。而衡量网络性能的主要参数是：带宽和延迟。

• 带宽：（Bandwidth）是指网络上数据在一定时刻内从一个节点传输到任意节点的信息量。可以用链路每秒能传输的比特数表示，如以太网的带宽有10Mbps、100Mbps和10Gbps等。也可以用传输每个比特所花的时间长短来衡量，如一个10Mbps的网络上，传输每个比特所花的时间为0.1μs。
• 延迟（Delay）是指将一个比特从网络的一端传输到另一端所花费的时间。造成网络延迟的主要有三个因素：
  a.传输介质的传播延迟
  b.发送一个数据单元花费的时间，它与网络的带宽和数据分组的大小密切相关
  c.网络内部的排队延迟，因为交换机在将分组转发出去之前一般要将它存储一段时间