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Bidmnnu计算机网络原理
生命中,不断地有人离开或进入。
于是,看见的,看不见的;记住的,遗忘了。
生命中,不断地有得到和失落。
于是,看不见的,看见了;遗忘的,记住了。
然而,看不见的,是不是就等于不存在?
记住的,是不是永远不会消失?
《计算机网络原理》自考教材
第一章计算机网络概述
计算机网络是计算机技术和通信技术紧密相结合的产物,它涉及到通信与计算机两个领域。
它的诞生使计算机体系结构发生了巨大变化,在当今社会经济中起着非常重要的作用,它对人类社会的进步做出了巨大贡献。
现在,计算机网络已经成为人们社会生活中不可缺少的一个重要基本组成部分,计算机网络应用已经遍布各个部门领域。
从某种意义上讲,计算机网络的发展水平不仅反映了一个国家的计算机科学和通信技术水平,而且已经成为衡量其国力及现代化程度的重要标志之一。
1.1计算机网络的产生与发展
计算机网络的发展过程是从简单到复杂、从单机到多机、由终端与计算机之间的通信,演变到计算机与计算机之间的直接通信的过程。
其发展经历了四个阶段:
联机系统阶段、互联网络阶段、标准化网络阶段、网络互连与高速网络阶段。
1.1.1联机系统阶段
计算机与通信的结合始于20世纪50年代。
1954年,人们制造出了一种终端设备,它能够将穿孔卡片上的数据从电话线上发送到远地计算机上,这种终端设备被称为收发器(Transceiver)。
此后,电传打字机开始作为远程终端和计算机相连,用户可在远地的电传打字机上将自己的程序键入到计算机中,计算机算出的结果又可从计算机传送到电传打字机上打印出来。
这种简单的"终端-通信线路-计算机"系统,就是计算机网络的雏形,即计算机网络的第一阶段。
第一阶段计算机网络的基本结构是:
一台中央主计算机连接大量的、在物理位置上处于分散的终端设备构成的系统,系统中除主计算机具有独立的处理数据的功能外,系统中所连接的终端设备均无独立处理数据的功能。
第一阶段的计算机网络系统实质上就是联机多用户系统,是面向终端的计算机通信。
联机系统中的中心计算机与远程终端的通信当时只能利用公用电话系统。
而利用电话线传输计算机与远程终端发出的信号,就必须要经过数据转换,因为计算机和远程终端发出的数据信号都是数字信号,而公用电话系统的传输系统只能传输模拟信号。
实现两种信号转换的设备是调制解调器(Modem)。
调制解调器的作用就是:
在通信前,先把从计算机或远程终端发出的数字信号转换成可以在电话线上传送的模拟信号;通信后再将被转换的信号进行复原。
由于计算机内的传输是并行传输,而通信线路上的传输是串行传输,所以,在计算机和远程终端相连时必须有一个接口设备,其作用是进行串行和并行传输的转换,以及进行简单的传输差错控制,这就是线路控制器(LineController)。
最初,一个线路控制器只能和一条通信线路相连,这种模式的联机系统如图1.1所示。
然而,随着联机系统内远程终端的数量增加,系统中主计算机内要使用多个线路控制器,为了避免这种情况的发生,60年代初研制生产出了多重线路控制器(MultilaneController)。
一个线路控制器可以和多个远程终端相连接,多重线路控制器模式的联机系统如图1.2所示。
在计算机通过线路控制器与远程终端直接相连的系统中,计算机既要进行数据处理,又要承担各终端间的通信,主计算机负荷加重,实际工作效率下降;而且分散的终端都要单独占用一条通信线路,通信线路利用率低,费用高,为此就在系统的主计算机前增设一个前端处理机FEP(FrontEndProcessor)或通信控制器CCU(CommunicationControlUnit),这些设备用来专门负责通信工作,从而实现了数据处理与通信控制的分工,更好地发挥中心计算机的数据处理能力,如图1.3所示。
为了进一步节省通信费用,提高通信效率,在终端比较集中的地方设置集中器C(Concentrator)或多路复用器把终端发来的信息收集起来,装配成用户的作业信息存入集中器或多路复用器中,然后再用高速线路将数据信息传给前端处理机,最后提交给主机。
当主机把信息发给用户时,信息经前端处理机、集中器最后分发给用户,从而进一步提高了通信效率。
如图1.4所示。
1.1.2计算机互联网络阶段
60年代中期,英国国家物理实验室NPL的戴维斯(Davies)提出了分组(Packer)的概念,1969年美国的分组交换网ARPA网投入运行,从而使计算机网络通信方式由终端与计算机之间的通信,发展到计算机与计算机之间的直接通信。
从此,计算机网络的发展就进入了一个崭新时代。
早期的系统中只有一个计算机处理中心,各终端通过通信线路共享主计算机的硬件和软件资源。
计算机与计算机通信的计算机网络系统,呈现出的是多个计算机处理中心的特点,各计算机通过通信线路连接,相互交换数据、传送软件,实现了连接的计算机之间的资源共享。
单个主计算机为中心的网络和以多计算机为中心的网络的逻辑结构如图1.5所示。
1.1.3标准化网络阶段
计算机网络系统是非常复杂的系统,计算机之间相互通信涉及到许多复杂的技术问题,为实现计算机网络通信,实现网络资源共享,计算机网络采用的是对解决复杂问题的十分有效的分层解决问题的方法。
1974年,美国IBM公司公布了它研制的系统网络体系结构SNA(SystemNetworkArchitecture)。
不久,各种不同的分层网络系统体系结构相继出现。
对各种体系结构来说,同一体系结构的网络产品互连是非常容易实现的,而不同系统体系结构的产品却很难实现互连。
但社会的发展迫切要求不同体系结构的产品都能够很容易地得到互连,人们迫切希望建立一系列的国际标准,渴望得到一个"开放"系统。
为此,国际标准化组织ISO(InternationalStandardsOrganization)于1977年成立了专门的机构来研究该问题,在1984年正式颁布了"开放系统互连基本参考模型"(OpenSystemInterconnectionBasicReferenceModel)的国际标准OSI,这就产生了第三代计算机网络。
1.1.4网络互连与高速网络
进入90年代,计算机技术、通信技术以及建立在互连计算机网络技术基础上的计算机网络技术得到了迅猛的发展。
特别是1993年美国宣布建立国家信息基础设施NII(NationalInformationInfrastructure)后,全世界许多国家纷纷制订和建立本国的NII,从而极大地推动了计算机网络技术的发展。
使计算机网络进入了一个崭新的阶段,这就是计算机网络互连与高速网络阶段。
目前,全球以Internet为核心的高速计算机互联网络已经形成,Internet已经成为人类最重要的、最大的知识宝库。
网络互连和高速计算机网络就成为第四代计算机网络。
1.2计算机网络的概念
1.2.1计算机系统
计算机系统是由软件系统和硬件系统组成的。
图1.6就反映了计算机硬件与软件之间的关系。
其中,系统硬件资源主要包括中央处理器CPU、存储器和输入输出设备。
紧挨着硬件层的软件是操作系统,不同类型的操作系统与不同规格的计算机硬件结合,构造出不同类型的计算机系统。
从类型上看,操作系统分单用户操作系统、联机多用户操作系统和网络操作系统。
其中联机多用户操作系统又分多道批处理操作系统、分时操作系统、实时操作系统。
操作系统不同,其功能特点也不同。
1.2.2联机多用户系统
从本质上讲,在联机多用户系统中,不论主机上连接多少个计算机终端或计算机,主机与其连接的计算机终端或计算机之间都是支配与被支配的关系。
传统的联机多用户系统,都是由一台中央处理机、多个联机终端以及一个多用户操作系统组成的。
在多用户系统中,终端不具备单独的数据处理能力。
以分时系统为例,终端是靠CPU把系统的一部分主存分给终端用户,并且通过使用CPU为每个用户划分的时间片来执行用户的应用程序。
随着计算机科学的发展、微型计算机的诞生,具有相当数量的多用户系统,中央处理机联机所使用的终端,其本身是具有单独数据处理能力的计算机。
我们把这种具有单独数据处理能力的、连接在多用户系统中的计算机称作智能终端。
在连接有智能终端的多用户系统中,由于智能终端本身是一个独立的计算机,它们各具有一套独立的计算机系统,所以,在没有通过主机启动多用户操作系统的情况下,智能终端可直接启动支持自身CPU的操作系统进行工作。
这时虽然智能终端是连接在多用户系统主机上的,但它与多用户系统没有丝毫关系,而是以一台独立的计算机身份进行工作的。
也就是说智能终端中的资源不能被主机共享,同样主机的资源也不能被智能终端共享。
总之,在多用户系统中,终端仅仅是系统中的输入、输出设备。
换言之,在多用户系统中不存在主机与终端共享资源的问题。
图1.7描述了一个连接四个终端的分时系统。
系统中每个终端分享一台通常称之为主机的计算机资源,而主机,即使是最大型的主机,其存储器、速度及所能负担的终端数量都是有限的,每个终端都能够分享到一部分计算机资源。
系统中所连接的终端越多,每个用户使用机器的机会就越少。
如果打算给主机增加一批终端,主机就必须有足够的容量才能负担这么多终端。
否则,就只有换用更大的主机。
1.2.3网络系统
现代网络系统是建立在分组交换技术基础上的计算机网络系统。
网络系统是由网络操作系统、用以组成计算机网络的多台计算机以及各种通信设备构成的。
在计算机网络系统中,每台计算机是独立的,任何一台计算机都不能干预其他计算机的工作,任何两台计算机之间没有主从关系。
所以,我们把计算机网络定义为:
凡将物理位置不同、并具有独立功能的多个计算机系统通过通信设备和线路连接起来、以功能完善的网络软件实现网络中资源共享的系统,称之为计算机网络系统。
其中,资源共享是指在网络系统中的各计算机用户均能享受网内其他各计算机系统中的全部或部分资源。
图1.8所示系统是一个连接了三台计算机、两台打印机、一个磁盘存储系统的早期的计算机网络系统。
由于网络系统不是以一台大型的主计算机为基础,而是以许多独立的计算机为基础,它们各自不仅拥有属于自己的打印机、磁盘驱动器及操作系统、应用软件,而且所有这些计算机相互之间还能够传送信息,共享资源(打印机、磁盘系统)。
图1.8所示网络系统中的三台计算机全可以独立使用,并可以使用网络系统中的所有外部设备,互相之间可发送信息、交换程序和数据。
计算机网络系统与联机分时多用户系统特性比较如表1.1所示。
1.2.4分布式计算机系统
分布式计算机系统与计算机网络系统在计算机硬件连接、系统拓扑结构和通信控制等方面基本都是一样的,它们都具有通信和资源共享的功能。
但它们之间有一点非常重要的区别,这就是:
分布式计算机系统是在分布式计算机操作系统支持下,进行分布式数据库处理和各计算机之间的并行计算工作,也就是说各互连的计算机可以互相协调工作,共同完成一项任务,一个大型程序可以分布在多台计算机上并行运行。
而计算机网络系统是在网络操作系统支持下,实现互连的计算机之间的资源共享,计算机网络系统中的各计算机通常是各自独立进行工作的。
随着网络技术的发展,计算机网络系统也渐渐地或多或少地具有一些分布式计算机系统的功能。
所以,也称分布式计算机系统为分布式计算机网络。
总之,计算机网络是突破地理范围限制的大量计算机设备群体的集合,它们彼此用物理信道互连,并遵守共同的协议而进行数据通信(协议是计算机与计算机进行通信时,通信双方共同遵守的一组规则),从而实现用户对网络系统中各互连计算机设备群体的共享。
计算机网络是人们彼此进行交往的工具,它能促进人们进行广泛的思想交流,促进知识迅速更新,使信息得到充分利用和实现系统资源的尽量共享。
它是建立人与人之间以及这一群人与另一群人之间沟通联系的现代化通信与计算机环境。
1.3计算机网络的特点和目标
计算机网络是通过通信媒体,把各个独立的计算机互相连接所建立起来的系统。
它实现了计算机与计算机之间的通信和资源共享。
1.3.1网络的特点
虽然各种网络系统的具体用途、系统连接结构、数据传送方式各不相同,但各种网络系统都具有一些共同的特点。
1.计算机之间的数据交换
网络系统中各相连的计算机能相互传送数据信息,使相距很远的人之间能直接交换数据。
2.各计算机相对独立性
网络系统中各相连计算机是相对独立的,它们各自既相互联系又相互独立。
3.建网周期短、见效快
建立一个网络系统只需把各计算机与通信媒体连接好,安装、调试好相应的网络软硬件即可。
4.成本低、效益高
计算机网络使只具有微机的用户也能分享到大型机的功能。
这一点充分体现了网络系统的"群体"优势。
5.用户使用简单
对用户而言,掌握网络使用技术比掌握大型机使用技术简单,实用性也非常强。
6.易于分布处理
由于网络是将多台计算机连成具有高性能的计算机系统,所以,网络具有将较大型的综合性问题、通过一定算法把任务交给不同的计算机完成、以解决大量复杂问题的能力,易于分布处理。
7.系统灵活性、适应性强
在计算机网络系统中能很灵活地接入新的计算机以扩充系统,计算机网络的灵活性使其表现出对不同的用户、不同的任务具有很强的适应性。
1.3.2计算机网络的目标
1.资源共享
为达到使相距很远的人之间进行通信,并达到使网络中各相连的计算机中的程序、数据和设备对网上的每个人都可随时随地地使用,就要做到对使用者而言不必知道这些程序、数据和设备的实际位置,使用时就像它们在本地一样。
2.提高系统可靠性
在计算机网络系统中,应通过结构化和模块化分析、加工,将大的、复杂的任务分别交给几台计算机处理,使用多台计算机提供冗余,以使其可靠性大大提高。
当某台计算机发生故障时,不影响整个系统中其他计算机的正常工作,使遭损坏的数据和信息能得到恢复。
3.提高工作效率
计算机网络系统摆脱了计算中心结构数据传输的局限性,信息传递迅速,系统实时性强,网络系统把一个大型复杂的任务分别交给几台计算机处理,从而达到提高工作效率的目的。
4.节省投资
由于计算机网络能够实现资源共享,进行资源调剂,所以,使不拥有大型计算机的用户也可分享到拥有大型计算机的功能,避免系统中的重复建站和投资,从而达到节省投资的目的。
5.分散数据的综合处理
网络系统可有效地将分散在各地的各计算机中的数据信息收集起来,从而达到了对分散的数据进行综合分析处理、并把分析结果反馈给相关的各计算机的目的。
6.系统负载的均衡与调节
通过网络系统可以缓解用户资源缺乏的矛盾,并可对各资源的忙与闲进行合理调节,以达到对系统负载的均衡调节的目的。
1.4计算机网络系统的组成
1.4.1组成
计算机网络系统是由通信子网和资源子网组成的。
系统以通信子网为中心,通信子网处于网络的内层,是由网络中的各种通信设备及只用作信息交换的计算机构成。
通信子网的重要任务是负责全网的信息传递。
主机和终端都处于网络的外围,它们构成了资源子网,资源子网的任务是负责信息处理,向网络提供可用的资源。
用户通过资源子网不仅共享通信子网的资源,而且还可以共享用户资源子网的硬件和软件资源。
通信子网和资源子网的划分反映了网络系统的物理结构,同时它还有效地描述出网络系统实现资源共享的方法。
图1.9描述了一个典型的计算机网络系统。
图1.9中PSE为分组交换设备;PAD为分组组装/拆卸设备;C为集中器;NCC为网络控制中心;G为网间连接器;HOST为主计算机;T为终端。
此外,如M(调制解调器)、FEP(前端处理机)、CC(通信控制器)、CP(通信处理机)等也都是组成一个网络的主要设备。
1.4.2网络节点
网络节点就是网络单元,网络单元是网络系统中的各种数据处理设备、数据通信控制设备和数据终端设备的统称。
网络节点分转节点和访问节点两类,转节点是支持网络连接性能的节点,它通过通信线路来转接和传递信息,如集中器、终端控制器等。
访问节点是信息交换的源节点和目标节点,起信源和信宿的作用,如终端、主计算机等。
常见的网络单元如下。
(1)、线路控制器LC(LineController)。
LC是主计算机或终端设备与线路上调制解调器的接口设备。
(2)、通信控制器CC(CommunicationController)。
CC是用以对数据通信各个阶段进行控制的设备。
(3)、通信处理机CP(CommunicationProcessor)。
CP是作为数据交换的开关,负责通信处理工作的设备。
(4)、前端处理机FEP(FrontEndProcessor)。
FEP也是负责通信处理工作的设备。
(5)、集中器C(Concentrator)多路选择器MUX(Multiplexor)。
它们是通过通信线路分别和多个远程终端相连接的设备。
(6)、接口报文处理机IMP(InterfaceMessageProcessor)。
它又称为节点交换机,它是计算机网络中通信子网中节点上的计算机。
(7)、主计算机HOST(HostComputer)。
(8)、终端T(Terminal)。
(9)、网间连接器G(Gateway)。
1.4.3分组交换
分组交换(PackedSwitching)的概念最初是由巴兰(Baren)于1964年8月在美国兰德(Rand)公司的"论分布式通信"的研究报告中提出的。
分组交换又称包交换,它是现代计算机网络的技术基础。
"分组"(Packet)这一名词首先是由英国的国家物理实验室(NPL)的戴维斯(Davies)在1966年6月提出的,1969年12月美国的分组交换网Arpanet投入运行,分组交换网的出现标志着现代电信时代的开始。
分组交换是现代计算机网络技术的基础,分组交换网使网络的概念、结构发生了根本的变化。
1、分组交换的过程
分组交换,简单的说就是一个主机向另一个主机发送数据时,首先将主机发出的数据划分成一个个分组,每个分组都携带一些有关目的地址的信息,系统根据分组中的目的地址信息,利用系统中数据传输的路径算法,确定分组的下一个节点并将数据发往所确定的节点,分组被一步步地传下去,直至目的计算机接收。
分组交换示意图如图1.10所示。
图1.10中节点A,B,...,H及连接这些节点的链路AB,AC,...构成了一个分组交换网的通信子网。
主机H1,H2,...,H6构成了分组交换网的资源子网。
当主机H2向主机H6发送数据时,首先要将数据划分为一个个等长的分组,然后将这些分组一个接一个地发往与H2相连的B节点的缓冲区中,分组按路径算法确定的下一个目的节点被发送出去,当分组被传送至和主机H6相连的F节点后,最后被H6接收。
在图1.10所描述的实例中,主机H2向主机H6发送的数据必须经过通信子网中的节点B和节点F,数据经节点B进入通信子网,数据经节点F退出通信子网,而数据在通信子网中的传输路径是不确定的,其路径是由系统本身所具有的路径选择算法决定的。
2、分组交换的特点
分组交换具有以下三个显著的特点。
*节点暂时存储的是一个个分组,而不是整个数据文件。
*分组是暂时保存在节点的内存中,而不是被保存在节点的外存中,从而保证了较高的交换速率。
*分组交换采用的是动态分配信道的策略,极大地提高了通信线路的利用率。
如图1.10中,当主机H2向节点B发送分组时,此时除主机H2到节点B之间的通信线路被占用外,网内其他通信线路并不被当前通信双方所占用,主机H2与主机H6之间的通信线路也只是在传送分组时才被占用,在分组传送之间的空闲时间,其仍然可以为其他主机发送分组使用。
为了保证通信子网传输的可靠性,分组交换过程通过协议等采取了一些专门的措施,以保障分组交换具有高效、灵活、迅速、可靠的性能。
分组交换也存在一些缺点。
如:
分组在各节点存储转发时因排队而造成一定的延时;由于分组中必须携带一些控制信息而产生一定的额外开销;分组交换网的管理和控制比较复杂等。
3、分组交换的任务
分组交换的主要任务就是负责系统中分组的存储、转发和选择合适的分组传输路径。
1.5计算机网络类型
网络分类的方法很多。
从不同的角度观察网络系统、划分网络,有利于全面地了解网络系统的特性。
1.距离划分
按距离划分就是根据网络的作用范围划分网络。
*广域网
广域网的划分作用通常为几十里到几千公里。
*局域网
局域网的作用范围通常为几米到几公里。
*城域网
城域网的作用范围在WAN与LAN之间,其运行方式与LAN相似,但距离可以到5公里-50公里。
2.按通信媒体划分
*有线网
这是采用同轴电缆、双绞线、光纤等物理媒体来传输数据的网络。
*无线网
这是采用微波等形式来传输数据的网络。
3.按通信传播方式划分
*点对点传播方式网
点对点传播方式是以点对点的连接方式,把各个计算机连接起来的。
这种传播方式的网主要用于广域网中。
*广播式传播结构网
广播式传播结构是用一个共同的传播媒体把各个计算机连接起来的,主要有:
在LAN上,以同轴电缆连接起来的总线形网;星形网和树形网;在WAN上以微波、卫星方式传播的网络。
4.按通信速率划分
*低速网
这种网通常是借助调制解调器利用电话网来实现的。
*中速网
这种网主要是传统的数字式公用数据网。
*高速网
主要用于网际网的主干网中。
5.按数据交换方式划分
*直接交换网
直接交换网又称电路交换网。
直接交换网进行数据通信交换时,首先申请通信的物理通路,物理通路建立后通信双方开始通信传输数据。
在传输数据的整个时间内,通信双方始终独占所占用的信道。
*存储转发交换网
存储转发网进行数据通信交换时,先将数据在交换装置控制下存入缓冲器中暂存,并对存储的数据进行一些必要的处理,当指定的输出线空闲时,再将数据发送出去。
*混合交换网
这种网是在一个数据网中同时采用存储转发交换和电路交换两种方式进行数据交换的网。
6.按通信性能划分
*资源共享计算机网
该网络系统中,计算机的资源可以被其他系统共享。
*分布式计算机网
该网中的计算机进程可以相互协调工作和进行信息交换,以共同完成一个大的、复杂的任务。
*远程通信网
这类网络主要起数据传输的作用,它的主要目的是使用户能使用远程主机。
7.按使用范围划分
*公用网
公用网对所有的人提供服务,只要符合网络拥有者的要求就能使用这个网,也就是说它是为全社会所有的人提供服务的网络。
*专用网
专用网为一个或几个部门所拥有,它只为拥有者提供服务,这种网络不向拥有者以外的人提供服务。
8.按配置划分
*同类网
如果在网络系统中,每台计算机既是服务器,又是工作站,那这个网络系统就是同类网。
在同类网中,每台计算机都可以共享其他任何计算机的资源。
它要求每个用户必须掌握足够的计算机知识和对网络工作方式的深入了解,还要花费很多时间和精力用来搞清楚不同工作站用户之间的关系。
所以,这类网络系统的规模只能局限在小系统范围内。
*单服务器网
如果在网络系统中,只有一台计算机作为整个网的服务器,其他计算机全部是工作站,那么,这个网络系统就是单服务器网。
在单服务器网中,每个工作站都可以通过服务器享用全网的资源,每个工作站在网络系统中的地位是一样的,而服务器在网中也可以作为一台工作站使用。
单服务器网是一种最简单、最常用的网。
*混合网
如果在网络系统中的服务器不只一个,同时又不是每个工作站都可以当作服务器来使用,那么,这个网就是混合网。
混合网与单服务器网的差别在于网中不仅仅只有一个服务器;混合网与同类网的差别在于每个工作站不能既是服务器又是工作站。
由于混合网中服务器不只
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