第1章计算机网络概述new.docx

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第1章计算机网络概述

本章将首先对计算机网络的定义、功能和分类作一个简单的介绍，然后对Internet的发展状况作一个概括性的说明，最后在讨论网络标准化的基础上，介绍基于分层思想的计算机网络体系结构，包括OSI体系结构、局域网体系结构、Internet体系结构。

1.1引言

人类社会已经进入信息化时代，计算机网络作为信息社会的基础设施，已成为整个社会结构的一个基本组成部分。

目前，计算机网络已经在工业生产、邮电通信、文化教育、交通运输、航空航天、科学研究、政府机关、国防等领域得到了广泛的应用。

人们可以在精彩的网络世界里进行网页浏览、网上购物、信息查询、视频点播、远程教学、电子政务、网络游戏等各项日常活动，享受着网络资源所赋予的服务和便利。

图1-1给出了某校园网的拓扑结构实例图，它是CERNET（中国教育和科研计算机网）及Internet（因特网）的一个组成部分，在教学和科研等活动中发挥着重要的作用。

图1-1计算机网络实例

1.1.1计算机网络的定义

计算机网络是通信技术与计算机技术紧密结合的产物，在其发展的不同历史时期，人们对计算机网络给出了不同的定义。

不同的定义正反映了当时人们对计算机网络的理解程度，以及当时计算机网络技术的发展水平。

这些定义可以分为三类：

广义的观点、资源共享的观点与用户透明的观点。

目前通常采用的计算机网络的定义为：

计算机网络是指把地理位置不同且具有独立功能的若干台计算机，通过通信线路和设备相互连接起来，存在一个能为用户自动管理资源的网络操作系统，按照网络通信协议实现信息传输和资源共享的信息系统。

也就是说，计算机网络建立的主要目的是实现系统资源共享和数据传输，位于不同地理位置的计算机通过无线或有线的通信链路交互信息，不仅能使网络中的各个计算机（称为结点）之间相互通信，而且还能共享某些结点上的系统资源，这些都必须遵循共同的网络协议。

这里的系统资源，主要包括硬件资源（如网络打印机、大容量磁盘空间等）、软件资源（系统软件和应用软件）和数据资源（其它主机或用户的数据文件、数据库等）。

1.1.2计算机网络的组成

计算机网络从逻辑功能上可以分成两级子网结构：

资源子网和通信子网（如图1-2所示）。

图1-2计算机网络的组成

1．资源子网

资源子网（resoursesubnet）是指所有端结点（含其所拥有的设备）以及连接这些结点的链路的集合体，由其向网络用户提供各种网络资源与网络服务。

主要设备有主机、终端、终端控制器、各种软件资源和数据服务器等。

2．通信子网

通信子网（communicationsubnet）是指所有转接结点以及连接这些结点的链路的集合体，提供网络通信功能，负责完成网络数据的传输、控制、变换、转发等通信任务。

主要设备有结点处理机、通信线路、其它通信设备和通信软件等。

网络中的结点有两类：

端结点和转接结点。

端结点指自身拥有或者要求拥有网络资源的用户主机、用户终端等，有源结点和宿（目的）结点之分；转接结点指网络通信过程中起转发信息和控制作用的结点，拥有通信资源，例如交换机、路由器等。

链路有物理链路和逻辑链路两种形式，物理链路指传输媒体，逻辑链路指传输数据的可靠、确认、同步，与物理媒体无关。

有时人们把某一从源结点到宿结点所经过的所有结点和链路的集合体称为通路或路径。

1.1.3计算机网络的功能

自计算机网络出现以来，其应用范围越来越广泛，计算机网络的功能也随之有了极大地扩展，其主要功能体现在以下几个方面。

（1）信息传输：

这是计算机网络的最基本功能。

可以通过计算机网络进行电子数据交换、传递电子邮件、浏览网页、发布新闻消息等，实现用户之间信息的交互，满足当今信息化社会中人们对信息的快速性、多样性及广泛性的需求。

（2）资源共享：

共享网络资源是早期建立计算机网络的初衷，也是计算机网络最具有吸引力的功能。

通过资源共享，减少了硬件设备的重复设置，提高了设备的利用率，避免了软件的重复开发和重复购置，消除了用户使用计算机资源受地理位置的限制，大大提高了整个系统的数据处理能力、软硬件资源及数据资源的利用率。

（3）提高系统的可靠性：

计算机在单机运行时，不可避免地会产生故障；计算机连成网络之后，各计算机可以通过网络互为后备机，当某处计算机或设备发生故障后，便可通过网络将任务交由其它计算机或设备完成，提高了系统的可靠性。

（4）分布式处理：

在计算机网络中，对于较大型的综合性任务，可按一定的算法将任务分给不同的计算机分工协作完成，达到均衡地使用网络资源进行分布处理的目的。

利用网络技术，用户可以根据任务的具体要求与情况合理地选择网络资源，就近快速处理；另一方面，还能够把许多微型机或小型机连接成高性能的计算机网络系统，使用该系统可以解决大型复杂问题，降低费用。

（5）均衡负荷：

当网络中计算机负荷过重时，通过合理的网络管理，将作业传送给网络中另一较空闲的计算机去处理，从而减少了用户的等待时间、均衡了各计算机的负荷，增加了系统的可用性。

除此之外，计算机网络在实际应用中，还具有很多其它功能，如拓展容易、多媒体信息传输、综合服务等功能。

1.2计算机网络的分类

通过对网络组成的分析，我们看到构成网络的元素较多，且结合方式多种多样，性能也存在差异，这些决定了网络类型的多样性。

从不同的角度，计算机网络主要有以下一些分类方法：

1．按网络的覆盖及作用范围进行分类

（1）局域网（localareanetwork，LAN）：

是指将有限的范围内（一般为1公里左右，如一个房间内、一个建筑物内、一个园区内等）的各种计算机、终端同外部设备进行互连而构成的网络。

局域网可以通过路由器等网络互连设备接入广域网，具有速率高、组建方便、传输延迟小等特点，在校园和企业等单位内部都得到广泛的应用。

局域网的详细内容将在第4章介绍。

（2）城域网（metropolitanareanetwork，MAN）：

一般指城市地区网络，是一种作用范围介于广域网与局域网之间的高速网络，覆盖范围为几公里到几十公里。

城域网的设计目的是满足一座城市内的企业、校园、政府机关等的多个局域网互连的需求，以实现大量用户之间的语音、数据、图形、图象等多种业务的传输服务。

由于目前很多城域网采用局域网技术，与局域网具有相同的体系结构，故本书不对城域网技术进行专门的讨论。

（3）广域网（wideareanetwork，WAN）：

是指地理分布范围较大的网络。

因此，有些情况下广域网也称远程网。

广域网通常达数十公里至数千公里，可以跨越一个国家、地区、甚至洲际，如数字数据网、分组交换数据网、帧中继、ATM等。

广域网的主要内容我们将在第5章进行讨论。

（4）接入网（accessnetwork，AN）：

随着多媒体业务的日益膨胀，用户接入部分成为阻碍速率增长的瓶颈，接入网技术受到人们更多的关注。

ITU-TG13于1995年7月通过的关于接入网框架结构方面的建议G.902对接入网作了明确的定义：

接入网由业务结点接口（SNI）和用户网络接口（UNI）之间的一系列传送实体（如线路设施和传输设施）组成。

目前的接入网大多采用宽带接入，如采用ADSL的铜双绞线接入、光纤接入、光纤同轴电缆混合接入、无线接入等。

图1-3按覆盖范围划分的网络之间的关系

图1-3描述了上述按覆盖范围划分的各种网络之间的关系。

当然，随着网络技术的不断发展，这种以距离作为划分的界限也越来越模糊。

2．按网络的拓扑结构进行分类

网络拓扑结构是指网络中各结点和链路的几何构形。

网络的拓扑结构主要有星型、总线型、环型、树型、网状等几种。

（1）星型拓扑：

指每个从结点均以一条单独的信道直接与中心主结点连接，中心主结点与每个从结点之间采用点-点连接方式，所有从结点之间的通信，必须经过中心主结点转接（如图1-4（a）所示）。

中心结点可以是计算机，具有存储转发数据和处理数据功能，或者是交换机（switcher）或集线器（hub），起到从结点之间的转接作用。

星型网的主要特点是：

结构简单、组网容易、便于管理，中心结点是全网的瓶颈，出现故障时将导致全网瘫痪，而某条信道或从结点有故障时，不影响其它部分的正常工作。

图1-4星型拓扑和总线型拓扑

（2）总线型拓扑：

是指采用一条公共高速总线通过相应的硬件接口连接所有结点的一种拓扑结构形式（如图1-4（b）所示）。

其中结点可以是主机，也可以是其它共享设备（如打印机、文件服务器等）。

为了防止末端由于阻抗不匹配而造成信号反射，两端必须装有“终止器”以吸收信号。

总线网的主要特点是：

结构简单，可靠性好，网络构造方便。

由于只有一条公用信道，必须采用某种介质访问策略（如争用、令牌）来分配信道，解决数据传输问题。

公用总线的长度也受到一定的限制，一般小于2.5公里，结点至总线的距离也不宜过长。

这种结构主要用于局域网中，如以太网（Ethernet）。

（3）环型拓扑：

各主机或终端结点首先连接到一个转发器上，所有的转发器通过点-点式信道连成一个闭合环型（如图1-5（a）所示）。

环型网的主要特点是：

数据在环中沿一个方向逐站传送；初始安装容易，故障诊断定位较准确。

但扩展重新配置较困难，可靠性差，一旦任一结点出现故障，都可能形成全网瘫痪。

为了增加网络的容错性，可采用双环结构，如光纤分布式接口（FDDI）。

（4）树型拓扑：

在构建一个较大型的网络时，将多级星型网络按层次方式进行排列，即形成树型网络（如图1-5（b）所示）。

网络的最高层是中央处理机，最低层是终端，其它各层可以是多路复用器、集中器或计算机。

图1-5环型拓扑和树型拓扑

树型网的主要特点是：

信息交换主要在上下层结点之间进行，相邻、同层结点间通常不进行数据交换或数据交换量小；网络结构比星型复杂，适用于汇集信息或分级管理和控制系统。

（5）网状拓扑：

网状结构是指结点间的连接任意、构成网状（如图1-6所示），每个结点至少有两条链路与其它结点相连。

图1-6网状拓扑

网状拓扑的主要特点是：

结点间的连接是任意的，系统可靠性高，结构复杂，需要采用相应的路由选择算法及流量控制方法解决路由问题。

目前的广域网基本都采用这种网状拓扑结构。

3．按网络的运营对象进行分类

（1）公用网（publicnetwork）：

由国家电信部门组建的大型网络，网内的传输和交换设备可租借给任何缴纳费用的人和单位使用，如公用分组交换网，数字数据网等。

（2）专用网（privatenetwork）：

由某个部门为本部门特殊业务工作的需要而组建的网络，如铁路、民航、银行、公安、军队等均设有专用网。

这种网络不允许其它部门和单位使用，但一些专用网仍可租用电信部门的传输线路。

4．其它分类方法

计算机网络除上述三种常见的分类方法外，还有一些其它分类方法，如按网络的服务对象和使用范围进行分类，有工作组网络、部门网络、企业网络、校园网络；按传输速率进行划分，有高速网络和低速网络；按传输信息的介质分，有无线网络、有线网络、微波网络、光纤网络；按传播技术又可分为广播网络、点-点网络等。

1.3Internet概述

世界上最早的数字电子计算机（electronicnumericalintegratorandcalculator，ENIAC）是1946年由美国本西尔巴尼亚大学研制的，当时轰动了整个世界，同时它宣告了信息革命的开始。

至1954年，一种具有收发器（transceiver）功能的终端诞生，利用该终端，人们首次通过电话线把数据发送至远端的计算机，这标志着计算机开始与通信相结合。

此后，这种结合越来越紧密，最初的计算中心的服务模式也逐渐被计算机网络的服务模式所取代。

经过几十年的发展，人们最熟悉的也是最大的计算机网络就是Internet。

1.3.1Internet的发展

1968年美国国防部高级计划局（defenseadvancedresearchprojectagency，DARPA）和麻省坎布里奇（剑桥）的BBN公司签定合同，研制适合计算机通信的网络。

1969年建成了连接美国加州大学洛杉机分校（UCLA）、加州大学圣巴巴拉分校（UCSB）、斯坦福大学（SRI）和犹他大学（UTAH）四个结点的ARPANET并投入运行。

ARPANET是计算机网络技术发展的一个重要里程碑，使计算机网络的概念发生了根本的变化，它的研究成果对于网络技术的发展具有重要的促进作用：

提出了资源子网、通信子网两级子网的网络结构的概念；研究了报文分组交换的数据交换方法；采用了层次结构的网络体系结构模型与协议体系；为Internet的形成和发展奠定了基础。

ARPANET被公认为是世界上第一个采用分组交换技术组建的网络。

1976年，ARPANET发展到60多个结点，连接了100多台计算机主机，跨越整个美国大陆，并通过卫星链路连接至夏威夷，并延伸至欧洲，形成了覆盖世界范围的通信网络。

在ARPANET研究的同时，一些厂商也在研究计算机联网技术，推出了自己的网络产品，组成了自己的网络，如IBM公司，DEC公司等。

20世纪70年代末，微型计算机的问世使得局域网得到了迅速的发展。

1980年左右，DARPA开始致力于互连网技术的研究——“InternetingProject”，构成了最初期的因特网——Internet，推出了TCP/IP协议集，将TCP/IP嵌入UNIX操作系统，并把TCP/IP作为异种计算机互连的协议集。

1986年美国国家科学基金会NSF把建立在TCP/IP协议集上的主干网NSFNET（nationalsciencefoundationnetwork）向全社会开放。

20世纪90年代以来，特别是1991年WWW（WorldWideWeb）技术的实现，Internet被国际社会广泛接受。

从此，Internet的功能和信息服务获得了空前的发展，其注册的主机数和用户数进入了高速增长的时期，成为今天众所周知的全球性的互连网络。

1.3.2中国Internet的发展概况

随着全球信息高速公路的建设，我国政府也在大力推进中国信息基础设施（Chinainformationinfrastructure，CII）的建设。

大量人力、物力和财力的投入，使得Internet得到迅猛的发展，Internet已成为企业生产、制造、销售、服务、人们工作、学习、娱乐等日常生活中不可缺少的一部分。

回顾我国Internet的发展，可以分为3个阶段：

1．起步阶段1986~1994年

这个阶段主要以拨号入网为主，主要使用电子邮件服务，这个阶段是以中国科学院高能物理研究所为代表的。

1986年，国家“七五”项目OSI标准的制定和验证。

由清华、复旦、上海交大、东南大学等9所科研院所参加，遵循OSI标准，实现上海和北京的机器互连通信。

1987年9月20日，钱天白教授发出我国第一封电子邮件，揭开了中国人使用Internet的序幕。

1988年，中国科学院高能物理研究所采用X.25协议使该单位的DECNET成为西欧中心DECNET的延伸，实现了计算机国际远程连网以及与欧洲和北美地区的电子邮件通信。

1990年10月，中国注册登记顶级域名CN。

当时中国尚未正式接入因特网，因此在德国卡尔斯鲁厄大学运行CN域名服务器。

1991年，中国科学院高能物理研究所采用DECNET协议，以X.25方式连入美国斯坦福线性加速器中心（SLAC）的LIVEMORE实验室，并开通电子邮件应用。

1993年12月，中关村地区教育/科研示范网络（CNFC）建成，覆盖北大、清华和中科院，形成高速互联网和超级计算中心。

1994年4月，中国正式接入因特网，通过美国Sprint公司连入因特网的64K国际专线开通，实现了与因特网的全功能连接。

1994年5月21日，中国科学院计算机网络信息中心接管中国国家顶级域名（CN）。

2．发展阶段1994~1995年

1994年9月，中国电信启动中国公用计算机互联网（CHINANET），通过美国Sprint公司在北京和上海之间开通2条64K专线，于95年1月提供社会服务。

1994年10月，由国家计委投资，国家教委主持的中国教育和科研计算机网（CERNET）开始启动。

1995年4月，中国科学院启动京外单位连网工程（俗称“百所连网”工程），实现国内各学术机构的计算机互连并和Internet相连，取名“中国科技网（CSTNET）”。

3．商业化发展阶段1995年~现在

1995年5月，中国电信开始筹建中国公用计算机互联网（CHINANET）全国骨干网。

1996年1月，中国公用计算机互联网（CHINANET）全国骨干网建成并正式开通，全国范围的公用计算机互联网络开始提供服务。

1996年9月6日，中国金桥信息网（CHINAGBNET）连入美国的256KB专线正式开通。

中国金桥信息网宣布开始提供Internet服务，主要提供专线集团用户的接入和个人用户的单点上网服务。

1996年12月，中国公众多媒体通信网（169网）开始全面启动，广东视聆通、天府热线、上海热线作为首批站点正式开通。

1997年6月3日，组建中国互联网络信息中心（CNNIC）。

国务院信息化工作领导小组办公室宣布成立CNNIC工作委员会，在中国科学院计算机网络信息中心组建CNNIC，行使国家互联网络信息中心的职责，同时发布中国因特网的统计信息。

到2007年1月，经国务院批准，我国全国性的骨干互联网有10个。

其中经营性的互联网络有6个。

（1）中国公用计算机互联网（CHINANET）：

由中国电信负责建设与经营管理，俗称163。

CHINANET的主页地址是：

。

国际线路容量为135321MB。

在CHINANET的基础上又建成了“中国公众多媒体通信网”，即CHINFONET，俗称169。

（2）中国铁通互联网（CRNET）：

建设中，CRNET的主页地址为：

。

（3）中国联通公用计算机互联网（UNINET）：

由中国联合通信有限公司负责建设与经营管理。

UNINET的主页地址是：

。

国际线路的容量为3652MB。

（4）中国网络通信集团（宽带中国CHINA169网）：

由中国网络通信有限责任公司负责建设与经营管理。

CNCNET的主页地址是：

。

国际线路的容量为89665MB。

（5）中国移动互联网（CMNET）：

由中国移动通信集团公司负责建设与经营管理。

CMNET的主页地址是：

。

国际线路的容量为5750MB。

（6）中国卫星集团互联网（CSNET）：

建设中，CSNET的主页地址是：

。

非经营性的互联网络有4个：

（1）中国教育科研网（CERNET）：

中国教育科研网由国家投资建设，教育部负责管理。

CERNET的主页地址为：

。

国际线路的容量为4796MB。

（2）中国科技网（CSTNET）：

中国科技网由国家投资和世界银行贷款建设，由中国科学院网络运行中心负责运行管理。

CSTNET的主页地址为：

。

国际线路的容量为17510MB。

（3）中国国际经济贸易互联网（CIETNET）：

面向全国外经贸系统事业单位的专用互联网，由对外经济贸易合作部下属的中国国际电子商务中心负责建设和管理。

中国经贸网的网址是：

。

国际线路的容量为2MB。

（4）中国长城互联网（CGWNET）：

建设中，CGENET的主页地址为：

。

上述基于Internet技术的计算机网络的发展速度非常快，日新月异，表1-1是根据中国互联网络信息中心（网址为：

）公布的中国互联网络发展状况调查统计报告统计出的我国近十年来Internet的发展状况（不包括香港、澳门和台湾地区在内，WWW站点数不包括edu域名下的站点）。

表1-1我国Internet的发展状况

统计截止

时间

上网用户数

（万）

上网计算机数（万）

cn下注册的

域名数

WWW站点数

国际出口带宽容量（Mb/s）

1997.10.31

62

29.9

4066

1500

25.408

1998.12.31

210

74.7

18396

5300

143.256

1999.12.31

890

350

48695

15153

351

2000.12.31

2250

892

122099

265405

2799

2001.12.31

3370

1254

127319

277100

7597.5

2002.12.31

5910

2083

179544

371600

9380

2003.12.31

7950

3089

340040

595550

27216

2004.12.31

9400

4160

432077

668900

74429

2005.12.31

11100

4590

1096924

694200

136106

2006.12.31

13700

5940

1803393

843000

256696

1.3.3Internet的特点

Internet是由许许多多属于不同国家、部门和机构的网络互连起来的网络（网间网），任何运行Internet协议（TCP/IP协议），且愿意接入Internet的网络都可以成为因特网的一部分，其用户可以共享因特网的资源，用户自身的资源也可向因特网开放。

Internet的主要特点如下：

（1）Internet是一个最大的广域网，是跨越全球的计算机网络的互连，它覆盖到了世界各地，覆盖了各行各业。

（2）Internet应用TCP/IP协议簇。

（3）Internet不属于任何个人、企业和部门，也没有任何固定的设备和传输媒体。

当计算机接入Internet时，则该计算机便是Internet的一部分，一旦断开Internet的连接，则该计算机就不属于因特网了。

（4）Internet是一个开放的系统，Internet的成员可以自由地“接入”和“退出”Internet，没有特殊的限制。

（5）Internet应用趋于多元化，且是一个包罗万象的网络，蕴含的内容异常丰富，用户关注的信息包括浏览新闻、收发邮件、搜索引擎、获取信息（产品服务查询、工作信息查询、医疗健康服务查询、政府信息查询等）、论坛/BBS/讨论组、在线影视收看及下载（在线电视）、即时通讯、在线音乐收听及下载（在线广播）、文件上传下载、网络游戏、网上校友录、博客（Blog，网络日志）、网络购物、网上招聘、网络聊天室、个人主页空间、电子杂志、网络教育、网络销售（含网上推广、网上拍卖）、网络电话（包括网上IP电话、PCtoPhone）、网络金融（包括银行、网上炒股）、短信息/彩信服务、网上预订（酒店、票务、挂号等）、电子政务（网上投诉、网上审批、网上监督等）、征婚、交友、社区俱乐部等，具有无穷的资源。

1.4标准化组织

计算机网络采用分层的处理方法获得了计算机网络界的一致认可，自20世纪70年代以来，各计算机生产和供应商都相继推出了自己的计算机联网标准和产品，但是这些产品只能供本公司连网使用，不同厂商的产品互不兼容。

为了使不同厂商生产的产品能够互通（既有利于用户选择网络产品，又有利于生产商扩大市场份额），必须制定相同的网络标准。

下面简单介绍几个在通信与网络领域有重要影响的标准化组织及其主要工作。

1．国际标准化组织ISO

国际标准化组织（international