1.1 計算機網絡概述

本節從計算機網絡技術的發展過程開始，介紹計算機網絡技術的形成和發展，重點講述計算機網絡的定義、功能、組成和分類。

1.1.1 認識計算機網絡

1．計算機網絡的發展

計算機網絡從形成、發展到廣泛應用已經歷了60余年，大體可以分為下述四代。

1）第一代計算機網絡

20世紀50年代中后期，許多系統都將地理上分散的多個終端通過通信線路連接到一臺中心計算機上，從而出現了第一代計算機網絡。它是以單個計算機為中心的遠程聯機系統。第一代網絡的典型應用是美國航空公司與IBM在20世紀50年代初開始聯合研究，20世紀60年代投入使用的飛機訂票系統SABRE-I，它由一臺計算機和全美范圍內2000個終端組成（這里的終端是指由一臺計算機外部設備組成的簡單計算機，有點類似現在所提的“瘦客戶機”，僅包括CRT控制器、鍵盤，沒有CPU、內存和硬盤）。

隨著遠程終端的增多，為了提高通信線路的利用率并減輕主機負擔，已經使用了多點通信線路、終端集中器、前端處理機（Front-End Processor, FEP），這些技術對以后計算機網絡發展有著深刻影響，以多點線路連接的終端和主機間的通信建立過程，可以用主機對各終端輪詢或者由各終端連接成雛菊鏈的形式實現?？紤]到遠程通信的特殊情況，對傳輸的信息還要按照一定的通信規程進行特別的處理。圖1.1所示為單計算機為中心的聯機終端系統。

當時的計算機網絡定義為“以傳輸信息為目的而連接起來，以實現遠程信息處理或進一步達到資源共享的計算機系統”，這樣的計算機系統具備了通信的雛形。

2）第二代計算機網絡

20世紀60年代后期，出現了大型主機，因而也提出了對大型主機資源遠程共享的要求，以程控交換為特征的電信技術的發展為這種遠程通信需求提供了實現手段。第二代網絡以多個主機通過通信線路互聯，為用戶提供服務。但這種網絡中主機之間不是直接用線路相連，而是由接口報文處理機（IMP）或通信控制處理機（CCP）轉接后互聯。IMP或CCP和它們之間互聯的通信線路一起負責主機間的通信任務，構成通信子網。通信子網互聯的主機負責運行程序，提供資源共享，組成了資源子網。圖1.2所示為多處理機網絡。

現代意義上的第二代計算機網絡是從1969年美國國防部高級研究計劃署（Defense Advanced Research Project Agency, DARPA）建成的ARPANet實驗網開始的，該網絡當時只有4個節點，以電話成路為主干網絡，兩年后建成15個節點，進入工作階段，此后規模不斷擴大，20世紀70年代后期，網絡節點超過60個，主機100多臺，地理范圍跨越美洲大陸，連通了美國東部和西部的許多大學和研究機構，而且通過通信衛星與夏威夷和歐洲地區的計算機網絡相互連通。其特點主要是資源共享、分散控制、分組交換、采用專門的通信控制處理機、分層的網絡協議，這些特點被認為是現代計算機網絡的一般特征。

第二代計算機網絡以通信子網為中心，這時的網絡定義為“以能夠相互共享資源為目的，互聯起來的具有獨立功能的計算機的集合體”。

3）第三代計算機網絡

隨著計算機網絡技術的成熟，網絡應用越來越廣泛，網絡規模也不斷擴大，通信變得越來越復雜。于是，各大計算機公司紛紛制定了自己的網絡技術標準。IBM公司于1974年推出了系統網絡體系結構（System Network Architecture, SNA），為用戶提供了能夠互聯的成套通信產品。1975年DEC公司發布了自己的數字網絡體系結構（Digital Network Architecture, DNA）。1976年UNIVAC宣布了該公司的分布式通信體系結構（Distributed Communication Architecture, DCA）。這些網絡技術標準只是在一個公司范圍內有效，遵從某種標準的、能夠互聯的網絡通信產品，只是同一公司生產的同構型設備。網絡通信市場這種各自為政的狀況使得用戶在投資方向上無所適從，也不利于各廠商之間的公平競爭。1977年，國際標準化組織（International Organization for Standardization, ISO）的TC97（計算機與信息處理標準化技術委員會）下屬的SC16分技術委員會開始著手制定開放系統互聯參考模型（Open System Interconnection/Reference Model, OSI/RM，也稱開放系統互聯參考模型）。

OSI參考模型的建立標志著第三代計算機網絡的誕生。此時的計算機網絡在共同遵循OSI標準的基礎上，形成了一個具有統一網絡體系結構，并遵循國際標準的開放式和標準化的網絡。OSI/RM參考模型把網絡劃分為7個層次，并規定計算機之間只能在對應層進行通信，大大簡化了網絡通信原理，是公認的新一代計算機網絡體系結構的基礎，為普及局域網奠定了基礎。

4）第四代計算機網絡

20世紀80年代末，局域網技術發展成熟，出現了光纖及高速網絡技術，整個網絡就像一個對用戶透明的、龐大的計算機系統，發展以Internet為代表的全球互聯網，這就是直到現在的第四代計算機網絡時期。

此時計算機網絡定義為“將多個具有獨立工作能力的計算機系統通過通信設備和線路由功能完善的網絡軟件實現資源共享和數據通信的系統”。事實上，對于計算機網絡從未有過一個標準的定義。

計算機網絡是互聯網、移動通信網絡、固定電話通信網絡的融合，是IP網絡和光網絡的融合，是可以提供包括語音、數據和多媒體等各種業務的綜合開放的網絡構架，是業務驅動、業務與呼叫控制分離、呼叫與承載分離的網絡，是基于統一協議的、基于分組的網絡。

2．計算機網絡體系標準的形成

經過20世紀60年代和70年代前期的發展，人們對網絡技術、方法和理論的研究日趨成熟。為了促進網絡產品的開發，各大計算機公司紛紛制定自己的網絡技術標準，最終促成國際標準的制定，遵循網絡體系結構標準建成的網絡稱為第三代網絡。

標準化建設經歷了以下兩個階段。

1）各計算機制造廠商網絡結構標準化

例如，IBM公司的SNA，DEC公司的DNA，UNIVAC公司的DCA，Burroughs公司的BNA。這類標準只在一個公司范圍內有效，也就是說，遵從某種標準的、能夠互聯的網絡通信產品，也只限于同一公司生產的同構型設備。

2）國際網絡體系結構標準化

國際標準化組織為適應網絡向標準化發展的需要，成立了TC97（計算機與信息處理標準化技術委員會）下屬的SC16（開放系統互聯分技術委員會），在研究、吸收各計算機制造廠家的網絡體系結構標準化經驗的基礎上，開始著手制定開放系統互聯的一系列標準，旨在方便異種計算機互聯。該委員會制定了“開放系統互聯參考模型（OSI/RM）”，簡稱OSI模型。

OSI規定了可以互聯的計算機系統之間的通信協議，遵從OSI協議的網絡通信產品都是開放系統，而符合OSI標準的網絡也被稱為第三代計算機網絡。

目前，幾乎所有網絡產品廠商都在生產符合國際標準的產品，而這種統一的、標準化的產品互相競爭市場，也給網絡技術的發展帶來了更大的繁榮。

3．Internet的產生

20世紀60年代開始，美國國防部高級研究計劃署建立阿帕網（ARPANet），向美國國內大學和一些公司提供經費，以促進計算機網絡和分組交換技術的研究。

1969年12月，ARPANet投入運行，建成了一個實驗性的由4個節點連接的網絡。到1983年，ARPANet已連接了300多臺計算機，供美國各研究機構和政府部門使用。

1983年，ARPANet分為ARPANet和軍用MilNet（Military Network），兩個網絡之間可以進行通信和資源共享。由于這兩個網絡都是由許多網絡互聯而成的，因此它們都被稱為Internet，所以ARPANet也就是Internet的前身。

1986年，美國國家科學基金會（National Science Foundation, NSF）建立了自己的計算機通信網絡。NSFNet將美國各地的科研人員連接到分布在美國不同地區的超級計算機中心，并將按地區劃分的計算機廣域網與超級計算機中心相連（實際上它是一個三級計算機網絡，分為主干網、地區網和校園網，覆蓋了全美國主要的大學和研究所）。最初，NSFNet的主干網的速率不高，僅為56kb/s。在1989－1990年，NSFNet主干網的速率提高到1.544Mb/s，并且成為Internet中的主要部分。NSFNet逐漸取代了ARPANet在Internet的地位，到了1990年，鑒于ARPANet的實驗任務已經完成，ARPANet正式宣布關閉。

隨著NSFNet的建設和開放，網絡節點數和用戶數迅速增長。以美國為中心的Internet網絡互聯也迅速向全球發展，世界上的許多國家紛紛接入Internet，使網絡上的通信量急劇飆升。

1992年，Internet上的主機超過100萬臺。1993年，Internet主干網的速率提高到45Mb/s。到1996年速率為155Mb/s的主干網建成。1999年，MCI和WorldCom公司將美國的Internet主干網速率提高到2.5Gb/s。到1999年年底，Internet上注冊的主機已超過1000萬臺。

Internet的迅猛發展始于20世紀90年代。由歐洲原子核研究組織CERN開發的萬維網WWW被廣泛使用在Internet上，大大方便了廣大非網絡專業人員對網絡的使用，成為Internet發展的指數級增長的主要驅動力。

在Internet飛速發展與廣泛應用的同時，高速網絡的發展也引起了人們越來越多的注意。高速網絡技術發展主要表現在高速局域網、交換局域網與虛擬網絡、寬帶綜合業務數據網（B-ISDN）和異步傳輸模式（ATM）等。

20世紀90年代，世界經濟已經進入了一個全新的發展階段。世界經濟的發展推動著信息產業的發展，信息技術與網絡的應用已成為衡量21世紀綜合國力與企業競爭力的重要標準。人們開始認識到信息技術的應用與信息產業的發展將會對各國經濟發展產生重要的作用，很多國家紛紛開始制訂各自的信息高速公路建設計劃。

建設信息高速公路就是為了滿足人們在未來隨時隨地對信息交換的需要，在此基礎上人們相應地提出了個人通信與個人通信網的概念，它將最終實現全球有線網與無線網的互聯、郵電通信網與電視通信網的互聯、固定通信與移動通信的結合。在現有電話交換網（PSTN）、公共數據網（PDN）、廣播電視網、寬帶綜合業務數據網（B-ISDN）的基礎上，利用無線通信、蜂窩移動電話、衛星移動通信、有線電視網等通信手段，最終實現“任何人在任何地方、在任何時間里使用任一種通信方式，實現任何業務的通信”。

1.1.2 計算機網絡的定義及組成

1．計算機網絡的定義和功能

1）計算機網絡的定義

關于計算機網絡的確很難有個標準的定義，不同的文獻上對計算機網絡的定義都不同。作者通過總結歸納認為，可以從計算機網絡所包含的各種技術分支來給計算機網絡下一個相對完整的定義：“計算機網絡是一個把分散在不同地方的功能獨立的計算機，通過傳輸介質和網絡設備，按照一定的體系結構，遵循一定協議規則連接起來，通過網絡操作系統進行管理和控制，以實現相互通信和資源共享目的的系統?！?/p>

計算機網絡簡單說來就是一個系統，這個系統里包含了計算機、傳輸介質、網絡設備、體系結構、協議規則和操作系統等，這個系統的根本目的是相互通信和資源共享。

2）計算機網絡的功能

（1）數據交換和通信。

計算機網絡中的計算機之間或計算機與終端之間，可以快速、可靠地相互傳遞數據、程序或文件。

（2）資源共享。

充分利用計算機網絡中提供的資源（包括硬件、軟件和數據）是計算機網絡組網的主要目標之一。

（3）提高系統的可靠性。

在一些用于計算機實時控制和要求高可靠性的場合，通過計算機網絡實現備份技術可以提高計算機系統的可靠性。

（4）分布式網絡處理和負載均衡。

對于大型的任務或當網絡中某臺計算機的任務負荷太重時，可將任務分散到網絡中的各臺計算機上進行，或由網絡中比較空閑的計算機分擔負荷。

2．計算機網絡的系統組成

計算機網絡的基本組成可分為兩大子系統，即資源子網、通信子網，如圖1.3所示。

1）資源子網

資源子網負責全網的數據處理業務，向網絡用戶提供各種網絡資源與網絡服務。由主機、終端／終端控制器、聯網外設、各種軟件資源與信息資源組成。

（1）主機。

主機分為大型機、中型機、小型機、工作站或微機。主機是資源子網的主要組成單元，它通過高速通信線路與通信子網的通信控制處理機相連接。普通用戶終端通過主機連入網內。主機要為本地用戶訪問網絡其他主機設備與資源提供服務，同時要為網中遠程用戶共享本地資源提供服務。

（2）終端／終端控制器。

終端控制器連接一組終端，負責這些終端和主計算機的信息通信，或直接作為網絡節點。終端是直接面向用戶的交互設備，可以是由鍵盤和顯示器組成的簡單終端，也可以是微型計算機系統。

（3）聯網外設。

聯網外設是網絡中的一些共享設備，如大型的硬盤機、高速打印機和大型繪圖儀等。

（4）計算機網絡的軟件。

①網絡協議軟件：實現網絡協議功能，如TCP/IP、IPX/SPX等。

②網絡通信軟件：用于實現網絡中各種設備之間進行通信的軟件。

③網絡操作系統：實現系統資源共享，管理用戶的應用程序對不同資源的訪問。典型的操作系統有Windows、Netware、UNIX等。

④網絡管理軟件和網絡應用軟件：網絡管理軟件是用來對網絡資源進行管理，對網絡進行維護的軟件。網絡應用軟件是為網絡用戶提供服務的，是網絡用戶在網絡上解決實際問題所用的軟件。

2）通信子網

通信子網完成網絡數據傳輸、轉發等通信處理任務，由通信控制處理機、通信線路與其他通信設備組成。

（1）通信控制處理機：又被稱為網絡節點。一方面作為與資源子網的主機、終端連接的接口，將主機和終端聯入網內；另一方面它又作為通信子網中的分組存儲轉發節點，完成分組的接收、校驗、存儲、轉發等功能，實現將源主機報文準確發送到目的主機的作用。

（2）通信線路：計算機網絡采用了多種通信線路，如電話線、雙絞線、同軸電纜、光纖、無線通信信道、微波與衛星通信信道等。一般在大型網絡中和相距較遠的兩節點之間的通信鏈路，都利用現有的公共數據通信線路。

（3）信號變換設備：對信號進行變換以適應不同傳輸媒體的要求。比如，將計算機輸出的數字信號變換為電話線上傳送的模擬信號的調制解調器、無線通信接收和發送器、用于光纖通信的編碼解碼器等。

1.1.3 計算機網絡的分類

計算機網絡按不同分類方式可以有不同的類型。常用的計算機網絡分類方式如下。

（1）按網絡的作用范圍的不同，可分為局域網、城域網和廣域網。

（2）按網絡的傳輸技術的不同，可分為廣播式網絡和點到點網絡。

（3）按網絡的使用范圍的不同，可分為公用網和專用網。

（4）按通信介質的不同，可分為有線網和無線網。

（5）按企業管理分類的不同，可分為內聯網、外聯網和因特網。

下面簡單介紹常見網絡類型的特點和應用。

1．局域網

局域網（Local Area Network, LAN）通常安裝在一個建筑物或校園（園區）中，如一個實驗室、一棟大樓、一個校園或一個單位，覆蓋范圍一般為10km以內，如圖1.4所示。

LAN是計算機通過高速線路相連組成的網絡，網絡傳輸速率較高，范圍為10Mb/s～10Gb/s。

通過LAN，各種計算機可以共享資源，如共享打印機和數據庫。

2．城域網

城域網（Metropolitan Area Network, MAN）規模局限在一座城市的范圍內，覆蓋范圍為幾十公里至數百公里，如圖1.5所示。MAN是對局域網的延伸，用來連接局域網，在傳輸介質和布線結構方面牽涉范圍較廣。

3．廣域網

廣域網（Wide Area Network, WAN）覆蓋范圍為數百公里至數千公里，甚至上萬公里。WAN的覆蓋范圍可以是一個地區或一個國家，甚至世界幾大洲，故廣域網也稱為遠程網，如圖1.6所示。

WAN在采用的技術、應用范圍和協議標準方面有所不同。在WAN中，通常是利用郵電部門提供的各種公用交換網，將分布在不同地區的計算機系統互聯起來，達到資源共享的目的。

廣域網使用的主要技術為存儲轉發技術。

4．廣播式網絡

廣播式網絡（Broadcast Network, BN）僅有一條通信信道，網絡上的所有計算機都共享這個通信信道，如圖1.7所示。當一臺計算機在信道上發送分組或數據包時，網絡中的每臺計算機都會接收到這個分組，并且將自己的地址與分組中的目的地址進行比較，如果相同，則處理該分組；否則將它丟棄。

在廣播式網絡中，若某個分組（Packet，包）發出以后，網絡上的每一臺機器都接收并處理它，則稱這種方式為廣播（Broadcasting），若分組是發送給網絡中的某些計算機，則被稱為多點播送或組播（Multicasting），若分組只發送給網絡中的某一臺計算機，則稱為單播（Unicasting）。

5．點到點網絡

在點到點網絡（Point to Point Network）中，兩臺計算機之間通過一條物理線路連接。若兩臺計算機之間沒有直接連接的線路，分組可能要通過一個或多個中間節點的接收、存儲、轉發，才能將分組從信源發送到目的地，如圖1.8所示。由于連接多臺計算機之間的線路結構可能非常復雜，存在著多條路由，因此在點到點的網絡中如何選擇最佳路徑顯得特別重要。

6．公用網和專用網

公用網是指由電信部門組建，一般由政府電信部門管理和控制的網絡，網絡內的傳輸和交換裝置可提供（如租用）給任何部門和單位使用，如公共電話交換網（PSTN）、數字數據網（DDN）、綜合業務數字網（ISDN）等。

專用網是指由某個單位或部門組建，不允許其他部門或單位使用的網絡，如金融、石油、鐵路等行業都有自己的專用網。專用網可以租用電信部門的傳輸線路，也可以自己鋪設線路，但后者的成本非常高。

7．有線網

有線網是指采用雙絞線、同軸電纜、光纖等有形介質連接的計算機網絡。

（1）雙絞線。它是目前最常見的聯網方式，它比較經濟，安裝方便，傳輸率和抗干擾能力一般，廣泛應用于局域網中。還可以通過電話線上網，通過現有電力網導線建網。

（2）同軸電纜。可以通過專用的粗電纜或細電纜組網。此外，還可通過有線電視電纜，使用電纜調制解調器（Cable Modem）上網。

（3）光纖。光纖網采用光導纖維作傳輸介質。光纖傳輸距離長，傳輸率高，可達每秒數千兆比特，抗干擾性強，不會受到電子監聽設備的監聽，是高安全性網絡的理想選擇。

8．無線網

無線網使用電磁波傳播數據，它可以傳送無線電波和衛星信號。無線網的聯網方式有以下4種。

（1）無線電話：通過手機上網已成為熱點。目前已成為最常用的聯網方式。

（2）無線電視網：普及率高，但無法在一個頻道上與用戶進行實時交互。

（3）微波通信網：通信保密性和安全性較好。

（4）衛星通信網：能進行遠距離通信，但價格昂貴。

9．內聯網

內聯網也叫Intranet，是指企業的內部網。它是由企業內部原有的各種網絡環境和軟件平臺組成的。例如，傳統的客戶機／服務器模式，逐步改造、過渡、統一到Internet上的瀏覽器／服務器模式。在內部網絡上采用通用的TCP/IP作為通信協議，利用Internet的WWW技術，以Web模型作為標準平臺。一般具備自己的Intranet Web服務器和安全防護系統，為企業內部服務。

10．外聯網

外聯網（Extranet）是相對企業內部網而言的，Extranet是不同單位間為了頻繁交換業務信息而基于互聯網或其他公共設施構建的單位間專用網絡通道。它是采用Internet技術，又有自己的WWW服務器，但不一定與Internet直接進行連接的網絡。同時必須建立防火墻把內聯網與Internet隔離開，以確保企業內部信息的安全。

11．互聯網

互聯網（Internet）是目前最流行的一種國際互聯網。Internet起源于美國，自1995年開始啟用，發展非常迅速，特別是隨著Web瀏覽器的普遍應用，Internet已在全世界范圍得到應用。利用在全球性的各種通信系統基礎上，像一個無法比擬的巨大數據庫，并結合多媒體的“聲、圖、文”表現能力，不僅能處理一般數據和文本，而且也能處理語音、靜止圖像、電視圖像、動畫和三維圖形等。