1.3 計算機網絡的概述

計算機網絡，是指將地理位置不同的具有獨立功能的多臺計算機及其外部設備，通過通信線路連接起來，在網絡操作系統、網絡管理軟件及網絡通信協議的管理和協調下，實現資源共享和信息傳遞的計算機系統。

1.3.1 計算機網絡的定義與發展

1.計算機網絡的定義

所謂計算機網絡是指互連起來的能獨立自主的計算機集合。這里“互連”意味著互相連接的兩臺或兩臺以上的計算機能夠互相交換信息，達到資源共享的目的。而“獨立自主”是指每臺計算機的工作是獨立的，任何一臺計算機都不能干預其他計算機的工作。例如啟動、停止等，任意兩臺計算機之間沒有主從關系。從這個簡單的定義可以看出，計算機網絡涉及3個方面的問題。

① 兩臺或兩臺以上的計算機相互連接起來才能構成網絡，達到資源共享的目的。

② 兩臺或兩臺以上的計算機連接，互相通信交換信息，需要有一條通道。這條通道的連接是物理的，由硬件實現，這就是連接介質（有時稱為信息傳輸介質）。它們可以是雙絞線、同軸電纜或光纖等“有線”介質；也可以是激光或無線電波等“無線”介質。

③ 計算機之間要通信交換信息，彼此就需要有某些約定和規則，這就是協議。

因此，我們可以把計算機網絡定義為：把分布在不同地點且具有獨立功能的多個計算機，通過通信設備和線路連接起來，在功能完善的網絡軟件運行下，按照一定的協議來實現網絡中資源共享為目標的系統。

從計算機網絡的定義可以看出，計算機網絡必須具有數據處理與數據通信兩種能力。因此，可以從邏輯上將它劃分成兩個部分——資源子網與通信子網，其基本結構如圖1-18所示。

（1）資源子網

資源子網由主計算機系統、終端、終端控制器、聯網外設、各種軟件資源與信息資源組成。對于廣域網而言，資源子網由網絡中的所有主機及其外部設備組成。資源子網的功能是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。

（2）通信子網

通信子網是指網絡中實現網絡通信功能的設備及其軟件的集合，是網絡的內層，負責信息的傳輸。通信設備、網絡通信協議、通信控制軟件等屬于通信子網，它們主要為用戶提供數據的傳輸、轉接、加工、變換等功能。通信子網一般由網卡、線纜、集線器、中繼器、網橋、路由器、交換機等設備和相關軟件組成。

通信線路為通信控制處理機之間、處理機與主機之間提供通信信道。計算機網絡采用多種通信線路，例如電話線、雙絞線、同軸電纜、光纜、無線通信信道、微波與衛星通信信道等。

2.計算機網絡的發展

Internet的基礎結構大體經歷了3個階段的演進，這3個階段在時間上有部分重疊。

第一階段：從單個網絡 ARPAnet 向互聯網發展：1969年美國國防部創建了第一個分組交換網ARPAnet，它只是一個單個的分組交換網，所有想連接在它上的主機都直接與就近的結點交換機相連。它的規模增長很快，但到了20世紀70年代中期，人們認識到僅使用一個單獨的網絡無法滿足所有的通信問題。于是ARPA開始研究很多網絡互連的技術，這就促成了后來互聯網的出現。1983年TCP/IP協議成為ARPAnet的標準協議。同年，ARPAnet分解成兩個網絡，一個是進行試驗研究用的科研網ARPAnet，另一個是軍用的計算機網絡MILnet。1990年，ARPAnet因試驗任務完成正式宣布關閉。

第二階段：建立三級結構的因特網。1985年起，美國國家科學基金會（NSF）就認識到計算機網絡對科學研究的重要性，1986年，NSF 圍繞6個大型計算機中心建設計算機網絡NSFnet，它是個三級網絡，分為主干網、地區網、校園網。它代替了ARPAnet成為Internet的主要部分。1991年，NSF和美國政府認識到因特網不會限于大學和研究機構，于是支持地方網絡接入，使網絡的信息量急劇增加，美國政府就決定將因特網的主干網轉交給私人公司經營，并開始對接入因特網的單位收費。

第三階段：多級結構因特網的形成。1993年開始，美國政府資助的NSFnet就逐漸被若干個商用的因特網主干網替代，這種主干網也叫因特網服務提供商（ISP），考慮到因特網商用化后可能出現很多的ISP，為了使不同ISP經營的網絡能夠互通，在1994創建了4個網絡接入點（NAP），分別由4個電信公司經營。21世紀初，美國的 NAP 達到了十幾個。NAP是最高級的接入點，它主要是向不同的ISP提供交換設備，使它們相互通信。見今已經很難對因特網網絡結構給出很精細的描述，但大致可分為5個接入級：網絡接入點（NAP），多個公司經營的國家主干網，地區ISP，本地ISP，校園網、企業或家庭PC上網用戶。多級結構的因特網如圖1-19所示。

1.3.2 計算機網絡的功能

計算機網絡的功能主要體現在數據通信、資源共享、分布式處理和集中管理等幾個方面，下面將分別介紹。

（1）數據通信

數據通信功能是計算機網絡最基本的功能，主要完成網絡中各個結點之間的通信。任何人都需要與他人交換信息，計算機網絡提供了最方便快捷的途徑。人們可以在網上傳送電子郵件，發布新聞消息，進行電子商務、遠程教育、遠程醫療等。

（2）資源共享

資源共享包括硬件、軟件和數據資源的共享。在網絡范圍內的各種輸入/輸出設備、大容量的存儲設備、高性能的計算機等都是可以共享的網絡資源。對一些價格昂貴又不經常使用的設備，通過網絡共享可以提高設備的利用率并節省重復投資。

（3）分布式處理

分布式處理是指網絡系統中若干臺計算機互相協作共同完成一個任務。或者說，將一個程序分布在幾臺計算機上并行處理，這樣就可將一項復雜的任務劃分成多個部分，由網絡內各計算機分別完成有關的部分，使整個系統的性能大為增強。

（4）集中管理

計算機網絡技術的發展和應用，使現代的辦公手段、經營管理等發生了變化。目前，已經有許多MIS系統、OA系統等。通過這些系統可以實現日常工作的集中管理，提高工作效率，增加經濟效益。

（5）負載平衡

負載平衡是指將任務均勻地分配給網絡上的各臺計算機。網絡控制中心負責分配和檢測，當某臺計算機負載過重時，系統會自動轉移部分工作到負載較輕的計算機中去處理。

（6）提高安全與可靠性

建立計算機網絡后，還可以減少計算機系統出現故障的概率，提高系統的可靠性。對于系統中重要的資源，可以將它們分布在不同地方的計算機上，這樣即使某臺計算機出現故障，用戶在網絡上可通過其他路徑來訪問這些資源，而不影響用戶對同類資源的訪問。

1.3.3 計算機網絡的分類

由于計算機網絡的廣泛應用，目前世界上出現了各種形式的計算機網絡。可以從不同的角度對計算機網絡進行分類，例如從網絡的交換功能、網絡的拓撲結構、網絡的通信性能、網絡的作用范圍、網絡的使用范圍等進行分類。下面介紹兩個有代表性的分類。

1.按網絡的覆蓋范圍分類

從覆蓋的地理范圍上，可將計算機網絡分為局域網（Local Area Network,LAN）、城域網（Metropolitan Area Network,MAN）及廣域網（Wide Area Network,WAN）。局域網一般來說只能是一個較小區域的網絡互連，城域網是不同地區的網絡互連，廣域網是不同城市之間的網絡互連。

（1）局域網

局域網（Local Area Network,LAN）又稱為局部區域網，覆蓋范圍為幾百米到幾千米，一般連接一幢或幾幢大樓。信道傳輸速率可達1bit/s～20Mbit/s，結構簡單，布線容易。它是一種在小范圍內實現的計算機網絡，一般在一個建筑物、一個工廠、一個事業單位內部，為單位獨有。

局域網可以實現文件管理、應用軟件共享、打印機共享、掃描儀共享、工作組內的日程安排、電子郵件和傳真通信服務等功能。局域網是封閉型的，可以由辦公室內的兩臺計算機組成，也可以由一個公司內的上千臺計算機組成。

局域網技術是當前計算機網絡研究和應用的一個熱點，也是目前技術發展最快的領域之一。在局域網內信息的傳輸速率較高，誤碼率低，結構簡單，容易實現。局域網中最有代表性的是以太網（Ethernet）。

（2）城域網

城域網（Metropolitan Area Network,MAN）是由不同的局域網通過網間連接構成一個覆蓋在整個城市范圍之內的網絡。

在一個學校范圍內的計算機網絡通常稱為校園網。實質上它是由若干個局域網連接構成的一個規模較大的局域網，也可視校園網為一個介于普通局域網和城域網之間的、規模較大的、結構較復雜的局域網。

（3）廣域網

廣域網（Wide Area Network,WAN）作用范圍通常為幾十到幾千千米，可以分布在一個省內、一個國家或幾個國家，其結構比較復雜，通信傳輸裝置和媒體一般由電信部門提供。

2.按網絡拓撲結構分類

計算機網絡拓撲是通過網絡結點與通信線路之間的幾何關系表示的網絡結構。計算機網絡拓撲結構通常有星形結構、總線形結構、環形結構、樹形結構、網狀結構和混合結構。常用的網絡拓撲結構如圖1-20所示，在組建局域網時常采用星形、環形、總線形和樹形結構。樹形和網狀結構在廣域網中比較常見。但是在一個實際的網絡中，可能是上述幾種網絡結構的混合。

（1）星形結構

星形結構是中央結點與各結點連接而組成的。它以中央結點為中心，各結點與中央結點通過點到點方式連接，中央結點執行集中式通信控制策略，各結點間不能直接通信，需要通過該中心處理機轉發，因此中央結點相當復雜，負擔重，必須有較強的功能和較高的可靠性。

星型結構的優點是結構簡單、建網容易、控制相對簡單；其缺點是由于集中控制，主機負載過重，可靠性低，通信線路利用率低。

（2）總線形結構

總線形結構是用一條稱為總線的中央主電纜，將相互之間以線性方式連接的工作站連接起來的布局方式，稱為總線拓撲。網絡中各個工作站均經一條總線相連，信息可沿兩個不同的方向由一個站點傳向另一站點。

總線形結構的優點是結構簡單靈活，非常便于擴充；可靠性高，網絡響應速度快；設備量少、價格低、安裝使用方便；共享資源能力強。其缺點是總線容易阻塞，對故障的診斷、隔離困難。總線形結構是目前使用最廣泛的結構，也是傳統的一種主流網絡結構，適用于信息管理系統、辦公自動化系統領域的應用。目前在局域網中多采用此種結構。

（3）環形結構

環形結構將各個連網的計算機由通信線路連接形成一個首尾相連的閉合的環。在環形結構的網絡中，信息按固定方向流動，或順時針方向，或逆時針方向，每兩臺計算機之間只有一條通路，簡化了路徑的選擇。

環形結構的優點是結構簡單、傳輸速度較快、路由選擇控制簡單。其缺點是可靠性差，維護困難。

（4）樹形結構

樹形結構實際上是星形結構的一種變形，它將原來用單獨鏈路直接連接的結點通過多級處理主機進行分級連接。這種結構與星形結構相比降低了通信線路的成本，但增加了網絡復雜性。網絡中除最低層結點及其連線外，任何一個結點連線的故障均影響其所在支路網絡的正常工作。

（5）網狀結構

網狀結構又稱作無規則結構，結點之間的連接是任意的，沒有規律。一般每個結點至少與其他兩個結點相連，也就是說每個結點至少有兩條鏈路連到其他結點。

網狀結構的優點是結點間路徑多，碰撞和阻塞可大大減少，局部的故障不會影響整個網絡的正常工作，可靠性高；網絡擴充和主機入網比較靈活、簡單。其缺點是關系復雜，建網不易，網絡控制機制復雜。廣域網中一般采用網狀結構。

（6）混合型結構

隨著網絡技術的發展，各種網絡結構經常交織在一起使用，這種網絡結構形式屬于混合型結構。