1.2 计算机网络的基本概念

通过学习计算机网络的发展史可知，早期制造的计算机，一台机器由一人使用，这种使用方式效率非常低，因此很快被“计算中心”模式取代。在计算中心模式下，一台计算机同时供许多用户使用，以共享计算机系统资源，这是计算机技术应用方式的一次飞跃。但是，计算中心仍然把用户限制在一个地方和一台机器上。为解决这个问题，诞生了计算机网络技术，它把许多计算机或计算中心连接起来，其中每一台计算机都可以通过网络为任何其他一台计算机上的用户提供服务。计算机网络使用户脱离了地域的分隔和局限，在网络达到的范围内实现了资源共享。究竟什么是计算机网络呢？本节通过对计算机网络定义、功能、分类及其组成的讨论，以加深对其基本概念的理解。

1.2.1 计算机网络的定义

什么是计算机网络？多年来对这个问题的定义并没有一个完全统一的描述，所定义的内容随着计算机网络的发展阶段和观点不同而有所不同。在ARPANet建成之后，有人将计算机网络定义为“以相互共享资源（硬件、软件和数据）方式而连接起来，且各自具有独立功能的计算机系统的集合”。这个定义强调了网络建设的目的，但没有给出物理结构。计算机网络发展到第二代后，为了与第一代网络相区别，又有人将其定义为“在网络协议控制下，由多台主计算机、若干台终端和数据传输设备所组成的计算机复合系统”。这个定义过于强调了网络的组成，没有给出网络的本质。计算机网络界权威人士特南鲍姆（Andrew S.Tanenbaum）的定义（1996年）是：计算机网络是一些独立自治的计算机互连起来的集合体。若有两台计算机通过通信线路（包括无线通信）相互交换信息，就认为是互连的。而独立自治或功能独立的计算机是指网络中的一台计算机不受任何其他计算机的控制（如启动或停止）。

近年来，随着计算机网络的不断深入研究，按照计算机网络所具有的特性，人们普遍公认的定义如下：计算机网络是利用通信设备和线路将分布在地理位置不同的、具有独立功能的多个计算机系统连接起来，在功能完善的网络软件（网络通信协议及网络操作系统等）的控制下，进行数据通信，实现资源共享、互操作和协同工作的系统。

简单地说，计算机网络是由“计算机集合”加“通信设施”组成的系统。由上述定义可以看出，建造网络的目的是资源共享，而手段是计算机通信。这是一个广义的定义，在理解时应注意以下5个特征。

第一，计算机系统是一互连的计算机系统的群体。这些计算机系统在地理上是分布的，可能在一个房间内，在一个单位的楼群里，在一个或几个城市里，甚至在全国乃至全球的任何地方。

第二，计算机网络中的计算机是功能独立的，或称之为“自主（Autonomous）”的，即每台计算机是独立的，在网络协议控制下协同工作，没有明显的主从关系。也就是说，自主的计算机系统由硬件和软件两部分构成，能完整地实现计算机的各种功能，如图1.8所示。

第三，系统互连（interconnected）要通过通信设施（网）来实现。通信设施一般由通信信道、相关的传输和交换设备等组成，如图1.9所示。

第四，系统通过通信设施进行数据传输、数据交换、资源共享、互操作和协同处理，实现各种应用要求。互操作（Interoperation或Interoperability）和协同处理（Interworking）是计算机网络应用中更高层次的要求，它需要有一种机制能支持互联网络环境下异种计算机系统之间的进程通信和互操作，实现协同工作和应用集成。

第五，所谓集合体（Collection）是指所有用通信信道及互连设备连接起来的自主计算机系统的集合，如图1.10所示。

1.2.2 计算机网络的主要功能

计算机网络是一个复合系统，它是由各自具有自主功能而又通过各种通信手段连接起来以便进行信息交换、资源共享或协同工作的计算机系统集合体。由此可知，建立计算机网络的基本目的是实现数据通信和资源共享。由于不同的计算机网络是根据不同的需求设计组建的，所提供的服务和功能也有所不同。而且，在计算机网络中含有各具特色的计算机系统，随着计算机应用范围的不断扩展，计算机网络的功能和提供的服务也在不断增加，很难全面综述，一般将其归纳为数据通信、资源共享和分布式处理等。

1.数据通信

数据通信是计算机网络最基本的功能之一。它用来快速传输计算机与终端、计算机与计算机之间的各种数据信息，包括文本、图形、图像、音频、视频数据等。目前，计算机网络的数据通信功能主要有：①信息查询与检索，如WWW、Gopher等；②文件传输与交换（FTP）、电子邮件（E-mail）等；③远程登录与事务处理，如Telnet等；④新闻服务（News）、电子公告牌（BBS）、信息广播等；⑤办公自动化（OA）、管理信息系统（MIS）等；⑥电子数据交换（Electronic Data Interchange，EDI），EDI是一种新型的电子贸易工具，通过计算机网络可将贸易、运输、保险、银行和海关等行业信息表现为国际公信的标准格式，实现公司之间的数据交换和处理，完成以贸易为中心的整个交易过程；⑦信息点播、虚拟现实，如视频点播（VOD）等；⑧CAD/CAM/CAE、计算机协同工作（CSCW）等；⑨远程教育、远程医疗、网络计算、网络视频会议、监视控制、可视化计算等；⑩计算机集成制造系统（CIMS）。

2.资源共享

充分利用计算机网络中提供的资源是组建计算机网络的主要目的。所谓“资源”是指构成系统的所有要素，包括硬件、软件和数据。在计算机网络中，网络资源主要包括以下4类。①数据。这里的数据通常指保存在数据库、磁存储介质、光盘中的原始数据。②信息。信息是指与能量、物质相提并论的战略资源，是网络中最重要的财富。信息来源于对数据的处理。③软件。网络，特别是大型网络，包含有大量共享应用软件，允许网络上的多个用户同时使用，不必担心侵犯版权和数据的完整性，从而可节省大量的软件投资。④硬件。网络共享的硬件，通常是指那些价值比较昂贵的设备，如超级大型计算机、UNIX超级工作站、海量存储器、高速激光打印机、大型绘图仪及一些特殊的外设等。

计算机的许多资源是十分昂贵的，由于受经济和其他因素的制约，不可能为每个用户所拥有。“共享”指的就是网络中的用户都能够部分或全部地享受这些资源。例如，某些地区或单位的数据库（如飞机机票网、数字图书馆等）可供全网使用；某些单位设计的软件可供需要的地方有偿调用或办理一定手续后使用。如果不能实现资源共享，各用户都需要有完整的软、硬件及数据资源，则将大大增加系统的投资费用。资源共享既可以使用户减少投资，又可以提高计算机资源的利用率。

3.分布式处理

分布式处理是近年来兴起的计算机应用重点课题之一。分布式处理是指，当某台计算机负担过重时，或该计算机正在处理某项工作时，网络可将新任务转交给空闲的计算机来完成。分布式处理能均衡各计算机的负载，提高处理问题的实时性。对于大型综合性问题，可将任务分散到网络中不同的计算机上进行处理，扩大计算机的处理能力，即增强实用性。对解决复杂问题来讲，多台计算机联合并构成高性能的计算机体系协同工作、并行处理，要比单独购置高性能的大型计算机便宜得多。

面对越来越复杂的计算机网络应用需求，云计算技术已在悄悄地开始影响计算机网络的应用模式。所谓云计算就是一种基于互联网的商业计算模型，它是分布式处理、并行处理和网格计算（Grid Computing）等技术的发展及商业实现。

计算机网络的功能远不止以上所述。例如，借助冗余和备份手段提高系统的可靠性，也是计算机网络的另一个重要功能。在一些用计算机进行实时控制和要求高可靠性的场合，通过计算机网络实现备份技术可以提高系统的可靠性。当某一台计算机出现故障时，可立即由计算机网络中的另一台计算机来代替其完成所承担的任务。例如，空中交通管理、工业自动化生产线、军事防御系统和电力供应系统等都可以通过计算机网络设置备用的计算机系统，以保证实时性管理，提高不间断运行系统的安全性和可靠性。

另外，多媒体通信也已经成为计算机网络的显著特征之一，这主要表现在：①数据库的多媒体化，如Oracle8等；②Web的多媒体化，如利用VRML创建虚拟的Web世界等；③网络应用的多媒体化，如多媒体办公自动化系统和多媒体会议系统等；④电子商务的多媒体化，如虚拟商场和虚拟企业等。

1.2.3 计算机网络的分类

计算机网络种类繁多、性能各异，很难用单一的标准进行统一分类。对于一个计算机网络可以从不同的角度对其进行不同的分类，既可以从地理覆盖范围、拓扑结构、传输媒体、数据传输交换方式或协议等角度进行分类，也可以按照网络组建属性或用途等加以分类。下面介绍几种从不同侧面对计算机网络进行分类的方法，以助于进一步理解计算机网络。

1.按地理覆盖范围分类

按照计算机系统之间的互连距离和分布范围，可将计算机网络分成局域网（LAN）、城域网（MAN）、广域网（WAN）和互联网。网络覆盖的地理范围是网络的一个重要度量参数，因为不同规模的网络需要采用不同的网络技术。

1）局域网

局域网是指地理覆盖范围在几米到十千米以内的由各种通信设备相互连接起来的计算机通信网络。这里所指的通信设备是广义的，包括计算机和各种外网设备。一般情况下，局域网络建立在某个机构所属的一个建筑群内，或大学的校园内，也可以是办公室内或实验室内。局域网连接这些用户的微型计算机及其作为资源共享的设备（如打印机等）进行数据交换。决定局域网的主要技术要素有拓扑结构、传输媒体、媒体访问控制方式和网络软件。局域网有别于其他类型网络的典型技术特征如下。

（1）局域网的覆盖范围较小，一般的覆盖距离为0.5m～10km。

（2）信道带宽大，数据传输率高（一般为10～1000Mbps）；数据传输延迟小（几十微秒）、误码率低（10-11～10-8）。另外，局域网易于安装，便于维护。

（3）局域网的拓扑结构简单，一般采用广播式信道的总线型、星状和环状结构，容易实现；常用双绞线、同轴电缆和光纤作为传输媒体。采用无线传输媒体的无线局域网（Wireless Local Area Networks，WLAN）目前正在得到迅速发展和应用。

现在，除了传统局域网，又出现了高速局域网和计算机交换分机。

高速局域网主要用于主机与主机及高速外网设备之间的连网，工作站与网络之间有高速的物理链路，采用分布式控制方法。美国国家标准协会（ANSI）规定了高速局域网标准，它包含两种数据接口：一种是50Mbps的总线接口，称为局部分布式数据接口（Local Distributed Data Interface，LDDI）；另一种是100Mbps的光纤令牌环接口，称为光纤分布式数据接口（Fiber Distributed Data Interface，FDDI）。

计算机交换分机（ComputerizedBranch Exchange，CBX）采用线路交换技术，可以同时支持声音和数据通信，不仅能连接计算机还能连接电话机、传真机等办公室设备，适合用于办公自动化领域。

2）城域网

随着光纤技术的发展，出现了称为城域网的网络。MAN具有LAN的特性，采用与LAN类似的技术，但规模比LAN大，地理分布覆盖范围为10～50km，介于局域网和广域网之间，一般覆盖一个城市或地区。数据传输率为30Mbps～1Gbps，传输媒体主要采用光纤。

城域网的实现标准为分布式队列双总线（Distributed Queue DualBus，DQDB），这是IEEE 802.6定义的一个标准，工作范围是160km，数据传输速率为44.736Mbps。通常，城域网由政府或大型企业集团、公司组建，如城市信息港。目前，随着信息化技术的进步，很多城市已规划和建设了自己的城市信息高速公路。对于某些大型企业或集团公司，为了连接市内分公司或分厂局域网，所建设覆盖较大范围的企业Intranet网络，也是城域网的一种常见应用形式。

3）广域网

广域网的地理覆盖范围在50km以上，往往遍布一个国家甚至世界，规模十分庞大而复杂。广域网传输速率比较低，一般为64kbps～2Mbps，最高可达到45Mbps；但随着通信技术的发展，传输速率正在不断提高。目前通过光纤媒体，其传输速率达到了155Mbps，甚至2.5Gbps。广域网的这些特点决定它具有不同于LAN和WAN的特性。广域网包含很多用来运行用户应用程序的主机，把这些主机连接在一起就构成了通信子网。在大多数广域网中，通信子网一般包括传输信道和转接设备两部分。传输信道用于在主机之间传输数据；转接设备也叫做接口报文处理机（IMP），由专用计算机担任，用来连接两条或多条传输线。在前面给出的图1.3广域网模式中，通信子网中包含大量租用线路或专用线路，每一条线路连着一对IMP；而每一台主机都至少连接着一台IMP，所有出入该主机的报文都必须经过与该主机相连的IMP。除了使用卫星的广域网，几乎所有的广域网都采用存储转发方式。最初，广域网只是为了使物理上广泛分布的计算机能够进行简单的数据传输，主要用于计算机之间的文件或批处理作业传输及电子邮件传输等。

广域网的拓扑结构比较复杂，因此组建广域网的重要问题是IMP互连的拓扑结构设计，可能的几种网络拓扑结构为星状、树状、环状和全互连型。广域网的另外一种组建方式是卫星或无线网络。每个中间转接点都通过天线接收和发送数据。所有的中间站点都能接收来自卫星的信息，并能同时监听其相邻站点发往卫星的信息。可见，单独建造一个广域网是极其昂贵和不现实的，所以人们常常借助于传统的公共传输网来实现。

提到广域网，人们自然会想到公用电话网（PSTN）、中国分组交换网（CHINAPAC）、中国数字数据网（CHINADDN）、中国帧中继网（CHINAFRN）和综合业务数字网（ISDN）等。确实这些网络都是广域网，但并不是计算机广域网，然而可以通过使用这些公用广域网提供的通信线路来组建计算机广域网。例如，CHINANet就是借助于CHINADDN提供的高速中继线路，使用超高速路由器组成的覆盖中国内地各省市并连通Internet的计算机广域网。

4）互联网

目前世界上有许多网络，而不同网络的物理结构、协议和所采用的标准是各不相同的。如果连接到不同网络的用户需要进行相互通信，就需要将这些不兼容的网络通过称为路由器的设备连接起来，并由路由器完成相应的路由转发功能。多个网络相互连接构成的集合称为互联网，也称为Internet。互联网的最常见形式是多个局域网通过广域网连接起来。如何判断一个网络是广域网还是通信子网取决于网络中是否含有主机。如果一个网络中只含有中间转接结点，即IMP，则该网络仅仅是一个通信子网；反之，如果一个网络中既包含IMP，又包含用户可以运行作业的主机，则该网络就是一个广域网。

通常，通信子网、计算机网络和互联网这三个概念经常混淆。通信子网作为广域网的一个重要组成部分，通常由IMP和通信线路组成。例如，电话系统包括用高速线路连接的局间交换机和连到用户端的低速线路，这些线路和设备就构成了电话系统的通信子网。通信子网和主机相结合构成计算机网络；对于局域网而言，是由传输媒体（如电缆、光纤）和主机构成的，没有通信子网。而互联网一般是异构计算机网络的互相连接，如局域网和广域网的连接，两个局域网的互相连接或多个局域网通过广域网的连接等。

2.按传输媒体分类

按传输媒体的不同，计算机网络可以划分为以下两种。

1）有线网

采用同轴电缆、双绞线和光纤等物理传输媒体来连接的计算机网络称为有线网。

同轴电缆网是较为常见的一种连网方式。它比较经济，安装较为便利，传输速率和抗干扰能力一般，传输距离较短。

双绞线网是目前最常用的一种连网方式。它价格便宜，安装方便，但易受干扰，传输速率较低，传输距离比同轴电缆要短一些。

光网络采用光导纤维作为传输媒体。光纤传输距离长，传输速率高，可达数千兆比特/秒，抗干扰能力强，不会受到电子监听设备的监听，是高安全性网络的一种理想选择。

2）无线网

采用微波、红外线和无线电短波作为传输媒体建设的计算机网络称为无线网络。无线网络特别是无线局域网具有很多优点，如易于安装和使用，用户可以在任何时间、任何地点接入计算机网络，因此而具有广阔的应用前景。当前已经出现了许多基于无线网络的产品，但无线局域网也有许多不足之处，如数据传输速率远低于有线局域网。另外，无线局域网的误码率也比较高，而且结点之间存在相互干扰。无线网的发展依赖于无线通信技术的支持。

3.按数据传输交换方式分类

根据数据在网络内的传输交换方式，计算机网络可分为电路交换网络和存储转发交换网络，其中后者又可分为报文交换和分组交换（数据报和虚电路）。

4.按网络组建属性分类

根据计算机网络的组建、经营和管理方式，特别是数据传输和交换系统的拥有性，计算机网络可以分为公用计算机网络和专用计算机网络两类。

公用计算机网络是为公众提供商业性、公益性通信和信息服务的通用计算机网络，如Internet。公用计算机网络由国家电信部门组建、经营和管理，向公众提供服务。任何单位和部门，甚至个人的计算机和终端都可以接入公用网，利用所提供的数据通信服务设施来实现单位、部门和个人的业务。

专用计算机网络指为政府、企业、行业和社会发展等部门提供具有部门特点、特定应用服务功能的计算机网络，如Intranet。专用计算机网络往往由一个政府部门或一个公司等组建经营，未经许可，其他部门和单位不得使用；其组网方式可以利用公用网提供的“虚拟网”或自行架设的通信线路实现。