1.1.3 计算机网络概述

1．计算机网络的发展

计算机网络是计算机技术和通信技术相结合的产物，计算机网络技术得到了飞速的发展和广泛的应用。

（1）计算机网络的定义。计算机网络就是将分布在不同地点的独立计算机的系统通过通信线路和通信设备连接起来，由网络操作系统和协议软件进行管理，以实现数据通信与资源共享为目的的系统。简单来说，网络就是通过电缆、电话线或无线通信连接起来的计算机的集合。

实现网络有以下4个要素：有独立功能的计算机、通信线路和通信设备、网络软件支持、实现数据通信与资源共享。

（2）网络的发展过程。计算机网络的发展过程是计算机与通信（Computer and Communication,C&C）的结合过程，其发展经历了一个从简单到复杂，又到简单（指入网容易、使用简单、网络应用大众化）的过程，共经历了4个阶段。

① 面向终端的计算机网络（20世纪50—60年代）。将地理位置分散的多个终端通信线路连到一台中心计算机上，用户可以在自己办公室内的终端输入程序，通过通信线路传送到中心计算机，分时访问和使用资源进行信息处理，处理结果再通过通信线路回送到用户终端显示或打印。这种以单个计算机为中心的联机系统被称为面向终端的远程联机系统，这是计算机网络发展的第一阶段，被称为第一代计算机网络，如图1-18所示。

第一代计算机网络的典型应用有美国半自动地面防空系统 SAGE 和美国飞机售票系统SABRE-1。

20世纪50年代初，美国为了自身的安全，在美国本土北部和加拿大境内，建立了一个半自动地面防空系统，简称SAGE（Semi-Automatic Ground Environment）系统，译成中文叫赛其系统（见图1-19）。

20世纪60年代初，美国建成了全国性航空飞机订票系统，用一台中央计算机连接2 000多个遍布全国各地的终端，用户通过终端进行操作。这些应用系统的建立，构成了计算机网络的雏形。

② 共享资源的计算机网络（20世纪60—70年代）。随着计算机技术和通信技术的进步，将分布在不同地点的计算机通过通信线路连接起来，使联网用户可以通过计算机使用本地计算机的软件、硬件与数据资源，也可以使用网络中其他计算机的软件、硬件与数据资源，即每台计算机都具有自主处理能力，这样就形成了以共享资源为目的的第二代计算机网络，如图1-20所示。

第二代计算机网络的典型代表是ARPA网络（ARPANET）。ARPA网络的建成标志着现代计算机网络的诞生。

ARPA网通过有线、无线与卫星通信线路，覆盖了从美国本土到欧洲与夏威夷的广阔地域， ARPA网是计算机网络技术发展的一个重要里程碑。

③ 计算机网络标准化（20世纪70—80年代）。20世纪70年代以后，局域网得到了迅速发展，人们对组网的技术、方法和理论的研究日趋成熟。为了促进网络产品的开发，各大计算机公司纷纷制定自己的网络技术标准，最终促成国际标准的制定。

1984年，国际标准化组织ISO（International Standards Organization）正式颁布了一个使各种计算机互连成网的标准框架——开放系统互联参考模型 OSI（Open System Interconnection Reference Model）。OSI标准确保了各厂家生产的计算机和网络产品之间的互连，推动了网络技术的应用和发展。

知识扩展

OSI将网络通信工作分为七层，由低到高依次为物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层和应用层，如图1-21所示。

④ 网络互联阶段（20世纪90年代以后）。20世纪90年代，各种网络进行互联，形成更大规模的互联网络。计算机网络发展成了全球的网络——因特网（Internet），网络技术和网络应用得到了迅猛的发展。

Internet最初起源于阿帕网，由阿帕网研究而产生的一项非常重要的成果就是传输控制协议/网际协议（Transmission Control Protocol/Internet Protocol,TCP/IP），使得连接到网上的所有计算机能够相互交流信息。

计算机网络已成为当今世界最热门的学科之一，其未来的发展方向正朝着高速网络，多媒体网络，开放性、高效安全的网络管理以及智能化网络方向发展。

2．计算机网络的功能

不同的计算机网络是为不同的目的和需求而设计与组建的，它们所提供的服务和功能也有所不同。计算机网络可以提供的功能如下。

（1）资源共享。用户可以共享计算机网络范围内的系统硬件、软件、数据、信息等各种资源。

（2）数据通信。网络中的终端与计算机、计算机与计算机之间能够进行通信，交换各种数据和信息，从而方便地进行信息收集、处理、交换。自动订票系统、银行财务及各种金融系统、电子购物、远程教育、电子会议等都具有选择的功能，如图1-22所示。

（3）分布式数据处理。分布式数据处理是指将一个大型复杂的计算问题分配给网络中的多台计算机分工协作来完成。

（4）提高系统的可靠性和可用性。可以调度另一台计算机来接替完成出现故障的计算机的计算任务，借助冗余和备份的手段提高系统可靠性。

3．计算机网络的分类

计算机网络可按不同的分类标准进行划分。

（1）按网络的覆盖范围划分。根据所覆盖的地理范围，计算机网络通常可以分为局域网、城域网和广域网。这种分法也是目前较为普遍的一种分类方法。

① 局域网（Local Area Network,LAN）的范围一般在几百米到十千米之内，如一座办公大楼内、大学校园内、几座大楼之间等。局域网简单、灵活、组建方便，如图1-23所示。

② 城域网（Metropolitan Area Network,MAN）的地理范围可以从几十千米到上百千米，通常覆盖一个城市或地区，如城市银行的通存通兑网。

③ 广域网（Wide Area Network,WAN）是网络系统中最大型的网络，它是跨地域性的网络系统，大多数的WAN是通过各种网络互连而形成的，Internet就是最典型的广域网。WAN的连接距离可以是几百千米到几千千米或更多，如图1-24所示。

（2）按数据传输方式划分。根据数据传输方式的不同，计算机网络可以分为“广播网络”和“点对点网络”两大类。

（3）按拓扑结构划分。网络拓扑结构是指网络上的计算机、通信线路和其他设备之间的连接方式，即指网络的物理架设方式。计算机网络中常见的拓扑结构有总线型结构、环型结构、星型结构、树型结构和网状结构等。除这些之外，还有包含了两种以上基本拓扑结构的混合结构。

① 总线型结构。总线型结构的网络使用一根中心传输线作为主干网线（即总线BUS），所有计算机和其他共享设备都连在这条总线上，如图1-25所示。

总线型结构的优点：布局非常简单且便于安装，价格相对较低，网络上的计算机可以很容易地增加或减少而不影响整个网络的运行，适用于小型、临时的网络。

总线型结构的缺点：网络稳定性差，如果电缆发生断裂，整个网络将陷于瘫痪，故不适合大规模的网络。

② 环型结构。环型结构是指将各台联网的计算机用通信线路连接成一个闭合的环，在环型结构中，每台计算机都要与另外两台相连，信号可以一圈一圈按照环型传播，如图1-26所示。

环型结构的优点：信息在网络中沿固定方向流动，两个节点间有唯一的通路，可靠性高，实时性强，安装简便，有利于进行故障排除。

环型结构的缺点：网络的吞吐能力差，仅适用于数据信息量小和节点少的情况。此外，由于整个网络构成闭合环，所以网络扩充起来不方便。

③ 星型结构。星型结构的每个节点都由一条点到点链路与中心节点相连。信息的传输是通过中心节点的存储转发技术实现的，并且只能通过中心节点与其他站点通信，如图1-27所示。

星型结构的优点：系统稳定性好，故障率低，增加新的工作站时成本低，一个工作站出现故障不会影响其他工作站的正常工作。

星型结构的缺点：与总线型和环型结构相比，星型结构的电缆消耗量较大，同时需要一个中心节点（集线器或交换机），而中心节点负担较重，必须具有较高的可靠性。

④ 树型结构。树型结构从总线型结构演变而来，形状像一棵倒置的树，如图1-28所示。树根接收各站点发送的数据，然后再广播到整个网络。

树型结构的优点：易于扩展，这种结构可以延伸出很多分支和子分支，并且新节点和新分支都能很容易地加入网络中来。

树型结构的缺点：各个节点对根的依赖性太大，如果根发生故障，则整个网络不能正常工作。树型结构的可靠性类似于星型结构。

⑤ 网状结构。网络中任意一个节点应至少和其他两个节点相连，它是一种不规则的网络结构，如图1-29所示。

网状结构的优点：单个节点及链路的故障不会影响整个网络系统，可靠性最高。主要用于大型的广域网。

网状结构的缺点：结构比较复杂，成本比较高，管理与维护不太方便。

⑥ 混合结构。混合结构泛指一个网络中结合了两种或两种以上标准拓扑形式的拓扑结构。混合结构比较灵活，适用于现实中的多种环境。广域网中通常采用混合拓扑结构。

（4）按使用网络的对象划分。根据使用网络的对象可分为专用网和公用网。专用网一般由某个单位或部门组建，属于单位或部门内部所有，如银行系统的网络。而公用网由电信部门组建，网络内的传输和交换设备可提供给任何部门和单位使用，如Internet。

4．计算机网络的组成

对于计算机网络的组成，一般有两种分法：一种是按照计算机技术的标准，将计算机网络分成硬件和软件两个组成部分；另一种是按照网络中各部分的功能，将网络分成通信子网和资源子网两部分。

按照计算机技术的标准划分，计算机网络系统和计算机系统一样，也是由硬件和软件两大部分组成的。

（1）网络硬件

网络硬件是计算机网络系统的物质基础。要构成一个计算机网络系统，首先要将计算机及其附属硬件设备与网络中的其他计算机系统连接起来。

① 服务器

服务器（见图1-30）作为硬件来说，通常是指那些具有较高计算能力，能够提供给多个用户使用的计算机。网络服务器分为文件服务器、通信服务器、打印服务器和数据库服务器等。

② 工作站

工作站是连接在局域网上的供用户使用网络的微机。它通过网卡和传输介质连接至文件服务器上。每个工作站一定要有自己独立的操作系统及相应的网络软件。工作站可分为有盘工作站和无盘工作站。图1-31所示为一体化工作站。

③ 连接设备

网络连接设备有网络适配器——网卡、调制解调器、中继器和集线器、网桥、交换机、路由器、网关、防火墙等。

● 网卡也叫网络适配器，网卡是局域网中最基本的部件之一，它是连接计算机与网络的硬件设备。无论使用什么样的传输介质，都必须借助于网卡才能实现数据的通信。

● 调制解调器（Modem，俗称“猫”，见图1-32）是一种计算机硬件，它能把计算机的数字信号翻译成可沿普通电话线传送的脉冲信号，这一过程被称为调制。而这些脉冲信号又可被线路另一端的另一个调制解调器接收，并译成计算机可识别的数字信息，这一过程被称为解调。

● 中继器（Repeater，见图1-33）是连接网络线路的一种装置，常用于两个网络节点之间物理信号的双向转发工作。中继器是一个用来扩展局域网的硬件设备，它把两段局域网连接起来，并把一段局域网上的电信号增强后传输到另一段上，主要起到信号再生放大、延长网络距离的作用。

● 集线器（Hub，见图1-34）是中继器的一种形式，区别在于集线器能够提供多端口服务，也称为多口中继器，它对LAN交换机技术的发展产生直接的影响。

● 网桥（Bridge，见图1-35），又称桥接器，工作在数据链路层，将两个局域网（LAN）连起来，根据物理地址来转发帧。网桥通常用于连接数量不多的、同一类型的网段。

● 交换机（Switch，见图1-36）是集线器的升级换代产品。交换机的功能，是按照通信两端传输信息的需要，用人工或设备自动完成的方法把要传输的信息送到符合要求的相应路由上。简单来说，交换机就是一种在通信系统中完成信息交换功能的设备。

● 路由器（Router，见图1-37）的功能是在两个局域网之间接收并转发帧数据，转发帧时需要改变帧中的地址。路由器比网桥更复杂，也具有更大的灵活性，它的连接对象可以是局域网或广域网。

● 网关（Gateway，见图1-38），又称为网间连接器、协议转换器。换言之，就是一个网络连接到另一个网络的“关口”。按照不同的分类标准，网关可以分成多种。其中，TCP/IP里的网关是最常用的。

● 防火墙（Firewall）是一种访问控制技术，可以阻止保密信息从受保护的网络上被非法输出。换言之，防火墙是一道门槛，控制进出双方的通信。防火墙由软件和硬件两部分组成，防火墙技术是近年来发展起来的一种保护计算机网络安全的技术性措施。图1-39所示为硬件防火墙。

④ 传输介质

传输介质是通信网络中发送方和接收方之间的物理通路。

常用的传输介质有双绞线、同轴电缆、光缆、无线传输介质。

双绞线（见图1-40）是现在最普通的传输介质，它是由两根以螺旋状扭合在一起的绝缘铜导线组成的。两根线扭合在一起，目的在于减少相互间的电磁干扰。双绞线分为两大类：屏蔽双绞线（Shielded Twisted Pair,STP）和无屏蔽双绞线（Unshielded Twisted Pair,UTP）。

同轴电缆（见图1-41）分为基带同轴电缆和宽带同轴电缆。基带同轴电缆的阻抗为50Ω（指沿电缆导体各点的电磁电压对电流之比），通常用于数字信号的传输，有粗缆和细缆之分；宽带同轴电缆的阻抗为75Ω，用于宽带模拟信号的传输。

通信领域的重大进展是光缆（见图1-42）的广泛应用。光缆的主要介质是光纤，光纤是软而细的、利用内部全反射原理来传导光束的传输介质，有单模和多模之分。

（2）网络软件

网络软件是实现网络功能不可缺少的软环境。网络软件通常包括网络操作系统、网络协议和各种网络应用软件等。

① 网络操作系统

网络操作系统（Web-based Operating System,Web OS）的作用在于实现网络中计算机之间的通信，对网络用户进行必要的管理，提供数据存储和访问的安全性，提供对其他资源的共享和访问，以及提供其他的各种网络服务。

目前，UNIX、Linux、NetWare、Windows NT/Server 2000/Server 2003等网络操作系统都被广泛应用于各类网络环境中，并各自占有一定的市场份额。

② 网络协议

在计算机网络中，两个相互通信的实体处在不同的地理位置，其上的两个进程相互通信，需要通过交换信息来协调它们的动作和达到同步，而信息的交换必须按照预先共同约定好的过程进行。网络协议就是为计算机网络中进行数据交换而建立的规则、标准或约定的集合。

局域网常用的3种网络协议有：TCP/IP、NetBEUI和IPX/SPX。

● TCP/IP 是这3个协议中最重要的一个；作为互联网的基础协议，没有它就根本不可能上网，任何和互联网有关的操作都离不开TCP/IP。

● NetBEUI，即NetBios Enhanced User Interface，或NetBios增强用户接口。它是NetBIOS协议的增强版本，曾被许多操作系统采用，如Windows for Workgroup、Windows 9x系列、Windows NT等。

● IPX/SPX协议本来就是Novell公司开发的专用于NetWare网络中的协议，但是现在也很常用，大部分可以联机的游戏（如星际争霸、反恐精英等）都支持IPX/SPX协议。

阶段总结

网络硬件是计算机网络系统的物质基础，对网络的运行性能起着决定性的作用；网络软件是支持网络运行、提高效率和开发网络资源的工具，是实现网络功能不可缺少的软件环境。计算机网络系统的组成如图1-43所示。

按照网络中各部分的功能划分，计算机网络可被分成通信子网和资源子网两部分。

通信子网主要负责整个网络的数据传输、加工、转换等通信处理工作。它主要包括通信线路（传输介质）、网络连接设备、网络通信协议、通信控制软件等。

资源子网的功能是负责整个网络面向应用的数据处理工作，向用户提供数据处理能力、数据存储能力、数据管理能力、数据输入/输出能力以及其他的数据资源。它主要是由各计算机系统、终端控制器和终端设备、软件和可供共享的数据库组成的。

将计算机网络分为通信子网和资源子网，简化了网络的设计，如图1-44所示。