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科学出版社北京单元一计算机网络概述单元导读计算机网络是计算机科学技术与通信技术逐步发展、紧密结合的产物，是信息社会的基础设施，是信息交换、资源共享和分布式应用的重要手段。随着信息社会的蓬勃发展和计算机网络技术的不断更新，计算机网络的应用已经渗透到了各行各业，并且不断改变着人们的思想观念、工作模式和生活方式。学习要点计算机网络的概念和功能计算机网络的组成计算机网络的分类1.1计算机网络的概念随着计算机应用的不断深入，人们已经不再满足于单机系统独自运行，如何使不同计算机连接起来，以实现资源共享和信息传递，成为一种客观需求，通信技术的飞速发展使得这种需求有了实现的可能。通信技术和计算机技术的相互结合，产生了计算机网络技术，从最早的简单互连到现在无处不在的Internet，计算机网络的发展大体上经历了四个发展阶段：面向终端的计算机网络→多主机互联的计算机网络→标准计算机网络→全球化的Internet。如今网络正不断地影响着我们的工作和生活，也必将改变我们的未来。1.1.1计算机网络的定义凡将地理位置不同，并具有独立功能的多个计算机系统通过通信设备和线路而连接起来，且以功能完善的网络软件（网络协议、信息交换方式及网络操作系统等）实现网络资源共享的系统，可称为计算机网络。我们平时所接触的办公网络、校园网络，以及我们访问的Internet，都属于计算机网络。网络的规模可大可小，最小的计算机网络可以是两台计算机的互联，最大、最复杂的计算机网络是全球范围的计算机互联。网络是计算机的一个群体，是由多台计算机组成的，这些计算机是通过一定的通信介质互联在一起的。计算机之间的互联是指它们彼此之间能够交换信息。互联通常有两种方式：一种是计算机间通过双绞线、同轴电缆、电话线、光纤等有形通信介质连接；另一种是通过红外光、激光、微波、卫星通信信道等无形介质互联。计算机网络的定义包括如下几个基本要素。1）至少存在两个以上的具有独立操作系统的计算机，相互间需要共享资源、信息交换与传递。2）两个以上能独立操作的计算机之间要拥有某种通信手段或方法进行互联。3）两个以上的独立实体之间要做到互相通信，就必须制定各方都认可的通信规则，也就是所谓的通信协议。4）需要有对资源进行集中管理或分散管理的软件系统，即所谓的网络操作系统。上述四个要素是充分必要的，缺一不可。目前，计算机网络的发展，正在进一步引起世界范围内产业结构的变化，促进全球信息产业的发展。计算机越普及、应用范围越广，就越需要将计算机互联起来构成网络。在信息技术高速发展的今天，“计算机就是网络，网络就是计算机”的概念越来越被人们所接受，计算机应用正在进入一个全新的网络时代。1.1.2计算机网络的产生与发展早在1952年，当计算机还处于第一代的电子管时期，美国就建立了一套SAGE系统，即半自动地面防空系统。该系统将远距离的雷达和其他设备的信息，通过通信线路汇集到一台旋风型计算机，第一次实现了利用计算机远距离地集中控制和人-机对话。SAGE系统的诞生被誉为计算机通信发展史上的里程碑。从此，计算机网络开始逐步形成并发展。计算机网络的形成大致可分为三个阶段：计算机终端网络、计算机通信网络和计算机网络。1．计算机终端网络计算机终端网络又称为分时多用户联机系统，其结构如图1-1所示。主计算机终端通信装置终端终端主计算机前端机集中器终端终端终端终端终端通信装置主计算机终端终端终端主计算机终端终端终端集中器前端机终端终端图1-1多用户联机系统早期的计算机系统规模庞大、价格昂贵，设置在专用机房，并利用通信设备和线路连接多个终端设备。在通信软件的控制下，各个用户可以在自己的终端上分时轮流地使用中央计算机系统的资源，这样既克服了到机房排队等待的现象，又提高了计算机的效率和系统资源的利用率。终端设备是用户访问中央计算机系统的窗口，它具有特殊的编辑和会话功能。一台计算机所能连接的终端的数量随其中央主计算机的性能而定，处理能力强且运行速度快的计算机连接的终端设备就多些，而处理能力低且运行速度稍慢的计算机，连接终端设备就相对要少一些。面向终端的网络存在以下两个缺点：1）主计算机的负荷较重，它既要承担多终端系统的通信控制和通信数据的处理工作，同时还要执行每个用户的作业。2）由于终端设备的速率低，操作时间长，尤其是在远距离时，每个用户独一条通信线路，因此花费高。另外，这种操作方式需要频繁地打扰主计算机，影响了其工作效率。2．计算机通信网络20世纪60年代中期，计算机获得日益广泛的应用。在一些大型公司、企事业部门和军事部门中，往往拥有若干个分散的计算机终端网络系统，系统之间迫切需要交换数据、进行业务联系。为了满足应用的需要，将多个计算机终端网络连接起来，就形成了以传输信息为主要目的的计算机通信网络。计算机终端网络是以中央计算机为核心的集中式系统，只有“终端-计算机”之间的通信，而计算机通信网络是含有前端处理器（CCP，又叫通信控制处理器）的多机系统，它不仅在系统内部而且在互联的系统间，实现了“计算机-计算机”之间通信，其结构模型如图1-2所示。图1-2具有前端处理机的多机系统通信子网资源子网CCPCCPCCPCCPCCPCCP主机主机主机终端终端终端资源子网通信子网主机终端主机终端终端主机CCPCCPCCPCCPCCPCCP计算机通信网络的工作过程是这样的，终端设备先把信息送到集中器，并由集中器集中存储、装配成用户的作业信息，然后再传给前端处理器，前端处理器以中断方式把收到的数据送给主计算机进行处理。当主计算机要向终端发送数据时，先送到前端处理器，然后由前端处理器传给集中器，再由集中器按照信息中指定的终端设备地址分配给相应的终端用户。在计算机通信网络中，主机系统之间的数据传输都是通过各自的前端处理器实现的，由于全网缺乏统一的软件控制信息交换和资源共享因此它仍属于计算机网络的低级形式，这一时期被视为计算机网络发展的第二个阶段。3．计算机网络20世纪60年代末期，美国国防部高级研究计划局成功地开发了ARPA网络（AdvancedResearchProjectAgencyNetwork），它是世界上第一个以资源共享为主要目的的计算机网络，它的诞生标志着计算机网络的发展进入到第三个阶段。ARPA网络在1969年建立时仅有4个节点，到1976年便发展为在全国有60个IMP（接口信息处理机）和100个主机系统，并在地理上从美国本土延伸到夏威夷和欧洲。到20世纪80年代，又发展成为具有100个IMP和300个主机系统的世界网络。虽然ARPA网络已于1990年退役，但它为今天的Internet的诞生与发展奠定了基础。计算机网络与计算机通信网络的硬件组成一样，都是由主计算机系统、终端设备、通信设备和通信线路四大部分组成的。在结构上都是将若干个多机系统用高速通信线路连接起来，使它们的主计算机之间能相互交换信息、调用软件以及调用其中任一主计算机系统的任何资源。计算机网络与计算机通信网络的根本区别是，计算机网络是由网络操作软件来实现网络资源的共享和管理的；而计算机通信网络中，用户只能把网络看成是若干功能不同的计算机系统之集合，为了访问这些资源，用户需要自行确定其所在的位置，然后才能调用。因此，计算机网络不只是计算机系统的简单连接，还必须有网络操作系统的支持。计算机网络是计算机应用的高级形式，它充分体现了信息传输与分配手段和信息处理手段的有机联系。从功能角度出发，计算机网络可以看成是由通信子网和资源子网两个部分构成的，如图1-3所示。从用户角度来看，计算机网络则是一个透明的数据传输机构，网络上用户不必考虑网络的存在而访问网络中的任何资源。3．计算机网络通信子网路由器路由器路由器路由器路由器路由器主机局域网主机局域网主机局域网主机局域网路由器路由器路由器路由器服务器服务器服务器服务器主机通信子网局域网路由器服务器路由器路由器路由器路由器路由器路由器路由器主机局域网服务器服务器路由器主机局域网服务器主机路由器局域网图1-3通信子网和资源子网需要说明的是，上述计算机网络三个阶段的划分并不是绝对的，各个阶段之间也是不能迥然分得很清的。如第一阶段以面向终端为主，而第二阶段也属面向终端的范畴，第二阶段和第三阶段也同样存在交叉，甚至有的书刊并不把它们分开，而都视为计算机网络。1．数据通信计算机网络为我们提供了最快捷、最经济的数据传输和信息交换的手段。例如在一个企业网内部可以非常方便地将一个文件从一台计算机传递到另一台计算机，而通过互联网可以在几秒内将一封电子邮件由中国传送到世界各地。另外，现在普遍使用的银行系统通存通兑业务、民航及铁路的自动售票系统都是依赖于计算机网络所提供的数据通信功能来实现的。1.1.3计算机网络的功能随着计算机网络技术的不断发展和日益普及，计算机网络的应用已渗透到社会各个领域，其功能也得到不断扩展。归纳起来，计算机网络的功能主要有以下几个方面。2．资源共享构建计算机网络的主要目的是实现资源共享。所谓资源共享是指所有网内用户均能使用网内计算机系统中的全部或部分资源，使网络中的各计算机能够互通有无、分工协作，从而大大提高系统资源的利用率。在计算机网络中，可共享的资源包括硬件资源、软件资源和数据资源。1）硬件共享。硬件共享主要指共享网络中的输入/输出设备、存储设备和大型的计算机等资源，如打印机、光驱、硬盘、调制解调器等。通过硬件共享可以避免重复购买各种硬件设备，从而节省经费和便于管理。例如，将网络中打印机共享后，整个网络的所有计算机可以共同使用一台打印机来打印文件，既方便又节省费用。2．资源共享2）软件共享。计算机网络的软件共享功能可以使我们将软件安装在某一台计算机上，让其他计算机远程调用并使用这个软件，既降低了软件安装和维护的工作量，又方便了用户的使用和管理。3）数据共享。通过数据共享功能可以使网络用户使用其他计算机的数据。例如，在同一网络中的计算机可以读取和复制另一台计算机的文件。通过互联网，甚至可以共享世界各地的计算机中的文件资源。3．提高计算机的可靠性和可用性在计算机网络中，同一资源可以分布在系统中的多处，一旦系统某部分出现故障，即可从另一部分获得同样资源，从而避免因个别部件或局部故障而导致整个系统失效。这种可靠性对于军事、电力、银行等可靠性要求极高的领域尤为重要。例如，在美国“9·11”事件发生时，某家处于事件现场的银行系统全部被毁，但这家银行的业务并没有停止，因为这家银行在另一处的计算机系统自动接管了这家银行的所有业务。4．促进分布式计算与协同工作利用计算机网络的分布式计算和协同工作的特性，可以将一些大型且复杂的处理任务分散到不同的计算机上，这样既可以使一台计算机负担不会太重，又扩大了单机的功能，从而实现分布式处理和均衡负荷的作用。例如，在开发大型软件时，通常将软件分成若干模块，并由不同人开发各个模块，最后再将不同模块整合到一起来提高软件开发的效率。1.2计算机网络的组成和逻辑结构计算机网络的硬件系统一般指网络中的计算机、传输介质和网络连接设备等。1）计算机。计算机是计算机网络的基本模块，主要完成数据信息的收集、存储、处理和输出等任务，是网络信息的生产者和加工者。计算机网络中的计算机根据其功能分为服务器和工作站。服务器的主要功能是通过网络操作系统控制和协调网络中各工作站的运行，处理和响应各工作站同时发来的各种网络操1．硬件系统计算机网络由硬件和软件系统组成。计算机网络从逻辑上可划分为通信子网和资源子网两个层次。1.2.1计算机网络的基本组成和计算机系统一样，一个完整的计算机网络也是由硬件系统和软件系统两大部分组成。1．硬件系统2）传输介质。计算机网络中的传输介质主要负责将网络中的计算机、网络设备连接起来，并提供数据信息的传输通道。常用的传输介质包括同轴电缆、双绞线、光纤和无线介质。3）网络连接设备。计算机网络中的连接设备主要负责网络中各计算机的互连、数据信息转发、数据格式的转换等。常用的网络连接设备包括网卡、集线器、中继器、交换机和路由器等。作请求，提供各种网络服务。服务器通常是网络中配置较好、性