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第七章计算机网络基础知识计算机网络的基本概念计算机网络的产生与发展计算机网络的功能计算机网络的分类和拓扑结构本章学习要点：计算机网络体系结构与协议局域网基础知识Internet基础知识7.1计算机网络的产生与发展计算机网络的发展大体上可以分为四个时期。在这期间，计算机技术和通信技术紧密结合，相互促进，共同发展，最终产生了今天的Internet。1.面向终端的通信网络阶段诞生于20世纪50年代。由一台中央主机通过通信线路连接大量的地理上分散的终端，构成面向终端的通信网络，也称为远程联机系统。这是计算机网络的雏形，如图7-1所示。图7-1远程联机系统2.计算机网络阶段远程联机系统最突出的特点是：终端无独立的处理能力，单向共享主机的资源(硬件、软件)，所以称为面向终端的计算机网络。这种网络结构属集中控制方式，可靠性低。随着计算机应用的发展以及计算机的普及和价格的降低，20世纪60年代中期，出现了多台计算机通过通信系统互连的系统，开创了“计算机——计算机”通信时代，这样分布在不同地点且具有独立功能的计算机就可以通过通信线路，彼此之间交换数据、传递信息。如图7-2所示：图7-2计算机网络系统3.计算机网络互联阶段1984年，国际标准化组织ISO（InternationalStandardsOrganization）正式制订和颁布了“开放系统互联参考模型”，简称OSIRM，即著名的OSI七层模型。ISO/OSIRM已被国际社会所公认，成为研究和制订新一代计算机网络标准的基础。从此，网络产品有了统一标准，促进了企业的竞争，大大加速了计算机网络的发展。并使各种不同的网络互联、互相通信变为现实，实现了更大范围内的计算机资源共享。第二代计算机网络的主要特点是：资源的多向共享、分散控制、分组交换、采用专门的通信控制处理机、分层的网络协议。这些特点往往被认为是现代计算机网络的典型特征。但是这个时期的网络产品彼此之间是相互独立的，没有统一标准。4.Internet与高速网络阶段这一阶段计算机网络发展的特点是：互连、高速、智能与更为广泛的应用。Internet是覆盖全球的信息基础设施之一，用户可以利用Internet实现全球范围的信息传输、信息查询、电子邮件、语音与图像通信服务等功能。5.云计算和物联网阶段云计算的概念最早是由谷歌（Google)提出的，它描述的是一种基于互联网的计算方式，通过这种方式，共享的软、硬件资源和信息可以按需提供给计算机和其他设备。其核心思想是：将大量用网络连接的计算资源统一管理和调度，构成一个计算资源池向用户按需服务。（1）云计算（CloudComputing）云计算技术目前已经衍生出了云存储和云安全两大领域。返回本章首页返回本节首页（2）物联网（InternetofThings）物联网的概念最早是由麻省理工学院专家于1999年提出的，它的产生和发展跟计算机网络的发展、互联网应用的扩展、传感技术的发展、社会需求的驱动以及政府的支持都是分不开的，其核心技术是传感器技术。物联网的定义虽然目前还存在较大争议，各个国家和地区对于物联网的定义都不尽相同，但在过去的几年中，物联网技术已经悄然走进了我们的生活，并且已经应用到了很多领域，如：家庭生活、农业生产、医疗保健、建筑体监测、文物保护等。7.2计算机网络的基本概念计算机网络是现代通信技术与计算机技术相结合的产物。所谓计算机网络，就是把分布在不同地理区域的计算机与专门的外部设备用通信线路互连成一个规模大、功能强的网络系统,从而使众多的计算机可以方便地互相传递信息，共享硬件、软件、数据信息等资源。2.计算机网络包含的四个方面7.2.1什么是计算机网络1.计算机网络的定义连接对象（主要指各种类型的计算机或其他数据终端设备）连接介质（主要指双绞线、同轴电缆、光纤、微波等通信线和网桥、网关、中继器、路由器等通信设备）连接的控制机制（主要指网络协议和各种网络软件）连接方式（指网络所采用的拓扑结构，如星型、环型、总线型和网状型等）7.2.2通信子网和资源子网计算机网络系统在逻辑功能上可分成两个子网：通信子网和资源子网组成两级网络结构，如下图7-3所示：图7-3计算机网络系统结构示意图通信子网由通信控制处理机（CCP）、通信线路和其他网络通信设备组成，它主要承担全网的数据传输、转发、加工、转换等通信处理工作。资源子网主要负责全网的数据处理业务，向全网用户提供所需的网络资源和网络服务。它主要由主机、终端、终端控制器、连网外设以及软件资源和信息资源等组成。返回本章首页返回本节首页1.通信子网2.资源子网7.3计算机网络的功能计算机网络与通信网的结合,可以使众多的个人计算机不仅能够同时处理文字、数据、图像、声音等信息,而且还可以使这些信息四通八达,及时地与全国乃至全世界的信息进行交换。计算机网络的主要功能归纳起来主要有以下几点：1.数据通信数据通信是计算机网络最基本的功能，它为网络用户提供了强有力的通信手段。计算机网络的其他功能都是在数据通信功能基础之上实现的，例如发送电子邮件、远程登录、联机会议、等。2.资源共享资源共享包括硬件、软件和信息资源的共享，它是计算机网络最有吸引力的功能。资源共享指的是网上用户能够部分或全部地使用计算机网络资源，使计算机网络中的资源互通，从而大大地提高各种硬件、软件和信息资源的利用率。3.均衡负荷与分布式处理4.提高计算机系统的可靠性负载均衡同样是计算机网络的一大特长。例如一个大型的ICP，为了支持更多的用户访问它的网站，在全世界多个地方放置了相同内容的服务器，通过一定技巧使不同地域的用户看到放置在离他最近的服务器上的页面，这样来实现各服务器的负荷均衡，实现分布处理的目的。此外，利用网络技术，还能将多台计算机连成具有高性能的计算机系统，以并行的方式共同来处理一个复杂的问题，这就是当今称之为协同式计算机的一种网络计算模式。计算机系统可靠性的提高主要表现在计算机网络中每台计算机都可以依赖计算机网络相互为后备机，一旦某台计算机出现故障，其它的计算机可以马上承担起原先由该故障机所担负的任务，避免了系统的瘫痪，从而使得计算机的可靠性得到了大大的提高。返回本章首页返回本节首页7.4计算机网络的分类和拓扑结构计算机网络分类的标准很多，如按拓扑结构、应用协议、传输介质、数据交换方式等等。但最能反映网络技术本质特征的分类标准是网络的覆盖范围，按网络的覆盖范围可以将网络分为局域网（LAN）、广域网（WAN）、城域网（MAN）和国际互联网（Internet）。1.局域网LAN（LocalAreaNetwork）一般用微型计算机通过高速通信线路相连，数据传输速率较快，通常在10Mbit/s以上。但其覆盖范围有限，是一个小的地理区域（例如：办公室、大楼和方圆几公里远的地域）内的专用网络。局域网的目的是将个别的计算机、外围设备和计算机系统连接成一个数据共享集体，软件控制着网上用户之间的相互联系和信息传输。局域网结构如图7-4所示：7.4.1计算机网络的分类图7-4局域网结构示意图2.广域网WAN（WideAreaNetwork）广域网是远距离、大范围的计算机网络，覆盖范围一般是几百公里～几千公里的广阔地理区域，其主要作用是实现远距离计算机之间的数据传输和信息共享，并且通信线路大多租用公用通信网络（如公用电话网PSTN）。广域网上的信息量非常大，共享的信息资源极为丰富，但数据的传输速率较低，比局域网更容易发生传输差错。广域网结构如图7-5所示。图7-5广域网结构示意图3.城域网MAN（MetropolitanAreaNetwork）城域网的覆盖范围介于局域网和广域网之间，它可能是覆盖一组邻近的公司、办公室，也可能是覆盖一座城市，地理范围一般为几公里～几十公里。城域网通常使用与LAN相似的技术。4.国际互联网（Internet）Internet并不是一种具体的网络技术，它是将同类和不同类的物理网络（局域网、广域网、城域网）通过某种协议互联起来的一种高层技术。不同类型网络之间的比较如下表7-1所示网络种类覆盖范围分布距离局域网房间10m建筑物100m校园1km广域网国家100km以上城域网城市10km以上国际Internet洲或洲际1000km以上表7-1不同类型网络之间的比较7.4.2计算机网络的拓扑结构网络拓扑结构是指用传输介质互连各种设备的物理布局。它将工作站、服务器等网络单元抽象为“点”，网络中的通信介质抽象为“线”，从而抽象出网络系统的具体结构。常见的计算机网络的拓扑结构有星型、环型、总线型、树型和网状型。1．星型拓扑网络各节点通过点到点的链路与中央节点连接，如图7-6所示。图7-6星型拓扑结构中央节点可以是转接中心，起到连通的作用；也可以是一台主机，此时具有数据处理和转接的功能。优点：很容易在网络中增加和移动节点，容易实现数据的安全性和优先级控制；缺点：属于集中控制，对中央节点的依赖性大，一旦中心节点有故障就会引起整个网络的瘫痪。2．环型拓扑网络节点通过点到点通信线路连接成闭合环路，如图7-7所示，环中数据将沿一个方向单向传送。图7-7环型拓扑结构网络结构简单，传输延时确定，但是环中某一个节点以及节点与节点之间的通信线路出现故障，都会造成网络瘫痪。环型网络中，网络节点的增加和移动以及环路的维护和管理都比较复杂。3．总线型拓扑网络所有节点共享一条数据通道，如图7-8所示，一个节点发出的信息可以被网络上的每个节点接收。图7-8总线型拓扑结构由于多个节点连接到一条公用信道上，所以必须采取某种方法分配信道，以决定哪个节点可以优先发送数据。优点是：网络结构简单，安装方便，成本低，并且某个站点自身的故障一般不会影响整个网络。缺点是：实时性较差，总线上的故障会导致全网瘫痪。4．树型拓扑网络在树型拓扑结构中，网络的各节点形成了一个层次化的结构，如图7-9所示，树中的各个节点通常都为主机。图7-9树型拓扑结构树中低层主机的功能和应用有关，一般都具有明确定义功能，如数据采集、变换等；高层主机具备通用的功能，以便协调系统的工作，如数据处理、命令执行等。若树型拓扑结构只有两层，就变成了星型结构，因此，树型拓扑结构可以看作是星型拓扑结构的扩展结构。5．网状型拓扑网络节点之间的连接是任意的，没有规律，如图7-10所示。其主要优点是可靠性高，但结构复杂，必须采用路由选择算法和流量控制方法。广域网基本上都是采用网状型拓扑结构。图7-10网状型拓扑结构返回本章首页返回本节首页7.5网络体系结构与协议概述7.5.1网络体系结构的概念网络体系结构是指整个网络系统的逻辑组成和功能分配，定义和描述了一组用于计算机及其通信设施之间互连的标准和规范的集合。研究网络体系结构的目的：定义计算机网络各个组成部分的功能，以便在统一的原则指导下进行网络的设计、建造、使用和发展。7.5.2网络协议的概念网络协议就是为进行网络中的数据通信或数据交换而建立的规则、标准或约定。1.什么是网络协议连网的计算机以及网络设备之间要进行数据与控制信息的成功传递就必须共同遵守网络协议。2.网络协议的三要素语法（Syntax）语法规定了通信双方“如何讲”，即确定用户数据与控制信息的结构与格式。语义（Semantics）语义规定通信的双方准备“讲什么”，即需要发出何种控制信息，完成何种动作以及做出何种应答时序（Timing）时序又可称为“同步”，规定了双方“何时进行通信”，即事件实现顺序的详细说明7.5.3网络协议的分层计算机网络是一个非常复杂的系统，不仅涉及网络硬件设备，还涉及各种各样的软件，所以通信协议必然十分复杂。实践证明，结构化设计方法是解决复杂问题的一种有效手段，其核心思想是：将系统模块化，并按层次组织各模块。1.分层的好处各层之间可相互独立灵活性好，易于实现和维护有利于促进标准化7.5.4OSI参考模型1.OSI参考模型的概念1984年，国际标准化组织（ISO）发表了著名的ISO/IEC7498标准，定义了网络互连的7层框架，这就是开放系统互连参考模型，即OS