计算机网络基础《计算机网络概论》

第1部分 计算机网络概论
〖主要内容〗计算机网络基本概念，计算机网络的发展，计算机网络的组成与功能，
计算机网络分类。

〖教学重点〗计算机网络的发展，资源子网，通信子网。

计算机网络是计算机技术(或信息技术)与通信技术结合的产物。

随着计算机软件和硬件(特别是微电子技术的发展促使芯片价格越来越低)的产生和发展，在计算机应用的过程中，需要对大量复杂的信息进行收集、交换、加工、处理和传输，为了提高计算机应用效率，提供信息处理的有效手段，充分发挥计算机与信息本身的作用，从而引入了通信技术，以便通过通信线路为计算机或终端设备提供收集、交换和传输信息的手段。

1.1 计算机网络的形成与发展
计算机网络从20世纪60年代中期开始发展至今，已形成从小型的办公室局域网到全球性大型广域网的规模，对现代人类的生产、经济、生活等各个方面都产生了巨大的影响。

在当今的信息社会中，人们不断地依靠计算机网络来处理个人和工作上的事务，而这种趋势正在加剧并显示出计算机和计算机网络的强大功能。

计算机网络的形成大致分为四个阶段： 1.1.1 联机终端网络阶段（第一阶段）
20世纪60年代以前，计算机主机昂贵，而通信线路和通信设备的价格相对便宜，为了使用户共享主机宝贵的资源和进行信息的采集及综合处理，网络由此产生了。

1、联机终端控制系统
A 、单点通信线路：终端用户直接共享主机资源 说明：早期计算机功能不强，又十分庞大，主要用于科学计算，为了解决用户要到机房上机的不便，因此在远离计算机的地方设置了远程终端，并在计算机上增加了通信控制功能，经线路连接输送数据进行成批处理，这
样就产生了具有通信功能的主机——单终端系统。

B 、多点通信线路：多个终端用户通过一条通信线路与主机通信 说明：主机——单终端系统减少了用户远程上机的时间，提高了计算机的应用效率。

为了使更多的用户使用主机的资源，提
高通信线路的利用率，采用了多个终端通过一条通信线路或多条线路连接主机，各终端用户分时使用主机资源。

特点：
(1) 通信与数据处理任务全部由主机完成 (2) 主机与终端的关系是支配与被支配的关系 (3) 在联机终端控制
系统中终端仅仅是一个I/O 设备
终端
通信
控制器 集
中器
主机
高速线路
高速线路
低速线路
终端
2、通信控制系统
为了提高通信线路的利用率并减轻主机的负担，将主机的通信处理任务交给专门的设备来处理，这样就构成通信控制系统。

说明：
（1） 通信控制处理机（Communication Control Processor ，CCP ）或称前端处理机（Front End
Processor ，FEP ）：是指在主机前增加的通信设备，主要任务就是完成全部通信任务
（2） 主机专门进行数据处理，通信控制处理器完成全部通信任务
（3） 集中器（Repeater ）：负责终端到主机的数据集中、主机到终端的数据分发 3、主要特点与主要代表
主要特点：用户终端分时共享主机资源
主要代表：60年代初的美国航空公司与IBM 研制的飞机订票系统（SABRE-I ）、1968年投入使用的美国通用电气公司的信息服务系统（GE Information Service ） 1.1.2 分组交换网络阶段（或网络互连阶段）
20世纪60年代，随着计算机技术和通信技术的进步，网络用户不仅可以通过计算机使用本地计算机的软件、硬件与数据资源，也可以通过网络使用其他计算机的软件、硬件与数据资源，以达到计算机资源共享的目的。

这时计算机网络从单处理机联机终端网络系统发展到以多处理机为中心的网络系统。

1. 多主机——多终端连接方式
以多处理机为中心的网络，通过通信线路将多台主机连接起来为用户通过服务。

这种网络的连接页有两种连接形式：
1) 通过通信线路将主机直接连接起来
通过通信线路将主机直接连接起来，主机即要承担数据处理又要承担通信工作。

2) 通过通信线路将CCP 直接连接起来
把通信任务从主机分离出来，设置通信控制处理机CCP ，主机间的通信通过CCP 的中继功能间接进行。

这样网络就可以看成是两个部分组成的。

通信子网：由CCP 组成的传输网络，即由网络中的各种通信设备及只用作信息交换的计算机组成。

资源子网：网络中所有主机构成的网络
● 通信子网为资源子网提供信
息传输服务，资源子网上用户间的通信是建立在通信子网的基础上，两者缺一不可，共同组成了统一的资源共享网络。

● 分组交换网络系统以通信子网为中心，主机和终端构成了用户资源子网。

用户不仅可共享通信子
网的资源，而且还可以共享用户资源子网的硬件和软件资源。

主机
终端
主机
终端
CCP
CCP
CCP
●由图可见，通信子网位于网络的内层，资源资源子网位于网络的外层。

2.ARPANET
1967年初，美国国防部高级研究计划局（ARPA）着手于计算机联网的课题，同年7月正式公布了研究计划，1969年12月，ARPA和十几个计算机中心一起研制出了ARPANET网，该网的目的是将若干大学（最初是4个）、科研机构和公司的多台计算机连接起来，实现资源共享。

ARPANET建立和发展，促使了Internet的产生，因此被称为Internet的前身。

“分组交换”的概念最初是由巴兰（Baran）于1964年8月在美国兰德（Rand）公司的“论分布式通信”的研究报告中提出的。

1966年6月，ARPA与英国国家物理实验室NPL的戴维斯（Davis）对上述通过通信线路将通信控制处理器CCP连接起来所构成的新型网络进行研究，提出了“分组”（又称为包交换）概念，奠定了现代网络系统基础。

ARPANET是第一个较为完善地实现分布式资源共享的网络，为计算机网络的发展奠定了根基，是计算机网络理论与技术发展的重要里程碑。

它的出现，不仅标志着计算机网络的诞生，而且使计算机网络处于大发展的阶段。

ARPANET对计算机网络的贡献主要有如下：
●网络的构成：资源子网和通信子网
●用NOS实现资源共享
●具有完备的路由选择和流量控制
●实现了层次结构的网络协议
3、主要特点与主要代表
主要特点：以通信子网为中心，采用了分组交换技术
主要代表：美国国防部的ARPANET
1.1.3OSI标准网络阶段（第三阶段）
分组交换技术发展，硬件价格下降、功能增加，导致计算机特别是微型机的广泛使用，为了相互传递文件和数据以实现小范围的资源共享，要求将这些计算机在近距离内连成网络，局域网从而产生和发展。

局域网的突飞猛进发展促使网络产品的开发，各大公司制定了自己的网络技术标准，这样局域网标准的不统一反而阻碍了局域网的发展。

1977年国际标准化组织ISO制定了OSI标准（开放系统互联参考模型OSI/RM），规定互联的计算机系统之间的通信协议应符合OSI标准网络，即开放系统。

主要特点：异类计算机通过通信协议连接成网络
主要代表：局域网LAN
1.1.4国际互联网Internet和高速网络阶段（第四阶段）
美国国防部的ARPANET网络成功应用使互联的计算机数目越来越多，也使人们认识到计算机网络的重要性，1986年美国国家科学基金会NSF建立了国家科学基金网NSFNET，从而进一步加速了国际互联网Internet的发展。

在Internet中人们通过WWW浏览器进行查询和浏览、发送电子邮件、文件传输、网络新闻、资源共享等等。

在Internet发展的同时，高速网络也得到了迅速发展，主要表现在宽带综合业务数据网B-ISDN、高速局域网、交换局域网及虚拟网络VLAN。

这个阶段的最热门的话题就是Internet和异步传输模式ATM 技术。

Internet，Intranet与Extranet和电子商务已经成为企业网研究与应用的热点。

主要特点：利用路由器实现局域网和广域网间的互连
主要代表：国际互联网Internet、企业网Intranet和外联网Extranet
注：关于计算机网络阶段的划分的年代如下：第一阶段：20世纪50年代；第二阶段：20世纪60年代；第三阶段：20世纪70年代中期；第四阶段：20世纪90年代。

1.2计算机网络的定义与功能
1.2.1计算机网络的定义
关于计算机网络定义有三种观点：广义的观点（定义了计算机通信网络）、用户透明性观点（定义了计算机分布式系统）和资源共享观点（比较准确的网络定义）。

计算机网络：是指“利用通信设备和线路，将分布在地理位置不同的、功能独立的具有“自治计算机”连接起来，以功能完善的网络软件（网络通信协议及网络操作系统等）实现网络资源共享和信息传递的大系统。

”
关于计算机网络概念应掌握三大要点：网络的主要目的——资源共享、地理位置分布不同的具有“自治的”计算机、联网的网络通信协议
注：计算机网络的判断的关键在于判断计算机是不是独立的自治计算机，即不存在主从关系，如多媒体广播系统就不是计算机网络，因为教师可以控制学生的计算机；同样一台带有多个远程终端或远程打印机的系统也不是计算机网络。

1.2.2计算机网络的功能（或目标）
资源共享、提高系统的可靠性、分布式网络数据处理、系统负载均衡、数据交换和通信、节省投资
1.2.3计算机网络的特点
1.计算机之间数据易于交换
2.各计算机具有相对独立性
3.建网周期短、见效快
4.用户使用简单
5.易于分布处理
6.系统灵活性、适应性强
说明：
1、计算机网络的资源共享
计算机网络资源：硬件、软件、数据（和通信信道）
硬件资源共享是指网络用户对网络系统中的各种硬件资源的共享，如主机、外存和I/O设备
软件资源共享是指网络用户对网络系统中的各种软件资源的共享，如各种应用软件、工具软件、语言处理软件等
数据资源共享是指网络用户对网络系统中的各种数据资源的共享
通信信道的共享方式包括固定分配信道（是把一个物理的通信信道划分出多个逻辑上存在的子信道，每一对用户独占系统固定分配的各自子信道）、随机分配信道（是把一个物理上的通信信道划分出子信道，每对用户在进行通信时先向系统提出申请，系统将会分配当前空闲的子信道，用户通信完毕时要释放即归还所占用信道的使用权，从而实现多对用户共享一条通信信道）和排队分配信道（将用户发出的数据划分为一定长度的数据单元，然后送到网络节点的排队缓冲区队列中，系统按先来先服务的原则进行通信服务。

这样每对用户是在一段一段的使用部分通信信道，形成存储、转发的一系列过程）。

例1：硬件资源共享的方式是指 A （共享后双方可以使用对方的资源，还有结果）
A 、
B 、
C 、
D 、
例2：软件资源共享的方式是指 D （软件共享前通常要安装，共享的目的是为了软件执行结果） 例3：数据资源共享的方式是指 B （数据共享通常是获取对方的数据资源） 2、计算机网络与分布式计算机系统的区别
分布式计算机系统是计算机网络发展的高级阶段，它是在分布式计算机操作系统支持下，进行分布式数据处理和各计算机之间的并行计算工作，也就是说各互连的计算机可以互相协调工作，共同完成一项任务，一个大型程序可以分布在多个计算机上并行运行。

分布式计算机系统是以全局方式管理系统资源，能自动为用户任务调度网络资源，根据用户任务的要求在系统中选择最合适的处理器，将用户所需要的文件自动传送到该处理器，在处理器完成计算后，再将结果传送给用户。

共同点：物理结构上基本相同（分布式系统建立在网络之上）
不同点：两者在设计思想、结构、工作方式与功能是不同的，即高层软件上的不同，或者说OS 不同。

1.3 计算机网络的组成
1.3.2 计算机网络的软件
网络协议软件：实现网络协议功能，如TCP/IP 、IPX/SPX 等 网络通信软件：用于实现网络中各种设备之间进行通信的软件
网络操作系统：实现系统资源共享，管理用户的不同访问，如NT 、NetWare 、Unix 网络管理软件：用来对网络资源进行管理以及对网络进行维护 网络应用软件：网络用户在网络上解决实际问题的软件
网络软件最重要特征是如何实现网络特有的功能，而不是网络中各个独立的计算机本身的功能。

1.4 计算机网络的分类
计算机网络的分类方法是多种多样的，最主要的两种方法是：
● 根据网络的覆盖范围和规模分类 ● 根据网络所使用的传输技术分类
共享前
S,D S,D H 1 H 2
H 1 H 2 共享前 S D H 1 H 2 1 2 共享前
D S H 1 H 2 共享后
S,D S 1 2
H 1 H 2 H 1 H 2
1.4.1按网络的覆盖范围划分
1、局域网LAN：几十米至数公里范围内计算机通过高速线路相连组成的网络，其基本组成是：服务器（LAN核心）、工作站、网络设备和通信介质
2、城域网WAN：几十公里至数百公里范围内计算机通过高速线路相连组成的网络
城域网MAN介于广域网与局域网之间的一种高速网络。

各种城域网建设方案(如使用光纤分布式数据接口FDDI)有几个相同点：传输介质采用光纤，交换接点采用基于IP交换的高速路由交换机或ATM交换机，在体系结构上采用核心交换层、业务汇聚层与接入层三层模式。

说明：局域网与城域网有时难以区分，区分的标准仍是地理位置的分布，如组成校园网的各计算机若分布在一个校园区内则是局域网；若分布在一个城市内的不同地理位置则是城域网。

3、广域网WAN（远程网）：数百公里至数千或数万公里范围内计算机通过高速线路相连组成的网络
广域网（远程网）以下特点：
(1)适应大容量与突发性通信的要求。

(2)适应综合业务服务的要求。

(3)开放的设备接口与规范化的协议。

(4)完善的通信服务与网络管理。

X.25网是一种典型的公用分组交换网，也是早期广域网中广泛使用的一种通信子网。

1.4.2按网络的传输技术划分
1、广播式网络：网络上所有计算机共享仅有的一条通信信道，接收信道上传送的分组或数据包，将自己的地址与分组中的目的地址进行比较，再作相应的处理（处理或丢弃）（分组存储转发方式）。

有两种方式：单播（单点广播）和多播（多点广播）
2、点到点网络：两台计算机通过一条物理线路（如：RS232的连接、调制解调器连接）连接成网络，数据广播要考虑如何选择最佳路径即路由选择。

分组存储转发与路由选择是广播式网络、点到点网络的主要区别
1.4.3按网络的使用范围划分
1、公用网：由电信部门组建、管理和控制供内部各个单位或部门使用传输和交换装置的网络。

如：公共电话交换网PSTN、数字数据网DDN、综合业务数字网ISDN
2、专用网：由租用电信部门的传输线路或自己铺设线路而建立的只允许内部使用的网络。

如：金融、铁路、石油的专用网
1.4.4按传输介质分类
1、有线网：指采用双绞线、同轴电缆以及光纤作为传输介质的计算机网络。

2、无线网：指使用电磁波作为传输介质的计算机网络。

如：无线电话网、语音广播网、无线电视网、微波通信网、卫星通信网
1.4.5按企业和公司管理分类
1、内联网（Intranet）：指企业的内部网，是由企业内部原有的各种网络环境和软件平台组成的计算机网络。

采用TCP/IP通信协议，利用WWW技术以Web模型作为标准平台
2、外联网（Extranet）：是指扩展连接到与自己相关的其他企业网的计算机网络。

采用Internet技术，建立自己的WWW服务器，安装防火墙将内联网与Internet隔开以保证企业内部信息的安全。

3、国际互联网（Internet）：
1.4.6 按通信速率划分
低速网、中速网和高速网 1.4.7 按数据交换方式划分
直接交换网、存储转发交换网和混合交换网 1.4.8 按通信性能划分
资源共享计算机网、分布式计算机网和远程通信网 1.4.9 按配置划分
同类网、单服务器网和混合网 1.4.10 按数据组织方式划分
分布式数据组织网络系统、集中式数据组织网络系统 1.5 计算机网络的拓扑结构
计算机网络的拓扑结构就是将主机和终端抽象为点，将通信介质抽象为线，形成反映各实体间关系的点和线组成的结构图形。

1.5.1 局域网的拓扑结构
计算机的网络常用的拓扑结构有五种，它是组建网络时所要考虑的第一步，换句话说就是建立网络的最根本的基础，在局域网中，最常用的拓扑结构是星型和总线型两种，而网状型拓扑结构是广域网及Internet 的拓扑结构。

如果从计算机网络的构成来看，拓扑结构就是通信子网的拓扑构型。

1、 星型拓扑网络
优点：易增加结点、实现数据安全和优先级控制、实现网络监控（说明结点概念）
缺点：对中心结点依赖性大，中心结点一旦出现故障会导致整个网络瘫痪 2、 总线型拓扑网络
优点：结构简单、成本低，安装方便，易实现扩展，某个结点故障不会影响整个网络
缺点：实时性差，总线上任一点故障会导致整个网络瘫痪 3、 环型拓扑网络
优点：数据沿固定方向逐点传输（固定的单向流动），网络结构简单，传输延时确定 缺点：环中结点故障会导致整个网络瘫痪 4、 树型拓扑网络
使用了层次化的结构，采用分级集中式，网络层次不宜过多 5、 网状型拓扑网络
结
逐
点传输
优点：可靠性高
缺点：结构复杂，须采用路由选择算法和流量控制方法
广域网基本采用网状拓扑结构
1.5.2广域网的拓扑结构
集中式拓扑结构、分散式拓扑结构、分布式拓扑结构、不规则拓扑结构、全互连拓扑结构
1.6标准化组织（参见P:14～15）
1.国际标准化组织ISO
ISO是一个全球性的非政府组织，成立于1947年
宗旨是促进全球范围内的标准化及其有关活动的开展。

主要活动是制定国际标准、协调世界范围内的标准化。

制定过程经过四个阶段，工作草案（WD）、建议草案（DP）、国际标准草案（DIS）和国际标准（IS）2.国际电信联盟ITU
ITU成立于1932年，其前身为国际电报联合会UTI。

宗旨是维持和扩大国际合作，以改进和合理地使用共享资源；促进技术实施的发展及其有效地使用，以提高电信业务的效率，扩大技术实施的用途；帮助发展中国家大力发展电信事业；管理无线电频带的分配与注册，避免各国电台的互相干扰。

ITU有四个常设机构：总秘书处、国际频率注册委员会、国际无线电咨询委员会和国际电报电话咨询委员会。

3.电气和电子工程师协会IEEE
IEEE是1963年美国电气工程师学会（AIEE）和美国无线电工程师学会（IRE）合并而成的，是世界上最大的专业组织。

主要工作是开放通信和网络标准，其制定的关于局域网的标准IEEE 802系列已经成为当今局域网的主要标准。

4.美国国家标准学会ANSI
ANSI是美国在ISO的代表，但它是一个私人的非政府非赢利组织
ANSI的研究范围与ISO相对应，主要致力于国际标准化事业和实现消费品方面的标准化。

如美国电子工业协会EIA就是它的成员之一，主要涉及ISO的物理层标准；电子和电气工程师学会IEEE也是它的成员，主要涉及ISO的低两层和局域网标准。