第1章计算机网络的基本概念 第1章计算机网络的基本概念 基本要求：掌握计算机网络的定义和分类，掌握计算机网络的拓扑结构：理解计算机 网络的组成：了解计算机网络的发展过程：了解计算机网络的功能与应用。 本章难点：计算机网络的拓扑结构 教学时数与实验：45学时，无实验 自上个世纪60年代计算机网络问世以来，计算机网络已经深入到我们人类工作、学习 和生活的方方面面。相信绝大多数同学们在学习这门课程以前都有过上网的感受或体验。 在家中，我们可以通过“猫”、ADL调制解调器以电话线方式或通过网卡以LAN方式连接到 因特网中，享受因特网所提供的多种多样的服务，如WWW浏览、FTP文件下载或上传、BBS 公告板、网上聊天、发送或接收电子邮件、网络游戏等等，这些服务不仅拓展了我们获取 信息、与他人交流的渠道，也丰富了我们的生活、工作、学习和娱乐方式。事实上，我们 不仅在家中，我们在学校、在单位、在企业或公司、甚至在一些公共场所也都可以实现对 因特网的访问：同样，我们不仅在因特网上可以获得多种网络服务，在其他的许多地方也 都可以感受到各种网络应用的存在，如超市、银行、医院、企业和政府部门等。总之，网 络与网络应用无处不在，以至于我们己经将其视为我们社会生活的一个不可缺少的部分。 那么到底什么是计算机网络呢？网络通信以及网络上的应用是如何被实现的呢？这就是我 们在该门课程中所要关注和研究的问题。而且这个问题是如此复杂和有意思，我们将要在 多个章节中将其分成若干主题进行探讨。本章我们先来学习有关计算机网络的一些基本概 念。 1.1计算机网络的定义 在给出计算机网络的定义之前，我们先来回顾一下大家早己非常熟悉的所谓“网络” 的概念。“网络”通常是指为了达到某种目标而以某种方式联系或组合在一起的对象或物体 的集合。如我们日常生活中四通八达的交通系统、供水或供电系统、邮政系统等都是某种 形式的网络。那么什么是计算机网络呢？ 计算机网络是指将地理位置不同且功能相对独立的多个计算机系统通过通信线路相互 连在一起、由专门的网络操作系统进行管理，以实现资源共享的系统。 “地理位置不同”是指计算机网络中的计算机通常都处于不同的地理位置。例如，当 同学们通过因特网访问网络服务时，被访问的主机在地理上往往是不可见的，不仅如此， 这个主机还可能与同学们位于不同的城市、省份乃至不同的国家。事实上，在绝大部分情
第 1 章 计算机网络的基本概念 1 第 1 章 计算机网络的基本概念 基本要求：掌握计算机网络的定义和分类，掌握计算机网络的拓扑结构；理解计算机 网络的组成；了解计算机网络的发展过程；了解计算机网络的功能与应用。 本章难点：计算机网络的拓扑结构 教学时数与实验：4-5 学时，无实验。 自上个世纪 60 年代计算机网络问世以来，计算机网络已经深入到我们人类工作、学习 和生活的方方面面。相信绝大多数同学们在学习这门课程以前都有过上网的感受或体验。 在家中，我们可以通过“猫”、ADSL 调制解调器以电话线方式或通过网卡以 LAN 方式连接到 因特网中，享受因特网所提供的多种多样的服务，如 WWW 浏览、FTP 文件下载或上传、BBS 公告板、网上聊天、发送或接收电子邮件、网络游戏等等，这些服务不仅拓展了我们获取 信息、与他人交流的渠道，也丰富了我们的生活、工作、学习和娱乐方式。事实上，我们 不仅在家中，我们在学校、在单位、在企业或公司、甚至在一些公共场所也都可以实现对 因特网的访问；同样，我们不仅在因特网上可以获得多种网络服务，在其他的许多地方也 都可以感受到各种网络应用的存在，如超市、银行、医院、企业和政府部门等。总之，网 络与网络应用无处不在，以至于我们已经将其视为我们社会生活的一个不可缺少的部分。 那么到底什么是计算机网络呢？网络通信以及网络上的应用是如何被实现的呢？这就是我 们在该门课程中所要关注和研究的问题。而且这个问题是如此复杂和有意思，我们将要在 多个章节中将其分成若干主题进行探讨。本章我们先来学习有关计算机网络的一些基本概 念。 1.1 计算机网络的定义 在给出计算机网络的定义之前，我们先来回顾一下大家早已非常熟悉的所谓“网络” 的概念。“网络”通常是指为了达到某种目标而以某种方式联系或组合在一起的对象或物体 的集合。如我们日常生活中四通八达的交通系统、供水或供电系统、邮政系统等都是某种 形式的网络。那么什么是计算机网络呢？ 计算机网络是指将地理位置不同且功能相对独立的多个计算机系统通过通信线路相互 连在一起、由专门的网络操作系统进行管理，以实现资源共享的系统。 “地理位置不同”是指计算机网络中的计算机通常都处于不同的地理位置。例如，当 同学们通过因特网访问网络服务时，被访问的主机在地理上往往是不可见的，不仅如此， 这个主机还可能与同学们位于不同的城市、省份乃至不同的国家。事实上，在绝大部分情
计算机网络技术 况下大家甚至不知道也不需要知道它所处的确切位置。正是地理位置分布性所形成的空间 障碍，才成了我们以组建计算机网络的方式来实现资源共享的原始驱动因素。 “功能相对独立”是指相互连接的计算机之间不存在互为依赖的关系。作为各自独立 的计算机系统，它们具有各自独立的软件和硬件，任何一台计算机都可以脱离网络和网络 中的其他计算机独立工作。例如，同学们家里用于上网的计算机既可以连在网上使用，也 可以脱离网络以单机方式运行。 当这些地理位置不同计算机组成计算机网络时，必须通过通信线路将它们互连起来。 通信线路由通信介质和通信控制设备组成。但是，单纯依靠计算机之间的物理连接是远远 不够的，为了在这些功能相对独立的计算机之间实现有效的资源共享，还必须提供具备网 络软、硬件资源管理功能的系统软件，这种系统软件就是网络操作系统。 组建计算机网络的根本目的是为了实现资源共享。这里的资源既包括计算机网络中的 硬件资源，如磁盘空间、打印机，绘图仪等，也包括软件资源，如程序、数据等。 1.2计算机网络的发展过程 尽管我们在上面给计算机网络下了一个较严格的定义，但是处于发展初级阶段的计算 机网络并不具备上述定义中所提到的各个限定条件。计算机网络从问世至今已经有半个世 纪的时间，其间历经了四个发展阶段，即初级阶段、计算机-计算机网络阶段、标准或开放 的计算机网络阶段和高速、智能化的计算机网络阶段。 1.2.1计算机网络的初级阶段 在上个世纪50年代，由于计算机的造价昂贵，所以计算机资源匮乏且放置集中。需要 使用计算机的用户必须亲自携带程序，到放置计算机的机房进行手工操作，这为用户使用 计算机带来了极大的不便。而具有收发功能的终端机(terminal)的出现解决了这一问题， 人们通过通信线路将计算机与终端相连，通过终端进行数据的发送和接收，这种“终端一通 信线路-计算机”的模式被称为远程联机系统，由此开始了计算机和通信技术相结合的年代， 远程联机系统就被称为第一代计算机网络， 如图1.1所示，远程联机系统为了适应多台终端与一台计算机相连的情况，通常在计 算机与终端间加入了多重线路控制器。但是当终端数增加时，该系统会产生明显的缺陷， 一是数据处理性能下降。计算机不仅要完成数据处理工作，还要承担终端和计算机之间的 通信工作，随着接入计算机的终端的不断增加，大量的通信任务会大大降低计算机的数据 处理效率：二是线路浪费大。由于该系统中每个终端都单独使用一条线路与计算机相连， 导致线路利用率很低
2 计算机网络技术 况下大家甚至不知道也不需要知道它所处的确切位置。正是地理位置分布性所形成的空间 障碍，才成了我们以组建计算机网络的方式来实现资源共享的原始驱动因素。 “功能相对独立”是指相互连接的计算机之间不存在互为依赖的关系。作为各自独立 的计算机系统，它们具有各自独立的软件和硬件，任何一台计算机都可以脱离网络和网络 中的其他计算机独立工作。例如，同学们家里用于上网的计算机既可以连在网上使用，也 可以脱离网络以单机方式运行。 当这些地理位置不同计算机组成计算机网络时，必须通过通信线路将它们互连起来。 通信线路由通信介质和通信控制设备组成。但是，单纯依靠计算机之间的物理连接是远远 不够的，为了在这些功能相对独立的计算机之间实现有效的资源共享，还必须提供具备网 络软、硬件资源管理功能的系统软件，这种系统软件就是网络操作系统。 组建计算机网络的根本目的是为了实现资源共享。这里的资源既包括计算机网络中的 硬件资源，如磁盘空间、打印机，绘图仪等，也包括软件资源，如程序、数据等。 1.2 计算机网络的发展过程 尽管我们在上面给计算机网络下了一个较严格的定义，但是处于发展初级阶段的计算 机网络并不具备上述定义中所提到的各个限定条件。计算机网络从问世至今已经有半个世 纪的时间，其间历经了四个发展阶段，即初级阶段、计算机-计算机网络阶段、标准或开放 的计算机网络阶段和高速、智能化的计算机网络阶段。 1.2.1 计算机网络的初级阶段 在上个世纪 50 年代，由于计算机的造价昂贵，所以计算机资源匮乏且放置集中。需要 使用计算机的用户必须亲自携带程序，到放置计算机的机房进行手工操作，这为用户使用 计算机带来了极大的不便。而具有收发功能的终端机(terminal)的出现解决了这一问题， 人们通过通信线路将计算机与终端相连，通过终端进行数据的发送和接收，这种“终端-通 信线路-计算机”的模式被称为远程联机系统，由此开始了计算机和通信技术相结合的年代， 远程联机系统就被称为第一代计算机网络。 如图 1.1 所示，远程联机系统为了适应多台终端与一台计算机相连的情况，通常在计 算机与终端间加入了多重线路控制器。但是当终端数增加时，该系统会产生明显的缺陷， 一是数据处理性能下降。计算机不仅要完成数据处理工作，还要承担终端和计算机之间的 通信工作，随着接入计算机的终端的不断增加，大量的通信任务会大大降低计算机的数据 处理效率；二是线路浪费大。由于该系统中每个终端都单独使用一条线路与计算机相连， 导致线路利用率很低
第1章计算机网铬的基本概念 公用电话网 T 计算机 入 M:MODEM T:Terminal 图1.】具有多重线路控制器的计算机网络 为了解决上述性能方面的问题，出现了采用前端机(FEP:front--end processor)和线 路集中器的远程联机系统，如图1.2所示。前端机被用来专门处理通信任务，从而将计算 机解放出来专门用于处理数据。这样既增加了通信的可靠性，又提高了数据处理的效率。 远程联机系统的结构特点是单主机多终端，所以从严格意义上讲，并不属于计算机网 络范畴。 公用电话网 计算机 12采用前端机和集线器的计算机网络 1.2.2计算机-计算机网络阶段 远程联机系统发展到一定的阶段，计算机的用户希望使用其他计算机系统的资源。同 时，拥有多台计算机的大企业也希望各计算机之间可以进行信息的传输与交换。于是在20 世纪60年代出现了以实现“资源共享”为目的的多计算机互连的形态。在这个阶段，对整 个系统的通信可靠性和准确性提出了更高的要求。系统中采用在计算机和线路之间设置通 信控制处理机(CCP:communication control processor)的方式来提高系统性能，如图1.3 所示。 这一阶段结构上的主要特点是：以通信子网为中心，多主机多终端。1969年在美国建 成的ARPAnet是这一阶段的代表。在ARPAnet上首先实现了以资源共享为目的不同计算机 互连的网络，它奠定了计算机网络技术的基础，成为今天因特网的前身
第 1 章 计算机网络的基本概念 3 计算机 多重线路 控制器 M M M M M M 公用电话网 T T T M:MODEM T:Terminal 图 1.1 具有多重线路控制器的计算机网络 为了解决上述性能方面的问题，出现了采用前端机(FEP：front-end processor)和线 路集中器的远程联机系统，如图 1.2 所示。前端机被用来专门处理通信任务，从而将计算 机解放出来专门用于处理数据。这样既增加了通信的可靠性，又提高了数据处理的效率。 远程联机系统的结构特点是单主机多终端，所以从严格意义上讲，并不属于计算机网 络范畴。 计算机 F E P M M M M M M 公用电话网 T T T T 集线器 1.2 采用前端机和集线器的计算机网络 1.2.2 计算机-计算机网络阶段 远程联机系统发展到一定的阶段，计算机的用户希望使用其他计算机系统的资源。同 时，拥有多台计算机的大企业也希望各计算机之间可以进行信息的传输与交换。于是在 20 世纪 60 年代出现了以实现“资源共享”为目的的多计算机互连的形态。在这个阶段，对整 个系统的通信可靠性和准确性提出了更高的要求。系统中采用在计算机和线路之间设置通 信控制处理机(CCP：communication control processor)的方式来提高系统性能，如图 1.3 所示。 这一阶段结构上的主要特点是：以通信子网为中心，多主机多终端。1969 年在美国建 成的 ARPAnet 是这一阶段的代表。在 ARPAnet 上首先实现了以资源共享为目的不同计算机 互连的网络，它奠定了计算机网络技术的基础，成为今天因特网的前身
计算机网络技术 H 资源子网 H T CCP 回 H CCP CCP 通信子网 T T CCP 主机 H minal终端 H CCP:通信控制处理机 图13具有通信子网的计算机网络 1.2.3标准、开放的计算机网络阶段 上个世纪6O年代末ARPAnet的成功运用极大地刺激了各计算机公司对网络的热衷，自 70年代中期开始，各大公司在宣布各自网络产品的同时，也公布了各自采用的网络体系结 构标准，提出成套设计网络产品的概念。例如，IBM公司于1974年率先提出了“系统网络 体系结构”(SNA),DEC公司于1975公布“分布网络体系结构”(DNA),JNIVAC公司则于 1976年提出了“分布式通信网络体系结构”(DCA)。 这个时期，不断出现的各种网络虽然极大地推动了计算机网络的应用，但是众多不同 的专用网络体系标准给不同网络间的互连带来了很大的不便。鉴于这种情况，国际标准化 组织(IS0)于1977年成立了专门的机构从事“开放系统互连”问题的研究，目的是设计 一个标准的网络体系模型。1984年I$0颁布了“开放系统互连基本参考模型”，这个模型通 常被称作OSI参考模型。只有标准的才是开放的，0SI参考模型的提出引导着计算机网络走 向开放的标准化的道路，同时也标志着计算机网络的发展步入了成熟的阶段。 1.2.4高速、智能的计算机网络阶段 近年来，随着通信技术，尤其是光纤通信技术的发展，计算机网络技术得到了迅猛的 发展。光纤作为一种高速率、高带宽、高可靠性的传输介质在各国的信息基础建设中被逐 渐广泛使用，这为建立高速的网络铺垫了基础。千兆乃至万兆传输速率的以太网已经被越 来越多地用于局域网和城域网中，而基于光纤的广域网链路的主干带宽也己达到10G数量 级。网络带宽的不断提高，更加刺激了网络应用的多样化和复杂化，多媒体应用在计算机 网络中所占的份额越来越高，同时，用户不仅对网络的传输带宽提出越来越高的要求，对 网络的可靠性、安全性和可用性等也提出了新的要求。为了向用户提供更高的网络服务质 量，网络管理也逐渐进入了智能化阶段，包括网络的配置管理、故障管理、计费管理、性 能管理和安全管理等在内的网络管理任务都可以通过智能化程度很高的网络管理软件来实
4 计算机网络技术 C C P 通信子网 C C P C C P C C P C C P H T H H H T T T H 资源子网 H: HOST 主机 T: Terminal 终端 CCP: 通信控制处理机 图 1.3 具有通信子网的计算机网络 1.2.3 标准、开放的计算机网络阶段 上个世纪 60 年代末 ARPAnet 的成功运用极大地刺激了各计算机公司对网络的热衷，自 70 年代中期开始，各大公司在宣布各自网络产品的同时，也公布了各自采用的网络体系结 构标准，提出成套设计网络产品的概念。例如，IBM 公司于 1974 年率先提出了“系统网络 体系结构”(SNA)，DEC 公司于 1975 公布 “分布网络体系结构”(DNA)，UNIVAC 公司则于 1976 年提出了“分布式通信网络体系结构”(DCA)。 这个时期，不断出现的各种网络虽然极大地推动了计算机网络的应用，但是众多不同 的专用网络体系标准给不同网络间的互连带来了很大的不便。鉴于这种情况，国际标准化 组织（ISO）于 1977 年成立了专门的机构从事“开放系统互连”问题的研究，目的是设计 一个标准的网络体系模型。1984 年 ISO 颁布了“开放系统互连基本参考模型”，这个模型通 常被称作 OSI 参考模型。只有标准的才是开放的，OSI 参考模型的提出引导着计算机网络走 向开放的标准化的道路，同时也标志着计算机网络的发展步入了成熟的阶段。 1.2.4 高速、智能的计算机网络阶段 近年来，随着通信技术，尤其是光纤通信技术的发展，计算机网络技术得到了迅猛的 发展。光纤作为一种高速率、高带宽、高可靠性的传输介质在各国的信息基础建设中被逐 渐广泛使用，这为建立高速的网络铺垫了基础。千兆乃至万兆传输速率的以太网已经被越 来越多地用于局域网和城域网中，而基于光纤的广域网链路的主干带宽也已达到 10G 数量 级。网络带宽的不断提高，更加刺激了网络应用的多样化和复杂化，多媒体应用在计算机 网络中所占的份额越来越高，同时，用户不仅对网络的传输带宽提出越来越高的要求，对 网络的可靠性、安全性和可用性等也提出了新的要求。为了向用户提供更高的网络服务质 量，网络管理也逐渐进入了智能化阶段，包括网络的配置管理、故障管理、计费管理、性 能管理和安全管理等在内的网络管理任务都可以通过智能化程度很高的网络管理软件来实
第1章计算机网络的基本概念 现。计算机网络已经进入了高速、智能的发展阶段。 1.3计算机网络的分类 当我们研究一些较为复杂的对象或问题时，常常会采用分门别类的方法来突出被研究 对象或问题的某些特性，并且当我们关注的焦点不同时，我们会采用不同的分类标准。伤例 如，我们对学生进行分类时，可能会根据不同的需要分别按性别、年龄或者成绩、班级等 不同方法进行分类。同样地，计算机网络的分类也存在多种不同的标准或方法。 1.3.1常见计算机网络分类的方法 在计算机网络的研究中，常见的分类方法有以下几种： ·按通信所使用的介质分为有线网络和无线网络。所谓有线网络，是指采用有形的 传输介质如铜缆、光纤等组建的网络：而使用微波、红外线等无线传输介质作为 通信线路的网络就属于无线网络。 按使用网络的对象分为公众网络和专用网络。公众网络是指开放用于为公众提供 网络服务的网络，如Internet:而专用网络是指专门为特定的部门或应用而设计 的网络，如银行系统的网络。 ·按网络传输技术分为广播式网络和点到点式网络。所谓广播式网络(broadcast network)是指网络中所有的计算机共享一条通信信道。广播式的网络在通信时具 备两个特点，一是任何一台计算机发出的消息都能够被其他连结到这条总线上的 计算机收到：二是任何时间内只允许一个结点使用信道。而在点到点网络 (point--to-point network)中，由一条通信线路连结两台设备，为了能从源端 到达目的端，这种网络上的数据可能需要经过一台或多台中间设备。图1.4给出 了广播式网络和点到点网络的示例。 ●按照网络传输速度的高低将计算机网络分为低速网络和高速网络等。 ·按地理覆盖范围，将网络划分为广域网、城域网和局域网。 点到点网络 广播式网络 图1.4点到点网络和广播式网络的示例
第 1 章 计算机网络的基本概念 5 现。计算机网络已经进入了高速、智能的发展阶段。 1.3 计算机网络的分类 当我们研究一些较为复杂的对象或问题时，常常会采用分门别类的方法来突出被研究 对象或问题的某些特性，并且当我们关注的焦点不同时，我们会采用不同的分类标准。例 如，我们对学生进行分类时，可能会根据不同的需要分别按性别、年龄或者成绩、班级等 不同方法进行分类。同样地，计算机网络的分类也存在多种不同的标准或方法。 1.3.1 常见计算机网络分类的方法 在计算机网络的研究中，常见的分类方法有以下几种： z 按通信所使用的介质分为有线网络和无线网络。所谓有线网络，是指采用有形的 传输介质如铜缆、光纤等组建的网络；而使用微波、红外线等无线传输介质作为 通信线路的网络就属于无线网络。 z 按使用网络的对象分为公众网络和专用网络。公众网络是指开放用于为公众提供 网络服务的网络，如 Internet；而专用网络是指专门为特定的部门或应用而设计 的网络，如银行系统的网络。 z 按网络传输技术分为广播式网络和点到点式网络。所谓广播式网络（broadcast network）是指网络中所有的计算机共享一条通信信道。广播式的网络在通信时具 备两个特点，一是任何一台计算机发出的消息都能够被其他连结到这条总线上的 计算机收到；二是任何时间内只允许一个结点使用信道。而在点到点网络 （point-to-point network）中，由一条通信线路连结两台设备，为了能从源端 到达目的端，这种网络上的数据可能需要经过一台或多台中间设备。图 1.４给出 了广播式网络和点到点网络的示例。 z 按照网络传输速度的高低将计算机网络分为低速网络和高速网络等。 z 按地理覆盖范围，将网络划分为广域网、城域网和局域网。 点到点网络 广播式网络 图 1.4 点到点网络和广播式网络的示例