第一篇 基础篇
第一篇 基 础 篇
第一章计算机网络概论 人类社会在经历了农业社会和工业社会之后,已经进入到信息社会的知识经济时代。20 世纪下半叶的发展进程,揭示了信息社会的基础设施是计算机、通信和网络。当前,计算机 网络技术迅速发展和 Internet的普及,使人们更深刻地体会到了无所不在的计算机网络,计 算机网络已对人们的日常生活、工作甚至思想产生了较大的影响。在这一章中,我们先了解 下计算机网络的基础知识。 1.1计算机网络的基本概念 1.1.1计算机网络的定义 什么是计算机网络?多年来并没有一个严格的定义。人们从不同的角度对它提出了不同 的定义,这些定义归纳起来,可以分为三类 从计算机与通信技术相结合的观点出发,人们把计算机网络定义为“以计算机之间传输 信息为目的而连接起来,实现远程信息处理并进一步达到资源共享的系统”。20世纪60年代 初,人们借助于通信线路将计算机与远方的终端连接起来,形成了具有通信功能的终端 计算机网络系统,首次实现了通信技术与计算机技术的结合。人们把按照这种观点定义的计 算机网络称为“计算机通信网络 从强调资源共享的观点出发,计算机网络是“把地理上分散的资源,以能够相互共享资 源(硬件、软件和数据)的方式连接起来,并且各自具备独立功能的计算机系统之集合体”。 这种定义由美国信息处理学会联合会在1970年春天举行的联合会议上提出来的,以后在有关 文献中被广为引用 从物理结构上看,计算机网络又可定义为“在协议控制下,由若干计算机、终端设备、 数据传输和通信控制处理机等组成的集合 综合上述观点,我们把计算机网络定义为:凡是将分布在不同地理位置并具有独立功能的多 台计算机,通过通信设备和线路连接起来,在功能完善的网络软件(网络协议及网络操作系 统等)支持下,以实现网络资源共享和数据传输为目的的系统,称为计算机网络 我们可以从以下三个方面理解计算机网络的概念。 1.计算机网络是一个多机系统。两台以上的计算机互连才能构成网络,这里的计算机 可以是微机、小型机和大型机等各种类型的计算机,并且每台计算机具有独立功能,即某台 计算机发生故障,不会影响整个网络或其他计算机 2.计算机网络是一个互连系统。互连是通过通信设备和通信线路实现的,通信线路可 以是双绞线、电话线、同轴电缆、光纤等“有形”介质,也可以是微波或卫星信道等“无形 介质
第一章 计算机网络概论 人类社会在经历了农业社会和工业社会之后，已经进入到信息社会的知识经济时代。20 世纪下半叶的发展进程，揭示了信息社会的基础设施是计算机、通信和网络。当前，计算机 网络技术迅速发展和 Internet 的普及，使人们更深刻地体会到了无所不在的计算机网络，计 算机网络已对人们的日常生活、工作甚至思想产生了较大的影响。在这一章中，我们先了解 一下计算机网络的基础知识。 1.1 计算机网络的基本概念 1.1.1 计算机网络的定义 什么是计算机网络？多年来并没有一个严格的定义。人们从不同的角度对它提出了不同 的定义，这些定义归纳起来，可以分为三类。 从计算机与通信技术相结合的观点出发，人们把计算机网络定义为“以计算机之间传输 信息为目的而连接起来，实现远程信息处理并进一步达到资源共享的系统”。20 世纪 60 年代 初，人们借助于通信线路将计算机与远方的终端连接起来，形成了具有通信功能的终端—— 计算机网络系统，首次实现了通信技术与计算机技术的结合。人们把按照这种观点定义的计 算机网络称为“计算机通信网络”。 从强调资源共享的观点出发，计算机网络是“把地理上分散的资源，以能够相互共享资 源（硬件、软件和数据）的方式连接起来，并且各自具备独立功能的计算机系统之集合体”。 这种定义由美国信息处理学会联合会在 1970 年春天举行的联合会议上提出来的，以后在有关 文献中被广为引用。 从物理结构上看，计算机网络又可定义为“在协议控制下，由若干计算机、终端设备、 数据传输和通信控制处理机等组成的集合”。 综合上述观点，我们把计算机网络定义为：凡是将分布在不同地理位置并具有独立功能的多 台计算机，通过通信设备和线路连接起来，在功能完善的网络软件（网络协议及网络操作系 统等）支持下，以实现网络资源共享和数据传输为目的的系统，称为计算机网络。 我们可以从以下三个方面理解计算机网络的概念。 1．计算机网络是一个多机系统。两台以上的计算机互连才能构成网络，这里的计算机 可以是微机、小型机和大型机等各种类型的计算机，并且每台计算机具有独立功能，即某台 计算机发生故障，不会影响整个网络或其他计算机。 2．计算机网络是一个互连系统。互连是通过通信设备和通信线路实现的，通信线路可 以是双绞线、电话线、同轴电缆、光纤等“有形”介质，也可以是微波或卫星信道等“无形” 介质。 ３
计算机网络技术及应用 3.计算机网络是一个资源共享系统。计算机之间要实现数据通信和资源共享,必须在 功能完善的网络软件支持下。这里的网络软件包括网络协议、信息交换方式及网络操作系统 等 1.1.2计算机网络的形成与发展 纵观计算机网络的形成与发展历史,大致可以分为四个阶段,如图1-1所示 终端网络 通信网络 OSIRM网络 因特网 图1-1计算机网络的发展阶段 1.面向终端的计算机网络 第一代计算机网络实际上是以单个计算机为中心的远程联机系统,可以追溯到20世纪 年代。那时,计算机系统规模庞大、价格昂贵,为了提高计算机的工作效率和系统资源的 利用率,将多个终端通过通信设备和线路连接到计算机上,在通信软件的控制下,计算机系 统的资源由各个终端用户分时轮流使用。这样的系统除了一台中心计算机外,其余的终端都 不具备自主处理功能,在系统中主要是终端和计算机间的通信。20世纪60年代初期,美国 航空公司投入使用的由一台中心计算机和全美范围内2000多个终端组成的飞机票预订系统 就是这种远程联机系统的一个代表。不过,严格地讲,此时计算机网络只是处于雏形,还不 是真正意义上的计算机网络 在远程联机系统中,随着所连远程 终端个数的增多,中心计算机要承担的 与各终端间通信的任务也必然加重,使 得以数据处理为主要任务的中心计算机 增加了许多额外的开销,实际工作效率 下降。由此,出现了数据处理和通信的 分工,即在中心计算机前面增设一个前 端处理机FEP( Front end processor) 来完成通信工作,而让中心计算机专门 电话系统 进行数据处理,这样可显著的提高效率 另一方面,若每台远程终端都用一条专 用通信线路与中心计算机连接,则线路 的利用率低,且随着终端个数的不断增 多,线路费用将达到难以负担的程度。 因此,后来通常在终端比较集中的地点 设置终端控制器TC( Terminal 图1-2面向终端的计算机网络 Controller),以提高远程线路的利用 率。第一代计算机网络典型结构如图 1-2所示
计算机网络技术及应用 3．计算机网络是一个资源共享系统。计算机之间要实现数据通信和资源共享，必须在 功能完善的网络软件支持下。这里的网络软件包括网络协议、信息交换方式及网络操作系统 等。 1.1.2 计算机网络的形成与发展 纵观计算机网络的形成与发展历史，大致可以分为四个阶段，如图 1-1 所示。 图 1-1 计算机网络的发展阶段 终端网络 通信网络 OSI/RM 网络 因 特 网 1．面向终端的计算机网络 第一代计算机网络实际上是以单个计算机为中心的远程联机系统，可以追溯到 20 世纪 50 年代。那时，计算机系统规模庞大、价格昂贵，为了提高计算机的工作效率和系统资源的 利用率，将多个终端通过通信设备和线路连接到计算机上，在通信软件的控制下，计算机系 统的资源由各个终端用户分时轮流使用。这样的系统除了一台中心计算机外，其余的终端都 不具备自主处理功能，在系统中主要是终端和计算机间的通信。20 世纪 60 年代初期，美国 航空公司投入使用的由一台中心计算机和全美范围内 2000 多个终端组成的飞机票预订系统 就是这种远程联机系统的一个代表。不过，严格地讲，此时计算机网络只是处于雏形，还不 是真正意义上的计算机网络。 在远程联机系统中，随着所连远程 终端个数的增多，中心计算机要承担的 与各终端间通信的任务也必然加重，使 得以数据处理为主要任务的中心计算机 增加了许多额外的开销，实际工作效率 下降。由此，出现了数据处理和通信的 分工，即在中心计算机前面增设一个前 端处理机 FEP（Front End Processor） 来完成通信工作，而让中心计算机专门 进行数据处理，这样可显著的提高效率。 另一方面，若每台远程终端都用一条专 用通信线路与中心计算机连接，则线路 的利用率低，且随着终端个数的不断增 多，线路费用将达到难以负担的程度。 因此，后来通常在终端比较集中的地点 设置终端控制器 TC （ Terminal Controller），以提高远程线路的利用 率。第一代计算机网络典型结构如图 1-2 所示。 ··· 电话系统 ··· 终端 终端 图 1-2 面向终端的计算机网络 主机 FEP M M TC M M ４
计算机网络概论 2.计算机通信网络 第二代计算机网络是多台主计算机通过通信线路互连起来为用户提供服务,即所谓计算 机——计算机网络。这类网络是20世纪60年代后期开始兴起的,它和以单台计算机为中心 的远程联机系统的显著区别在于:这里的多台主计算机都具有自主处理能力,它们之间不存 在主从关系。这样的多台主计算机互连的网络才是我们目前通称的计算机网络。 第二代计算机网络的典型代表是ARPA网,20世纪60年代后期,美国国防部高级研究计 划署ARPA提供经费给美国许多大学和公司,以促进多台主计算机互连的网络研究,最终导致 一个实验性的4节点网络开始运行并投入使用。ARPA网后来扩展到连接数百台计算机,从欧 洲到夏威夷,地理范围跨越了半个地球。目前我们有关计算机网络的许多知识都与ARPA网的 研究结果有关,ARPA网中提出的一些概念和术语至今仍被引用 ARPA网中互连的运行用户应用程序的计算机称为主机(Host),但主机之间并不是通过 直接的通信线路互连,而是通过一个称为接口信息处理机IMP( Interface Message Processor)的设备互连的,如图1-3所示。 通信子网 资源子网 图1-3计算机通信网络 图1-3中IMP和它们之间互连的通信线路一起负责完成主机之间的数据通信任务,构成 通信子网,通过通信子网互连的主机组成资源子网,ARPA网采用的就是这种两级子网结构 3.开放式标准化网络体系结构的网络 第三代计算机网络是开放式标准化网络,它具有统一的网络体系结构、遵循国际标准化 协议。标准化使得不同的计算机能方便地互连在一起,标准化还将带来大规模生产、产品ⅥSI 化和成本降低等一系列好处 计算机网络是个非常复杂的系统,相互通信的两个计算机系统必须高度协调工作,而这 种协调是相当复杂的。为了设计这样复杂的计算机网络,早在最初的ARPA网设计时即采用了 分层的方法。“分层”可将庞大而复杂的问题转化为若干较小的比较容易研究和处理的局部问 题。1974年,美国IBM公司宣布了它研制的系统网络体系结构SNA( System Network Architecture),这个著名的网络标准就是按照分层的方法制定的。不久后,其他一些公司也 相继推出本公司的一套体系结构,但这些网络标准都局限于解决其各自的产品间相互连接的 问题。 为了使不同体系结构的计算机网络都能互连,国际标准化组织IS0于1977年提出了 个标准框架,这就是著名的开放系统互连参考模型0SI/RM。从此,就开始了所谓的第三代计 算机网络
第一章 计算机网络概论 2．计算机通信网络 第二代计算机网络是多台主计算机通过通信线路互连起来为用户提供服务，即所谓计算 机——计算机网络。这类网络是 20 世纪 60 年代后期开始兴起的，它和以单台计算机为中心 的远程联机系统的显著区别在于：这里的多台主计算机都具有自主处理能力，它们之间不存 在主从关系。这样的多台主计算机互连的网络才是我们目前通称的计算机网络。 第二代计算机网络的典型代表是 ARPA 网，20 世纪 60 年代后期，美国国防部高级研究计 划署 ARPA 提供经费给美国许多大学和公司，以促进多台主计算机互连的网络研究，最终导致 一个实验性的 4 节点网络开始运行并投入使用。ARPA 网后来扩展到连接数百台计算机，从欧 洲到夏威夷，地理范围跨越了半个地球。目前我们有关计算机网络的许多知识都与 ARPA 网的 研究结果有关，ARPA 网中提出的一些概念和术语至今仍被引用。 ARPA 网中互连的运行用户应用程序的计算机称为主机（Host），但主机之间并不是通过 直接的通信线路互连，而是通过一个称为接口信息处理机 IMP（Interface Message Processor）的设备互连的，如图 1-3 所示。 IMP 主机 通信子网 IMP 资源子网 图 1-3 计算机通信网络 H H H H H 图 1-3 中 IMP 和它们之间互连的通信线路一起负责完成主机之间的数据通信任务，构成 通信子网，通过通信子网互连的主机组成资源子网，ARPA 网采用的就是这种两级子网结构。 3．开放式标准化网络体系结构的网络 第三代计算机网络是开放式标准化网络，它具有统一的网络体系结构、遵循国际标准化 协议。标准化使得不同的计算机能方便地互连在一起，标准化还将带来大规模生产、产品 VLSI 化和成本降低等一系列好处。 计算机网络是个非常复杂的系统，相互通信的两个计算机系统必须高度协调工作，而这 种协调是相当复杂的。为了设计这样复杂的计算机网络，早在最初的 ARPA 网设计时即采用了 分层的方法。“分层”可将庞大而复杂的问题转化为若干较小的比较容易研究和处理的局部问 题。1974 年，美国 IBM 公司宣布了它研制的系统网络体系结构 SNA（System Network Architecture），这个著名的网络标准就是按照分层的方法制定的。不久后，其他一些公司也 相继推出本公司的一套体系结构，但这些网络标准都局限于解决其各自的产品间相互连接的 问题。 为了使不同体系结构的计算机网络都能互连，国际标准化组织 ISO 于 1977 年提出了一 个标准框架，这就是著名的开放系统互连参考模型 OSI/RM。从此，就开始了所谓的第三代计 算机网络。 ５
计算机网络技术及应用 4.计算机网络的互连、高速化阶段 计算机网络向互连、高速、智能和全球化发展,并且迅速得到普及,实现了全球化的广 泛应用。目前,世界上发展最快、也是最热门的 Internet网,就是世界最大的互联网。由于 因特网的巨大影响及成功运行,在整个网络中核心协议将采用 Internet的网际协议IP,通 过它把下面各种各样的通信子网互连在一起,并向上支持多媒体应用,这就是所谓的统一的 IP网。有人描述未来通信和网络的目标是实现5W的个人通信,即任何人( Whoever)在任何 时间( Whenever)、任何地方( Wherever)都可以和任何另一个人( Whomever)通过网络进行 通信,以传送任何信息( Whatever) 由于人们对网络应用要求的日益提高,未来计算机网络将向可以同时承载多媒体信息的 方向发展。目前,各国的“信息高速公路”建设计划就是为满足多媒体信息传输的需要而提 出的 1.1.3计算机网络的功能 从计算机网络的定义可以看出,计算机网络的主要功能是实现计算机各种资源的共享和 数据传输,随着应用环境不同,其功能也有一些差别,大体有以下几个方面: 1.资源共享 计算机网络中的资源可分成三大类,即硬件资源、软件资源和数据资源,相应地,资源 共享也分为以下三类: (1)硬件共享 为发挥大型机和一些特殊外围设备的作用,并满足用户要求,计算机网络对一些昂贵的 硬件资源提供共享服务。例如,某计算机A由于无某特殊外围设备而无法处理某些较复杂的 问题时,它可将处理该问题的有关数据连同有关软件,一起送至拥有这种特殊设备的计算机 B,由B利用该硬件对数据进行处理,处理后再把有关软件及结果返回给A。 (2)软件共享 计算机网络可供共享的软件包括系统软件、各种语言处理程序和各式各样的应用程序。 (3)数据共享 随着信息时代的到来,数据资源的重要性也越来越大。在大型计算机网络中,普遍设置 了一些专门的数据库,如有关情报资料数据库、产品信息数据库等,供全国乃至全世界的网 络用户使用。事实上,现代计算机网络已把在网络中是否设置了大型数据库、设置了什么样 的数据库作为衡量计算机网络水平的重要标志之 2.数据通信 该功能用于实现计算机与终端、计算机与计算机之间的数据传输,这是计算机网络的最 基本的功能,也是实现其他几个功能的基础。本地计算机要访问网络上另一台计算机的资源 就是通过数据传输来实现 3.提高系统的可靠性和可用性 计算机网络一般都属于分布式控制,计算机之间可以独立完成通信任务,计算机网络中 的计算机可以通过网络资源彼此称为后备机。如果有单个部件或者某台计算机出现故障,由 于相同的资源分布在不同的计算机上,这样网络系统可以通过不同路由来访问这些资源,不 影响用户对同类资源的访问,避免了单机无后备机情况下的系统瘫痪现象,大大提高了系统
计算机网络技术及应用 4．计算机网络的互连、高速化阶段 计算机网络向互连、高速、智能和全球化发展，并且迅速得到普及，实现了全球化的广 泛应用。目前，世界上发展最快、也是最热门的 Internet 网，就是世界最大的互联网。由于 因特网的巨大影响及成功运行，在整个网络中核心协议将采用 Internet 的网际协议 IP，通 过它把下面各种各样的通信子网互连在一起，并向上支持多媒体应用，这就是所谓的统一的 IP 网。有人描述未来通信和网络的目标是实现 5W 的个人通信，即任何人（Whoever）在任何 时间（Whenever）、任何地方（Wherever）都可以和任何另一个人（Whomever）通过网络进行 通信，以传送任何信息（Whatever）。 由于人们对网络应用要求的日益提高，未来计算机网络将向可以同时承载多媒体信息的 方向发展。目前，各国的“信息高速公路”建设计划就是为满足多媒体信息传输的需要而提 出的。 1.1.3 计算机网络的功能 从计算机网络的定义可以看出，计算机网络的主要功能是实现计算机各种资源的共享和 数据传输，随着应用环境不同，其功能也有一些差别，大体有以下几个方面： 1．资源共享 计算机网络中的资源可分成三大类，即硬件资源、软件资源和数据资源，相应地，资源 共享也分为以下三类： ⑴硬件共享 为发挥大型机和一些特殊外围设备的作用，并满足用户要求，计算机网络对一些昂贵的 硬件资源提供共享服务。例如，某计算机 A 由于无某特殊外围设备而无法处理某些较复杂的 问题时，它可将处理该问题的有关数据连同有关软件，一起送至拥有这种特殊设备的计算机 B，由 B 利用该硬件对数据进行处理，处理后再把有关软件及结果返回给 A。 ⑵软件共享 计算机网络可供共享的软件包括系统软件、各种语言处理程序和各式各样的应用程序。 ⑶数据共享 随着信息时代的到来，数据资源的重要性也越来越大。在大型计算机网络中，普遍设置 了一些专门的数据库，如有关情报资料数据库、产品信息数据库等，供全国乃至全世界的网 络用户使用。事实上，现代计算机网络已把在网络中是否设置了大型数据库、设置了什么样 的数据库作为衡量计算机网络水平的重要标志之一。 2．数据通信 该功能用于实现计算机与终端、计算机与计算机之间的数据传输，这是计算机网络的最 基本的功能，也是实现其他几个功能的基础。本地计算机要访问网络上另一台计算机的资源 就是通过数据传输来实现。 3．提高系统的可靠性和可用性 计算机网络一般都属于分布式控制，计算机之间可以独立完成通信任务，计算机网络中 的计算机可以通过网络资源彼此称为后备机。如果有单个部件或者某台计算机出现故障，由 于相同的资源分布在不同的计算机上，这样网络系统可以通过不同路由来访问这些资源，不 影响用户对同类资源的访问，避免了单机无后备机情况下的系统瘫痪现象，大大提高了系统 ６