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精选优质文档-倾情为你奉上计算机基础知识网络篇计算机网络（Computer Network）是利用通信线路和通信设备，把分布在不同地理位置的具有独立功能的多台计算机、终端及其附属设备互相连接，按照网络协议进行数据通信，利用功能完善的网络软件实现资源共享的计算机系统的集合。计算机网络是计算机技术与通信技术结合的产物。本章主要介绍的内容有：þ 计算机网络的基本概念；þ 计算机网络的产生、发展及趋势；þ 计算机网络的基本功能与应用；þ 计算机网络的基本组成；þ 计算机网络的拓扑结构；þ 计算机网络的分类；þ 数据传输与传输介质。1.1 计算机网络概述计算机网络是将若干台独立的计算机通过传输介质相互物理地连接，并通过网络软件逻辑地相互联系到一起而实现信息交换、资源共享、协同工作和在线处理等功能的计算机系统。计算机网络给人们的生活带来了极大的方便，如办公自动化、网上银行、网上订票、网上查询、网上购物等等。计算机网络不仅可以传输数据，更可以传输图像、声音、视频等多种媒体形式的信息，在人们的日常生活和各行各业中发挥着越来越重要的作用。目前，计算机网络已广泛应用于政治、经济、军事、科学以及社会生活的方方面面。1.1.1 计算机网络的基本概念“网络”主要包含连接对象（即元件）、连接介质、连接控制机制（如约定、协议、软件）和连接方式与结构四个方面。计算机网络连接的对象是各种类型的计算机（如大型计算机、工作站、微型计算机等）或其他数据终端设备（如各种计算机外部设备、终端服务器等）。计算机网络的连接介质是通信线路（如光纤、同轴电缆、双绞线、地面微波、卫星等）和通信设备（网关、网桥、路由器、Modem等），其控制机制是各层的网络协议和各类网络软件。所以计算机网络是利用通信线路和通信设备，把地理上分散的，并具有独立功能的多个计算机系统互相连接起来，按照网络协议进行数据通信，用功能完善的网络软件实现资源共享的计算机系统的集合。它是指以实现远程通信和资源共享为目的，大量分散但又互联的计算机的集合。互联的含义是两台计算机能互相通信。两台计算机通过通信线路（包括有线和无线通信线路）连接起来就组成了一个最简单的计算机网络。全世界成千上万台计算机相互间通过双绞线、电缆、光纤和无线电等连接起来构成了世界上最大的Internet网络。网络中的计算机可以是在一间办公室内，也可能分布在地球的不同区域。这些计算机相互独立，即所谓自治的计算机系统，脱离了网络它们也能作为单机正常工作。在网络中，需要有相应的软件或网络协议对自治的计算机系统进行管理。组成计算机网络的目的是资源共享和互相通信。1.1.2 计算机网络的基本功能计算机网络最主要的功能是资源共享和通信，除此之外还有负荷均衡、分布处理和提高系统安全与可靠性等功能。1软、硬件共享计算机网络允许网络上的用户共享网络上各种不同类型的硬件设备，可共享的硬件资源有：高性能计算机、大容量存储器、打印机、图形设备、通信线路、通信设备等。共享硬件的好处是提高硬件资源的使用效率、节约开支。现在已经有许多专供网上使用的软件，如数据库管理系统、各种Internet信息服务软件等。共享软件允许多个用户同时使用，并能保持数据的完整性和一致性。特别是客户机/服务器（Client/Server，C/S）和浏览器/服务器（Browser/Server，B/S）模式的出现，人们可以使用客户机来访问服务器，而服务器软件是共享的。在B/S方式下，软件版本的升级修改，只要在服务器上进行，全网用户都可立即享受。可共享的软件种类很多，包括大型专用软件、各种网络应用软件、各种信息服务软件等。2信息共享信息也是一种资源，Internet就是一个巨大的信息资源宝库，其上有极为丰富的信息，它就像是一个信息的海洋，有取之不尽，用之不竭的信息与数据。每一个接入Internet的用户都可以共享这些信息资源。可共享的信息资源有：搜索与查询的信息，Web服务器上的主页及各种链接，FTP服务器中的软件，各种各样的电子出版物，网上消息、报告和广告，网上大学，网上图书馆等等。3通信通信是计算机网络的基本功能之一，它可以为网络用户提供强有力的通信手段。建设计算机网络的主要目的就是让分布在不同地理位置的计算机用户能够相互通信、交流信息。计算机网络可以传输数据以及声音、图像、视频等多媒体信息。利用网络的通信功能，可以发送电子邮件、打电话、在网上举行视频会议等。4负荷均衡与分布处理负荷均衡是指将网络中的工作负荷均匀地分配给网络中的各计算机系统。当网络上某台主机的负载过重时，通过网络和一些应用程序的控制和管理，可以将任务交给网络上其他的计算机去处理，充分发挥网络系统上各主机的作用。分布处理将一个作业的处理分为三个阶段：提供作业文件；对作业进行加工处理；把处理结果输出。在单机环境下，上述三步都在本地计算机系统中进行。在网络环境下，根据分布处理的需求，可将作业分配给其他计算机系统进行处理，以提高系统的处理能力，高效地完成一些大型应用系统的程序计算以及大型数据库的访问等。5系统的安全与可靠性系统的可靠性对于军事、金融和工业过程控制等部门的应用特别重要。计算机通过网络中的冗余部件可大大提高可靠性。例如在工作过程中，一台机器出了故障，可以使用网络中的另一台机器；网络中一条通信线路出了故障，可以取道另一条线路，从而提高了网络整体系统的可靠性。1.1.3 计算机网络的基本应用随着现代信息社会进程的推进，通信和计算机技术的迅猛发展，计算机网络的应用也越来越普及，它几乎深入到社会的各个领域。1在教育、科研中的应用通过全球计算机网络，科技人员可以在网上查询各种文件和资料，可以互相交流学术思想和交换实验资料，甚至可以在计算机网络上进行国际合作研究项目。在教育方面可以开设网上学校，实现远程授课，学生可以在家里或其他可以将计算机接入计算机网络的地方利用多媒体交互功能听课，有什么不懂的问题可以随时提问和讨论。学生可以从网上获得学习参考资料，并且可通过网络交付作业和参加考试。2在办公中的应用计算机网络可以使单位内部实现办公自动化，实现软、硬件资源共享。如果将单位内部网络接入Internet，还可以实现异地办公。如通过WWW或电子邮件，公司可以很方便地与分布在不同地区的子公司或其他业务单位建立联系，及时地交换信息。在外的员工通过网络还可以与公司保持通信，得到公司的指示和帮助。企业可以通过Internet，搜集市场信息并发布企业产品信息。3在商业上的应用随着计算机网络的广泛应用，电子数据交换（Electronic Data Interchange，EDI）已成为国际贸易往来的一个重要手段，它以一种被认可的数据格式，使分布在全球各地的贸易伙伴可以通过计算机传输各种贸易单据，代替了传统的贸易单据，节省了大量的人力和物力，提高了效率。通过网络可以实现网上购物和网上支付，例如登录“当当”网上书城（）购买图书。4在通信、娱乐上的应用20世纪个人之间通信的基本工具是电话，21世纪个人之间通信的基本工具是计算机网络。目前，计算机网络所提供的通信服务包括电子邮件、网络寻呼与聊天、BBS、网络新闻和IP电话等。目前，电子邮件已广泛应用。Internet上存在着很多的新闻组，参加新闻组的人可以在网上对某个感兴趣的问题进行讨论，或是阅读有关这方面的资料，这是计算机网络应用中很受欢迎的一种通信方式。网络寻呼不但可以实现在网络上进行寻呼的功能，还可以在网友之间进行网络聊天和文件传输等。IP电话也是基于计算机网络的一类典型的个人通信服务。家庭娱乐正在对信息服务业产生着巨大的影响，它可以让人们在家里点播电影和电视节目。新的电影可能成为交互式的，观众在看电影时可以不时参与到电影情节中去。家庭电视也可以成为交互形式的，观众可以参与到猜谜等活动之中。家庭娱乐中最重要的应用可能是在游戏上。目前，已经有很多人喜欢上多人实时仿真游戏。如果使用虚拟现实的头盔和三维、实时、高清晰度的图像，我们就可以共享虚拟现实的很多游戏和进行多种训练。随着网络技术的发展和各种网络应用的需求增加，计算机网络应用的范围在不断扩大，应用领域越来越拓宽，越来越深入，许多新的计算机网络应用系统不断地被开发出来，如工业自动控制、辅助决策、虚拟大学、远程教学、远程医疗、管理信息系统、数字图书馆、电子博物馆、全球情报检索与信息查询、网上购物、电子商务、电视会议、视频点播等。1.2 计算机网络的产生与发展计算机网络最早出现于20世纪50年代，是通过通信线路将远方终端资料传送给主计算机处理，形成一种简单的联机系统。随着计算机技术和通信技术的不断发展，计算机网络也经历了从简单到复杂，从单机到多机的发展过程，其演变过程主要可分为面向终端的计算机网络、计算机通信网络、计算机互联网络和高速互联网络四个阶段。1.2.1 面向终端的计算机网络第一代计算机网络是面向终端的计算机网络。面向终端的计算机网络又称为联机系统，建于20世纪50年代初，是第一代计算机网络。它由一台主机和若干个终端组成，较典型的有1963年美国空军建立的半自动化地面防空系统（SAGE），其结构如图1-1所示。在这种联机方式中，主机是网络的中心和控制者，终端（键盘和显示器）分布在各处并与主机相连，用户通过本地的终端使用远程的主机。ModemModemModemModem图1-1 第一代计算机网络结构示意图分布在不同办公室，甚至不同地理位置的本地终端或者是远程终端通过公共电话网及相应的通信设备与一台计算机相连，登录到计算机上，使用该计算机上的资源，这就有了通信与计算机的结合。这种具有通信功能的单机系统（见图1-2（a）或多机系统（见 图1-2（b）被称为第一代计算机网络面向终端的计算机通信网，也是计算机网络的初级阶段。严格地讲，这不能算是网络，但它将计算机技术与通信技术结合了，可以让用户以终端方式与远程主机进行通信了，所以我们视它为计算机网络的雏形。 （a）单机系统 （b）多机系统图1-2 具有通信功能的单机系统这里的单机系统是一台主机与一个或多个终端连接，在每个终端和主机之间都有一条专用的通信线路，这种系统的线路利用率比较低。当这种简单的单机联机系统连接大量的终端时，存在两个明显的缺点：一是主机系统负担过重；二是线路利用率低。为了提高通信线路的利用率和减轻主机的负担，在具有通信功能的多机系统中使用了集中器和前端机（Front End Processor，FEP）。集中器用于连接多个终端，让多台终端共用同一条通信线路与主机通信。前端机放在主机的前端，承担通信处理功能，以减轻主机的负担。1.2.2 计算机通信网络第二代计算机网络是以共享资源为目的的计算机通信网络。面向终端的计算机网络只能在终端和主机之间进行通信，不同的主机之间无法通信。从20世纪60年代中期开始，出现了多个主机互联的系统，可以实现计算机和计算机之间的通信。真正意义上的计算机网络应该是计算机与计算机的互联，即通过通信线路将若干个自主的计算机连接起来的系统，称之为计算机计算机网络，简称为计算机通信网络。计算机通信网络在逻辑上可分为两大部分：通信子网和资源子网，二者合一构成以通信子网为核心，以资源共享为目的的计算机通信网络，如图1-3所示。用户通过终端不仅可以共享与其直接相连的主机上的软、硬件资源，还可以通过通信子网共享网络中其他主机上的软硬件资源。计算机通信网的最初代表是美国国防部高级研究计划局开发的ARPANET，它也是如今Internet的雏形。图1-3 第二代计算机网络结构示意图1资源子网资源子网由主计算机系统、终端、终端控制器、联网外设、各种软件资源与信息资源组成。资源子网负责全网的数据处理业务，向网络用户提供各种网络资源与网络服务。主计算机系统简称为主机（Host），它可以是大型机、中型机或小型机。主机是资源子网的主要组成单元，它通过高速通信线路与通信子网的通信控制处理机相连接。普通用户终端通过主机接入网内。主机要为本地用户访问网络的其他主机设备与资源提供服务，同时要为网中远程用户共享本地资源提供服务。终端（Terminal）是用户访问网络的界面。终端可以是简单的输入输出终端，也可以是带有微处理机的智能终端。智能终端除具有输入输出信息的功能外，本身具有存储与处理信息的能力。终端可以通过主机连入网内，也可以通过终端控制器、报文分组组装与拆卸装置或通信控制处理机联入网内。2通信子网通信子网由通信控制处理机（Communication Control Processor，CCP）、通信线路和其他通信设备组成，完成网络数据传输和转发等通信处理任务。通信控制处理机在网络拓扑结构中被称为网络结点。一方面，它作为与资源子网的主机、终端相连接的接口，将主机和终端连入网内；另一方面，它又作为通信子网中的分组存储转发结点，完成分组的接收、校验、存储和转发等功能，实现将源主机报文准确发送到目的主机的功能。通信线路为通信控制处理机与通信控制处理机、通信控制处理机与主机之间提供通信信道。计算机网络采用了多种通信线路，如双绞线、同轴电缆、光纤、无线通信信道等。1.2.3 计算机互联网络随着广域网与局域网的发展以及微型计算机的广泛应用，使用大型机与中型机的主 机终端系统的用户减少，网络结构发生了巨大的变化。大量的微型计算机通过局域网接入广域网，而局域网与广域网、广域网与广域网的互联是通过路由器实现的。用户计算机需要通过校园网、企业网或Internet服务提供商（Internet Services Provider，ISP）接入地区主干网，地区主干网通过国家主干网联入国家间的高速主干网，这样就形成一种由路由器互联的大型、层次结构的现代计算机网络，即互联网络，它是第三代计算机网络，是第二代计算机网络的延伸。图1-4给出了计算机互联网络的简化结构示意图。图1-4 计算机互联网络结构示意图1广域网的发展广域网的发展是从ARPANET的诞生开始的。ARPANET是第一个分组交换网，它的出现标志着以资源共享为目的的计算机网络的诞生。这一时期美国许多计算机公司开始大力发展计算机网络，纷纷推出自己的产品和结构。如1974年IBM公司推出“系统网络体系结构SNA”，1975年DEC公司提出“分布式网络体系结构DNA”。当时，网络应用也正在向各行各业甚至于个人普及和发展，发展网络的需求十分迫切，这就促进了计算机网络的发展，使许多国家加强了基础设施的建设，开始建设公用数据网。早期的公用数据网是采用模拟的公用交换电话网，通过调制解调器（Modem），将计算机的数字信号调制为模拟信号，经交换电话网传送给另一端的Modem，经Modem的解调再将模拟信号恢复为数字信号被计算机接收，以完成通信，这种技术传输速率比较低。后来又发展为公用数据网，典型的公用数据网有：美国的Telenet、日本的DDX、加拿大的DATAPAC，以及我国于1993年和1996年分别开通的公用数据网ChinaPAC和提供数字专线服务的DDN，这些都为广域网的发展提供了通信基础。公用数据网在20世纪7080年代得到很大的发展，并且随着计算机网络技术的发展和网络应用需求的增加，广域网又开发了诸如帧中继（Frame Relay）、综合业务数据网（ISDN）、交换多兆位数据服务（SMDS）等公用数据网。这些公用数据网的诞生与发展极大地促进了广域网的发展。当前，由于光纤介质的不断普及，直接在光纤介质上传输数据和波分多路复用的技术（WDM）业已开始投入使用，这使得广域网的发展进入了一个新的历史时期，大大提高了广域网的数据传输速率。2局域网的发展早期的计算机网络大多为广域网，局域网的出现与发展是在20世纪70年代出现了微型计算机（Personal Computer，PC）以后。20世纪80年代，由于PC机性能不断地提高，价格不断地降低，计算机从“专家”群里走入“大众”之中，应用从科学计算走入事务处理，使得PC机大量地进入各行各业的办公室，甚至家庭。这时，个人计算机得到了蓬勃发展。由于个人计算机的大量涌现和广泛分布，基于信息交换和资源共享的需求越来越迫切，人们要求一栋楼或一个部门的计算机能够互联，于是局域网（Local Area Network， LAN）应运而生。3网络互联与标准化计算机广域网和局域网大多是由研究部门、大学或计算机公司自行开发研制的，它们没有统一的体系结构和标准，各个厂家生产的计算机产品和网络产品无论在技术上还是在结构上都有很大的差异，从而造成不同厂家生产的计算机及网络产品很难实现互联，这给用户的使用带来极大的不便，同时也约束了计算机网络的发展。这种发展形势对网络的继续发展极为不利。不同的网络要求遵循统一的标准以实现互联，于是统一网络的标准提到了议事日程上来。1977年国际标准化组织（ISO）为适应网络标准化的发展趋势，在研究分析已有的网络结构经验的基础上，开始研究“开放系统互连”（OSI）问题。ISO于1984年公布了“开放系统互连基本参考模型”的正式文件，即OSI参考模型OSI/RM（Open System Interconnection /Reference Model）。OSI/RM 已被国际社会广泛地认可。它对推动计算机网络的理论与技术的发展，对统一网络体系结构和协议并实现不同网络之间的互联起到了积极的作用。从此，计算机网络进入了标准化网络阶段。图1-5是通过租用电信部门的数据通信网络互联起来的局域网示意图。图1-5 计算机互联网络4Internet全世界出现了不计其数的局域网、广域网，如何将它们连接起来，以便达到扩大网络规模和实现更大范围的资源共享，Internet 的出现正好解决了这个问题。Internet称为“因特网”，是全球规模最大，覆盖面积最广的互联网。Internet自产生以来就呈现出爆炸式的发展。1.2.4 高速互联网络进入20世纪90年代，随着计算机网络技术的迅猛发展，特别是1993年美国宣布建立国家信息基础设施（National Information Infrastructure，NII）后，全世界许多国家都纷纷制定和建立本国的NII，从而极大地推动了计算机网络技术的发展，使计算机网络的发展进入一个崭新的阶段，这就是第四代计算机网络，即高速互联网络阶段。通常意义上的计算机互联网络是通过数据通信网络实现数据的通信和共享的，此时的计算机网络，基本上以电信网作为信息的载体，即计算机通过电信网络中的X.25网、DDN网、帧中继网等传输信息，如图1-5所示。随着互联网的迅猛发展，人们对远程教学、远程医疗、视频会议等多媒体应用的需求大幅度增加。这样，以传统电信网络为信息载体的计算机互联网络不能满足人们对网络速度的要求，促使网络由低速向高速、由共享到交换、由窄带向宽带方向迅速发展，即由传统的计算机互联网络向高速互联网络发展。如今，以IP技术为核心的计算机网络（信息网络，也称高速互联网络）将成为网络（计算机网络和电信网络）的主体，信息传输、数据传输将成为网络的主要业务，一些传统的电信业务也将在信息网络上开通，但其业务量只占信息业务的很小一部分。目前，全球以Internet为核心的高速计算机互联网络已形成，Internet已经成为人类最重要的、最大的知识宝库。与第三代计算机网络相比，第四代计算机网络的特点是：网络的高速化和业务的综合化。网络高速化可以有两个特征：网络宽频带和传输低时延。使用光纤等高速传输介质和高速网络技术，可实现网络的高速率；快速交换技术可保证传输的低时延。网络业务综合化是指一个网中综合了多种媒体（如语音、视频、图像和数据等）的信息。业务综合化的实现依赖于多媒体技术。1.2.5 计算机网络的发展趋势*计算机网络的发展方向是IP技术+光网络，光网络将会演进为全光网络。从网络的服务层面上看将是一个IP的世界，通信网络、计算机网络和有线电视网络将通过IP三网合一；从传送层面上看将是一个光的世界；从接入层面上看将是一个有线和无线的多元化 世界。1三网合一目前广泛使用的网络有通信网络、计算机网络和有线电视网络。随着技术的不断发展，新的业务不断出现，新旧业务不断融合，作为其载体的各类网络也不断融合，使目前广泛使用的三类网络正逐渐向单一统一的IP网络发展，即所谓的“三网合一”。在IP网络中可将数据、语音、图像、视频均归结到IP数据包中，通过分组交换和路由技术，采用全球性寻址，使各种网络无缝连接，IP协议将成为各种网络、各种业务的“共同语言”，实现所谓的Everything over IP。实现“三网合一”并最终形成统一的IP网络后，传递数据、语音、视频只需要建造、维护一个网络，简化了管理，也会大大地节约开支，同时可提供集成服务，方便了用户。可以说“三网合一”是网络发展的一个最重要的趋势。2光通信技术光通信技术已有30年的历史。随着光器件、各种光复用技术和光网络协议的发展，光传输系统的容量已从Mbps级发展到Tbps级，提高了近100万倍。光通信技术的发展主要有两个大的方向：一是主干传输向高速率、大容量的OTN光传送网发展，最终实现全光网络；二是接入向低成本、综合接入、宽带化光纤接入网发展，最终实现光纤到家庭和光纤到桌面。全光网络是指光信息流在网络中的传输及交换始终以光的形式实现，不再需要经过光/电、电/光变换，即信息从源结点到目的结点的传输过程中始终在光域内。3IPv6协议TCP/IP协议族是互联网基石之一，而IP协议是TCP/IP协议族的核心协议，是TCP/IP协议族中网络层的协议。目前IP协议的版本为IPv4。IPv4的地址位数为32位，即理论上约有42亿个地址。随着互联网应用的日益广泛和网络技术的不断发展，IPv4的问题逐渐显露出来，主要有地址资源枯竭、路由表急剧膨胀、对网络安全和多媒体应用的支持不 够等。IPv6是下一版本的IP协议，也可以说是下一代IP协议。IPv6采用128位地址长度，几乎可以不受限制地提供地址。理论上约有3.4×1038个 IP地址，而地球的表面积以厘米为单位也仅有5.1×1018cm2，即使按保守方法估算IPv6实际可分配的地址，每个平方厘米面积上也可分配到若干亿个IP地址。IPv6除一劳永逸地解决了地址短缺问题外，同时也解决了IPv4中的其他缺陷，主要有端到端IP连接、服务质量（QoS）、安全性、多播、移动性、即插即用等。4宽带接入技术计算机网络必须要有宽带接入技术的支持，各种宽带服务与应用才有可能开展。因为只有接入网的带宽瓶颈问题被解决，骨干网和城域网的容量潜力才能真正发挥。尽管当前宽带接入技术有很多种，但只要是不和光纤或光结合的技术，就很难在下一代网络中应用。目前光纤到户（Fiber To The Home，FTTH）的成本已下降至可以为用户接受的程度。这里涉及两个新技术，一个是基于以太网的无源光网络（Ethernet Passive Optical Network，EPON）的光纤到户技术，一个是自由空间光系统（Free Space Optical，FSO）。由EPON支持的光纤到户，正在异军突起，它能支持吉比特的数据传输速率，并且不久的将来成本会降到与数字用户线路（Digital Subscriber Line，DSL）和光纤同轴电缆混合网（Hybrid Fiber Cable，HFC）相同的水平。FSO技术是通过大气而不是光纤传送光信号，它是光纤通信与无线电通信的结合。FSO技术能提供接近光纤通信的速率，例如可达到1Gbps，它既在无线接入带宽上有了明显的突破，又不需要在稀有资源无线电频率上有很大的投资，因为不要许可证。FSO和光纤线路比较，系统不仅安装简便，时间少很多，而且成本也低很多。FSO现已在企业和居民区得到应用，但是和固定无线接入一样，易受环境因素干扰。5移动通信系统技术3G系统比现用的2G和2.5G系统传输容量更大，灵活性更高。它以多媒体业务为基础，已形成很多的标准，并将引入新的商业模式。3G以上包括后3G、4G，乃至5G系统，它们将更是以宽带多媒体业务为基础，使用更高更宽的频带，传输容量会更上一层楼。它们可在不同的网络间无缝连接，提供满意的服务；同时网络可以自行组织，终端可以重新配置和随身携带，是一个包括卫星通信在内的端到端的IP系统，可与其他技术共享一个IP核心网。它们都是构成下一代移动互联网的基础设施。1.3 计算机网络的基本组成计算机网络是一个非常复杂的系统。网络的组成，根据应用范围、目的、规模、结构以及采用的技术不同而不尽相同，但计算机网络都必须包括硬件和软件两大部分。网络硬件提供的是数据处理、数据传输和建立通信通道的物质基础，而网络软件是真正控制数据通信的。软件的各种网络功能需依赖于硬件去完成，二者缺一不可。计算机网络的基本组成主要包括如下四部分，常称为计算机网络的四大要素。1计算机系统建立两台以上具有独立功能的计算机系统是计算机网络的第一个要素，计算机系统是计算机网络的重要组成部分，是计算机网络不可缺少的硬件元素。计算机网络连接的计算机可以是巨型机、大型机、小型机、工作站或微机，以及笔记本电脑或其他数据终端设备（如终端服务器）。计算机系统是网络的基本模块，是被连接的对象。它的主要作用是负责数据信息的收集、处理、存储、传播和提供共享资源。在网络上可共享的资源包括硬件资源（如巨型计算机、高性能外围设备、大容量磁盘等）、软件资源（如各种软件系统、应用程序、数据库系统等）和信息资源。2通信线路和通信设备计算机网络的硬件部分除了计算机本身以外，还要有用于连接这些计算机的通信线路和通信设备，即数据通信系统。通信线路分有线通信线路和无线通信线路。有线通信线路指的是传输介质及其介质连接部件，包括光纤、同轴电缆、双绞线等；无线通信线路是指以无线电、微波、红外线和激光等作为通信线路。通信设备指网络连接设备、网络互联设备，包括网卡、集线器（Hub）、中继器（Repeater）、交换机（Switch）、网桥（Bridge）和路由器（Router）以及调制解调器（Modem）等其他的通信设备。使用通信线路和通信设备将计算机互联起来，在计算机之间建立一条物理通道，以传输数据。通信线路和通信设备负责控制数据的发出、传送、接收或转发，包括信号转换、路径选择、编码与解码、差错校验、通信控制管理等，以完成信息交换。通信线路和通信设备是连接计算机系统的桥梁，是数据传输的通道。3网络协议协议是指通信双方必须共同遵守的约定和通信规则，如TCP/IP协议、NetBEUI协议、IPX/SPX协议。它是通信双方关于通信如何进行所达成的协议。比如，用什么样的格式表达、组织和传输数据，如何校验和纠正信息传输中的错误，以及传输信息的时序组织与控制机制等。现代网络都是层次结构，协议规定了分层原则、层次间的关系、执行信息传递过程的方向、分解与重组等约定。在网络上通信的双方必须遵守相同的协议，才能正确地交流信息，就像人们谈话要用同一种语言一样，如果谈话时使用不同的语言，就会造成相互间谁都听不懂谁在说什么的问题，那么将无法进行交流。因此，协议在计算机网络中是至关重要的。一般说来，协议的实现是由软件和硬件分别或配合完成的，有的部分由联网设备来 承担。4网络软件网络软件是一种在网络环境下使用和运行或者控制和管理网络工作的计算机软件。根据软件的功能，计算机网络软件可分为网络系统软件和网络应用软件两大类型。1）网络系统软件网络系统软件是控制和管理网络运行、提供网络通信、分配和管理共享资源的网络软件，它包括网络操作系统、网络协议软件、通信控制软件和管理软件等。网络操作系统（Network Operating System，NOS）是指能够对局域网范围内的资源进行统一调度和管理的程序。它是计算机网络软件的核心程序，是网络软件系统的基础。网络协议软件（如TCP/IP协议软件）是实现各种网络协议的软件。它是网络软件中最重要的核心部分，任何网络软件都要通过协议软件才能发生作用。2）网络应用软件网络应用软件是指为某一个应用目的而开发的网络软件（如远程教学软件、电子图书馆软件、Internet信息服务软件等）。网络应用软件为用户提供访问网络的手段、网络服务、资源共享和信息的传输。1.4 计算机网络的拓扑结构网络拓扑结构是计算机网络结点和通信链路所组成的几何形状。计算机网络有很多种拓扑结构，最常用的网络拓扑结构有：总线型结构、环型结构、星型结构、树型结构、网状结构和混合型结构。1.4.1 总线型结构总线型结构采用一条单根的通信线路（总线）作为公共的传输通道，所有的结点都通过相应的接口直接连接到总线上，并通过总线进行数据传输。例如，在一根电缆上连接了组成网络的计算机或其他共享设备（如打印机等），如图1-6所示。由于单根电缆仅支持一种信道，因此连接在电缆上的计算机和其他共享设备共享电缆的所有容量。连接在总线上的设备越多，网络发送和接收数据就越慢。图1-6 总线型拓扑结构总线型网络使用广播式传输技术，总线上的所有结点都可以发送数据到总线上，数据沿总线传播。但是，由于所有结点共享同一条公共通道，所以在任何时候只允许一个站点发送数据。当一个结点发送数据，并在总线上传播时，数据可以被总线上的其他所有结点接收。各站点在接收数据后，分析目的物理地址再决定是否接收该数据。粗、细同轴电缆以太网就是这种结构的典型代表。总线型拓扑结构具有如下特点：· 结构简单、灵活，易于扩展；共享能力强，便于广播式传输。· 网络响应速度快，但负荷重时性能迅速下降；局部站点故障不影响整体，可靠性较高。但是，总线出现故障，则将影响整个网络。· 易于安装，费用低。1.4.2 环型结构环型结构是各个网络结点通过环接口连在一条首尾相接的闭合环型通信线路中，如 图1-7所示。每个结点设备只能与它相邻的一个或两个结点设备直接通信。如果要与网络中的其他结点通信，数据需要依次经过两个通信结点之间的每个设备。环型网络既可以是单向的也可以是双向的。单向环型网络的数据绕着环向一个方向发送，数据所到达的环中的每个设备都将数据接收经再生放大后将其转发出去，直到数据到达目标结点为止。双向环型网络中的数据能在两个方向上进行传输，因此设备可以和两个邻近结点直接通信。如果一个方向的环中断了，数据还可以在相反的方向在环中传输，最后到达其目标结点。图1-7 环型拓扑结构环型结构有两种类型，即单环结构和双环结构。令牌环（Token Ring）是单环结构的典型代表，光纤分布式数据接口（FDDI）是双环结构的典型代表。环型拓扑结构具有如下特点：· 在环型网络中，各工作站间无主从关系，结构简单；信息流在网络中沿环单向传递，延迟固定，实时性较好。· 两个结点之间仅有唯一的路径，简化了路径选择，但可扩充性差。· 可靠性差，任何线路或结点的故障，都有可能引起全网故障，且故障检测困难。1.4.3 星型结构星型结构的每个结点都由一条点对点链路与中心结点（公用中心交换设备，如交换机、集线器等）相连，如图1-8所示。星型网络中的一个结点如果向另一个结点发送数据，首先将数据发送到中央设备，然后由中央设备将数据转发到目标结点。信息的传输是通过中心结点的存储转发技术实现的，并且只能通过中心结点与其他结点通信。星型网络是局域网中最常用的拓扑结构。星型拓扑结构具有如下特点：· 结构简单，便于管理和维护；易实现结构化布线；结构易扩充，易升级。图1-8 星型拓扑结构· 通信线路专用，电缆成本高。· 星型结构的网络由中心结点控制与管理，中心结点的可靠性基本上决定了整个网络的可靠性。· 中心结点负担重，易成为信息传输的瓶颈，且中心结点一旦出现故障，会导致全网瘫痪。1.4.4 树型结构树型结构（也称星型总线拓扑结构）是从总线型和星型结构演变来的。网络中的结点设备都连接到一个中央设备（如集线器）上，但并不是所有的结点都直接连接到中央设备，大多数的结点首先连接到一个次级设备，次级设备再与中央设备连接。图1-9所示的是一个星型总线网络。图1-9 树型结构网络树型结构有两种类型，一种是由总线型拓扑结构派生出来的，它由多条总线连接而成，如图1-10（a）所示；另一种是星型结构的变种，各结点按一定的层次连接起来，形状像一棵倒置的树，故得名树型结构，如图1-10（b）所示。在树型结构的顶端有一个根结点，它带有分支，每个分支还可以再带子分支。树型拓扑结构的主要特点如下：· 易于扩展，故障易隔离，可靠性高；电缆成本高。· 对根结点的依赖性大，一旦根结点出现故障，将导致全网不能工作。 （a）由总线结构派生 （b）树型结构图1-10 树型拓扑结构1.4.5 网状结构与混合型结构网状结构是指将各网络结点与通信线路连接成不规则的形状，每个结点至少与其他两个结点相连，或者说每个结点至少有两条链路与其他结点相连，如图1-11所示。大型互联网一般都采用这种结构，如我国的教育科研网CERNET（图1-12）、Internet的主干网都采用网状结构。 图1-11 网状拓扑结构图1-12 CERNET主干网拓扑结构网状拓扑结构有以下主要特点：· 可靠性高；结构复杂，不易管理和维护；线路成本高；适用于大型广域网。· 因为有多条路径，所以可以选择最佳路径，减少时延，改善流量分配，提高网络性能，但路径选择比较复杂。混合型结构是由以上几种拓扑结构混合而成的，如环星型结构，它是令牌环网和FDDI网常用的结构。再如总线型和星型的混合结构等。1.5 计算机网络的分类到目前为止，计算机网络还没有一种被普遍认同的分类方法，但按网络覆盖的地理范围分类和按传输技术分类是其中最重要的分类方法。 刚接触网络时，会看到各种各样的网络类型，如局域网、广域网、以太网、互联网、Novell网等，而且经常是对某一种网络有多种说法，使人们很容易混淆，不知哪一种说法是正确的。其实这些说法都没错，因为计算机网络可以有不同的分类方法，如按网络覆盖的地理范围分类、按网络控制方式分类、按网络的拓扑结构分类、按网络协议分类、按传输介质分类、按所使用的网络操作系统分类、按传输技术分类和按使用范围分类等。1.5.1 局域网、城域网和广域网按照网络覆盖的地理范围的大小，可以将网络分为局域网、城域网和广域网三种类型。这也是网络最常用的分类方法。1局域网局域网（Local Area Network，LAN）是将较小地理区域内的计算机或数据终端设备连接在一起的通信网络。局域网覆盖的地理范围比较小，一般在几十米到几千米之间。它常用于组建一个办公室、一栋楼、一个楼群、一个校园或一个企业的计算机网络。局域网可以由一个建筑物内或相邻建筑物的几百台至上千台计算机组成，也可以小到连接一个房间内的几台计算机、打印机和其他设备。局域网主要用于实现短距离的资源共享。图1-13所示的是一个由几台计算机和打印机组成的典型局域网。图1-13 局域网示例2城域网城域网（Metropolitan Area Network，MAN）是一种大型的LAN，它的覆盖范围介于局域网和广域网之间，一般为几千米至几万米，城域网的覆盖范围在一个城市内，它将位于一个城市之内不同地点的多个计算机局域网连接起来实现资源共享。城域网所使用的