第1章-计算机网络概述

第1章 计算机网络概述

1．1 计算机网络的定义与发展

一、计算机网络的定义

1970年，在美国信息处理协会召开的春季计算机联合会议上，计算机网络被定义为“以能够共享资源（硬件、软件和数据等）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”；现在，对计算机网络比较通用的定义是：

1．计算机网络的定义：计算机网络是利用通信设备和通信线路，将地理位置分散的、具有独立功能的多个计算机系统互连起来，通过网络软件实现网络中资源共享和数据通信的系统。

图1-1-1 计算机网络示意图

2．计算机网络的定义涉及到以下四个要点：

(1) 计算机网络中包含两台以上的地理位置不同具有“自主”功能的计算机。所谓“自主”的含义，是指这些计算机不依赖于网络也能独立工作。通常，将具有“自主”功能的计算机称为主机(Host)，在网络中也称为结点(Node)。网络中的结点不仅仅是计算机，还可以是其他通信设备，如，HUB、路由器等。

(2) 网络中各结点之间的连接需要有一条通道，即，由传输介质实现物理互联。这条物理通道可以是双绞线、同轴电缆或光纤等“有线”传输介质；也可以是激光、微波或卫星等“无线”传输介质。

(3) 网络中各结点之间互相通信或交换信息，需要有某些约定和规则，这些约定和规则的集合就是协议，其功能是实现各结点的逻辑互联。例如，Internet上使用的通信协议是TCP/IP协议簇。

(4) 计算机网络是以实现数据通信和网络资源（包括硬件资源和软件资源）共享为目的。要实现这一目的，网络中需配备功能完善的网络软件，包括网络通信协议（如，TCP/IP、IPX/SPX）和网络操作系统（如，Netware、Windows 2000 Server、Linux）。

计算机网络是计算机技术和通信技术相结合的产物，这主要体现在两个方面：一方面，通信技术为计算机之间的数据传递和交换提供了必要的手段；另一方面，计算机技术的发展渗透到通信技术中，又提高了通信网络的各种性能。

二、计算机网络的发展

计算机网络的发展过程大致可分为以下四个阶段：

第一阶段：以单个计算机为中心的远程联机系统，构成面向终端的计算机通信网（20世纪50年代）

第二阶段：多个自主功能的主机通过通信线路互联，形成资源共享的计算机网络（20世纪60年代末）

第三阶段：形成具有统一的网络体系结构、遵循国际标准化协议的计算机网络（20世纪70年代末）

第四阶段：向互连、高速、智能化方向发展的计算机网络（始于20世纪80年代末）

1. 面向终端的计算机通信网

以单个计算机为中心的联机系统称做面向终端的远程联机系统。该系统是计算机技术与通信技术相结合而形成的计算机网络的雏形，因此也称为面向终端的计算机通信网。

上述单机系统有以下两个主要缺点：

(1) 主机既要负责数据处理，又要管理与终端的通信，因此主机的负担很重。 (2) 由于一个终端单独使用一根通信线路，造成通信线路利用率低。此外，每增加一个终端，线路控制器的软硬件都需要做出很大的改动。

为减轻主机的负担，可在通信线路和计算机之间设置了一个前端处理设置一个前端处理机（FEP），FEP专门负责与终端之间的通信控制，而让主机进行数据处理；为提高通信效率，减少通信费用，在远程终端比较密集的地方增加一个集中器，集中器的作用是把若干个终端经低速通信线路集中起来，连接到高速线路上。然后，经高速线路与前端处理机连接。前端处理机和集中器当时一般由小型计算机担当，因此，这种结构也称为具有通信功能的多机系统。

2. 多个自主功能的主机通过通信线路互联的计算机网络

资源子网由网络中的所有主机、终端、终端控制器、外设（如网络打印机、磁盘阵列等）和各种软件资源组成，负责全网的数据处理和向网络用户（工作站或终端）提供网络资源和服务。

通信子网由各种通信设备和线路组成，承担资源子网的数据传输、转接和变换等通信处理工作。

网络用户对网络的访问可分为两类：

☆本地访问：对本地主机访问，不经过通信子网，只在资源子网内部进行。

☆网络访问：通过通信子网访问远地主机上的资源。

3. 遵循国际标准化协议的计算机网络

计算机网络发展的第三阶段是加速体系结构与协议国际标准化的研究与应用。20世纪70年代末，国际标准化组织ISO(International Organization for Standardization)的计算机与信息处理标准化技术委员会成立了一个专门机构，研究和制定网络通信标准，以实现网络体系结构的国际标准化。1984年ISO正式颁布了一个称为“开放系统互连基本参考模型”的国际标准ISO 7498，简称OSI RM（Open System Interconnection Basic Reference Model），即著名的OSI七层模型。OSI RM及标准协议的制定和完善大大加速了计算机网络的发展。很多大的计算机厂商相继宣布支持

OSI标准，并积极研究和开发符合OSI标准的产品。

4. 互联网络与高速网络

从20世纪80年代末开始，计算机网络技术进入新的发展阶段，其特点是：互联、高速和智能化。表现在：

(1) 发展了以Internet为代表的互联网 (2) 发展高速网络 (3) 研究智能网络

三、计算机网络在中国的发展

1. 建立公用分组交换网CHINAPAC 2. “三金”工程

3. 基于Internet技术的公用计算机网络

1．2 计算机网络的组成

一、网络硬件

1. 主机(Host)

传统定义中的主机是指网络系统的中心计算机（主计算机），可以是大型机、中型机、小型机、工作站或者微型机。这里所说的工作站(Workstation)是一种高档的微型计算机，通常配有高分辨率的大屏幕显示器及容量很大的内存储器和外部存储器，并且具有较强的信息处理功能和高性能的图形、图像处理功能。

2. 终端(Terminal)

终端是用户访问网络的接口，包括显示器和键盘，其主要作用实现信息的输入输出。

3. 传输介质

传输介质是网络中信息传输的物理通道。现在常用的网络传输介质可分为两类：一类是有线的，一类是无线的。有线传输介质主要有双绞线、同轴电缆和光纤等；无线传输介质主要有红外线、微波、无线电、激光和卫星信道等。详见第2章相关内容。

4. 常见连网设备

(1) 网卡（NIC-Network Interface Card）

网卡又称为网络适配器或网络接口卡，是一种插入主机扩展槽的扩充卡。网卡是主机和网络的接口，用于协调主机与网络间数据、指令或信息的发送与接收：在发送方，把主机产生的串行数字信号转换成能通过传输媒介传输的bit流；在接收方，把通过传输媒介接收的bit流重组成本地设备可以处理的数据。

每块网卡都有一个唯一的12位的十六进制网络结点地址，它是网卡厂家在生产时写入ROM中的。该地址用于控制主机在网络上的数据通信，被称为MAC（介质访问控制）地址。

PCMCIA是笔记本电脑所使用的网卡；USB接口网卡是外置式的，具有不占用计算机扩展槽的优点，因而安装更为方便。

(2) 调制解调器（Modem）

Modem是一种信号转换装置。其作用是：发送信息时，将计算机的数字信号转

换成可以通过模拟通信线路传输的模拟信号，这就是“调制”；接收信息时，把模拟通信线路上传来的模拟信号转换成数字信号传送给计算机，这就是“解调”。 (3) 中继器(Repeater)与集线器(HUB)

中继器是最简单的网络延伸设备，其作用就是放大通过网络传输的数据信号。例如，同轴电缆的最大网段长度为185米（细缆），如果需要较长的传输距离，就需要安装一个称为“中继器”的设备。

集线器可以看作是一种特殊的中继器，它具有多个端口，可连接多台计算机，是对网络进行集中管理的最小单元。局域网中常以集线器为中心，通过双绞线将所有分散的工作站与服务器连接在一起，形成物理上的星形拓扑结构。

(4) 网桥(Bridge)

网桥的作用是扩展网络的距离，减轻网络的负载。由网桥隔开的网络段仍属于同一网络，有相同的网络地址，但分段地址不同。

(5) 路由器（Router）

路由器用于连接多个逻辑上分开的网络。当数据从一个子网传输到另一个子网时，可通过路由器来完成。因此，路由器具有判断网络地址和选择路径的功能。路由器分本地路由器和远程路由器，本地路由器通常可直接连接网络传输介质，如，双绞线、同轴电缆、光纤；远程路由器用来连接远程传输介质，并要求相应的设备，如，电话线要配调制解调器，无线介质要通过无线接收机、发射机等。

(6) 其它

除了上面提到的连网设备，在广域网中还用到以下设备：

☆ 线路控制器：主计算机或终端设备与线路上调制解调器的接口设备。 ☆ 通信控制处理机：负责通信处理工作的计算机。

☆ 集中器、多路选择器：通过通信线路分别和多个远程终端相连接的设备。

二、网络软件

网络软件主要包括：

☆ 网络操作系统：网络操作系统是网络的心脏和灵魂，负责管理和调度网络上的所有硬件和软件资源，使各个部分能够协调一致的工作，为用户提供各种基本网络服务，并提供网络系统的安全性保障。网络操作系统运行在称为服务器的计算

机上，并由连网的计算机用户(客户)共享。常用的网络操作系统有Windows 2000 Server、Netware、Unix、Linux等。

☆ 网络通信协议：在网络中，为了使网络设备之间能成功地发送和接收信息，必须制定相互都能接受并遵守的语言和规范，这些规则的集合就称为网络通信协议，如TCP/IP、SPX/IPX、NetBEUI等。协议通常包括所传输数据的格式、差错控制方案以及在计时与时序上的有关约定。一般说来同一网络中的各主机应遵守相同的协议才能相互通信，例如，Internet使用的协议是TCP/IP。

☆ 网络数据库系统：网络数据库系统是建立在网络操作系统之上的一种数据库系统，可以集中驻留在一台主机上（集中式网络数据库系统），也可以分布在每台主机上（分布式网络数据库系统）。它向用户提供存取、修改网络数据库的服务，以实现网络数据库的共享。

☆ 网络管理软件：用来对网络资源进行管理和对网络进行维护。

☆ 网络工具软件：用来扩充网络操作系统功能的软件，如，网络通信软件、网络浏览器、网络下载软件等。

☆ 网络应用软件：基于计算机网络应用而开发并为网络用户解决实际问题的软件。如，铁路联网售票系统、物流管理系统、连锁超市销售管理系统等。

网络软件所研究的重点不是网络中各个独立的计算机本身的功能，而在于如何实现网络特有的功能，这是网络软件最重要的特征。

小结：本次课主要讲解了计算机网络的基本概念，计算机网络的发展，我国计算机网络发展现状，计算机网络的软硬件构成等知识，都是有关计算机网络的基础知识，要求学生能理解掌握。

作业：

1．简述计算机网络的定义。从该定义中你对计算机网络有了何种了解？ 2．计算机网络的发展可划分为几个阶段？每个阶段各有何特点？ 3．计算机网络可分为哪两大子网？它们各实现什么功能？ 4．计算机网络可以从哪几个方面进行分类？

1．3 计算机网络的分类

一、按网络的拓扑结构分类

网络拓扑可反映网络中各实体之间的结构关系，有星形、总线形、环形、树形和网状形等，其中星形、总线形、环形是三种基本的拓扑结构。 1. 星形结构

星形结构是局域网中最常用的物理拓扑结构，它一种集中控制式的结构（如图(a)所示）：以一台设备为中央结点，其它外围结点都通过一条点到点的链路单独与中心结点相连，各外围结点之间的通信必须通过中央结点进行。中央结点可以是服务器或专门的集线设备（如HUB），负责信息的接收和转发。

这种拓扑结构的优点是：结构简单，容易实现，在网络中增加新的结点也很方便，易于维护、管理及实现网络监控，某个结点与中央结点的链路故障不影响其它结点间的正常工作。

缺点是：对中央结点的要求较高。如果中央结点发生故障，就会造成整个网络的瘫痪。 2. 环形结构

环形结构如图(b)所示，各结点通过链路连接，在网络中形成一个首尾相接的闭合环路，信息在环中作单向流动，通信线路共享。

这种拓扑结构的优点是：结构简单，容易实现，信息的传输延迟时间固定，且每个结点的通信机会相同。缺点是：网络建成后，增加新的结点较困难；此外，链路故障对网络的影响较大，只要有一个结点或一处链路发生故障，则会造成整个网络的瘫痪。 3. 总线形结构

总线形结构如图(c)所示，网络中的所有结点均连接到一条称为总线的公共线路上，即所有的结点共享同一条数据通道，结点间通过广播进行通信。

这种拓扑结构的优点是：连接形式简单、易于实现、组网灵活方便、所用的线缆最短、增加和撤消结点比较灵活（不如星形结构），个别结点发生故障不影响网络中其它结点的正常工作。缺点是：传输能力低，易发生“瓶颈”现象；安全性低，链路故障对网络的影响大，总线的故障会导致网络瘫痪；此外结点数量的增多

也影响网络性能。 4. 其它结构

树形结构：该结构可以看作是星形结构的扩展，是一种分层结构，具有根结点和各分支结点，如图(d)所示。除了叶结点之外，所有根结点和子结点都具有转发功能，其结构比星形结构复杂，数据在传输的过程中需要经过多条链路，时延较大，适用于分级管理和控制系统，是一种广域网常用的拓扑结构。

网状形结构：该结构由分布在不同地点、各自独立的结点经链路连接而成，每一个结点至少有一条链路与其它结点相连，每两个结点间的通信链路可能不止一条，需进行路由选择，如图(e)所示。其优点是：可靠性高、灵活性好、结点的独立处理能力强、信息传输容量大；缺点是：结构复杂、管理难度大、投资费用高。网状形结构是一种广域网常用的拓扑结构，互联网大多也采用这种结构。

图1-3-1 计算机网络的几种拓扑结构

二、按网络的地理覆盖范围分类

1. 局域网

局域网是在局部范围内构建的网络，其覆盖范围一般在几公里以内，通常不超过10公里，属于一个部门或单位组建的小范围网络。局域网组建方便、使用灵活，是目前计算机网络技术发展中最活跃的一个分支。

局域网覆盖的地理范围有限，通常不涉及远程通信问题，因而易于组建，同时也便于维护和扩展。此外，局域网还具有高数据传输速率、低误码率的高质量数据传输能力。 2. 城域网

城域网的规模介于局域网与广域网之间，其范围可覆盖一个城市或地区，一般为几公里至几十公里。城域网技术的特点之一是使用具有容错能力的双环结构，并具有动态分配带宽的能力，支持同步和异步数据传输，并可以使用光纤作为传输介质。

三、按网络的管理方式分类

1. 客户机/服务器网络（Client/Server）

在客户机/服务器网络中（以下简称C/S结构），有一台或多台高性能的计算机专门为其它计算机提供服务，这类计算机称之为服务器；而其它与之相连的用户计算机通过向服务器发出请求可获得相关服务，这类计算机称之为客户机。 C/S结构是最常用、最重要的一种网络类型。

C/S结构的网络性能在很大程度上取决于服务器的性能和客户机的数量。服 随着Internet技术的发展与应用，出现了一种对C/S结构的改进结构，即浏览器/服务器结构(B/S Browser/Server)。 2. 对等网络

对等网是最简单的网络，网络中不需要专门的服务器，接入网络的每台计算机没有工作站和服务器之分，都是平等的，既可以使用其它计算机上的资源，也可以为其它计算机提供共享资源。比较适合于部门内部协同工作的小型网络。 对等网络组建简单，不需要专门的服务器，各用户分散管理自己机器的资源，因而网络维护容易；但较难实现数据的集中管理与监控，整个系统的安全性也较低。 按网络的使用范围分类

1. 公用网（Public Network）

公用网一般是由国家邮电或电信部门建设的通信网络。按规定缴纳相关租用费用的部门和个人均可以使用公用网。 2. 专用网（Private Network）

专用网是指单位自建的、满足本单位业务需求的网络。专用网不向本单位以外的人提供服务。如，军队、铁路、电力等系统均拥有本系统的专用网。随着信息时代的到来，各企业纷纷采用Internet技术建立内部专用网(Intranet)。它以TCP/IP协议作为基础，以Web为核心应用，构成统一和便利的信息交换平台。

1．4 计算机网络的功能与应用

一、计算机网络的基本功能与特点 1. 数据通信

数据通信是计算机网络基本的功能，可实现不同地理位置的计算机与终端、计算机与计算机之间的数据传输。 2. 资源共享

资源共享包括网络中软件、硬件和数据资源的共享，这是计算机网络最主要和最有吸引力的功能。 3. 集中管理 4. 分布式处理 5. 可靠性高 6. 均衡负荷 7. 综合信息服务

二、计算机网络的主要应用

计算机网络是信息产业的基础，在各行各业都获得了广泛的应用： 1. 办公自动化系统（OAS）

办公自动化是以先进的科学技术（信息技术、系统科学和行为科学）完成各种

办公业务。

办公自动化系统的核心是通信和信息。通过将办公室的计算机和其他办公设备连接成网络，可充分有效地利用信息资源，以提高生产效率、工作效率和工作质量，更好地辅助决策。 2. 管理信息系统（MIS）

MIS是基于数据库的应用系统。在计算机网络的基础上建立管理信息系统，是企业管理的基本前提和特征。例如，使用MIS系统，企业可以实现各部门动态信息的管理、查询和部门间信息的传递，可以大幅提高企业的管理水平和工作效率。 3. 电子数据交换（EDI）

电子数据交换，是将贸易、运输、保险、银行、海关等行业信息用一种国际公认的标准格式，通过计算机网络，实现各企业之间的数据交换，并完成以贸易为中心的业务全过程。电子商务系统（EB或EC）是EDI的进一步发展。 我国的“金关”工程就是以EDI作为通信平台。 4. 现代远程教育(Distance Education)

远程教育是一种利用在线服务系统，开展学历或非学历教育的全新的教学模式。远程教育的基础设施是网络，其主要作用是向学员提供课程软件及主机系统的使用，支持学员完成在线课程，并负责行政管理、协同合作等。 5. 电子银行

电子银行也是一种在线服务，是一种由银行提供的基于计算机和计算机网络的新型金融服务系统，其主要功能有：金融交易卡服务、自动存取款服务、销售点自动转帐服务、电子汇款与清算等。 6. 企业信息化

分布式控制系统（DCS）和计算机集成与制造系统（CIMS）是两种典型的企业网络系统。

1．5 计算机网络的标准及标准化组织

一、两类标准

标准可分为既成事实的标准和合法的标准。

电信界最有影响的组织是国际电信联盟（ITU），国际标准界最有影响的组织是国际标准化组织（ISO）和电器和电子工程师协会（IEEE），因特网标准界最有影响的组织是Internet协会。

二、若干有影响的标准化组织

国际标准界最有影响的两个组织是ISO和IEEE。

小结：本次课主要讲解了计算机网络的分类，计算机网络按不同的分类标准可分为几大类，其次是计算机网络的的主要功能以及在社会生活中的常见应用，最后是计算机网络的标准。 作业：

1. 2. 3. 4. 5.

计算机网络有哪些拓扑结构？各有什么优缺点？ 计算机网络有哪些基本功能？

计算机网络有哪些资源可以共享？试举例说明？ 试列举一些计算机网络的应用案例。 列出落干有影响的的标准化组织。

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