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
6 计算机网络技术 1.3.2局域网、城域网和广域网 按地理覆盖范围对网络类型进行划分是我们目前最为常见的一种计算机网络分类方 法。之所以如此，是因为地理覆盖范围的不同直接影响网络技术的实现与选择。也就是说， 局域网、城域网和广域网由于地理覆盖范围不同而具有明显不同的网络特性，并在技术实 视和洗择上存在明品差异。 ●局域网LAN:local area network 局域网的覆盖范围大约是几公里以内，如一幢大楼内或一个校园内。局域网通常为使 用单位所有。学校的实验室或中、小型公司的网络通常都属于局域网。 ●城域网(MAN:netropolitan area network) 城域网的覆盖范围大约是几公里到几十公里，它主要是满足城市、郊区的联网需求。 例如，将某个城市中所有中小学互连起来所构成的网络就可以称为教有城域网。 ●广域网(WAN:wide area network) 广域网的覆盖范围一般是几十公里到几千公里以上，它能够在很大的范围内实现资源 共享和信息传递。大家所熟悉的Internet,就是广域网中最典型的例子。 1.4计算机网络的功能和应用 1.4.1计算机网络的功能 通过以上的介绍，我们对计算机网络已经有了一个初步的认识，那么网络对我们来说 有什么存在的价值？或者说计算机网络能够为我们提供哪些有用的功能与应用？ 总体来讲，计算机网络可归纳为资源共享、数据传送、均衡负荷和分布式处理、信息 的集中和综合处理等四项功能。 ●资源共享 资源共享是网络的基本功能之一。计算机网络的资源主要包括硬件资源和软件资源。 硬件资源包括处理机、大容量存储器、打印设备等，软件资源包括各种应用软件、系统软 件和数据等。资源共享功能不仅使得网络用户可以克服地理位置上的差异，共享网络中的 资源，还可以充分提高资源的利用率。 ·数据传送 数据传送是计算机网络的另一项基本功能。它包括网络用户之间、各处理器之间以及 用户与处理器间的数据通信。例如，同学们在网络上相互发送与接收电子邮件就是一种基 于数据传送的应用。 ·均衡负荷和分布式处理功能 所谓均衡负荷是指当网络的某个节点系统的负荷过重时，新的作业可以通过网络传送 到网中其他较为空闲的计算机系统去处理。在幅员辽阔的国家，还可以利用时差来均衡日 夜负荷。分布式处理则是指当网络中的某个节点其性能不足以处理某项复杂的计算或数据
6 计算机网络技术 1.3.2 局域网、城域网和广域网 按地理覆盖范围对网络类型进行划分是我们目前最为常见的一种计算机网络分类方 法。之所以如此，是因为地理覆盖范围的不同直接影响网络技术的实现与选择。也就是说， 局域网、城域网和广域网由于地理覆盖范围不同而具有明显不同的网络特性，并在技术实 现和选择上存在明显差异。 z 局域网 (LAN：local area network) 局域网的覆盖范围大约是几公里以内，如一幢大楼内或一个校园内。局域网通常为使 用单位所有。学校的实验室或中、小型公司的网络通常都属于局域网。 z 城域网（MAN: metropolitan area network） 城域网的覆盖范围大约是几公里到几十公里，它主要是满足城市、郊区的联网需求。 例如，将某个城市中所有中小学互连起来所构成的网络就可以称为教育城域网。 z 广域网（WAN:wide area network） 广域网的覆盖范围一般是几十公里到几千公里以上，它能够在很大的范围内实现资源 共享和信息传递。大家所熟悉的 Internet，就是广域网中最典型的例子。 1.4 计算机网络的功能和应用 1.4.1 计算机网络的功能 通过以上的介绍，我们对计算机网络已经有了一个初步的认识，那么网络对我们来说 有什么存在的价值？或者说计算机网络能够为我们提供哪些有用的功能与应用？ 总体来讲，计算机网络可归纳为资源共享、数据传送、均衡负荷和分布式处理、信息 的集中和综合处理等四项功能。 z 资源共享 资源共享是网络的基本功能之一。计算机网络的资源主要包括硬件资源和软件资源。 硬件资源包括处理机、大容量存储器、打印设备等，软件资源包括各种应用软件、系统软 件和数据等。资源共享功能不仅使得网络用户可以克服地理位置上的差异，共享网络中的 资源，还可以充分提高资源的利用率。 z 数据传送 数据传送是计算机网络的另一项基本功能。它包括网络用户之间、各处理器之间以及 用户与处理器间的数据通信。例如，同学们在网络上相互发送与接收电子邮件就是一种基 于数据传送的应用。 z 均衡负荷和分布式处理功能 所谓均衡负荷是指当网络的某个节点系统的负荷过重时，新的作业可以通过网络传送 到网中其他较为空闲的计算机系统去处理。在幅员辽阔的国家，还可以利用时差来均衡日 夜负荷。分布式处理则是指当网络中的某个节点其性能不足以处理某项复杂的计算或数据
第1章计算机网络的基本概念 7 处理任务时，可以通过调用网络中的其他计算机，通过分工合作来共同完成的处理方式。 利用均衡负荷和分布式处理功能可以提高系统的可用性与可靠性。 ·数据信息的集中和综合处理 以网络为基础，我们可以将从不同计算机终端上得到各种的数据收集起来，并进行整 理和分析等综合处理。例如，一个企业可以通过网络将其进货、生产、销售和财务等各个 方面的数据集中在一起，这些数据通过综合处理得到的结果可以帮助企业调整生产和管理 的各个环节或作出一些重要的决策。 上面列举的计算机网络功能不是完全独立存在的，它们之间存在相辅相成的关系。以 这些功能为基础，可以在网络上开发出许许多多的应用。 1.4.2计算机网络的应用 随着计算机网络的发展与普及，网络上的应用也越来越显多样化。下面列举一些典型 的网络应用： ·方便的信息检索 计算机网络使我们的信息检索变得更加高效、快捷，通过网上搜索、WWW浏览、FTP 下我我们可以非常方便地从网络上获得所需要的信息和资料。网上图书馆更是以其信 息容量大、检索方便赢得人们的青睐。 ●现代化的通信方式 网络上使用最为广泛的电子邮件目前已经成了一种最为快捷、廉价的通信手段。 人们可以在几分钟、甚至几秒钟内就可以把信息发给对方，信息的表达形式不仅可以 是文本，还可以是声音和图片。其低廉的通信费用更是其他通信方式如信件、电话、 传真等所不能相比的。 办公自动化 通过将一个企业或机关的办公电脑及其外部设备联成网络，既可以节约购买多个 外部设备的成本，又可以共享许多办公数据，并且可对信息进行计算机综合处理与统 计，避免了许多单调重复性的劳动。 ● 企业的信息化 通过在企业中实施基于网络的管理信息系统(IS)和资源制造计划(ERP),可以实 现企业的生产、销售、管理和服务的全面信息化，从而有效提高生产率。同学们所见 到的医院管理信息系统、民航、铁路的购票、学校的学生管理信息系统等都是管理信 息系统的实例。 ·电子商务与电子政务 计算机网络还推动了电子商务与电子政务的发展。企业与企业之间、企业与个人 之间可以通过网络来实现贸易、购物：政府部门则可以通过电子政务工程实施政务公 开化，审批程序标准化，提高了政府的办事效率并使之更好地为企业或个人服务。 ●远程教有与E-learning 网络为我们提供了新的实现自我教育和终身教育的渠道。基于网络的远程教育、 网络学习使得我们可以突破时间、空间和身份的限制方便地获取网络上的教有资源并
第 1 章 计算机网络的基本概念 7 处理任务时，可以通过调用网络中的其他计算机，通过分工合作来共同完成的处理方式。 利用均衡负荷和分布式处理功能可以提高系统的可用性与可靠性。 z 数据信息的集中和综合处理 以网络为基础，我们可以将从不同计算机终端上得到各种的数据收集起来，并进行整 理和分析等综合处理。例如，一个企业可以通过网络将其进货、生产、销售和财务等各个 方面的数据集中在一起，这些数据通过综合处理得到的结果可以帮助企业调整生产和管理 的各个环节或作出一些重要的决策。 上面列举的计算机网络功能不是完全独立存在的，它们之间存在相辅相成的关系。以 这些功能为基础，可以在网络上开发出许许多多的应用。 1.4.2 计算机网络的应用 随着计算机网络的发展与普及，网络上的应用也越来越显多样化。下面列举一些典型 的网络应用： z 方便的信息检索 计算机网络使我们的信息检索变得更加高效、快捷，通过网上搜索、WWW 浏览、FTP 下载我们可以非常方便地从网络上获得所需要的信息和资料。网上图书馆更是以其信 息容量大、检索方便赢得人们的青睐。 z 现代化的通信方式 网络上使用最为广泛的电子邮件目前已经成了一种最为快捷、廉价的通信手段。 人们可以在几分钟、甚至几秒钟内就可以把信息发给对方，信息的表达形式不仅可以 是文本，还可以是声音和图片。其低廉的通信费用更是其他通信方式如信件、电话、 传真等所不能相比的。 z 办公自动化 通过将一个企业或机关的办公电脑及其外部设备联成网络，既可以节约购买多个 外部设备的成本，又可以共享许多办公数据，并且可对信息进行计算机综合处理与统 计，避免了许多单调重复性的劳动。 z 企业的信息化 通过在企业中实施基于网络的管理信息系统(MIS)和资源制造计划(ERP)，可以实 现企业的生产、销售、管理和服务的全面信息化，从而有效提高生产率。同学们所见 到的医院管理信息系统、民航、铁路的购票、学校的学生管理信息系统等都是管理信 息系统的实例。 z 电子商务与电子政务 计算机网络还推动了电子商务与电子政务的发展。企业与企业之间、企业与个人 之间可以通过网络来实现贸易、购物；政府部门则可以通过电子政务工程实施政务公 开化，审批程序标准化，提高了政府的办事效率并使之更好地为企业或个人服务。 z 远程教育与 E-learning 网络为我们提供了新的实现自我教育和终身教育的渠道。基于网络的远程教育、 网络学习使得我们可以突破时间、空间和身份的限制方便地获取网络上的教育资源并
计算机网络技术 接受教育。 ·丰富的娱乐和消遣 网络不仅改变了我们的工作与学习方式，也给我们带来新的丰富多彩的娱乐和消遣方 式，如网上聊天、网络游戏、网上电影院等。 1.5计算机网络的组成 从资源构成的角度讲，计算机网络是由硬件和软件组成的。这里的硬件包括各种主机、 终端等用户端设备，以及交换机、路由器等通信控制处理设备，而软件则由各种系统程序 和应用程序以及大量的数据资源组成。但是，从计算机网络的设计与实现角度看，我们更 多的是从功能角度去看待计算机网络的组成，并从功能上将计算机网络逻辑划分为资源子 网和通信子网。 图1.3给出了关于资源子网和通信子网的二级子网结构，其中，资源子网负责全网的 数据处理业务，并向网络用户提供各种网络资源和网络服务。资源子网主要由主机、终端 以及相应的I/0设备、各种软件资源和数据资源构成。主机(OST)可以是大型机、中型 机、小型机、工作站或微型机，它通过高速通信线路与通信控制处理机相连。主机系统拥 有各种终端用户要访问的资源，它负担着数据处理的任务。终端(Terminal)是用户进行 网络操作时所使用的末端设备，它是用户访问网络的界面。终端设备的种类很多，如电传 打字机、CT监视器加键盘，另外还有网络打印机、传真机等。终端设备可以直接或者通过 通信控制处理机和主机相连， 而通信子网的作用则是为资源子网提供传输、交换数据信息的能力。通信子网主要由 通信控制处理机、通信链路及其他设备如调制解调器等组成。通信控制处理机(CCP)是一 种处理通信控制功能的专用计算机，按照它的功能和用途，可以分为存储转发处理机、网 络协议变换器、报文分组组装/拆卸设备等。通信控制处理机主要具有以下三个功能： ● 网络接▣功能一一--一实现资原子网和通信子网的接▣功能： ● 存储/转发功能—一对进入网络传输的数据信息提供转接功能 ●网络控制功能一一为数据提供路径选择、流量控制等功能。 通信链路是用于传输信息的物理信道以及为达到有效、可靠的传输质量所必需的信道 设备的总称。一般，通信子网中的链路属于高速线路，所用的信道类型可以是有线信道或 无线信道。 1.6计算机网络的拓扑结构 1.6.1计算机网络拓扑结构的概念 首先我们来解释一下拓扑的含义，所谓“拓扑”就是把实体抽象成与其大小、形状无
8 计算机网络技术 接受教育。 z 丰富的娱乐和消遣 网络不仅改变了我们的工作与学习方式，也给我们带来新的丰富多彩的娱乐和消遣方 式，如网上聊天、网络游戏、网上电影院等。 1.5 计算机网络的组成 从资源构成的角度讲，计算机网络是由硬件和软件组成的。这里的硬件包括各种主机、 终端等用户端设备，以及交换机、路由器等通信控制处理设备，而软件则由各种系统程序 和应用程序以及大量的数据资源组成。但是，从计算机网络的设计与实现角度看，我们更 多的是从功能角度去看待计算机网络的组成，并从功能上将计算机网络逻辑划分为资源子 网和通信子网。 图 1.3 给出了关于资源子网和通信子网的二级子网结构，其中，资源子网负责全网的 数据处理业务，并向网络用户提供各种网络资源和网络服务。资源子网主要由主机、终端 以及相应的 I/O 设备、各种软件资源和数据资源构成。主机（HOST）可以是大型机、中型 机、小型机、工作站或微型机，它通过高速通信线路与通信控制处理机相连。主机系统拥 有各种终端用户要访问的资源，它负担着数据处理的任务。终端（Terminal）是用户进行 网络操作时所使用的末端设备，它是用户访问网络的界面。终端设备的种类很多，如电传 打字机、CRT 监视器加键盘，另外还有网络打印机、传真机等。终端设备可以直接或者通过 通信控制处理机和主机相连。 而通信子网的作用则是为资源子网提供传输、交换数据信息的能力。通信子网主要由 通信控制处理机、通信链路及其他设备如调制解调器等组成。通信控制处理机（CCP）是一 种处理通信控制功能的专用计算机，按照它的功能和用途，可以分为存储转发处理机、网 络协议变换器、报文分组组装/拆卸设备等。通信控制处理机主要具有以下三个功能： z 网络接口功能-----实现资源子网和通信子网的接口功能； z 存储/转发功能----对进入网络传输的数据信息提供转接功能； z 网络控制功能-----为数据提供路径选择、流量控制等功能。 通信链路是用于传输信息的物理信道以及为达到有效、可靠的传输质量所必需的信道 设备的总称。一般，通信子网中的链路属于高速线路，所用的信道类型可以是有线信道或 无线信道。 1.6 计算机网络的拓扑结构 1.6.1 计算机网络拓扑结构的概念 首先我们来解释一下拓扑的含义，所谓“拓扑”就是把实体抽象成与其大小、形状无
第1章计算机网铬的基本概念 关的“点”，而把连接实体的线路抽象成“线”，进而以图的形式来表示这些点与线之间关 系的方法，其目的在于研究这些点、线之间的相连关系。表示点和线之间关系的图被称为 拓扑结构图。拓扑结构与几何结构属于两个不同的数学概念。在几何结构中，我们要考察 的是点、线之间的位置关系，或者说几何结构强调的是点与线所构成的形状及大小。如梯 形、正方形、平行四边形及圆都属于不同的几何结构，但从拓扑结构的角度去看，由于点、 线间的连接关系相同，从而具有相同的拓扑结构即环型结构。也就是说，不同的几何结构 可能具有相同的拓扑结构。 类似地，在计算机网络中，我们把计算机、终端、通信处理机等设备抽象成点，把连 接这些设备的通信线路抽象成线，并将由这些点和线所构成的拓扑称为网络拓扑结构。网 络拓扑结构反映出网络的结构关系，它对于网络的性能、可靠性以及建设管理成本等都有 着重要的影响，因此网络拓扑结构的设计在整个网络设计中占有十分重要的地位，在网络 构建时，网络拓扑结构往往是首先要考虑的因素之一。 1.6.2常见的网络拓扑结构 在计算机网络中常见的拓扑结构有总线型、星型、环型、树型和网状型。图1.4给出了 这些常见拓扑结构的简单示意。 0 0 (a)总线 (d)树型 (e)网状型 图1.5常见计算机网络拓扑结构 1.总线型： 如图1-5(：)所示，总线型拓扑中采用单根传输线路作为传输介质，所有站点通过 专门的连接器连到这个公共信道上，这个公共的信道称为总线。任何一个站点发送的数据 都能通过总线传播，同时能被总线上的所有其他站点接收到。可见，总线型结构的网络是 种广播网络。 总线型拓扑形式简单，节点易于扩充，是基本局域网拓扑形式之一。 2,星型拓扑： 如图1-5(b)所示，星型拓扑中有一个中心节点，其他各节点桶时各自的线路与中心 节点相连，形成辐射型结构。各节点间的通信必须通过中心节点的作用，如图A到B或A 到C都要经过中心节点D
第 1 章 计算机网络的基本概念 9 关的“点”，而把连接实体的线路抽象成“线”，进而以图的形式来表示这些点与线之间关 系的方法，其目的在于研究这些点、线之间的相连关系。表示点和线之间关系的图被称为 拓扑结构图。拓扑结构与几何结构属于两个不同的数学概念。在几何结构中，我们要考察 的是点、线之间的位置关系，或者说几何结构强调的是点与线所构成的形状及大小。如梯 形、正方形、平行四边形及圆都属于不同的几何结构，但从拓扑结构的角度去看，由于点、 线间的连接关系相同，从而具有相同的拓扑结构即环型结构。也就是说，不同的几何结构 可能具有相同的拓扑结构。 类似地，在计算机网络中，我们把计算机、终端、通信处理机等设备抽象成点，把连 接这些设备的通信线路抽象成线，并将由这些点和线所构成的拓扑称为网络拓扑结构。网 络拓扑结构反映出网络的结构关系，它对于网络的性能、可靠性以及建设管理成本等都有 着重要的影响，因此网络拓扑结构的设计在整个网络设计中占有十分重要的地位，在网络 构建时，网络拓扑结构往往是首先要考虑的因素之一。 1.6.2 常见的网络拓扑结构 在计算机网络中常见的拓扑结构有总线型、星型、环型、树型和网状型。图 1.4 给出了 这些常见拓扑结构的简单示意。 (a)总线型 (b)星型 (c)环型 A B C D (d)树型 (e)网状型 A C B D 图 1.５ 常见计算机网络拓扑结构 １．总线型： 如图 1-５ （ａ）所示，总线型拓扑中采用单根传输线路作为传输介质，所有站点通过 专门的连接器连到这个公共信道上，这个公共的信道称为总线。任何一个站点发送的数据 都能通过总线传播，同时能被总线上的所有其他站点接收到。可见，总线型结构的网络是 一种广播网络。 总线型拓扑形式简单，节点易于扩充，是基本局域网拓扑形式之一。 ２．星型拓扑： 如图 1-５（b）所示，星型拓扑中有一个中心节点，其他各节点通过各自的线路与中心 节点相连，形成辐射型结构。各节点间的通信必须通过中心节点的作用，如图 A 到 B 或 A 到 C 都要经过中心节点 D
10 计算机网络技术 星型拓扑的网络具有结构简单、易于建网和易于管理等特点。但这种结构要耗费大量 的电缆，同时中心节点的故障会直接造成整个网络的瘫痪。星型拓扑也经常应用于局域网 中。 树型拓扑结构可以看作成星型拓扑的一种扩展，也称扩展星型拓扑。 3.环型拓扑： 如图1-5(c)所示，在环型拓扑中，各节点和通信线路连接形成的一个闭合的环。 在环路中，数据按照一个方向传输。发送端发出的数据，延环绕行一周后，回到发送端， 由发送端将其从环上删除。我们可以看到任何一个节点发出的数据都可以被环上的其他节 点接收到。 环型拓扑具有结构简单，容易实现，传输时延确定以及路径选择简单等优点，但是， 网络中的每一个节点或连接节点的通信线路都有可能成为网络可靠性的瓶颈。当网络中的 任何一个节点出现故障都可能会造成网络的瘫痪。另外，在这种拓扑结构中，节点的加入 和拆除过程比较复杂。环型拓扑也是局域网中常用的一种拓扑形式。 4.网状拓扑： 在网状拓扑结构中，节点之间的连接是任意的，每个节点都有多条线路与其他节点相 连，这样使得节点之间存在多条路径可选，如图1-5(e)中从A到C可以是A-B-C也可以 是ADB-C,在传输数据时可以灵活的选用空闲路径或者避开故障线路。可见网状拓扑可以 充分、合理的使用网络资源，并且具有可靠性高的优点。我们知道，广域网覆盖面积大， 传输距离长，网络的故障会给大量的用户带来严重的危害，因此在广域网中，为了提高网 络的可靠性通常采用网状拓扑结构。但是我们也应该看到，这个优点是以高投资和高复杂 的管理为代价的。 习题与思考题 1.1请以一个你所熟悉的因特网应用为例，说明对计算机网络定义和功能的理解。 L.2请分别举出一个局域网、城域网和广域网的例子，并说明它们的区别。 1.3何为计算机网络的二级子网结构？请说明他们的功能和组成。 L.4常用的计算机网络的拓扑结构有哪几种？各自有何特点？
10 计算机网络技术 星型拓扑的网络具有结构简单、易于建网和易于管理等特点。但这种结构要耗费大量 的电缆，同时中心节点的故障会直接造成整个网络的瘫痪。星型拓扑也经常应用于局域网 中。 树型拓扑结构可以看作成星型拓扑的一种扩展，也称扩展星型拓扑。 ３．环型拓扑： 如图 1-５ （c）所示，在环型拓扑中，各节点和通信线路连接形成的一个闭合的环。 在环路中，数据按照一个方向传输。发送端发出的数据，延环绕行一周后，回到发送端， 由发送端将其从环上删除。我们可以看到任何一个节点发出的数据都可以被环上的其他节 点接收到。 环型拓扑具有结构简单，容易实现，传输时延确定以及路径选择简单等优点，但是， 网络中的每一个节点或连接节点的通信线路都有可能成为网络可靠性的瓶颈。当网络中的 任何一个节点出现故障都可能会造成网络的瘫痪。另外，在这种拓扑结构中，节点的加入 和拆除过程比较复杂。环型拓扑也是局域网中常用的一种拓扑形式。 ４．网状拓扑： 在网状拓扑结构中，节点之间的连接是任意的，每个节点都有多条线路与其他节点相 连，这样使得节点之间存在多条路径可选，如图 1-５（e）中从 A 到 C 可以是 A-B-C 也可以 是 A-D-B-C，在传输数据时可以灵活的选用空闲路径或者避开故障线路。可见网状拓扑可以 充分、合理的使用网络资源，并且具有可靠性高的优点。我们知道，广域网覆盖面积大， 传输距离长，网络的故障会给大量的用户带来严重的危害，因此在广域网中，为了提高网 络的可靠性通常采用网状拓扑结构。但是我们也应该看到，这个优点是以高投资和高复杂 的管理为代价的。 习题与思考题 1.1 请以一个你所熟悉的因特网应用为例，说明对计算机网络定义和功能的理解。 1.2 请分别举出一个局域网、城域网和广域网的例子，并说明它们的区别。 1.3 何为计算机网络的二级子网结构？请说明他们的功能和组成。 1.4 常用的计算机网络的拓扑结构有哪几种？各自有何特点？