第1章 计机网络概论.docx
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第1章计机网络概论
第1章计算机网络概论
计算机和通信技术的结合正在推动着社会信息化的技术革命。
人们通过连接各个部门、地区、国家，甚至全世界的计算机网络来获取、存储、传输和处理信息，广泛地利用信息进行生产过程的控制和经济计划的决策。
全国乃至全球范围的计算机互联网络不断地高速发展并日益深入到国民经济的各个部门和社会生活的各个方面，计算机网络已经成为人们日常生活中必不可少的交际工具。
1.1计算机网络的形成和发展
1.1.1早期的计算机网络
自从有了计算机，就有了计算机技术与通信技术的结合。
早在1951年，美国麻省理工学院林肯实验室就开始为美国空军设计称为SAGE的半自动化地面防空系统，该系统最终于1963年建成，被认为是计算机和通信技术结合的先驱。
计算机通信技术应用于民用系统方面，最早的当数美国航空公司与IBM公司在20世纪50年代初开始联合研究，20世纪60年代初投入使用的飞机订票系统SABRE-I。
美国通用电气公司的信息服务系统则是世界上最大的商用数据处理网络，其地理范围从美国本土延伸到欧洲、澳洲和日本。
该系统于1968年投入运行，具有交互式处理和批处理能力，由于地理范围大，可以利用时差达到资源的充分利用。
在这一类早期的计算机通信网络中，为了提高通信线路的利用率并减轻主机的负担，已经使用了多点通信线路、终端集中器以及前端处理机。
这些技术对以后计算机网络的发展有着深刻的影响。
以多点线路连接的终端和主机间的通信建立过程，可以用主机对各终端轮询或是由各终端连接成雏菊链的形式实现。
考虑到远程通信的特殊情况，对传输的信息还要按照一定的通信规程进行特别的处理。
1.1.2现代计算机网络的发展
20世纪60年代中期出现了大型主机，因而也提出了对大型主机资源远程共享的要求。
以程控交换为特征的电信技术的发展则为这种远程通信需求提供了实现的手段。
现代意义上的计算机网络是从1969年美国国防部高级研究计划局（DARPA）建成的ARPAnet实验网开始的。
该网络当时只有4个结点，以电话线路作为主干网络，两年后，建成15个结点，进入工作阶段。
此后，ARPAnet的规模不断扩大。
到了20世纪70年代后期，网络结点超过60个，主机100多台，地理范围跨越了美洲大陆，连通了美国东部和西部的许多大学和研究机构，而且通过通信卫星与夏威夷和欧洲地区的计算机网络相互连通。
ARPAnet的主要特点是：
（1）资源共享；
（2）分散控制；（3）分组交换；（4）采用专门的通信控制处理机；（5）分层的网络协议。
这些特点被认为是现代计算机网络的一般特征。
20世纪70年代中后期是广域通信网大发展的时期。
各发达国家的政府部门、研究机构和电报电话公司都在发展分组交换网络。
例如，英国邮政局的EPSS公用分组交换网络（1973），法国信息与自动化研究所（IRIA）的CYCLADES分布式数据处理网络（1975），加拿大的DATAPAC公用分组交换网（1976），日本电报电话公司的DDX-3公用数据网（1979）。
这些网络都以实现计算机之间的远程数据传输和信息共享为主要目的，通信线路大多采用租用电话线路，少数铺设专用线路，数据传输速率在50Kb/s左右。
这一时期的网络被称为第二代网络，以远程大规模互联为其主要特点。
1.1.3计算机网络标准化阶段
经过20世纪60年代和20世纪70年代前期的发展，人们对组网的技术、方法和理论的研究日趋成熟。
为了促进网络产品的开发，各大计算机公司纷纷制定自己的网络技术标准。
IBM首先于1974年推出了该公司的系统网络体系结构SNA（SystemNetworkArchitecture），为用户提供能够互联的成套通信产品；1975年DEC公司宣布了自己的数字网络体系结构DNA（DigitalNetworkArchitecture）；1976年UNIVAC宣布了该公司的分布式通信体系结构（DistributedCommunicationArchitecture）。
这些网络技术标准只是在一个公司范围内有效，遵从某种标准的、能够互连的网络通信产品，只是同一公司生产的同构型设备。
网络通信市场这种各自为政的状况使得用户在投资方向上无所适从，也不利于多厂商之间的公平竞争。
1977年国际标准化组织ISO的TC97信息处理系统技术委员会SC16分技术委员会开始着手制定开放系统互联参考模型OSI/RM。
作为国际标准，OSI规定了可以互连的计算机系统之间的通信协议，遵从OSI协议的网络通信产品都是所谓的开放系统。
今天，几乎所有的网络产品厂商都声称自己的产品是开放系统，不遵从国际标准的产品逐渐失去了市场。
这种统一的、标准化产品互相竞争的市场又进一步促进了网络技术的发展。
1.1.4微机局域网的发展时期
20世纪80年代初出现了微型计算机，这种更适合办公室环境和家庭使用的新机种对社会生活的各个方面都产生了深刻的影响。
1972年Xerox公司发明了以太网，以太网与微机的结合使得微机局域网得到了快速的发展。
在一个单位内部的微型计算机和智能设备互相连接起来，提供了办公自动化的环境和信息共享的平台。
1980年2月IEEE组织了一个802委员会，开始制定局域网标准。
局域网的发展道路不同于广域网，局域网厂商从一开始就按照标准化，互相兼容的方式展开竞争。
用户在建设自己的局域网时选择面更宽，设备更新更快。
1.1.5国际互联网的发展时期
1985年，美国国家科学基金会（NationalScienceFoundation，NSF）利用ARPAnet协议建立了用于科学研究和教育的骨干网络NSFnet。
1990年，NSFnet代替ARPAnet成为国家骨干网，并且走出了大学和研究机构进入社会。
从此网上的电子邮件、文件下载和消息传输受到越来越多人们的欢迎并被广泛使用。
1992年，Internet学会成立，该学会把Internet定义为“组织松散的、独立的国际合作互联网络”，“通过自主遵守计算协议和过程支持主机对主机的通信”。
1993年，美国伊利诺斯大学国家超级计算中心开发成功了网上浏览工具Mosaic（后来发展成Netscape），使得各种信息都可以方便地在网上交流。
浏览工具的实现引发了Internet发展和普及的高潮。
上网不再是网络操作人员和科学研究人员的专利，而成为一般人进行远程通信和交流的工具。
在这种形势下，美国总统克林顿于1993年宣布正式实施国家信息基础设施（NationalInformationInfrastructure，NII）计划，从此在世界范围内展开了争夺信息化社会领导权和制高点的竞争。
与此同时NSF不再向Internet注入资金，使其完全进入商业化运作。
20世纪90年代后期，Internet以惊人的高速度发展，网上的主机数量、上网的人数、网络的信息流量每年都在成倍地增长。
1.2计算机网络的分类和应用
1.2.1计算机网络的分类
计算机网络这一术语是指由通信线路互相连接的许多自主工作的计算机构成的集合体。
这里强调构成网络的计算机是自主工作的，这是为了和多终端分时系统相区别。
在后一种系统中，终端无论是本地的还是远程的，只是主机和用户之间的接口，它本身并不拥有计算资源，全部资源集中在主机中。
主机以自己拥有的资源分时地为各终端用户服务。
在计算机网络中的各个计算机（工作站）本身拥有计算资源，能独立工作，能完成一定的计算任务。
同时用户还可以使用网络中其他计算机的资源（CPU、大容量外存或信息等）。
比计算机网络更高级的系统是分布式系统。
分布式系统在计算机网络基础上为用户提供了透明的集成应用环境。
用户可以用名字或命令调用网络中的任何资源或进行远程的数据处理，不必考虑这些资源或数据的地理位置。
与计算机网络类似的另一种系统是多机系统。
多机系统专指同一机房中的许多大型主机互连组成的功能强大、能高速并行处理的计算机系统。
对这种系统互连的要求是高带宽和连通的多样性。
计算机网络中的信息传输往往开销很大，实际的有效数据速率比通信线路能够提供的带宽要小得多。
同时由于距离的原因，在计算机网络终端系统是通过交换设备互连的，这种有限互连的方式不能适应高速并行计算的要求。
计算机网络的组成元素可以分为两大类，即网络结点和通信链路。
网络结点又分为端结点和转接结点。
端结点指信源和信宿结点，例如用户主机和用户终端；转接结点指网络通信过程中起控制和转发信息作用的结点，例如交换机、集线器、接口信息处理机等。
通信链路是指传输信息的信道，可以是电话线、同轴电缆、无线电线路、卫星线路、微波中继线路、光纤缆线等。
网络结点通过通信链路连结成的计算机网络表示在图1-1中。
图1-1通信子网与资源子网
在图1-1中，虚线框外的部分称为资源子网。
资源子网中包括拥有资源的用户主机和请求资源的用户终端，它们都是端结点。
框内的部分叫做通信子网，其任务是在端结点之间传送由信息组成的报文，主要由转接结点和通信链路组成。
在图1-1中，我们按照ARPA网络的术语把转接结点通称为接口信息处理机（InterfaceMessageProcessor，IMP）。
IMP是一种专用于通信的计算机，有些IMP之间直接相连，有些IMP之间必须经过其他IMP才能相连。
当IMP收到一个报文后要根据报文的目标地址决定把该报文提交给与它相连的主机还是转发到下一个IMP，这种通信方式叫做存储—转发通信。
在广域网中的通信一般都采用这种方式。
另外一种通信方式是广播通信方式，主要用于局域网中。
局域网中的IMP简化为一个微处理器芯片，每台主机或工作站中都设置一个IMP。
在广播通信系统中，唯一的信道为所有主机共享，任何主机发出的信息所有主机都能收到。
信息包中的目标地址则指明特定的接收站。
在需要时可以用一个特殊的目标地址（例如全1地址）表示该信息包是发给所有站的，这叫做多目标发送。
通信子网中转发结点的互连模式叫做子网的拓扑结构。
图1-2所示为常见的几种拓扑结构，其中全连接型对于点到点的通信是最理想的，但由于连接数接近结点数的平方倍，所以实际上是行不通的。
在广域网中常见的互连拓扑是树型和不规则型，而在局域网中则常用规则型拓扑结构（星型、环型、总线型）。
图1-2网络的拓扑结构
可以按照不同的方法对计算机网络进行分类。
按照互连规模和通信方式，可以把网络分为局域网、城域网和广域网，这3种网络的比较表示在表1-1中。
表1-1LAN、MAN和WAN的比较
网络类型
项目
局域网（LAN）
城域网（MAN）
广域网（WAN）
地理范围
室内，校园内部
建筑物之间，城区内
国内，国际
所有者和运营者
单位所有和运营
几个单位共有或公用
通信运营公司所有
互联和通信方式
共享介质，分组广播
共享介质，分组广播
共享介质，分组交换
数据速率
几十兆位每秒
至几百兆位每秒
几兆位每秒
至几十兆位每秒
几十千位每秒
误码率
最小
中
较大
拓扑结构
规则结构：
总线型，
星型和环型
规则结构：
总线型，
星型和环型
不规则的网状结构
主要应用
分布式数据处理，
办公自动化
LAN互联，综合声音、视频和数据业务
远程数据传输
按照使用方式可以把计算机网络分为校园网（campusnetwork）和企业网（enterprisenetwork），前者用于学校内部的教学科研信息的交换和共享，后者用于企业管理和办公自动化；按照连接范围可以把计算机网络分为内联网（intranet）和外联网（extranet）。
内联网是采用Internet技术建立的企业网，用防火墙限制与外部的信息交换，以确保内部的信息安全。
外联网则指校园网或企业网与Internet连接的通道，内部网络正是通过外联网与外界通信的；按照网络服务的范围又可以分为公用网与专用网。
公用网是通信公司建立和经营的网络，向社会提供有偿的通信和信息服务。
专用网一般是建立在公用网上的虚拟网络，仅限于一定范围内的人群之间的通信，或者对一定范围的通信设备实施特殊的管理；按照网络提供的服务可以分为通信网和信息网。
通信网提供远程联网服务，各种校园网和企业网通过远程连接形成了互联网（Internet），提供互联服务的供应商叫做ISP（InternetServiceProvider）。
信息网提供Web信息浏览、文件下载和电子邮件传送等信息服务，提供网络信息服务的供应商叫做ICP（InternetContentProvider）。
1.2.2计算机网络的应用
计算机网络的应用涉及社会生活的各个方面。
当前对人们的经济和文化生活影响最大的网络应用可以列举如下。
∙办公自动化：
网络化办公系统的主要功能是实现信息共享和公文流转。
其功能包括领导办公、电子签名、公文处理、日程安排、会议管理、档案管理、财务报销、信访管理、信息发布、全文检索等模块，以解决各种类型的无纸化办公问题。
这种系统应该简单、可靠、安全、易用、容易安装和普遍适用。
在目前大力推广政府上网、企业上网的情况下办公软件具有越来越广阔的应用环境。
但是现在的大多数办公产品只能实现部分功能，集成性较差。
形成这种状况的主要原因是没有统一的标准和规范，产品之间缺乏兼容性，难以形成整体产业优势。
业界已经意识到必须通过标准的制订使办公自动化领域的众多企业有章可循，从而结束混乱无序的竞争状况，形成健康规范的产业市场，进而推动办公自动化和电子政务的发展。
∙电子数据交换：
电子数据交换（ElectronicDataInterchange，EDI）是一种新型的电子贸易工具，是计算机、通信和现代管理技术相结合的产物。
它通过计算机通信网络将贸易、运输、保险、银行和海关等行业信息表现为国际公信的标准格式，实现公司之间的数据交换和处理，并完成以贸易为中心的整个交易过程。
由于使用EDI可以减少甚至消除贸易过程中的纸质文件，因此又被通俗地称为“无纸贸易”。
EDI传输的文件具有跟踪、确认、防篡改、防冒领功能，以及一系列安全保密功能，并具有法律效力。
中国公用电子数据交换业务网（CHINAEDI）是面向社会各行业开放的公用EDI网络，可作为专用EDI网的公共转接和交换中心。
CHINAEDI应用范围涉及电子报关、电子报税、银行托收、港口集装箱运输和铁路货运，以及制造业和商业订单的处理等。
用户可以通过各种公用网络接入CHINAEDI。
∙远程教育：
远程网络教学是利用因特网技术，与教育资源相结合，在计算机网络上进行的教学方式。
通过网络进行教育最明显的优势是可以使有限的教育资源成为近乎无限的、不受时空和资金限制的、人人可以享受的全民教育资源。
网络教学利用现代通信技术实施远程交互作用，学习者可以与远地的教师通过电子邮件、BBS等建立交互联系，学员之间也可进行类似的交流和互助学习。
网络教学可采用多种多样的教学形式，可以进行个别化教学，也可以进行小组协作学习，还可以接受远程广播教育。
网络教学中可以组织优秀的教师，采用最好的教材与教法，利用最好的资源，最大限度地实现资源共享，取得更好的教学效果。
∙电子银行：
电子银行是一种在线服务系统。
它以因特网为媒介，为客户提供银行账户信息查询、转账付款、在线支付、代理业务等自助金融服务。
这种系统需要采用高强度加密算法，客户的资料和信用卡信息才不会被外界获取。
电子银行的出现标志着人类的交换方式已经从物物交换、货币交换发展到了信息交换的新阶段。
中国工商银行开办的ICBC个人网上银行为拥有工商银行个人牡丹灵通卡、信用卡、贷记卡或综合账户卡的客户提供账务信息查询、卡账户转账、银证转账、基金业务、外汇买卖、B2C在线支付、异地汇款、代缴学费、个人抵押贷款、个人理财等金融服务。
∙证券和期货交易：
证券和期货交易是一种高利润、高风险的投资方式。
由于行情变化很快，所以投资者更加依赖及时准确的交易信息。
证券和期货市场通过计算机网络提供行情分析和预测、资金管理和投资计划等服务。
还可以通过无线网络将各机构相连，利用手持通信设备输入交易信息，通过无线网络迅速传递到计算机、报价服务系统和交易大厅的显示板。
管理员、经纪人和交易者也可以迅速利用手持通信设备直接进行交易，避免了由于手势、送话器、人工录入等方式而产生的不准确信息和时间延误所造成的损失。
∙娱乐和在线游戏：
随着宽带通信与视频演播的快速发展，网络在线游戏正在逐步成为互联网娱乐的重要组成部分，也是互联网最富群众性和最有潜力的赢利点。
一般而言，电脑游戏可以分为4类：
完全不具备联网能力的单机游戏、具备局域网联网功能的多人联网游戏、基于因特网的多用户小型游戏和基于因特网的大型多用户游戏。
最后这一种游戏有大型的客户端软件和复杂的后台服务器系统。
目前世界各地一大批网络游戏犹如雨后春笋般涌现出来，已经在全球形成了一种极有前景的产业。
1.3我国互联网的发展
1.3.1我国互联网络的建设
我国互联网的发展启蒙于20世纪80年代末。
1987年9月20日，钱天白教授通过意大利公用分组交换网ITAPAC设在北京的PAD发出我国的第一封电子邮件，与德国卡尔斯鲁厄大学进行了通信，揭开了中国人使用Internet的序幕。
1989年9月，国家计委组织建立中关村地区教育与科研示范网络（NCFC）。
立项的主要目标是在北京大学、清华大学和中科院3个单位间建设高速互联网络，并建立一个超级计算中心，这个项目于1992年建设完成。
1990年10月，中国正式在DDN-NIC注册登记了我国的顶级域名CN。
1993年4月，中国科学院计算机网络信息中心召集在京部分网络专家调查了各国的域名系统，据此提出了我国的域名体系。
1994年1月4日，NCFC工程通过美国Sprint公司连入Internet的64Kb/s国际专线开通，实现了与Internet的全功能连接。
从此我国正式成为有Internet的国家。
此事被国家统计公报列为1994年重大科技成就之一。
从1994年开始，分别由国家计委、邮电部、国家教委和中科院主持，建成了我国的四大互联网，即中国金桥信息网、中国公用计算机互联网、中国教育科研网和中国科学技术网。
在短短几年间这些主干网络就投入使用，形成了国家主干网的基础。
1996年以后，我国互联网的发展进入应用平台建设和增值业务开发阶段。
中国互联网进入了空前活跃的高速发展时期。
一大批中文网站，包括综合性的“门户”网站和各种专业性的网站纷纷出台，提供新闻报道、技术咨询、软件下载、休闲娱乐等ICP服务，以及虚拟主机、域名注册、免费空间等技术支持服务。
与此同时各种增值服务也逐步展开，其中主要有电子商务、IP电话、视频点播、无线上网等。
在互联网的应用面和普及率快速增长的前提下，一些中国互联网公司开始进军海外股市纳斯达克，成为世纪之交中国新经济发展的重要标志。
1997年6月3日，根据国务院信息化工作领导小组办公室的决定，中国科学院网络信息中心组建了中国互联网络信息中心（CNNIC），同时，国务院信息化工作领导小组办公室宣布成立中国互联网络信息中心工作委员会。
1997年11月，CNNIC发布了第一次《中国Internet发展状况统计报告》。
截止到1997年10月31日，我国共有上网计算机29.9万台，上网用户62万人，CN下注册的域名4066个，WWW站点1500个，国际出口带宽为18.64Mb/s。
根据2005年7月21日CNNIC发布的第16次统计报告，我国网民数已经达到了10 300万人，上网计算机数达到4560万台；CN下注册的域名数、网站数分别达到了622 534个和677 500个；网络国际出口带宽总量达到82 617Mb/s；我国大陆的IPv4地址数达到了68 300 032个。
现在，我国网民数和宽带上网人数仅次于美国，位居世界第二。
有关专家认为，中国互联网已经从K时代（拨号上网）发展到了M时代（宽带上网），下一步将迈向G时代。
1.3.2我国建成的四大互联网络
目前我国建成的四大Internet主干网的情况如下。
（1）中国公用计算机互联网（CHINANET）
CHINANET是原邮电部组织建设和管理的。
1994年开始在北京、上海两个电信局进行Internet网络互联工程。
目前，CHINANET在北京和上海分别有两条专线，作为国际出口。
CHINANET由骨干网和接入网组成。
骨干网是CHINANET的主要信息通路，连接各直辖市和省会网络接点。
骨干网已覆盖全国各省市、自治区，包括8个大区网络中心和31个省市网络分中心。
接入网是由各省内建设的网络结点形成的网络。
1997年，中国公用计算机互联网（CHINANET）实现了与其他3个互联网络，即中国科学技术网（CSTNET）、中国教育和科研计算机网（CERNET）、中国金桥信息网（CHINAGBN）的互连互通。
（2）中国教育和科研计算机网（CERNET）
CERNET是全国最大的公益性互联网络。
CERNET已建成由全国主干网、地区网和校园网在内的三级层次结构网络。
CERNET分四级管理，分别是全国网络中心、地区网络中心和地区主结点、省教育科研网和校园网。
到2001年，CERNET主干网的传输速率已达到2.5Gb/s。
CERNET有28条国际和地区性信道，与美国、加拿大、英国、德国、日本和香港特区联网，总带宽在400Mb/s以上。
CERNET地区网的传输速率达到155Mb/s，已经通达中国内地的160个城市。
联网的大学、中小学等教育和科研单位达895个，其中高等学校800所以上。
联网主机100万台，网络用户达到749万人。
CERNET还是中国开展下一代互联网研究的试验网络。
1998年CERNET正式参加下一代IP协议（IPv6）试验网6BONE，同年11月成为其骨干网成员。
CERNET在全国第一个实现了与国际下一代高速网Internet2的互联。
（3）中国科学技术网（CSTNET）
CSTNET是利用公用数据通信网建立的信息增值服务网，在地理上覆盖全国各省市，逻辑上连接各部、委和各省、市科技信息机构，是国家科技信息系统骨干网，同时也是国际Internet的接入网。
中国科技信息网从服务功能上是intranet和Internet的结合,其Intranet功能为国家科委系统内部提供了办公自动化的平台，以及国家科委、各省市科委和其他部委科技司、局之间的信息传输渠道；其Internet功能则服务于专业科技信息服务机构，包括国家、各省市和各部委科技信息服务机构。
（4）中国金桥信息网（CHINAGBN）
CHINAGBN是为金桥工程建立的业务网，支持金关、金税、金卡等“金”字头工程的应用。
它是覆盖全国，实行国际联网，为用户提供专用信道、网络服务和信息服务的基干网，金桥网由吉通公司牵头建设并接入Internet。
1.4计算机网络体系结构
计算机网络发展到今天，已经演变成一种复杂而庞大的系统。
在计算机专业人员中，对付这种复杂系统的常规方法就是把系统组织成分层的体系结构，即把很多相关的功能分解开来，逐个予以解释和实现。
以后我们会看到，在分层的体系结构中，每一层都是一些明确定义的相互作用的集合，这叫做对等协议；层之间的界限是另外一些相互作用的集合，叫做接口协议。
下面我们首先通过一个简单的例子说明计算机网络应该提供的各种功能。
1.4.1计算机网络的功能特性
研究计算机网络的基本方法是全面地、深入地了解计算机网络的功能特性，即计算机网络是怎样在两个端用户之间提供访问通路的。
理解了计算机网络的功能特性才能够掌握各种网络的特点，才能了解网络运行的原理。
首先，计算机网络应该在源结点和目标结点之间提供传输线路，这种传输线路可能要经过一些中间结点。
如果是远程联网，则要通过电信公司提供的公用通信线路，这些通信线路可能是地面链路，也可能是卫星链路。
如果电信公司提供的通信线路是模拟的，还必须用Modem进行信号变换，因而网络应该提供与Modem物理的和电气的接口。
计算机通信有一个特点，即间歇性或突发性。
人们打电话时信息流是平稳而连续的，速率也不太高。
然而计算机之间的通信不是这样。
当用户坐在终端前思考
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