1.3 计算机网络的概述

计算机网络，是指将地理位置不同的具有独立功能的多台计算机及其外部设备，通过通信线路连接起来，在网络操作系统、网络管理软件及网络通信协议的管理和协调下，实现资源共享和信息传递的计算机系统。

1.3.1 计算机网络的定义与发展

1.计算机网络的定义

所谓计算机网络是指互连起来的能独立自主的计算机集合。这里“互连”意味着互相连接的两台或两台以上的计算机能够互相交换信息，达到资源共享的目的。而“独立自主”是指每台计算机的工作是独立的，任何一台计算机都不能干预其他计算机的工作。例如启动、停止等，任意两台计算机之间没有主从关系。从这个简单的定义可以看出，计算机网络涉及3个方面的问题。

① 两台或两台以上的计算机相互连接起来才能构成网络，达到资源共享的目的。

② 两台或两台以上的计算机连接，互相通信交换信息，需要有一条通道。这条通道的连接是物理的，由硬件实现，这就是连接介质（有时称为信息传输介质）。它们可以是双绞线、同轴电缆或光纤等“有线”介质；也可以是激光或无线电波等“无线”介质。

③ 计算机之间要通信交换信息，彼此就需要有某些约定和规则，这就是协议。

因此，我们可以把计算机网络定义为：把分布在不同地点且具有独立功能的多个计算机，通过通信设备和线路连接起来，在功能完善的网络软件运行下，按照一定的协议来实现网络中资源共享为目标的系统。

从计算机网络的定义可以看出，计算机网络必须具有数据处理与数据通信两种能力。因此，可以从逻辑上将它划分成两个部分——资源子网与通信子网，其基本结构如图1-18所示。

（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。对于广域网而言，资源子网由网络中的所有主机及其外部设备组成。资源子网的功能是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。

（2）通信子网

通信子网是指网络中实现网络通信功能的设备及其软件的集合，是网络的内层，负责信息的传输。通信设备、网络通信协议、通信控制软件等属于通信子网，它们主要为用户提供数据的传输、转接、加工、变换等功能。通信子网一般由网卡、线缆、集线器、中继器、网桥、路由器、交换机等设备和相关软件组成。

通信线路为通信控制处理机之间、处理机与主机之间提供通信信道。计算机网络采用多种通信线路，例如电话线、双绞线、同轴电缆、光缆、无线通信信道、微波与卫星通信信道等。

2.计算机网络的发展

Internet的基础结构大体经历了3个阶段的演进，这3个阶段在时间上有部分重叠。

第一阶段：从单个网络 ARPAnet 向互联网发展：1969年美国国防部创建了第一个分组交换网ARPAnet，它只是一个单个的分组交换网，所有想连接在它上的主机都直接与就近的结点交换机相连。它的规模增长很快，但到了20世纪70年代中期，人们认识到仅使用一个单独的网络无法满足所有的通信问题。于是ARPA开始研究很多网络互连的技术，这就促成了后来互联网的出现。1983年TCP/IP协议成为ARPAnet的标准协议。同年，ARPAnet分解成两个网络，一个是进行试验研究用的科研网ARPAnet，另一个是军用的计算机网络MILnet。1990年，ARPAnet因试验任务完成正式宣布关闭。

第二阶段：建立三级结构的因特网。1985年起，美国国家科学基金会（NSF）就认识到计算机网络对科学研究的重要性，1986年，NSF 围绕6个大型计算机中心建设计算机网络NSFnet，它是个三级网络，分为主干网、地区网、校园网。它代替了ARPAnet成为Internet的主要部分。1991年，NSF和美国政府认识到因特网不会限于大学和研究机构，于是支持地方网络接入，使网络的信息量急剧增加，美国政府就决定将因特网的主干网转交给私人公司经营，并开始对接入因特网的单位收费。

第三阶段：多级结构因特网的形成。1993年开始，美国政府资助的NSFnet就逐渐被若干个商用的因特网主干网替代，这种主干网也叫因特网服务提供商（ISP），考虑到因特网商用化后可能出现很多的ISP，为了使不同ISP经营的网络能够互通，在1994创建了4个网络接入点（NAP），分别由4个电信公司经营。21世纪初，美国的 NAP 达到了十几个。NAP是最高级的接入点，它主要是向不同的ISP提供交换设备，使它们相互通信。见今已经很难对因特网网络结构给出很精细的描述，但大致可分为5个接入级：网络接入点（NAP），多个公司经营的国家主干网，地区ISP，本地ISP，校园网、企业或家庭PC上网用户。多级结构的因特网如图1-19所示。

1.3.2 计算机网络的功能

计算机网络的功能主要体现在数据通信、资源共享、分布式处理和集中管理等几个方面，下面将分别介绍。

（1）数据通信

数据通信功能是计算机网络最基本的功能，主要完成网络中各个结点之间的通信。任何人都需要与他人交换信息，计算机网络提供了最方便快捷的途径。人们可以在网上传送电子邮件，发布新闻消息，进行电子商务、远程教育、远程医疗等。

（2）资源共享

资源共享包括硬件、软件和数据资源的共享。在网络范围内的各种输入/输出设备、大容量的存储设备、高性能的计算机等都是可以共享的网络资源。对一些价格昂贵又不经常使用的设备，通过网络共享可以提高设备的利用率并节省重复投资。

（3）分布式处理

分布式处理是指网络系统中若干台计算机互相协作共同完成一个任务。或者说，将一个程序分布在几台计算机上并行处理，这样就可将一项复杂的任务划分成多个部分，由网络内各计算机分别完成有关的部分，使整个系统的性能大为增强。

（4）集中管理

计算机网络技术的发展和应用，使现代的办公手段、经营管理等发生了变化。目前，已经有许多MIS系统、OA系统等。通过这些系统可以实现日常工作的集中管理，提高工作效率，增加经济效益。

（5）负载平衡

负载平衡是指将任务均匀地分配给网络上的各台计算机。网络控制中心负责分配和检测，当某台计算机负载过重时，系统会自动转移部分工作到负载较轻的计算机中去处理。

（6）提高安全与可靠性

建立计算机网络后，还可以减少计算机系统出现故障的概率，提高系统的可靠性。对于系统中重要的资源，可以将它们分布在不同地方的计算机上，这样即使某台计算机出现故障，用户在网络上可通过其他路径来访问这些资源，而不影响用户对同类资源的访问。

1.3.3 计算机网络的分类

由于计算机网络的广泛应用，目前世界上出现了各种形式的计算机网络。可以从不同的角度对计算机网络进行分类，例如从网络的交换功能、网络的拓扑结构、网络的通信性能、网络的作用范围、网络的使用范围等进行分类。下面介绍两个有代表性的分类。

1.按网络的覆盖范围分类

从覆盖的地理范围上，可将计算机网络分为局域网（Local Area Network,LAN）、城域网（Metropolitan Area Network,MAN）及广域网（Wide Area Network,WAN）。局域网一般来说只能是一个较小区域的网络互连，城域网是不同地区的网络互连，广域网是不同城市之间的网络互连。

（1）局域网

局域网（Local Area Network,LAN）又称为局部区域网，覆盖范围为几百米到几千米，一般连接一幢或几幢大楼。信道传输速率可达1bit/s～20Mbit/s，结构简单，布线容易。它是一种在小范围内实现的计算机网络，一般在一个建筑物、一个工厂、一个事业单位内部，为单位独有。

局域网可以实现文件管理、应用软件共享、打印机共享、扫描仪共享、工作组内的日程安排、电子邮件和传真通信服务等功能。局域网是封闭型的，可以由办公室内的两台计算机组成，也可以由一个公司内的上千台计算机组成。

局域网技术是当前计算机网络研究和应用的一个热点，也是目前技术发展最快的领域之一。在局域网内信息的传输速率较高，误码率低，结构简单，容易实现。局域网中最有代表性的是以太网（Ethernet）。

（2）城域网

城域网（Metropolitan Area Network,MAN）是由不同的局域网通过网间连接构成一个覆盖在整个城市范围之内的网络。

在一个学校范围内的计算机网络通常称为校园网。实质上它是由若干个局域网连接构成的一个规模较大的局域网，也可视校园网为一个介于普通局域网和城域网之间的、规模较大的、结构较复杂的局域网。

（3）广域网

广域网（Wide Area Network,WAN）作用范围通常为几十到几千千米，可以分布在一个省内、一个国家或几个国家，其结构比较复杂，通信传输装置和媒体一般由电信部门提供。

2.按网络拓扑结构分类

计算机网络拓扑是通过网络结点与通信线路之间的几何关系表示的网络结构。计算机网络拓扑结构通常有星形结构、总线形结构、环形结构、树形结构、网状结构和混合结构。常用的网络拓扑结构如图1-20所示，在组建局域网时常采用星形、环形、总线形和树形结构。树形和网状结构在广域网中比较常见。但是在一个实际的网络中，可能是上述几种网络结构的混合。

（1）星形结构

星形结构是中央结点与各结点连接而组成的。它以中央结点为中心，各结点与中央结点通过点到点方式连接，中央结点执行集中式通信控制策略，各结点间不能直接通信，需要通过该中心处理机转发，因此中央结点相当复杂，负担重，必须有较强的功能和较高的可靠性。

星型结构的优点是结构简单、建网容易、控制相对简单；其缺点是由于集中控制，主机负载过重，可靠性低，通信线路利用率低。

（2）总线形结构

总线形结构是用一条称为总线的中央主电缆，将相互之间以线性方式连接的工作站连接起来的布局方式，称为总线拓扑。网络中各个工作站均经一条总线相连，信息可沿两个不同的方向由一个站点传向另一站点。

总线形结构的优点是结构简单灵活，非常便于扩充；可靠性高，网络响应速度快；设备量少、价格低、安装使用方便；共享资源能力强。其缺点是总线容易阻塞，对故障的诊断、隔离困难。总线形结构是目前使用最广泛的结构，也是传统的一种主流网络结构，适用于信息管理系统、办公自动化系统领域的应用。目前在局域网中多采用此种结构。

（3）环形结构

环形结构将各个连网的计算机由通信线路连接形成一个首尾相连的闭合的环。在环形结构的网络中，信息按固定方向流动，或顺时针方向，或逆时针方向，每两台计算机之间只有一条通路，简化了路径的选择。

环形结构的优点是结构简单、传输速度较快、路由选择控制简单。其缺点是可靠性差，维护困难。

（4）树形结构

树形结构实际上是星形结构的一种变形，它将原来用单独链路直接连接的结点通过多级处理主机进行分级连接。这种结构与星形结构相比降低了通信线路的成本，但增加了网络复杂性。网络中除最低层结点及其连线外，任何一个结点连线的故障均影响其所在支路网络的正常工作。

（5）网状结构

网状结构又称作无规则结构，结点之间的连接是任意的，没有规律。一般每个结点至少与其他两个结点相连，也就是说每个结点至少有两条链路连到其他结点。

网状结构的优点是结点间路径多，碰撞和阻塞可大大减少，局部的故障不会影响整个网络的正常工作，可靠性高；网络扩充和主机入网比较灵活、简单。其缺点是关系复杂，建网不易，网络控制机制复杂。广域网中一般采用网状结构。

（6）混合型结构

随着网络技术的发展，各种网络结构经常交织在一起使用，这种网络结构形式属于混合型结构。