5.1 计算机网络简介

计算机网络是一个复杂的系统，它包括着许多相关技术，每种技术都与其它技术一样起着不可替代的作用。经历了从单机到多机、由终端与计算机之间的通信演变成计算机与计算机之间的直接通信。

5.1.1计算机网络的概念

目前公认的定义为：将分布在不同的地理位置上的具有独立工作能力的计算机用通信设备和通信线路连接起来，并配置网络软件，依靠一定协议实现计算机资源共享的系统。其形成要素包括互连范围的具有独立工作能力的计算机、通信设备和通信线路以及互联范围的协议和资源共享。

计算机网络的功能主要表现在硬件资源共享、软件资源共享和用户间信息交换三个方面。

1. 硬件资源共享

可以在全网范围内提供对处理资源、存储资源、输入输出资源等昂贵设备的共享，如具有特殊功能的处理部件、高分辨率的激光打印机、大型绘图仪、巨型计算机以及大容量的外部存储器等，从而使用户节省投资，也便于集中管理和均衡分担负荷。

2. 软件资源共享

互联网上的用户可以远程访问各类大型数据库，可以通过网络下载某些软件到本地机上使用，可以在网络环境下访问一些安装在服务器上的公用网络软件，可以通过网络登录到远程计算机上使用该计算机上的软件。这样可以避免软件研制上的重复劳动以及数据资源的重复存储，也便于集中管理。

3. 用户间信息交换

计算机网络为分布在各地的用户提供了强有力的通信手段。用户信息交换是指通过计算机网络，传送电子邮件、发布新闻消息和进行电子商务活动，从而为各地的用户提供强有力的通信手段。

5.1.2 计算机网络的发展

追溯计算机网络的发展历史，它的演变可以概括为面向终端的计算机网络、计算机一计算机网络、开放式标准化网络和网络互连与高速网络四个阶段。

1. 面向终端的计算机网络

面向终端的计算机网络，即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网络，一台中央主计算机连接大量在地理上处于分散位置的终端。

随着连接终端数的增加，为了减轻中心计算机的负担，在通信线路和中心计算机之间设置了一个前端处理机（FEP，Front End Processor）或通信控制器（CCU，Communication Control Unit），专门负责与终端之间的通信控制，出现了数据处理与通信控制的分工，以便更好的发挥中心计算机的处理能力。

2.计算机-计算机网络

20世纪60年代中期，出现了由若干个计算机互连的系统，开创了““计算机-计算机”通信的时代，并呈现出多处理中心的特点。

但这些网络也存在不少弊端，主要问题是各厂家提供的网络产品实现互连十分困难。这种自成体系的系统称为“封闭”系统。因此，人们迫切希望建立一系列的国际标准，渴望得到一个“开放”系统，这正是推动计算机网络走向国际标准化的一个重要因素。

3.开放式标准化网络

1984年ISO正式颁布了一个开放系统互连参考模型的国际标准0SI7498。模型分为七个层次，有时也被称为ISO/OSI七层参考模型。从此网络产品有了统一的标准，同时也促进了企业的竞争，尤其为计算机网络向国际标准化方向发展提供了重要依据。

4.网络互连与高速网络

目前，全球以Internet为核心的高速计算机互联网络已经形成，Internet已经成为人类最重要的、最大的知识宝库。网络互联和高速计算机网络被称为第四代计算机网络。网络互连与高速网络如图5-4所示。

5.1.3计算机网络的分类

计算机网络可以按照许多不同的方法进行分类。

1.按网络的分布范围分类

（1）局域网（Local Area Network，LAN）

（2）城域网（Metropolitan Area Network，MAN）

（3）广域网（Wide AreaNetwork，WAN）

按网络分布范围分类的三种网络类型比较如表5-1所示。

表5-1 三种网络类型的比较

网络类型	范围	传输速度
局域网	4km内，同一栋建筑物内	快
城域网	4-20km，同一城市内	中等
广域网	20km以上，可跨越国家	慢

 

2.按网络的交换方式分类

按交换方式来分类，计算机网络可以分为电路交换网、报文交换网和分组交换网三种。

（1）电路交换（Circuit Switching）方式

（2）报文交换（Message Switching）方式

（3）分组交换（Packet Switching）方式

3.按所采用的网络拓扑结构分类

网络拓扑是网络形状，或者是网络在物理上的连通性。计算机网络拓扑结构是指网络上计算机设备与传输媒介形成的节点与线的物理构成模式，即用什么方式把网络中的计算机等设备连接起来。拓扑图给出网络服务器、工作站的网络配置和相互间的连接。主要由通信子网决定。

（1）星型拓扑

星形拓扑是由中央节点和通过点到点通信链路接到中央节点的各个站点组成。

（2）总线型拓扑

总线拓扑结构采用一个信道作为传输媒体，所有站点都通过相应的硬件接口直接连到这一公共传输媒体上，该公共传输媒体即称为总线。

（3）环形拓扑

环形拓扑网络由站点和连接站点的链路组成一个闭合环。

（4）树形拓扑

树形拓扑从总线拓扑演变而来，形状像一棵倒置的树，顶端是树根，树根以下带分支，每个分支还可再带子分支，树根接收各站点发送的数据，然后再广播发送到全网。

（5）网状型拓扑

网状型网络的每一个节点都与其他节点有一条专门线路相连。网状拓扑结构广泛应用于广域网中。

（6）混合形拓扑

将以上某两种单一拓扑结构混合起来，取两者的优点构成的拓扑称为混合形拓扑结构。

4.按所采用的传输媒体分类

按所采用的传输媒体分类为双绞线网、同轴电缆网、光纤网、无线网。

5.按信道的带宽

按信道的带宽分为窄带网和宽带网。

6.按不同用途

按不同用途分为科研网、教育网、商业网、企业网等。

5.1.4计算机网络互联设备

计算机网络往往由许多种不同类型的网络互连连接而成。

1.主要网络互联设备

（1）中继器（Repeater）

信号在传输介质中传输会由于距离大而导致信号减弱失真，中继器的主要功能是起放大信号作用，以便加长传输距离。工作在物理层。

（2）集线器（Hub）

主要功能是提供多网络接口，总线共享，并兼具中继器的所有功能，每个端口平均传输数据量。工作在物理层。

（3）网桥（Bridge）

主要功能是用来分割冲突域，减少网内的广播流量。工作在数据链路层。

（4）交换机（Switch）

交换机理论上来理解它就是一台多端口的网桥。主要功能是利用物理地址或者说MAC地址来确定转发数据的目的地址。

（5）路由器（Router）

主要功能是具有连接不同类型网络的能力并能够选择数据传送路径的网络设备。

（6）网关（Gateway）

网关又称为网间连接器、协议转换器。 网关实质上是一个网络通向其他网络的IP地址。

2.交换机和路由器的区别

对于不同地规模的网络，路由器的作用的侧重点有所不同。

（1）第二层交换机和路由器的区别

传统交换机从网桥发展而来，属于OSI第二层即数据链路层设备。它根据MAC地址寻址，通过站表选择路由，站表的建立和维护由交换机自动进行。路由器属于OSI第三层即网络层设备，它根据IP地址进行寻址，通过路由表路由协议产生。交换机最大的好处是快速，由于交换机只须识别帧中MAC地址，直接根据MAC地址产生选择转发端口算法简单，便于ASIC实现，因此转发速度极高。但交换机的工作机制也带来一些问题。

（2）第三层交换机和路由器的区别

近几年，交换机为提高性能做了许多改进，其中最突出的改进是虚拟网络和三层交换。划分子网可以缩小广播域，减少广播风暴对网络的影响。路由器每一接口连接一个子网， 广播报文不能经过路由器广播出去，连接在路由器不同接口的子网属于不同子网，子网范围由路由器物理划分。对交换机而言，每一个端口对应一个网段，由于子网由若干网段构成，通过对交换机端口的组合，可以逻辑划分子网。广播报文只能在子网内广播，不能扩散到别的子网内，通过合理划分逻辑子网，达到控制广播的目的。由于逻辑子网由交换机端口任意组合，没有物理上的相关性，因此称为虚拟子网，或叫虚拟网。虚拟网技术不用路由器就解决了广播报文的隔离问题，且虚拟网内网段与其物理位置无关，即相邻网段可以属于不同虚拟网，而相隔甚远的两个网段可能属于不同虚拟网，而相隔甚远的两个网段可能属于同一个虚拟网。不同虚拟网内的终端之间不能相互通信，增强了对网络内数据的访问控制。

综上所述，交换机一般用于LAN-WAN的连接，交换机归于网桥，是数据链路层的设备，有些交换机也可实现第三层的交换。路由器用于WAN-WAN之间的连接，可以解决异性网络之间转发分组，作用于网络层。他们只是从一条线路上接受输入分组，然后向另一条线路转发。这两条线路可能分属于不同的网络，并采用不同协议。相比较而言，路由器的功能较交换机要强大，但速度相对也慢，价格昂贵，第三层交换机既有交换机线速转发报文能力，又有路由器良好的控制功能，因此得以广播应用。

5.1.5网络协议与服务

1.网络协议

网络协议为计算机网络中进行数据交换而建立的规则、标准或约定的集合。网络协议是由三个要素组成。 

（1）语义

语义是解释控制信息每个部分的意义。它规定了需要发出何种控制信息，以及完成的动作与做出什么样的响应。

（2）语法

语法是用户数据与控制信息的结构与格式，以及数据出现的顺序。

（3）时序（也可称为“同步”）

时序是对事件发生顺序的详细说明。

人们把这三个要素描述为：语义表示要做什么，语法表示要怎么做，时序表示做的顺序。

2.计算机网络协议与服务的关系

协议是控制对等层实体之间的通信规则；服务是由下层向上层通过层间接口提供的。联系在协议的控制下，上层对下层进行调用，下层对上层进行服务，上下层间用交换原语交换信息。同层的两个实体间有时有连接。

5.1.6计算机网络体系结构

国际标准化组织（ISO）提出了计算机网络开放系统互连参考模型OSI（Open System Interconnection/Reference Model），其目的是为异种计算机互连提供一个共同的基础和标准框架，并为保持相关标准的一致性和兼容性提供共同的参考，由低到高共分7层，即物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层、应用层。

1.物理层

物理层的主要功能是利用物理传输介质为数据链路层提供物理连接，实现比特流的透明传输。常用传输设备包括集线器、中继器、调制解调器、双绞线、同轴电缆。

2.数据链路层

数据链路层将数据分帧，并处理流控制。屏蔽物理层，为网络层提供一个数据链路的连接，在一条有可能出差错的物理连接上，进行几乎无差错的数据传输（差错控制）。本层指定拓扑结构并提供硬件寻址。常用设备有网卡、网桥、交换机。

3.网络层

网络层在通信子网中传输信息包或报文分组，它向传输层提供信息包传输服务，通过互连网络来路由和中继数据，除了选择路由之外，网络层还负责建立和维护连接，控制网络上的拥塞以及在必要的时候生成计费信息。常用设备有交换机。

4.传输层

传输层为会话层用户提供两端之间的可靠、透明和优化的数据传输服务机制。包括全双工或半双工、流控制和错误恢复服务；传输层把消息分成若干个分组，并在接收端对它们进行重组。不同的分组可以通过不同的连接传送到主机。这样既能获得较高的带宽，又不影响会话层。在建立连接时传输层可以请求服务质量，该服务质量指定可接受的误码率、延迟量、安全性等参数，还可以实现基于端到端的流量控制功能。

5.会话层

会话层对应用进程间的对话进行控制。她组织和同步它们的对话，并为管理它们的数据交换提供必要的手段。会话层不参与具体数据传输，只对数据传输进行管理，它在两个互相通信的进程之间建立、组织并协调其交互。

6.表示层

表示层在两个通信应用层协议实体之间的传送过程中负责数据的表示语法。它包括数据格式交换、数据加密与解密、数据压缩与终端类型的转换。

7.应用层

应用层是OSI中的最高层，它为特定类型的网络应用提供了访问OSI环境的手段，负责管理和执行应用程序。在此常见的协议有：HTTP、FTP、TELNET、SMTP和POP3等。

数据发送时，从第七层传到第一层，接收数据则相反。上三层总称应用层，用来控制软件方面。下四层总称数据流层，用来管理硬件。除了物理层之外其他层都是用软件实现的。