6.1 计算机网络

6.1.1 计算机网络的基本概念

1.什么是计算机网络

从组成结构来讲，计算机网络是通过外围设备和连线，将分布在不同地域的多台计算机连接在一起形成的集合。 从应用的角度讲，只要具有独立功能的多台计算机连接在一起，能够实现各计算机之间信息的相互交换，并可共享计算机资源的系统即为计算机网络。

简而言之，所谓计算机网络是指利用通信设备和线路将地理位置不同的、功能独立的多个计算机系统互联起来，并借助功能完善的网络软件实现网络中资源共享和信息传递的系统。

2.计算机网络的发展

计算机网络技术的发展速度及其应用的广泛程度是惊人的，计算机网络从形成、发展到广泛应用大致经历了40年时间，大体可以将它划分为以下阶段。

20世纪50年代，计算机网络产生。

那时，人们开始将彼此独立发展的计算机技术与通信技术结合起来，完成数据通信技术与计算机通信网络的研究，为计算机网络的产生做好了技术准备，并奠定了理论基础。

20世纪60年代，计算机互连系统。

这个阶段的典型代表是60年代后期由美国国防部资助、国防部高级研究计划局主持研究建立的ARPA(ARPANET)网。 ARPANET网利用租用的通信线路把位于洛杉矶的加利福尼亚大学分校，位于圣芭芭拉的加利福尼亚大学分校、斯坦福大学以及位于盐湖城的犹它州州立大学的计算机主机连接起来，构成了完整主机之间通信任务的通信子网。 通过通信子网互连的主机负责运行用户程序，向用户提供资源共享，它们构成了资源子网。

20世纪70年代，出现局域网。

20世纪80年代，CCITT(Consultative Committee on International Telegraph and Tele-phone)建立了使用国际线路传输声音数据的国际标准，ISO制定了计算机网络的开放型互联模型OSI(Open System Interconnection)。

20世纪90年代，计算机网络发展成为社会重要的信息基础设施。

21世纪，网络功能不断完善、速度更快、更普及。

3.计算机网络的功能

以资源共享为主要目标的计算机网络，具有以下几方面的功能。

(1)资源共享。

计算机网络系统中的资源可分成三大类，即数据资源、软件资源和硬件资源。 相应地，资源共享也分为数据共享、软件共享和硬件共享。 网络中，可共享的数据主要是网络中设置的各种专门数据库;可供共享的软件包括各种语言处理程序和各类应用软件;为发挥巨型计算机系统和特殊外围设备的作用，并满足用户的要求，计算机网络也应具有硬件资源共享的功能，例如，可以使用网络中某一台高性能的计算机处理复杂的大型问题，也可以使用网络中的一台高速打印机打印报表、文档等。

(2)负载均衡和分布处理。

负载均衡是指网络中的负载被均匀地分配给网络中的各计算机系统。 当某系统的负载过重时，网络能自动地将该系统中的一部分负载转移至负载较轻的系统中去处理。

在具有分布处理能力的计算机网络中，可以将任务分散到多台计算机上进行处理，由网络来完成对多台计算机的协调工作。 这样，在以往需要大型计算机才能完成的复杂问题，即可由多台微机或小型机构成的网络来协调完成，而费用却相当低廉。 利用网络建立起性能优良、可靠性高的分布式数据库系统也是可行的，且可保证数据的安全性、完整性和一致性。

(3)提高系统的可靠性和可用性。

计算机网络提高了系统的可靠性和可用性。 当网络中的某一台计算机发生故障时，可选择其他系统代为处理，以保证用户的正常操作，不会因局部故障而导致系统瘫痪。 若某台计算机发生故障而使数据库中的数据遭受破坏时，可以从另一台计算机的备份数据库中恢复遭破坏的数据。 这比传统的双工制结构更为经济可靠。

6.1.2 计算机网络的分类

现在计算机网络被广泛地使用，出现了多种形式的计算机网络。 认识网络的分类有助于我们更好地理解计算机网络，计算机网络的分类方法很多，其中主要的方法有：

1.根据网络的覆盖范围进行分类

按覆盖地理范围的大小，可以把计算机网络分为局域网、广域网和城域网。

· 局域网(Local Area Network，LAN)：是指那些连接距离近的计算机网。 包括办公室或实验室的网(十米级网)、建筑物的网(百米级网)、校园网(千米级网)等。

· 广域网(Wide Area Network，WAN)：分布范围通常是几十到几千公里，可以跨越海洋，遍布一个国家甚至全球。 广域网有国家网(千公里级网)和洲际网(万公里级网)之分。

· 城域网(Metropolitan Area Network，MAN，十公里级网)：一种界于局域网与广域网之间，覆盖一个城市的地理范围，用来将同一区域内的多个局域网互连起来的中等范围的计算机网。 包括地区网或行业网(百公里级网)。

2.按网络拓扑结构分类

网络中各个节点相互连接的方法和形式称网络拓扑。 网络的拓扑结构形式较多，按照网络的拓扑结构，可把网络分成：总线型网络、星形网络、环形网络、树形网络和网状，如图6-1所示。

6.1.3 计算机网络的组成

早期的计算机网络采用主机之间直接互联，是以数据交换为主要目的。 现代计算机网络可以认为是由互联的数据处理设备和数据通信控制设备组成。 从逻辑功能上看，整个网络划分为资源子网和通信子网两大部分，如图6-2所示，这两部分连接是通过通信线路实现的。计算机网络以资源共享为主要目的，网络用户通过终端对网络的访问分为本地访问和网络访问两类。 本地访问是对本地主机资源的访问，在资源子网内部进行，不经过通信子网。 终端用户访问远程主机资源称为网络访问，必须通过通信子网。

1.资源子网

资源子网代表网络的数据处理资源和数据存储资源，负责全网数据处理和向网络用户提供资源及网络服务，由主计算机、智能终端、磁盘存储器、工业控制监控设备、I/O设备、各种软件资源和信息资源等组成。

2.通信子网

通信子网是由负责数据通信处理的通信控制处理机(Communication Control Proces-sor，CCP)和传输链路组成的独立的数据通信系统。 它承担全网的数据传输、加工和变换等通信处理工作。

通信子网的软件必须遵循共同的网络规则(网络协议)，它应提供链路及节点存储器的管理，还必须提供与主处理器、终端、终端集中器及信息交换的接口。

6.1.4 计算机网络协议TCP/IP

1.TCP/IP概述

TCP/IP是Transmission Control Protocol/Internet Protocol(传输控制协议/互联网协议)的缩写。 TCP/IP是目前异种网络通信使用的唯一协议体系，适用于连接多种机型、多种操作系统，既可用于局域网，又可用于广域网，许多厂商的计算机操作系统和网络操作系统产品都采用或含有TCP/IP协议，TCP/IP协议已成为目前的国际标准和工业标准。

2.TCP/IP的体系结构

TCP/IP协议在硬件基础上分为4个层次，自下而上依次是：网络接口层、网际层、传输层和应用层，如表6-1所示。

3.TCP/IP协议

TCP/IP协议是不同的通信协议的大集合。

(1)协议族

TCP/IP是基于TCP和IP这两个最初的协议之上的不同的通信协议的大的集合。

(2)TCP(传输控制协议)

TCP用于从应用程序到网络的数据传输控制。 TCP负责在数据传送之前将它们分割为IP包，然后在它们到达的时候将它们重组。

(3)IP(网际协议)

IP负责计算机之间的通信。 IP负责在因特网上发送和接收数据包。

(4)HTTP(超文本传输协议)

HTTP负责Web服务器与Web浏览器之间的通信。 HTTP用于从Web客户端(浏览器)向Web服务器发送请求，并从Web服务器向Web客户端返回内容(网页)。

(5)HTTPS(安全的HTTP)

HTTPS负责Web服务器和Web浏览器之间的安全通信。 作为有代表性的应用， HTTPS会用于处理信用卡交易和其他的敏感数据。

(6)其他协议

SSL，安全套接字层，SSL协议用于为安全数据传输加密数据。

SMTP，简易邮件传输协议，用于电子邮件的传输。

MIME，多用途因特网邮件扩展，MIME协议使SMTP有能力通过TCP/IP网络传输多媒体文件，包括声音、视频和二进制数据。

IMAP，因特网消息访问协议，用于存储和取回电子邮件。

POP，邮局协议，用于从电子邮件服务器向个人电脑下载电子邮件。

FTP，文件传输协议，负责计算机之间的文件传输。

NTP，网络时间协议，用于在计算机之间同步时间(钟)。

DHCP，动态主机配置协议，用于向网络中的计算机分配动态IP地址。

SNMP，简单网络管理协议，用于计算机网络的管理。

LDAP，轻量级的目录访问协议，用于从因特网搜集关于用户和电子邮件地址的信息。

ICMP，因特网消息控制协议，负责网络中的错误处理。

ARP(Address Resolution Protocol)，用于通过IP查找基于IP地址的计算机网卡的硬件地址。

RARP(Reverse Address Resolution Protocol)，用于通过IP查找基于硬件地址的计算机网卡的IP地址。

BOOTP(Boot Protocol)，用于从网络启动计算机。

PPTP(点对点隧道协议)，用于私人网络之间的连接(隧道)。

4.TCP/IP邮件

电子邮件是TCP/IP最重要的应用之一。 当你写邮件时，你不会用到TCP/IP。 你用到的是电子邮件程序，例如，莲花软件的Notes，Microsoft公司出品的Outlook，或者Netscape Communicator、Foxmail等。

(1)SMTP---简单邮件传输协议。

SMTP协议用于传输电子邮件。 SMTP负责把邮件发送到另一台计算机。

通常情况下，邮件会被送到一台邮件服务器(SMTP服务器)，然后被送到另一台(或几台)服务器，然后最终被送到它的目的地。

SMTP也可以传送纯文本，但是无法传输诸如图片、声音或者电影之类的二进制数据。

SMTP使用MIME协议通过TCP/IP网络发送二进制数据。 MIME协议会将二进制数据转换为纯文本。

(2)POP---邮局协议。

POP协议被邮件程序用来取回邮件服务器上面的邮件。 假如你的邮件程序使用POP，那么一旦它连接上邮件服务器，你的所有的邮件都会被下载到邮件程序中(或者称之为邮件客户端)。

(3)IMAP---因特网消息访问协议。

与POP类似，IMAP协议同样被邮件程序使用。 IMAP协议与POP协议之间的主要差异是：如果IMAP连上了邮件服务器，它不会自动地将邮件下载到邮件程序之中。

IMAP使你有能力在下载邮件之前先通过邮件服务器端查看它们。 通过IMAP，你可以选择下载这些邮件或者仅仅是删除它们。 比方说你需要从不同的位置访问邮件服务器，但是仅仅希望回到办公室的时候再下载邮件，IMAP在这种情况下会很有用。

6.1.5 计算机局域网

局域网LAN(Local Area Network)从20世纪60年代末70年代初开始起步，经过近四十年的发展，网络走向了产品化、标准化，形成了开放系统互连网络。 许多新型传输介质投入实际使用，以数据传输速率达1000Mbps的以光缆为基础的FDDI技术和以双绞线为基础的100BASE-T等技术投入商用，局域网的互连性越来越强，各种不同介质、不同协议、不同接口的互连产品已纷纷投入市场，计算机的处理能力增强，局域网不仅能传输文本数据，而且可以传输和处理语音、图形、图像、视频等媒体数据。

1.局域网的特点

局域网是将小区域内的各种通信设备互联在一起的通信网络。 从这个定义中可以看出局域网具有4个特点。

· 所谓小区域可以是一栋建筑物内、一个校园或者大至数千米直径的一个区域。

· 所谓数据通信设备是广义的，包括计算机、终端和各种外围设备。

·传输的误码率低，可达10-8～10-11。

· 整个网络为某个单位或部门所有，仅供该单位内部使用。

2.局域网的组成

计算机网络由硬件系统、网络软件系统和数据通信系统组成。 计算机网络硬件系统是网络的基本模块，提供各种网络硬件资源;网络软件系统则是网络的组织管理者，确保网络的硬件资源协调工作，有效提供各种网络服务;数据通信系统是连接网络基本模块的桥梁，提供各种连接技术和数据交换技术，目前已融入网络的硬件和软件系统中。 下面重点介绍局域网主机、网络适配器、传输介质、网络互联设备和软件系统的基本组成。

(1)主机(Host)。

局域网中的计算机统称为主机，根据它们在网络系统所起的作用，可划分为服务器(Server)和客户机(Client)。

①服务器(Server)。 服务器是向所有客户机提供服务的机器，装备有网络的共享资源。 共享资源包括硬件资源、软件资源和数据资源。 根据服务器的用途不同，可以分为文件服务器、数据库服务器、打印服务器、文件传输服务器、电子邮件服务器等。 服务器一般由大型机、小型机或高档微机担任。

②客户机(Client)。 客户机也称为工作站(Working Station)，是网络用户直接处理信息和事务的计算机。 客户机能够独立运行，具有本地处理能力，且联网后功能更强。联网后它可以向服务器发出请求，使用网络系统提供的各种服务。 客户机的配置比较灵活，一般的PC和图形工作站均可用作客户机。 客户机根据其所属网络可分别采用不同的操作系统，例如，DOS、Windows 9x、Windows NT、OS/2、Linux和UNIX等。

(2)网络适配器。

网络适配器也叫作网络接口卡(Network Interface Card，NIC)，通常被做成插件的形式插入到计算机的一个扩展槽中，因而称作网卡。 计算机通过网络适配器与网络相连。

网络适配器的性能主要取决于总线宽度和网卡内存。 网卡的总线宽度与计算机总线对应;网卡上的内存越大，可以缓存的数据就越多。 有的网卡上还有处理器(通常称为智能网卡)，从而大大减轻主机CPU的负担，提高主机的性能，但价格较贵。

(3)传输介质。

传输介质是通信网络中发送方和接收方之间的物理通路。 局域网常用的传输介质有双绞线、同轴电缆和光缆，如图6-3(a)所示。 下面简要介绍这几种常用传输介质。

①双绞线。 双绞线如图6-3(b)所示，由于其成本低，易于铺设，既可以传输模拟数据也可以传输数字数据，特别是IEEE802.3制定了10BASE-T(双绞线以太网)标准后，它正在被广泛应用。

②同轴电缆。 同轴电缆如图6-3(b)所示，是目前计算机通信网中使用最普遍的传输介质之一。 Ethernet、DECnet和IBM Token Ring等大多数网络都支持同轴电缆。

同轴电缆由外层圆柱导体、绝缘层、中心导线组成。 中心导线可以是单股导线或多股导线，外导体可以由恒定间隔的绝缘环支撑，也可用实心的介质材料固定。 外导体外面还覆盖有保护套。 单根同轴电缆的直径通常在1～2.5cm。

③光缆。 以金属导体为核心的传输介质，其所能传输的数字信号和模拟信号，都是电信号。 光缆只能用光脉冲形成的数字信号进行传输。

用光纤做成的光缆，其结构如图6-3(c)所示，是由缆芯、包层、吸收外壳和保护层4部分组成。

光纤可分为单模光纤(Single Mode Fiber)和多模光纤(Multiple Mode Fiber)两类。与多模光纤相比，单模光纤具有较宽的频带，传输损耗小，因此允许进行无中继的长距离传输。 但是，由于这种光纤难与光源耦合、连接困难、价格较贵，故主要用于邮电通信中的长距离主干线。 多模光纤的频带较单模光纤要窄，传输衰减也大，一般用于中短距离的信号传输。

④无线信道。 采用上述的有线信道不仅需要铺设网络传输线，而且连接到网络上的数据终端设备也不能随意移动。 如果采用无线信道，不仅不需要铺设传输线，而且还允许数字终端设备在一定的范围内移动，因此无线信道非常适合于难于铺设传输线路的偏远山区和沿海岛屿，也为大量的便携式计算机入网提供了条件。 目前常用的无线信道有微波、卫星信道、红外线和激光信道等。

(4)网络互联设备。

网络互联是网络领域中的一项重要技术，是指将多个拓扑结构相同或不同的网络通过一定的网络设备相互联接构成更大规模的网络。 网络互联设备主要负责网间协议和功能转换，不同的网络互联设备工作在不同的协议层中。 常用的网络互联设备主要有中继器、网桥、路由器、网关和交换机。

①中继器(Repeater)。

中继器工作在物理层，实现主干线间的连接。 中继器的主要作用是避免干线上传输信号衰减而失真，对传输信号实现整形和放大，并且按原来的传输方向重新发送数据。 它的主要优点体现在延长干线距离，扩展局域网覆盖范围。

中继器有单口中继器和多口中继器之分，集线器(Hub)就属于多口中继器。 中继器可实行级联，级联的深度为4，即在同一干线上最多允许有4个中继器。

②集线器。

集线器(Hub)又称集中器，是多口中继器。 把它作为一个中心节点，可用它连接多条传输媒体。 其优点是当某条传输媒体发生故障时，不会影响其他节点。

③网桥。

网桥工作于数据链路层。 它要求两个互联网络在数据链路层以上采用相同或兼容的网络协议。 网桥可分为本地网桥和远程网桥，本地网桥又分为内部网桥和外部网桥。内部网桥存在于文件服务器之中，外部网桥是指独立于被连接的网络之外实现同构网的互联。 远程网桥是指网络连接距离超出常规范围时使用的网桥。 在整个网络中，如果使用远程网桥，那么远程网桥必须成对使用。 通过远程网桥互联的局域网将成为区域网或广域网。

④路由器。

路由器工作在网络层。 它要求网络层以上的高层协议相同或兼容，用来实现不同类型的局域网互联，或者用它来实现局域网域与广域网互联。

路由器可以实现网络层以下各层协议的转换。 它除了具备网桥的全部功能外，还有路由选择功能。 当一个数据包到达路由器时，路由器提取数据包的目的地址，查看路由表，从中选择一个最佳路径，以平衡传输线路的负荷、避免拥挤和堵塞、消除诸如网桥网络中的广播风暴现象。

⑤网关。

网关亦称网间协议转换器，工作于OSI/RM的传输层、会话层、表示层和应用层，可实现两种不同协议的网络互联。 它是比网桥、路由器更加复杂的网络互联设备。 当异构局域网互联时，它不仅具有路由器的全部功能，同时还可以完成因操作系统差异引起的通信协议之间的转换。 网关可用于LAN与LAN、LAN与大型机以及LAN与WAN的互联。

⑥交换机。

交换机是一种新型的网络互联设备，它将传统的网络“共享”传输介质技术改变为交换式的“独占”传输介质技术，提高了网络的带宽。

交换机与交换式集线器(Hub)有很大的区别，前者可工作在数据链路层，也有的高档交换机工作于网络层，后者工作于物理层。 交换机端口的工作速度高于Hub端口工作的速度。

⑦调制解调器。

调制解调器(Modem)是由英文Modulator(调制器)和Demodulator(解调器)两个字组合而成的。 在数据发送方，其功能是将待发送的数字信号(通常为二进制数或比特)转换成代表数据的一系列模拟信号(波形)，并且利用模拟信道(例如，公用电话网)对信号进行载波传输，这个过程通常称为调制。 在数据接收方，调制解调器将接收到的模拟信号，还原成数字信号，供计算机处理，这个过程被称作解调。

(5)软件系统。

局域网软件系统包括局域网采用的通信协议、网络操作系统和应用软件。

①通信协议。

局域网通信协议用以支持计算机与相应的局域网相连，支持网络节点间正确有序地进行通信。 早先，它以独立软件的形式出现，现在常置于操作系统中。 例如，Internet广泛使用的TCP/IP协议，已成为UNIX操作系统的基本组成部分。

②网络操作系统。

网络操作系统在服务器上运行，是使网络上各计算机能方便而有效地共享网络资源，为网络用户提供所需的各种服务软件和有关规程的集合。

局域网操作系统为网上用户提供了便利的操作和管理平台。 它主要可划分为两类：一类采用服务器/客户机(Server/Client)模式，如Windows NT Server、UNIX、Linux、NetWare和OS 2等;另一类采用端对端对等方式，如Windows 9x和Windows for Work-group。 后者具有简单的操作系统功能，一般不称为网络操作系统。

目前，大多数局域网操作系统中均内置Internet采用的TCP/IP协议，用户可以根据需要将主机设置为Internet的服务器或客户机。

③应用软件。

局域网应用软件是建构在局域网操作系统之上的应用程序，它扩展了网络操作系统的功能。 不同的网络应用软件，可满足用户在不同情况下的需求，例如，网络数据库系统提供大容量数据检索和管理，网络邮件系统让用户在网络内相互发送电子邮件等。每一种扩展的网络服务都需要相应的网络应用程序。

3.局域网的拓扑结构

局域网的拓扑结构是指网络中节点互相连接的方式。 网络拓扑结构主要有星形、总线型、环形、树形和网状拓扑等，如图6-4所示。 由于局域网传输距离短，不需要或只需要一个中间节点，故一般不采用多孔网络拓扑(广域网WAN的构网方式)。

(1)星形拓扑。

星形拓扑是由中央节点和通过点到点的链路接到中央节点的各站点组成，如图6-4(a)所示。 中央节点执行集中式通信控制策略，因此中央节点相当复杂，而各个站点的通信处理负担很小。 目前流行的电话用户交换机PBX就是星形拓扑结构的典型实例。

①星形拓扑结构的优点。

· 控制简单。 任何一个站点只和中央节点相连接，因而介质访问控制方法简单，致使访问协议也十分简单，易于网络监控和管理。

· 故障诊断和隔离容易。 中央节点对连接线路可以逐一隔离进行故障检测和定位，单个连接点的故障只影响一个设备，不会影响全网。

· 方便服务。 中央节点可以方便地对各个站点提供服务和网络重新配置。

②星形拓扑结构的缺点。

· 需要耗费大量的电缆，安装、维护的工作量也骤增。

· 中央节点负担重，形成“瓶颈”，一旦发生故障，则全网受影响。

· 各站点的分布处理能力较低。

总的来说，星形拓扑结构相对简单，便于管理，建网容易，是目前局域网普遍采用的一种拓扑结构。 采用星形拓扑结构的局域网，一般使用双绞线或光纤作为传输介质，符合综合布线标准，能够满足多种宽带需求。

(2)总线型拓扑。

总线型拓扑结构采用单根传输线作为传输介质，所有站点都通过相应的硬件接口直接连接到传输介质(或称为总线)上，如图6-4(b)所示。 任何一个站点发出的报文信息都可以沿着介质传输，网络中的其他所有站点都能接收这种信息，但其中只有一个站点才能“真正”接收。

由于所有的节点共享一条公用的数据传输链路，所以在一个特定的时刻只能由一个设备传输。 需要某种形式的访问控制策略，来决定下一次哪个站点可以发送信息，通常采用分布控制策略［如用带冲突检测的载波侦听多路复用协议(CSMA/CD)］。10BASE2(细缆)、10BASE5(粗缆)以太网是使用总线型拓扑的实例。

①总线型拓扑的优点。

· 所需电缆数量较少。

· 结构简单，无源工作有较高可靠性。

· 易于扩充。

②总线型拓扑的缺点。

· 总线传输距离有限，通信范围受到限制。

· 故障诊断和隔离比较困难。

· 分布式协议不能保证信息的及时传送，不具有实时功能，站点必须有介质访问控制功能，从而增加了站点的硬件和软件开销。

(3)环形拓扑。

这种拓扑的网络由中继器和连接中继器的点到点的链路组成一个闭合环，如图6-4(c)所示。 每个中继器都与两条链路相连。 它能够接收一条链路上的数据，以同样的速度把该数据传送到另一条链路上。 这样，数据就在一个方向上围绕着环进行传输。

每个站点都通过一个中继器连接到网络上，数据以分组的形式发送。 由于多个设备共享一个环，因此需要对此进行控制，以决定每个站点在什么时候可以把分组放到环上。 这种功能是用分布控制形式(令牌协议)完成的。

①环形拓扑的优点。

· 电缆长度短，只需要将各节点逐次相连。

· 可使用光纤。 光纤的传输速率很高，十分适合于环形拓扑的单方面传输。

· 所有站点都能公平访问网络的其他部分，网络性能稳定。

②环形拓扑的缺点。

· 节点故障会引起全网故障，是因为数据传输需要通过环上的每一个节点，如某一个节点故障，则引起全网故障。

· 节点的加入和撤出过程复杂。

· 介质访问控制协议采用令牌传递的方式，在负载很轻时信道利用率相对较低。

环形拓扑结构是三种基本拓扑结构中最少见的一种。 环形拓扑包括了环拓扑和双环拓扑。

(4)树形拓扑。

树形拓扑是由总线拓扑演变而来。 在这种拓扑结构中，有一个带分支的根，每个分支还可以延伸出子分支，图6-4(d)所示就是这种树形拓扑。 其通常采用同轴电缆作为传输介质，而且使用宽带传输技术。

树形拓扑与带有几个网段的总线型拓扑的主要区别在于根的存在。 当节点发送报文信息时，根接收该信息，然后重新广播到全网。 这种结构不需要中继器。

树形拓扑的优缺点大多和总线型拓扑的优缺点相同，但也有特殊之处，例如，这种拓扑易于扩展，因为其分支还可延伸出子分支，所以要加入新的节点或分支很容易;易于故障隔离，如果某一个分支上的节点发生故障，很容易将此分支和整个网络隔离开来，这是总线拓扑不能比拟的。 树形拓扑的缺点是对根的依赖太大，如果根发生故障，则整个网络都不能正常工作。 这种网络的可靠性问题和星形拓扑结构相似。

(5)网状拓扑结构。

网状拓扑结构，如图6-4(e)所示，其每个节点都与其他节点一一直接互联。 这种连接方法主要是利用冗余的连接，实现节点与节点之间的高速传输和高容错性能，以提高网络的速度和可靠性。

这种拓扑结构主要用在网络结构复杂、对可靠性和传输速率要求较高的大型网络中，如互联网等，在局域网络中很少使用。

实际应用中的网络，其拓扑结构常常不是单一的，而是混合型的，例如，有些网络其工作方式是环形的，但其连接方式是星形的;有的网络的主干部分采用网状连接，但其他部分是星形或树形连接。

4.以太网

以太网(Ethernet)最初是美国Xerox公司和STANFORD大学合作于1975年推出的一种局域网。 以后由于计算机的快速发展，DEC、Intel、Xerox三个公司合作，于1980年9月第一次公布Ethernet物理层和数据链路层的规范，也称DIX规范。 IEEE802.3就是以DIX规范为主要来源而制定的以太网标准。 以太网具有传输速率高、网络软件丰富、安装连接简单、使用维护方便等优点，所以已成为国际流行的局域网标准之一。

5.MAC地址

每一个网络中的主机都有一个物理地址，也称MAC地址。 IEEE802标准为局域网规定了一种48位的MAC地址，即局域网中每个主机的网卡地址。 每个网卡的MAC地址都固化在它的只读存储器(ROM)中，并且是全球唯一的。 MAC地址的前24位代表生产厂商的唯一标识符，后24位代表生产厂商分配给网卡的唯一编码。 网卡用检查MAC地址的方法来确定网络上的帧是否是发给本站的，网卡从网络上每收到一个帧，就检查帧中的MAC地址，如果是发往本站的则收下，否则放弃此帧。 在Windows系统的MS-DOS中通过键入“ipconfig/all”命令查看本机的MAC地址信息，“Physical Address”行后面的编号就是本机的MAC地址，用十六进制数表示。

6.介质访问控制协议

介质访问控制方法，也就是信道访问控制方法，可以简单地把它理解为如何控制网络节点何时发送数据。 IEEE802规定了局域网中最常用的介质访问控制方法：IEEE 802.3载波监听多路访问/冲突检测(CSMA/CD)、IEEE802.5令牌环(Token Ring)和IEEE802.4令牌总线(Token Bus)。

6.1.6 Internet概述

随着个人电脑的普及、计算机技术和通信技术的发展，出现了全球化的信息热潮， Internet---国际互联网变为商业化网络，规模不断扩大，覆盖全球，越来越多的人利用计算机网络进行工作和学习，越来越多人的工作和生活已经离不开Internet。

Internet的商业化发展为整个人类社会提供服务，政府部门通过Internet公布有关政策和各类信息，公司企业通过Internet展示形象、开拓市场、介绍产品、与客户建立联系，科研机构通过Internet开展全球性的科技合作和交流，教育单位通过Internet实施远程教育，图书馆通过Internet向读者提供在线服务，娱乐界通过Internet向大众推出多种形式的电子娱乐产品，人们利用Internet相互发送电子邮件、进行个人通信、订阅电子出版物、进行网上购物、展示博客。 人们通过访问Internet上的大量信息资源获取信息，如工具软件、科技文献、咨询报告、商业广告、教学课件、电子地图和培训消息，还可获得导游指南、天气预报以及娱乐软件等。 近几年来，随着宽带技术的进步，Internet在我国的发展也非常迅速。

1.Internet的起源与发展

Internet是一个全球性的计算机网络，它的前身可以追溯到1969年美国国防部高级研究工程组织DARPA(Defense Advanced Research Projects Agency)创办的一项计算机工程ARPANET，1983年以后，人们把ARPANET称为Internet。 1986年美国国家科学基金会NSF将建立在TCP/IP协议集上的NSFNET向全社会开放。

Internet在我国的发展经历了两个阶段：第一阶段实际上只是少数高等院校、研究机构提供了Internet的电子邮件服务，还谈不上真正的Internet;第二阶段从1994年开始，实现了和Internet的TCP/IP连接，从而开通了Internet的全功能服务。 根据国务院当时的规定，有权直接与国际Internet连接的网络有4个：中国公用计算机互联网CHI-NANET、中国科技网CSTNET、中国教育科研网CERNET、中国金桥信息网CHINAGBN。

2.Internet的组成

Internet主要是由通信线路、路由器、主机与信息资源等部分组成的。

(1)通信线路。

通信线路是Internet的基础设施，它负责将Internet中的路由器与主机连接起来。Internet中的通信线路可以分为两类：有线通信线路与无线通信信道。

可以使用“带宽”与“传输速率”等术语来描述通信线路的数据传输能力。

(2)路由器。

路由器是Internet中最重要的设备之一，它负责将Internet中的各个局域网或广域网连接起来。

(3)主机。

主机是Internet中不可缺少的成员，它是信息资源与服务的载体。 Internet中的主机既可以是大型计算机，又可以是普通的微型计算机或便携计算机。

按照在Internet中的用途，主机可以分为两类：服务器与客户机。 服务器是信息资源与服务的提供者，它一般是性能较高、存储容量较大的计算机。 服务器根据它所提供的服务功能不同，又可以分为数据库服务器、WWW服务器、FTP服务器、E-mail服务器与域名服务器等。 客户机是信息资源与服务的使用者，它可以是普通的微型机或便携机。 服务器使用专用的服务器软件向用户提供信息资源与服务，而用户使用各类Inter-net客户端软件来访问信息资源或服务。

(4)信息资源。

信息资源是用户最关心的问题，它影响Internet受欢迎的程度。 在Internet中提供了很多类型的服务，例如：电子邮件、远程登陆、文件传输、WWW服务、搜索服务、网上聊天、博客与新闻组服务等，通过这些Internet服务，我们可以在网上搜索信息、互相交流、网上购物、发布信息与进行娱乐。 WWW服务的出现使信息资源的组织方式更加合理，而搜索引擎的出现使信息的检索更加快捷。

6.1.7 Internet接入

Internet是目前最大的一个网络，不论在哪里，只要有接入Internet的网络节点，就可以通过该节点访问Internet。 普通用户接入Internet的方式有电话拨号、ADSL(ISDN)、局域网连入。 另外，无线上网也正在兴起，一些大宾馆、候车室都提供无线上网服务，为用户提供了方便。

1.通过电话拨号接入Internet

拨号接入是个人用户接入Internet最早使用的方式之一，也是目前我国个人用户接入Internet使用的方式之一。

它的接入非常简单。 用户只要具备一条能打通ISP(Internet服务供应商)服务电话(如16300)的电话线、一台计算机、一台接入的专用设备调制解调器(Modem)，办理了必要的手续后，就可以上网了。 不过电话拨号上网方式致命的缺点在于它的接入速度慢，由于线路的限制，它的最高接入速度只能达到56kbps，远远不能满足工作、娱乐的要求。

2.通过ADSL、ISDN专线入网

综合业务数字网(ISDN-Integrated Service Digital Network)是一种能够同时提供多种服务的综合性公用电信网络。

ADSL是DSL(数字用户环路)家族中最常用、最成熟的技术，它是英文Asymmetrical Digital Subscriber Line(非对称数字用户环路)的缩写。 它是运行在原有普通电话线上的一种高速、宽带技术。 所谓非对称主要体现在上行速率(最高640kbps)和下行速率(最高8Mbps)的非对称性上。 与ISDN相比，ADSL的速率要高得多，ADSL的下行速率可达8Mbps，它的话音部分占用的是传统的PSTN网，而数据部分则接入宽带ATM平台。

ADSL接入Internet有虚拟拨号和专线接入两种方式。 采用虚拟拨号方式的用户采用类似Modem和ISDN的拨号程序，在使用习惯上与原来的方式没什么不同。 采用专线接入的用户只要开机即可接入Internet。 所谓虚拟拨号是指用ADSL接入Internet时同样需要输入用户名与密码(与原有的Modem和ISDN接入相同)。 与前两者不同的是，使用ADSL拨号接入ISP是激活与ISP的连接而不是建立新连接，因此ADSL只有快或慢的区别，不会产生接入遇忙的情况。

3.通过局域网接入Internet

用路由器将本地计算机局域网作为一个子网连接到Internet上，使得局域网的所有计算机都能够访问Internet。 这种连接的本地传输速率可达100Mb/s以上，但访问Internet的速率要受到局域网出口(路由器)的速率和同时访问Internet的用户数的影响。

采用局域网接入非常简单，只要用户有一台电脑、一块网卡、一根双绞线，然后再去找网络管理员申请一个IP地址就可以了。

4.以DDN、X.25、帧中继等专线方式入网

许多种类的公共通信线路如DDN、X.25、帧中继也支持Internet的接入，这些方式接入比较复杂、成本较昂贵，适合于公司、机构单位使用。 采用这些接入方式时，需要在用户及ISP两端各加装支持TCP/IP协议的路由器，并向电信部门申请相应的数字专线，由用户独自使用。 专线方式连接的最大优点是速度快、可靠性高。

5.以无线方式入网

无线接入使用无线电波将移动端系统(笔记本、PDA、手机等)和ISP的基站(Base Station)连接起来，基站又通过有线方式或卫星通信连入Internet。

6.1.8 IP地址

1.IP协议

IP协议是Internet中最重要的协议，对应于TCP/IP参考模型的网络层，IP协议详细定义了IP数据报(Datagram)的组成格式。 IP协议的主要功能包括数据包的传输、数据包的路由选择和拥塞控制。

IP协议只负责产生符合IP格式的数据包并进行路由选择，然后将数据包向外发送，它并不关心数据包能否正常到达目的计算机。 因为网络拥挤和其他种种可能的网络故障，数据包在传输时可能会出现损坏或丢失，有时接收方可能会接收到一个数据包的多个副本，或者数据包到达目的计算机的顺序颠倒。 这样就需要一种协议来保证数据传输的可靠性，就是传输控制协议(TCP协议)。

2.IP地址

因特网地址是指接入因特网的节点计算机地址。 因特网上的每台计算机、每个用户都有一个唯一地址，从而区别因特网上的千万个用户、几百万台计算机和成千上万的组织。

(1)定义。

因特网采用一种全局通用的地址格式，为全网的每个网络和每台主机都分配一个唯一的地址，称为IP地址，以此屏蔽物理网络地址的差异，而为保证因特网以一个一致性实体的形象出现奠定了重要的基础。 确切地说，IP层所用到的地址叫作IP地址。 目前我们所说的IP地址，通常是一个的32位地址(IPv4)。 因此可以简单地认为，IP地址就是赋予网络节点的一个32位地址。 节点即为一个连接点，大多数计算机只有一个节点，但也有多个节点的情形，如服务器、路由器(都含有多个网卡)等，它们可以拥有多个IP地址。

(2)结构。

IP地址是一种层次型地址，携带了标识对象的位置信息。 因特网结构在概念上分为3个层次，如图6-5(a)所示。

因为因特网本身是唯一的，所以没有必要在地址空间中为它分配地址。 因特网中有许多网络，同一网络中有许多主机，因此必须分别加以标识，以示区别，如m1、m2和n1、n2、n3、n4等。因特网的这种地址模式明显地携带位置信息，给出一台主机的IP地址，马上就知道它位于哪个网络。

IP地址正是对因特网结构的反映，如图6-5(b)所示。 IP地址由两部分组成：一个是物理网络上所有主机通用的网络地址(网络ID);另一个是网络上主机专有的主机(节点)地址(主机ID)。

IP地址的结构表明，利用IP地址可以在互联网络上方便地进行寻址。 首先按IP地址中的网络ID找到对应的网络，再按主机ID在该网络找到主机。 因此，IP地址不是一台计算机的一维编号，而是能反映连接到某个网络上的某台计算机的二维编号。 为了保证因特网上每台计算机IP地址的唯一性，用户必须向Internet NIC(Network Informa-tion Center)申请IP地址空间。

(3)分类。

为了便于对IP地址进行管理，同时考虑到网络的差异很大，有的网络拥有很多主机，而有的网络上主机又相对较少等因素，IP地址分成五类，即A类、B类、C类、D类和E类，如图6-6所示。 其中，A类、B类、C类地址经常使用，称为IP主类地址，它们均由两部分组成，D类和E类地址被称为IP次类地址。

①网络ID。

A类、B类、C类地址的网络ID分别占1、2、3个字节长。 在网络地址的最前面分别由1～3个固定位，其数值分别规定为0、10和110。

②主机ID。

A类、B类、C类地址的主机ID分别占3、2、1个字节长度。

下面分别介绍这五类IP地址：

A类地址分配给规模特别大的网络使用，每个A类地址的网络有众多的主机。 具体规定如下：32位地址域中第一个8位为网络标识，其中首位为0，表示A类地址，其余24位均作为接入网络主机的标识，由该网的管理者自行分配。 因此，每个A类网络有16777214(256×256×256-2)台主机(减2的原因是：全0的主机号字段表示该IP地址是“本主机”所连接到的单个网络地址，例如，一台主机的IP地址为5.6.7.8，那么该主机所在的网络地址就是5.0.0.0;而全1表示“所有的”，因为全1的主机号字段表示该网络上的所有主机)，共有126个可用的A类地址。

B类地址分配给一般的大型网络使用，每个B类地址的网络有较多的主机。 具体规定如下：32位地址域中前两个8位为网络标识，其中前两位为10，表示B类地址，其余16位均作为接入网络主机的标识，由该网的管理者自行分配，因此每个B类网络有65534(256×256-2)台主机，共有16383(214-1)个B类地址(因为B类网络地址128.0.0.0是不指派的)。

C类地址分配给小型网络使用，如大量的局域网和校园网，每个C类地址的网络只有少量的主机。 具体规定如下：32位地址域中前3个8位为网络标识，其中前3位为110，表示C类地址，其余8位均作为接入网络主机的标识，由该网的管理者自行分配，因此每个C类网络有254台主机，共有2097150(32×256×256-2)个C类地址段，有532676608(32×256×256×254)个地址。

D类地址是组广播地址，主要留给Internet体系结构委员会使用，其最左边的4位总是以1110开头，它对应的十进制在224～239之间。 这类地址可用于广播，当进行广播时，信息可有选择地发送给网络上的所有计算机的一个子集。

E类地址保留今后使用，是一个实验性网络地址，通常不用于实际的工作环境。 E类地址最左边的5位总是以11110开头，对应的十进制在240～247之间。

(4)IP地址的表示。

如果采用32位二进制位即4个字节表示IP地址，很难让人读懂和理解。 当我们将每个字节的二进制数转换成对应的十进制数时，就可以用4组十进制数字来表示IP地址，每组数字取值范围为0～255，组与组之间用圆点“.”作为分隔符，这样的表示形式易于接受。 例如，用二进制表示的B类IP地址10000000 00001011 00000011 00011111，也可用点分十进制数表示为128.11.3.31。

6.1.9 域名

IP地址虽然可以唯一地标识网上主机的地址，但用户记忆数以万计的用数字表示的主机地址十分困难。 若能用代表一定含义的字符串来表示主机的地址，用户就比较容易记忆了。 为此，因特网提供了一种域名系统(Domain Name System，DNS)，为主机分配一个由多个部分组成的域名。

因特网采用层次树状结构的命名方法，使得任何一台连接在因特网上的主机或路由器都可以有唯一的层次结构的名字，即域名(domain name)。 域名由若干部分组成，各部分之间用圆点“.”作为分隔符。 它的层次从左到右，逐级升高，其一般格式如下：

计算机名.组织机构名.二级域名.顶级域名

1.顶级域名

域名地址的最后一部分是顶级域名，也称为第一级域名，顶级域名在因特网中是标准化的，并分为三种类型：

国家顶级域名：例如cn代表中国、jp代表日本、us代表美国。 在域名中，美国国别代码通常省略不写。

国际顶级域名：国际性的组织可在int下注册。

通用顶级域名：最早的通用顶级域名共6个。

com表示公司、企业　 net表示网络服务机构

org表示非盈利性组织 　edu表示教育机构

gov表示政府部门(美国专用)　mil表示军事部门(美国专用)

随着因特网的迅速发展、用户的急剧增加，现在又新增加了7个通用顶级域名。

firm表示公司、企业 　info表示提供信息服务的单位

web表示突出万维网活动的单位 　arts表示突出文化、娱乐活动的单位

rec表示突出消遣、娱乐活动的单位　nom表示个人

shop表示销售公司和企业

2.二级域名

在国家顶级域名注册的二级域名均由该国自行确定。 我国将二级域名划分为“类别域名”和“行政区域名”。 其中，“类别域名”有6个，分别为ac表示科研机构;com表示工、商、金融等企业;edu表示教育机构;gov表示政府部门;net表示互联网络、接入网络的信息中心和运行中心;org表示各种非盈利性的组织。 “行政区域名”34个，适用于我国的各省、自治区、直辖市和特别行政区，例如，bj为北京市;sh为上海市;tj为天津市;cq为重庆市;hk为香港特别行政区;om为澳门特别行政区;he为河北省等。 若在二级域名edu下申请注册三级域名，则由中国教育和科研网络中心(Cernet NIC)负责;若在二级域名edu之外的其他二级域名之下申请注册三级域名，则应向中国互联网网络信息中心(CNNIC)申请。

3.组织机构名

域名的第三部分一般表示主机所属域或单位。 例如，域名cernet.edu.cn中的cer-net表示中国教育科研网，域名tsinghua.edu.cn中的tsinghua表示清华大学，pku.edu.cn中的pku表示北京大学等。 域名中的其他部分，网络管理员可以根据需要进行定义。

图6-7是因特网名字空间的结构示意图，它实际上是一棵倒置的树。 树根在最上面，没有名字，树根下面一级的节点就是最高一级的顶级域节点，在顶级域节点下面的是二级域节点，最下面的叶节点就是单台计算机。

4.域名与IP地址的关系

域名和IP地址存在对应关系，当用户要与因特网中某台计算机通信时，既可以使用这台计算机的IP地址，也可以使用域名。 相对来说，域名易于记忆，用得更普遍。

由于网络通信只能标识IP地址，所以当使用主机域名时，域名服务器通过DNS域名服务协议，自动将登记注册的域名转换为对应的IP地址，从而找到这台计算机。

6.1.10 WWW(万维网)

1.WWW(万维网)概述

WWW(World Wide Web)简称3W，也称为万维网，它拥有图形用户界面，使用超文本结构链接。 WWW系统也叫作Web系统，它是目前Internet上最方便、最受用户欢迎的信息服务类型，它是一种基于超文本(Hypertext)方式的信息查询工具，它的影响力已远远超出了计算机领域，并且已经进入广告、新闻、销售、电子商务与信息服务等各个行业。 Internet的很多其他功能，如E-mail、FTP、Usenet、BBS、WAIS等，都可通过WWW方便地实现。 WWW的出现使Internet从仅有少数计算机专家使用变为普通大众也能利用的信息资源，它是Internet发展中的一个非常重要的里程碑。

WWW由三部分组成：浏览器(Browser)、Web服务器(Web Server)和超文本传送协议(HTTP Protocol)。 浏览器向Web服务器发出请求，Web服务器向浏览器返回其所需的WWW文档，然后浏览器解释该文档并按照一定的格式将其显示在屏幕上，浏览器与Web服务器使用HTTP协议进行互相通信。

2.统一资源定位符URL

HTML的超链接使用统一资源定位器URL(Uniform Resource Locators)来定位信息资源所在位置。 URL描述了浏览器检索资源所用的协议、资源所在计算机的主机名，以及资源的路径与文件名。 Web中的每一页，以及每页中的每个元素---图形、热字或是帧---也都有自己唯一的地址。

标准的URL如下：

这个例子表示：用户要连接到名为www.zol.com.cn的主机上，采用http方式读取名为index.html的超文本文件。

URL通过访问类型来表示访问方式或使用的协议，例如：

“ftp：//ftp.pudc.edu.cn/software/readme1.txt”表示要通过FTP连接来获得一个名为readme1.txt的文本文件。

“telnet：//213.19.120.120：8080”表示远程登录到名为213.19.120.120的主机的8080号端口。

3.超文本传输协议(HTTP)

超文本传输协议HTTP(Hypertect Transfer Protocol)是Web客户机与Web服务器之间的应用层传输协议。 HTTP是用于分布式协作超文本信息系统的、通用的、面向对象的协议，它可以用于域名服务或分布式面向对象系统，是基于TCP/IP之上的协议。 HT-TP会话过程包括以下4个步骤：连接(Connection)、请求(Request)、应答(Response)、关闭(Close)。 当用户通过URL请求一个Web页面时，在域名服务器的帮助下获得要访问主机的IP地址，浏览器与Web服务器建立TCP连接，使用默认端口80。 浏览器通过TCP连接发出一个HTTP请求消息给Web服务器，该HTTP请求消息包含了所要的页面信息，Web服务器收到请求后，将请求的页面包含在一个HTTP响应消息中，并向浏览器返回该响应消息，浏览器收到该响应消息后释放TCP连接，并解析该超文本文件显示在指定窗口中。

【思考题】

(1)简述计算机网络的概念。

(2)局域网、城域网和广域网的主要特征是什么?

(3)局域网常用的拓扑结构有哪些? 各有何特点?

(4)Internet的顶级域名有哪几种，是按照什么模式分类的?

(5)举例说明什么是URL?

(6)什么是WWW?

(7)用户接入Internet的方式有哪些?