任務2 計算機網絡的使用與維護

2.1 計算機網絡概述

2.1.1 計算機網絡的概念與分類

1.計算機網絡的概念

對“計算機網絡”這個概念的理解和定義，隨著計算機網絡本身的發展，人們提出了各種不同的觀點。早期的計算機系統是高度集中的，所有的設備安裝在單獨的大房間中，后來出現了批處理和分時系統，分時系統所連接的多個終端必須緊密連接主計算機。20世紀50年代中后期，許多系統都將地理上分散的多個終端通過通信線路連接到一臺中心計算機上，這樣就出觀了第一代計算機網絡。

第一代計算機網絡是以單個計算機為中心的遠程聯機系統。典型應用是由一臺計算機和全美范圍內2000多個終端組成的飛機定票系統。終端指的就是一臺計算機的外部設備包括CRT顯示器和鍵盤，無GPU內存。

隨著遠程終端的增多，在主機前增加了前端機FEP。當時，人們把計算機網絡定義為“以傳輸信息為目的而連接起來，實現遠程信息處理或進一步達到資源共享的系統”，但這樣的系統己具備了通信的雛形。

第二代計算機網絡是以多個主機通過通信線路互連起來，為用戶提供服務，興起于20世紀60年代后期，典型代表是美國國防部高級研究計劃局協助開發的ARPAnet。

主機之間不是直接用線路相連，而是由接口報文處理機IMP轉接后互連的。IMP和它們之間互連的通信線路一起負責主機間的通信任務，構成了通信子網。通信子網互連的主機負責運行程序，提供資源共享，組成了資源子網。

兩個主機間通信時對傳送信息內容的理解，信息表示形式以及各種情況下的應答信號都必須遵守一個共同的約定，稱為協議（如TCP/IP協議），如圖2-1所示。

在ARPA網中，將協議按功能分成了若干層次，如何分層，以及各層中具體采用的協議的總和，稱為網絡體系結構，體系結構是個抽象的概念，其具體實現是通過特定的硬件和軟件來完成的。

在20世紀70年代至80年代，第二代網絡得到迅猛的發展。

第二代網絡以通信子網為中心。這個時期，網絡概念為“以能夠相互共享資源為目的互連起來的具有獨立功能的計算機之集合體”，形成了計算機網絡的基本概念。

第三代計算機網絡是具有統一的網絡體系結構并遵循國際標準的開放式和標準化的網絡。

國際標準化組織ISO于1984年公布了一個網絡體系結構模型，這就是開放系統互連參考模型OSI（Open System Interconnection），如圖2-2所示。該模型分為七個層次，也稱為OSI七層模型，公認為新一代計算機網絡體系結構的基礎，為普及局域網奠定了基礎。

20世紀70年代后，由于大規模集成電路出現，局域網由于投資少，方便靈活而得到了廣泛的應用和迅猛的發展，與廣域網相比有共性，如有分層的體系結構，又有不同的特性，如局域網為節省費用而不采用存儲轉發的方式，而是由單個的廣播信道來連接網上計算機。

第四代計算機網絡從20世紀80年代末開始，局域網技術發展成熟，出現光纖、高速網絡技術、多媒體、智能網絡，整個網絡就像一個對用戶透明的大的計算機系統，發展為以Internet為代表的互聯網。

現在，計算機網絡可定義為：將將多個地理位置不同且具有獨立工作能力的計算機系統，通過通信設備和傳輸媒體連接起來，由功能完善的網絡軟件實現硬件、軟件、數據資源共享和數據通信（交換）的系統。

從定義中，可以看出計算機網絡涉及三個方面的問題：

（1）至少兩臺計算機互連；

（2）通信設備與線路介質；

（3）網絡軟件，通信協議和NOS。

2.計算機網絡的分類

用于計算機網絡分類的標準很多，如拓撲結構，應用協議等。但是這些標準只能反映網絡某些方面的特征，最能反映網絡技術本質特征的分類標準是分布距離，按分布距離分為LAN、MAN、WAN，Internet。

（1）局域網（Local Area Network，LAN）。

通常用“LAN”表示局域網，這是最常見、應用最廣的一種網絡。現在局域網隨著整個計算機網絡技術的發展和提高得到充分的應用和普及，幾乎每個單位都有自己的局域網，有的甚至家庭中都有自己的小型局域網。很明顯，所謂局域網，那就是在局部地區范圍內的網絡，它所覆蓋的地區范圍較小。局域網在計算機數量配置上沒有太多的限制，少的可以只有兩臺，多的可達幾百臺，如圖2-3所示。一般來說在企業局域網中，工作站的數量在幾十到兩百臺左右。在網絡所涉及的地理距離上，一般來說可以是幾米至10km以內。局域網一般位于一個建筑物或一個單位內，不存在尋徑問題，不包括網絡層的應用。

這種網絡的特點是：連接范圍窄、用戶數少、配置容易、連接速率高。目前局域網最快的速率要算現今的10Gbps以太網了。IEEE的802標準委員會定義了多種主要的LAN網：以太網（Ethernet）、令牌環網（Token Ring）、光纖分布式接口網絡（FDDI）、異步傳輸模式網（ATM）以及最新的無線局域網（WLAN）。這些都將在后面詳細介紹。

（2）城域網（Metropolitan Area Network，MAN）。

這種網絡一般來說是在一個城市，但不在同一地理小區范圍內的計算機互連。這種網絡的連接距離可以在10～100km，它采用的是IEEE802.6標準。MAN與LAN相比擴展的距離更長，連接的計算機數量更多，在地理范圍上可以說是LAN網絡的延伸。在一個大型城市或都市地區，一個MAN網絡通常連接著多個LAN網。如連接政府機構的LAN、醫院的LAN、電信的LAN、公司企業的LAN等。由于光纖連接的引入，使MAN中高速的LAN互連成為可能。

城域網多采用ATM技術做骨干網。如圖2-4所示，ATM是一個用于數據、語音、視頻以及多媒體應用程序的高速網絡傳輸方法。ATM包括一個接口和一個協議，該協議能夠在一個常規的傳輸信道上，在比特率不變及變化的通信量之間進行切換。ATM也包括硬件、軟件以及與ATM協議標準一致的介質。ATM提供一個可伸縮的主干基礎設施，以便能夠適應不同規模、速度以及尋址技術的網絡。ATM的最大缺點就是成本太高，所以一般在政府城域網中應用，如郵政、銀行、醫院等。

（3）廣域網（Wide Area Network，WAN）。

這種網絡也稱為遠程網，如圖2-5所示，所覆蓋的范圍比城域網（MAN）更廣，它一般是在不同城市之間的LAN或者MAN網絡互連，地理范圍可從幾百千米到幾萬千米。因為距離較遠，信息衰減比較嚴重，所以這種網絡一般是要租用專線，通過IMP（接口信息處理）協議和線路連接起來，構成網狀結構，解決循徑問題。這種城域網因為所連接的用戶多，總出口帶寬有限，所以用戶的終端連接速率一般較低，通常為9.6Kbps～45Mbps，如原郵電部的CHINANET，CHINAPAC和CHINADDN網。

（4）互聯網（Internet）。

在互聯網應用如此發展的今天，它已是我們每天都要打交道的一種網絡，無論從地理范圍，還是從網絡規模來講它都是最大的一種網絡，也就是我們常說的“Web”、“WWW”和“萬維網”等多種叫法。從地理范圍來說，它可以是全球計算機的互連，這種網絡的最大的特點就是不定性，整個網絡的計算機每時每刻隨著人們網絡的接入在不變的變化。當您連在互聯網上的時候，您的計算機可以算是互聯網的一部分，但一旦斷開互聯網的連接，您的計算機就不屬于互聯網了。但它的優點也是非常明顯的，就是信息量大，傳播廣，無論你身處何地，只要連上互聯網，你就可以對任何聯網的用戶發出你的信函和廣告。由于這種網絡的復雜性，所以這種網絡的實現技術也是非常復雜的。

2.1.2 計算機網絡的發展與現狀

計算機網絡近年來獲得了飛速的發展。20年前，在我國很少有人接觸過網絡。現在，計算機通信網絡以及Internet已成為我們社會結構的一個基本組成部分。網絡被應用于工商業的各個方面，包括電子銀行、電子商務、現代化的企業管理、信息服務業等都以計算機網絡系統為基礎。從學校遠程教育到政府日常辦公乃至現在的電子社區，很多方面都離不開網絡技術。可以不夸張地說，網絡在當今世界無處不在。

1997年，在美國拉斯維加斯的全球計算機技術博覽會上，微軟公司總裁比爾·蓋茨先生發表了著名的演說。在演說中，“網絡才是計算機”的精辟論點充分體現出信息社會中計算機網絡的重要基礎地位。計算機網絡技術的發展越來越成為當今世界高新技術發展的核心之一。

網絡的發展也是一個經濟上的沖擊。數據網絡使個人化的遠程通信成為可能，并改變了商業通信的模式。一個完整的用于發展網絡技術、網絡產品和網絡服務的新興工業已經形成，計算機網絡的普及性和重要性已經導致在不同崗位上對具有更多網絡知識的人才的大量需求。企業需要雇員規劃、獲取、安裝、操作、管理那些構成計算機網絡和Internet的軟硬件系統。另外，計算機編程已不再局限于個人計算機，而要求程序員設計并實現能與其他計算機上的程序通信的應用軟件。

計算機網絡發展的階段劃分在20世紀50年代中期，美國的半自動地面防空系統（Semi-Automatic Ground Environment，SAGE）開始了計算機技術與通信技術相結合的嘗試，在SAGE系統中把遠程距離的雷達和其他測控設備的信息經由線路匯集至一臺IBM計算機上進行集中處理與控制。世界上公認的、最成功的第一個遠程計算機網絡是在1969年，由美國高級研究計劃署（Advanced Research Projects Agency，ARPA）組織研制成功的。該網絡稱為ARPANET，它就是現在Internet的前身。

隨著計算機網絡技術的蓬勃發展，計算機網絡的發展大致可劃分為4個階段。

第一階段：誕生階段。20世紀60年代中期之前的第一代計算機網絡，是以單個計算機為中心的遠程聯機系統。典型應用是由一臺計算機和全美范圍內2000多個終端組成的飛機定票系統。終端是一臺計算機的外部設備包括顯示器和鍵盤，無CPU和內存。隨著遠程終端的增多，在主機前增加了前端機（FEP）。當時，人們把計算機網絡定義為“以傳輸信息為目的而連接起來，實現遠程信息處理或進一步達到資源共享的系統”，但這樣的通信系統已具備了網絡的雛形。

第二階段：形成階段。20世紀60年代中期至70年代的第二代計算機網絡，是以多個主機通過通信線路互連起來，為用戶提供服務，興起于20世紀60年代后期，典型代表是美國國防部高級研究計劃局協助開發的ARPANET。主機之間不是直接用線路相連，而是由接口報文處理機（IMP）轉接后互連的。IMP和它們之間互連的通信線路一起負責主機間的通信任務，構成了通信子網。通信子網互連的主機負責運行程序，提供資源共享，組成了資源子網。這個時期，網絡概念為“以能夠相互共享資源為目的互連起來的具有獨立功能的計算機之集合體”，形成了計算機網絡的基本概念。

第三階段：互連互通階段。20世紀70年代末至90年代的第三代計算機網絡，是具有統一的網絡體系結構并遵循國際標準的開放式和標準化的網絡。ARPANET興起后，計算機網絡發展迅猛，各大計算機公司相繼推出自己的網絡體系結構及實現這些結構的軟、硬件產品。由于沒有統一的標準，不同廠商的產品之間互連很困難，人們迫切需要一種開放性的標準化實用網絡環境，這樣兩種國際通用的最重要的體系結構就應運而生了，即TCP/IP體系結構和國際標準化組織的OSI體系結構。

第四階段：高速網絡技術階段。20世紀90年代末至今的第四代計算機網絡，由于局域網技術發展成熟，出現光纖及高速網絡技術，多媒體網絡，智能網絡，整個網絡就像一個對用戶透明的大的計算機系統，發展為以Internet為代表的互聯網。

從計算機網絡應用來看，網絡應用系統將向更深和更寬的方向發展。首先，Internet信息服務將會得到更大發展。網上信息瀏覽、信息交換、資源共享等技術將進一步提高速度、容量及信息的安全性。

其次，遠程會議、遠程教學、遠程醫療、遠程購物等應用將逐步從實驗室走出，不再只是幻想。網絡多媒體技術的應用也將成為網絡發展的熱點話題。未來將是一個網絡無處不在的世界，任何東西都可以進行網絡互連，我們可以在我們能夠達到的任何地方，對我們想要了解的任何東西進行搜索和遠程控制。

2.1.3 計算機網絡的技術與質量指標

計算機網絡的性能與指標很多，下面僅介紹幾個常用的主要參數。

（1）比特。比特（bit），是計算機中數據量的單位，也是信息論中使用的信息量的單位。bit來源于binary digit，意思是一個“二進制數字”，因此一個比特就是二進制數字中的一個1或0。

（2）速率即數據率。速率即數據率（data rate）或比特率（bit rate），是計算機網絡中最重要的一個性能指標。速率的單位是b/s，或kb/s、Mb/s、Gb/s等。速率往往是指額定速率或標稱速率。

（3）“帶寬”。“帶寬”（bandwidth），本來是指信號具有的頻帶寬度，單位是赫（Hz），或kHz、MHz、GHz。現在“帶寬”是數字信道所能傳送的“最高數據率”的同義語，單位是“比特每秒”（b/s、bit/s），或kb/s、Mb/s、Gb/s等。

（4）吞吐量。吞吐量（throughput），表示在單位時間內通過某個網絡（或信道、接口）的數據量。吞吐量更經常用于對現實世界中的網絡的一種測量，以便知道實際上到底有多少數據量能夠通過網絡。吞吐量受網絡的帶寬或網絡的額定速率的限制。