第1章 互聯基礎知識

本章導讀

計算機網絡是計算機技術與通信技術相結合的產物。當前，計算機網絡正向全面互聯、高速和智能化方面發展，它的發展和應用必將對21世紀的經濟、政治、軍事、教育、文化和科技的發展產生重大影響。可以這樣認為，信息技術與網絡互聯的應用將成為衡量一個國家21世紀國力與競爭力的重要標準。

內容要點

將兩個以上的計算機網絡通過一定的方法，用一種或多種通信處理設備相互連接起來以構成更大的網絡系統，實現互相通信、共享軟硬件資源與數據。交換機不能用來創建互聯網絡，只能用來增強互聯的LAN的功能。必須采用路由器連接網絡中各局域網、廣域網設備，根據信道的情況自動選擇和設定路由，以最佳路徑按順序發送信號。

進入21世紀，是一個以網絡為核心的具備數字化、網絡化、安全化特征的信息時代。今天，網絡已經把全球各個角落的人們連接在一起，人們可以通過網絡足不出戶地進行學習、交流、娛樂、購物，甚至進行更高級別的商務活動。人類充分利用網絡不受地理位置限制的有利條件，為各行各業的人們節約大量時間，提高工作效率。

目前，網絡不僅在對信息的采集、存儲、處理、傳輸中扮演著不可缺少的角色，更成為全球信息化產業的基石。它突破了過去傳統的單臺計算機系統應用的局限，將多臺計算機交換信息、共享資源和協同工作變成可能。

1.1 網絡互聯基礎

隨著計算機應用的發展，人們迫切需要將多臺計算機、多個網絡連接在一起，達到不受地理位置、區域范圍的限制，實現在計算機之間、網絡之間安全地交換信息、傳輸數據，達到資源共享的目的，以提高人們的工作效率和生活效率。

1.1.1 計算機網絡的發展

當第一臺計算機誕生時，通信技術就已經存在了。但那時，計算機技術與通信技術還沒有直接的聯系，沒有形成真正的結合。計算機只是作為單機系統供單個用戶獨占使用，后來隨著社會信息化、數據的分布處理、計算機資源共享等各種應用要求的提出，推動了計算機技術向著群體化的方向發展，使得計算機與通信這兩種現代技術得以更快發展，促進了計算機技術與通信技術的緊密結合，成長為一個嶄新的技術領域——計算機網絡。

第1階段：遠程聯機階段

20世紀50年代，人們開始將彼此獨立發展的計算機技術與通信技術結合起來，進行數據通信技術與計算機通信網絡的研究。當時，計算機數量相當少，并且價格非常昂貴，為充分利用好這部分昂貴的計算機資源，人們將分布在遠方不具備數據處理的多個終端通過通信線路與遠程的中心計算機連接起來，以此去使用中心計算機系統上的“高速數據運算處理器”資源和“大容量存儲器”資源，形成遠程聯機系統，如圖1-1所示。

在這種方式下，遠程終端只需負責收集數據，數據處理是統一被送到中心計算機上去進行的，處理完成后的結果再返回給遠程終端輸出。不難看出，在這個過程中有這樣一個問題，中心計算機隨著遠程終端的任務請求越來越多而變得越來越不堪重負，有時會大大超過自身的處理能力，因為它既要擔負著數據處理的復雜計算工作，又要承擔著與各終端之間的通信管理工作，超負荷工作在所難免，甚至造成宕機現象。

20世紀60年代初，人們經過研究，為減輕中心計算機的負擔，在原來的系統上增加了前端處理機（或稱為通信處理機）來專門負責數據的收發等通信控制和通信處理工作，而讓中心計算機從過去的雙重任務處理中解脫出來，只進行數據處理工作，這種結構被稱為具有通信功能的多機系統，如圖1-2所示。

在這種方式下，很大程度地減輕了中心計算機的負載，中心計算機可以只負責更快、更好地進行數據處理，而不需要去考慮數據如何進行收發通信、如何進行差錯控制等。

第2階段：計算機網絡階段

20世紀60年代中期，為了繼續減輕中心計算機的負擔，人們試圖將多臺計算機連接起來，實現計算機間數據的傳輸，以克服第一階段計算機網絡中心計算機負荷較重、可靠性較差的缺點，更好地提高網絡的可用性和可靠性。這種結構可稱為計算機通信網絡，它是計算機網絡的低級形式。

在這個階段，以1969年美國國防部高級研究規劃署（ARPA）建成并連接了分布在美國加州大學洛杉磯分校、加州大學圣巴巴拉分校、斯坦福大學和猶他大學4個結點計算機的實驗性網絡——ARPAnet為主要網絡，如圖1-3所示。

ARPAnet的成功投入運行，標志著計算機網絡的真正誕生，使計算機網絡的發展進入了一個新紀元，因此被公認為是網絡的起源，同時也是Internet的起源。

第3階段：開放式的標準化計算機網絡

20世紀70年代，各種廣域網、局域網與公用分組交換網發展十分迅速，各計算機生產商紛紛發展自己的計算機網絡系統，制定自己的網絡體系結構標準，生產實現這些網絡體系結構的軟硬件產品。用戶只要購買他們提供的網絡產品，借助一定的通信線路就可以組建自己的計算機網絡。

這些標準不統一的網絡系統，造成各生產廠家的計算機和網絡產品在技術、結構等方面有著很大的差異，給用戶帶來了很大的不便。人們意識到很有必要要求網絡公司對各自為政的狀況做統一，改變用戶組建網絡、升級網絡無所適從的局面。因為這些網絡體系結構只能在一個公司范圍內使用它的同種產品方為有效，一旦在一個網絡中使用不同公司的網絡產品，或者要連接其他異種類型網絡，將會變得非常困難，甚至不可行。

1977年，國際標準化組織（ISO）、國際電報電話咨詢委員會（CCITT）、美國電氣和電子工程師協會等成立了專門機構，專門研究計算機系統的互聯、計算機網絡協議標準化等問題。力求能使不同的計算機系統、不同的網絡系統互聯在一起，實現“開放”式的通信和交換，實現資源共享和分布處理。

最終在1984年由ISO正式頒布了被國際社會普遍接受的“開放系統互聯基本參考模型”（OSI/RM模型）國際標準ISO7498，如圖1-4所示。

該模型成為國際標準參考模型，成為研究和制定新一代計算機網絡體系結構標準的基礎，這種標準化使得它對不同的計算機系統來說都是開放的，可以方便地互聯異種機型和異種網絡。事實上，除了OSI體系結構，還有一種TCP/IP（傳輸控制協議/網際協議）體系結構，如圖1-5所示。

這種體系結構解決了因衛星通信技術和無線電技術發展帶來的通信網絡不能互聯的問題，實現了不同通信網絡的無縫鏈接。

第4階段：綜合性、智能化、寬帶高速網絡

20世紀90年代，世界經濟進入了一個全新的發展階段，經濟的高速發展進而推動了信息產業的發展，加快了計算機技術、數字通信技術、光纖技術的成熟與廣泛應用，計算機網絡開始進入到一個飛速發展的時期。

在1993年，美國宣布了國家信息基礎設施（NII）建設計劃后，將大量公用或專用的網絡連接起來，帶動世界各國的網絡建設。很多國家都紛紛開始制定自己的信息高速公路建設計劃，使得高速局域網如FDDI、快速以太網、千兆位交換式以太網得到了廣泛普及，為網絡互聯和多媒體信息的傳輸提供了良好條件，使得Internet（因特網）迅速擴展和廣泛應用。

Internet是覆蓋全球網絡信息化的基礎設施之一。用戶可以利用Internet實現全球范圍的電子郵件、WWW信息瀏覽、文件傳輸、語音圖像服務等功能，為進一步滿足高速、大容量、綜合性、智能化、寬帶高速網絡的發展提供了便利。

1.1.2 計算機網絡的定義

在計算機網絡發展的不同階段中，人們對計算機網絡賦予了不同的解釋，各種不同的定義只能反映出當時網絡技術發展的水平與人們對網絡的認知程度。

結合網絡的最新發展技術，我們這樣定義計算機網絡：計算機網絡就是將分布在不同地理位置的具有獨立功能的計算機或由計算機控制的外部設備，通過通信線路和通信設備相互連接在一起，由網絡操作系統和協議軟件進行統一管理，以實現資源共享的計算機復合系統。如企業園區網、高校校園網、圖書館檢索網、商業區內收款網等都屬于計算機網絡。典型的校園網拓撲結構如圖1-6所示。

1.1.3 計算機網絡的功能

實現資源共享

建立計算機網絡的主要目的就是要實現網絡中軟件、硬件、數據資源的共享。如共享網絡內硬件資源中的打印機，達到網絡中的一臺打印機可供網絡中的所有計算機共享打印，如圖1-7所示。

軟件共享中主要是使用網絡內服務器上存儲的大型網絡程序等軟件資源，而數據資源共享中主要是用以查詢網絡內數據庫服務器上的文獻資料、數據資源等。

快速傳輸信息

計算機網絡建立的最基本功能就是實現數據通信，數據通信是指允許網絡上的計算機之間能相互進行數據傳輸、信息交換。信息快速傳送是實現其他功能的基礎，數據通信最簡單的應用可以用電子郵件、文件傳輸與交換、信息點播等來說明。

提高可靠性

在單機時代，單個部件或計算機出現故障將會導致該系統停止運行。而在計算機網絡中，每種資源可以同時存放在多臺不同的服務器上，即使某臺服務器因網絡或硬件設備發生故障，用戶仍可以訪問該網絡上的其他服務器資源，而不對用戶的工作造成中斷。

提高可用性

對于采用復雜算法的大型任務，可以將任務分散到網絡中的另外多臺計算機上進行處理，或者當網絡中某臺計算機負載過重時，將任務分散給網絡中另外幾臺計算機去進行處理，以平衡工作負荷，提高每臺計算機的利用率，保證計算機網絡連續工作。