1.1 計算機網絡概述

在信息化社會中，計算機已從單機使用發展到群體使用。現在大多數應用領域需要計算機在一定的地理范圍內聯合起來進行群體工作，從而促使計算機和通信這兩種技術的緊密結合，形成了計算機網絡這門學科。

計算機網絡（Computer Network）是計算機技術和通信技術緊密結合的產物。計算機在通信中的應用促使數據通信和數字通信技術迅速發展，并促進了通信由模擬向數字化并最終向綜合服務的方向發展，通信技術則為計算機之間信息的快速傳遞、資源共享和協調合作提供了強有力的手段。計算機網絡在社會和經濟發展中起著非常重要的作用，世界上的任何一個擁有計算機的人都能夠通過計算機網絡了解世界的變化，掌握最先進的科技知識，擁有最高超的生產技能。網絡已經滲透到人們生活的各個角落，影響到人們的日常生活，計算機網絡提供給人們幾乎所有可能的需要。因此在某種程度上，計算機網絡的發展水平不僅反映了一個國家的計算機和通信技術的水平，而且已經成為衡量其國力及現代化程度的重要標志之一。

21世紀的特征就是數字化、網絡化和信息化，世界經濟也從工業經濟轉向知識經濟，知識經濟的重要特點就是信息化和全球化，而這些都需要計算機網絡作為支撐環境。

1.1.1 計算機網絡的定義和演變

1.計算機網絡的定義

網絡是一系列復雜的人或事物的系統。生活中就存在許多網絡，例如電話網、鐵路網、高速公路網等。地球上也環繞著各種網絡，有形的有線電纜組成的網，無形的有無線電波組成的網。在人的身體內部也有網絡，例如神經系統、消化系統網絡等。

所謂計算機網絡，就是把分布在不同地理位置的計算機、終端，通過通信設備和線路連接起來，以功能完善的網絡軟件（網絡通信協議，信息交換方式及網絡操作系統等），實現互相通信及網絡資源共享的系統。IEEE高級委員會坦尼鮑姆博士給它的定義是“計算機網絡是一組自治計算機互聯的集合”。自治（或自主）是指每臺計算機都有自主權，不受別人控制，互聯則是指使用傳輸介質將計算機連接起來。

隨著IT業的發展，各種終端設備層出不窮，如打印機、網絡電話、WAP（Wireless Application Protocol）手機、個人數字助理PDA（Personal Digital Assistant）等，因此，對于計算機網絡一直沒有嚴格的定義，隨著計算機技術和通信技術的發展，計算機網絡的內涵也在不斷地變化。

在計算機網絡中，眾多計算機可以方便地互相傳遞信息，而資源共享是計算機網絡的一個重要特征，用戶能夠通過網絡來共享軟件、硬件和數據資源。計算機網絡的主要功能是資源共享、信息傳輸、集中處理、負載均衡與分布處理和提供綜合信息服務等。現代計算機網絡提供多媒體信息服務，如圖像、語音、動畫等，網絡應用的形式也不斷出現，如視頻點播VOD（Video On Demand）、IP電話（IP-Phone）、網上交易（E-marketing）、視頻會議（Video Meeting）等。

2.計算機網絡的演變

計算機網絡的發展過程可分為面向終端的計算機網絡階段、具有通信功能的多機系統階段及以共享資源為主的計算機網絡階段等。

1）面向終端的計算機網絡

面向終端的計算機網絡（也稱為具有通信功能的單機系統）是第一代計算機網絡，產生于20 世紀60 年代初。隨著計算機硬件和軟件的發展，計算機的應用越來越廣泛，人們迫切需要對分散在各地的數據進行集中處理，從而產生了面向終端的計算機網絡。它是將一臺主計算機（Host）經通信線路與若干個地理上分散的終端（Terminal）相連，如圖1.1 所示。主計算機一般稱為主機，它具有獨立處理數據的能力，而所有的終端設備均無獨立處理數據的能力。在通信軟件的控制下，每個用戶在自己的終端上分時輪流地使用主機系統的資源。這種系統可以在千里之外連接遠程終端，通信裝置以脫機方式先接收遠程終端的原始數據和程序，然后由操作員送入計算機進行處理，再將處理結果送回遠程終端。由于脫機系統的輸入/輸出需要人工干預，因此效率較低。若在計算機上增加通信功能，則構成具有聯機通信功能的批處理系統。

面向終端的計算機網絡系統存在兩個方面的問題：第一，隨著所連遠程終端數目的增加，主機的負荷加重，系統效率下降。這是因為主機既要進行數據的處理工作，又要承擔多終端系統的通信控制；第二，線路利用率低，費用也較高。由于終端設備的速率低，操作時間長，尤其在遠距離時，每個終端獨占一條通信線路。

2）具有通信功能的多機系統

為減輕面向終端的計算機網絡中主機的負擔，20 世紀60 年代出現了把數據處理和數據通信分開的工作方式，主機專門進行數據處理，而在主機和通信線路之間設置一臺功能簡單的計算機，專門負責處理網絡中數據通信、傳輸和控制。這種負責通信的計算機稱為通信控制處理機CCP（Communication Control Processor）或稱為前端處理機FEP（Front End Processor）。它一方面作為資源子網的主機和終端的接口節點；另一方面又擔負通信子網中的報文分組的接收、校驗、存儲、轉發等任務，從而將源主機的報文準確地發送到目的主機。

隨著遠程終端的數量不斷增加，通信費用也隨之增加。為了節省費用，可在遠程終端較密集處增加一個集中器。集中器與前端處理機功能類似，集中器的一端通過多條低速線路與各個終端相連，集中器的另一端通過高速線路與計算機相連。其結構是終端群—低速通信線路—集中器—高速通信線路—前端機—主計算機，從而降低通信線路的費用。由于前端機和集中器在當時一般選用小型機擔任，因此這種結構稱為具有通信功能的多計算機系統，如圖1.2所示。

3）計算機網絡

第二代計算機網絡是將若干個聯機系統中的主機互聯，為用戶提供服務，以達到資源共享的目的，或者聯合起來完成某項任務。這就是早期以數據交換為主要目的的計算機網絡，如圖1.3 所示。這類網絡是在20 世紀60 年代中期發展起來的，它和第一代網絡的區別在于多個主機都具有自主處理能力，它們之間不存在主從關系，第二代計算機網絡的典型代表是Internet的前身ARPA網。

ARPA網（ARPAnet）是美國國防部高級研究計劃署ARPA（現在稱為DARPA，Defense Advanced Research Project Agency）提出設想并與許多大學和公司共同研究發展起來的，1969年建網時，僅有4 臺主機。ARPA網采用分組交換技術，當4 個節點之間的某一條通信線路因某種原因被切斷以后，仍能夠保證信息通過其他線路在各主機之間傳遞。ARPA網在1971年增至26 臺主機，發展到1975 年，已將100 多臺不同型號的大型計算機連入網內。ARPA網成為第一個完善地實現分布式資源共享的網絡，為計算機網絡的發展奠定了基礎，現代計算機網絡的許多概念和方法都來源于它，ARPA網是最早將計算機網絡分為資源子網和通信子網兩部分的網絡。

4）局域網

進入20世紀70年代，局域網技術得到迅速發展。特別是到了20世紀80年代，隨著硬件價格的下降和微機的廣泛應用，一個單位或部門擁有微機的數量越來越多，因此需要將它們連接起來，以達到資源共享和互相傳遞信息的目的，如圖1.4 所示。局域網聯網費用低，傳輸速度高。其典型代表是以太網（Ethernet）和令牌環網（Token Ring）。

3.網絡發展的里程碑

在計算機網絡發展史上，具有里程碑意義的大事有如下幾個：1969年建立的ARPA網，使用TCP/IP協議，它為Internet的發展奠定了基礎；20世紀70年代出現局域網，特別是70年代中期美國Xerox公司研制的以太網（Ethernet），對網絡的普及起著重要的作用；80 年代，CCITT建立了使用國際線路傳輸聲音數據的國際標準，ISO制定了開放系統互聯參考模型OSI/RM（Open System Interconnection Basic/Reference Model）；1989年Web技術的出現，使Internet得到了普及，Web也就是WWW（World Wide Web）是一個超文本系統，可以為用戶提供良好的信息查詢界面，沒有WWW就沒有Internet的今天；1993年9月，美國克林頓政府提出了國家信息基礎設施NII（National Information Infrastructure）的信息高速公路計劃，NII能使美國所有的國民需要信息時，可以在需要的場所，以適當的價格得到系統的支持。NII由通信網絡、信息設備、信息數據庫和人機部分構成。進入21 世紀，為解決IP地址緊缺問題，出現了IPv 6技術，IPv 4網絡向IPv 6網絡的演變已經拉開了序幕。

4.我國的網絡發展

計算機網絡在20 世紀80 年代進入中國，1989 年11 月我國第一個公用分組交換網CNPAC建成運行，它由3個分組節點交換機、8個集中器和一個雙機組成的網絡管理中心組成。1993 年建成新的中國公用分組交換網CHINAPAC，它是中國的X.25。網絡管理中心設在北京，主干網的覆蓋范圍從原來的10 個城市擴大到2300 個市、縣及鄉鎮，端口容量達13萬個。在北京和上海設有國際出入口。

我國根據自己的國情，由電子工業部倡議，國務院直接組織，也于1993 年下半年開始規劃實施“金橋”、“金卡”和“金關”的三金工程。20 世紀90 年代是中國計算機網絡大發展的年代，并陸續建造了基于Internet技術并接入Internet的四大全國范圍的公用計算機網絡，它們分別為：

1）中國公用計算機互聯網（CHINANET）

CHINANET始建于1995 年，由中國電信負責運營，該網由主干網和接入網組成。主干網的速率以2.048Mbps為主，逐步提高到E3（34Mbps）甚至更高速率。接入網由各省建設的網絡構成，用戶通過163（現在已將電話號碼、用戶名和口令都改為16300）撥號方式上網。

2）中國金橋信息網（CHINAGBN）

CHINAGBN始建于1993 年，即金橋工程。以吉通通信為業主，該網由地面光纖網和衛星網組成。主干網的速率以128kbps～8Mbps為主，主要為金融、海關、外貿、氣象、交通等部門提供數據、語音、圖像信息服務。

3）中國教育和科研計算機網（CERNET）

CERNET始建于1994 年，是一個公益性網絡，為國民教育、科研提供信息服務。該網由主干網、地區網和校園網三級結構組成。主干網的速率以2Mbps為主，隨著網絡技術的發展其速率正逐步提高。

4）中國科學技術網（CSTNET）

CSTNET始建于1994年，由中科院建設和管理。

除了這四大網絡外，還有中國科學院高能物理研究所計算中心網（GLOBALNET）、中國科學院計算機網絡信息中心網（NCFC）等網絡，它們都是所謂的“自治系統”。后來又陸續開通了幾個網絡，分別是中國聯通互聯網（UNINET）、中國網通寬帶數據網（CNCNET）、中國移動互聯網（CMNET）、中國國際經濟貿易互聯網（CIENET）、中國長城互聯網（CGWNET）、中國衛星集團互聯網（CSNET）和利用軍隊資源的數據網等。它們稱為Internet服務提供商（ISP）或網絡服務提供商（NSP）。這些網絡的建成，使我國的計算機網絡水平上升到一個新的階段。

現在，人類社會已進入信息時代，世界各國積極建設信息高速公路，計算機網絡是信息高速公路的基礎，Internet也改變了人們的生活方式，人類步入了網絡文化時代。進入21 世紀，網絡功能不斷完善、速度更快、更普及。

1.1.2 計算機網絡的分類、組成和網絡性能

1.計算機網絡的分類

計算機網絡種類很多，性能各有差異，可以從不同的角度對計算機網絡進行分類，主要有以下幾種分類方法。

● 按覆蓋范圍可分為廣域網（遠程網）、局域網（本地網）和城域網（市域網）；

● 根據通信子網的信道類型可分為點到點式網絡和廣播式網絡；

● 按傳輸速率可分為低速網、中速網、高速網；

● 按信息交換方式可分為電路交換網、分組交換網、報文交換網和綜合業務數字網等；

● 按網絡的拓撲結構又可分為總線型、星型、樹型、環型、網狀、混合型、全連型和不規則型網絡；

● 按傳輸介質分為雙絞線、同軸電纜、光纖、無線和衛星網等；

● 按照帶寬分為基帶網絡和寬帶網絡；

● 按配置可分為同類網、單服務器網和混合網；

● 按對數據的組織方式可分為分布式、集中式網絡系統；

● 按使用范圍可分為公用網和專用網；

● 按網絡使用環境可分成校園網、內部網、外部網和全球網等；

● 按網絡組件的關系可分為對等網絡、基于服務器的網絡。

下面介紹其中幾種主要的分類方法。

1）按覆蓋范圍分類

（1）廣域網（WAN）

廣域網WAN（Wide Area Network）是利用公共通信設施，在遠程用戶之間進行信息交換的系統。其特點是分布范圍廣，一般從數千米到數千千米，可以覆蓋幾個城市、幾個國家甚至全球。廣域網內用于通信的傳輸介質和設備，一般由電信部門提供，網絡是由多個部門或多個國家聯合組建而成，可以通過串行接口工作在不同的速率。在網絡發展史上，最早出現的廣域網是ARPA網，它在地理位置上不僅跨越了美洲大陸，而且通過衛星與夏威夷和歐洲等地的計算機網絡進行連接，至今已發展到全世界普遍使用的Internet。我國的CHINANET、CHINAGBN和CERNET等均是廣域網。

WAN一般不具備規則的拓撲結構，特點是速度慢、延遲長，入網的站點不參與網絡的管理，它的管理工作由復雜的互聯設備（如交換機、路由器）處理。廣域網可分為陸地網、衛星網和分組無線網。按其提供的業務帶寬不同，可分為窄帶WAN和寬帶WA N。窄帶WAN有公共電話交換網PSTN、綜合業務數字網ISDN、數字數據網DDN、X.25和幀中繼網等，寬帶WAN有異步傳輸模式ATM、同步數字系列SDH等。

（2）局域網（LAN）

局域網LAN（Local Area Network）的特點是地理范圍有限，規模較小，通常局限于一個單位或一幢大樓內，最大節點數為幾百個至幾千個，適用于企業、機關、學校等單位。局域網組建方便，建網周期短，見效快，成本低，使用靈活，社會效益大，是目前計算機網絡發展最活躍的分支。

局域網傳輸距離較近，一般不超過10km。數據傳輸速率高，誤碼率低，傳輸延遲短，一般為幾十微秒（μs）。局域網按照采用的技術、應用范圍和協議標準的不同，可以分為共享式局域網、交換式局域網、虛擬局域網和無線局域網等。

隨著計算機技術、通信技術和電子集成技術的發展，現在的局域網可以覆蓋幾十千米的范圍，傳輸速率可達1GMbps，例如Ethernet網絡。隨著時代的發展，現在已有更高速的局域網出現。

（3）城域網（MAN）

城域網MAN（Metropolitan Area Network）是介于廣域網與局域網之間的一種高速網絡，通常覆蓋一個城市或地區，距離從幾十千米到上百千米。它是在局域網逐步擴大應用范圍后出現的新型網絡，是局域網的延伸。目前MAN建設主要采用的是IP技術和ATM技術。城域網設計的目標是滿足幾十千米范圍內的大量企業、機關、高校和公司的多個局域網互聯的需求，以實現大量用戶之間的數據、語音、圖形與視頻等多種信息的傳輸功能。

按覆蓋范圍分類還可有校園網（Campus Area Network）、內部網（Intranet）、外部網（Extranet）和全球網（Global Area Network）之分，隨著計算機網絡技術的發展，目前的局域網、廣域網和城域網的界限已經變得模糊了。

2）按通信速率分類

（1）低速網

網絡數據傳輸速率為300bps～1.4Mbps，系統通常是使用調制解調器，利用公用電話網PSTN實現。廣域網一般是低速網。

（2）中速網

網絡數據傳輸速率為1.5～45Mbps，這種系統主要是傳統的數字式公用數據網。

（3）高速網

網絡數據傳輸速率為50～1000Mbps。信息高速公路的數據傳輸速率將會更高，局域網是高速網。ATM網的傳輸速率可以達到2.5Gbps。

3）按帶寬分類

（1）基帶網絡

在計算機網絡中，原始數字信號所固有的頻帶（沒有加以調制的）叫基本頻帶，簡稱基帶，這種原始的數字信號稱為基帶信號。數字數據直接在信道中傳輸，或者說只傳輸數字信號的，稱為基帶傳輸，其網絡稱為基帶網絡。

（2）寬帶網絡

寬帶網絡（也稱頻帶網絡）采用模擬傳輸技術。把不同頻率的多種調制信號在同一傳輸線路中傳輸稱為寬帶傳輸，相應的網絡稱為寬帶網。

電信界定義的寬帶含義不同，當網絡的傳輸速率超過2Mbps時，稱為寬帶網，而傳輸速率低于2Mbps時，稱為窄帶網。

4）其他分類方法

（1）按網絡協議分類

按網絡協議可把計算機網絡分為以太網（Ethernet）、令牌環網（Token Ring）、光纖分布式數據接口FDDI（Fiber Distributed Data Interface）、X.25分組交換網絡、TCP/IP網絡、SNA網絡、異步傳輸模式（ATM）等。

（2）按網絡操作系統分類

按網絡操作系統可分為以下幾種：Novell公司的Netware網絡、3COM公司的3+Share和3+OPEN網絡、Microsoft公司的LAN Manager網絡和Windows NT/2000網絡、Banyan公司的VINES網絡、UNIX網絡等。

2.計算機網絡的組成

計算機網絡是一個十分復雜的系統，在邏輯上可以分為完成數據通信的通信子網和進行數據處理的資源子網兩部分。

1）通信子網

通信子網提供網絡通信功能，能完成網絡主機之間的數據傳輸、交換、通信控制和信號變換等通信處理工作，由通信控制處理機（CCP）、通信線路和其他通信設備組成的數據通信系統。其中，信號變換是指根據不同傳輸系統的要求對數據的信號進行變換。例如，為了利用現有電話線傳輸數據，需要對數字信號與模擬信號進行變換；使用光纖時光電信號的變換；無線通信的發送和接收等。

廣域網的通信子網通常租用電話線或鋪設專線。為了避免不同部門對通信子網重復投資，一般都租用郵電部門的公用數字通信網，作為各種網絡的公用通信子網。本書主要研究通信子網的內容。

2）資源子網

資源子網為用戶提供了訪問網絡的能力，它由主機系統、終端控制器、請求服務的用戶終端、通信子網的接口設備、提供共享的軟件資源和數據資源（如數據庫和應用程序）構成。它負責網絡的數據處理業務，向網絡用戶提供各種網絡資源和網絡服務。

3.網絡主要性能

通過MODEM撥號上網和通過寬帶上網的速度是不一樣的，其網絡性能也不同。影響網絡性能的因素有很多，傳輸距離的遠近、使用的線路、采用的傳輸技術、帶寬等都對網絡的性能產生影響，網絡設備的性能也同樣重要。對用戶而言，主要體現在網絡速度上。另外，網絡上在線用戶的數量過多，也會使網絡的帶寬資源變得更加緊張。衡量網絡的性能最主要的參數是帶寬和延遲等。

帶寬（Bandwidth）是指網絡上數據在一定時刻內從一個節點傳輸到任意節點的信息量。可以用鏈路每秒能傳輸的比特數表示，如以太網的帶寬有10Mbps、100Mbps和10Gbps等。也可以用傳輸每個比特所花的時間長短來衡量，如一個10Mbps的網絡上，傳輸每個比特所花的時間為0.1μs。

延遲（Delay）是指將一個比特從網絡的一端傳輸到另一端所花費的時間。造成延遲的原因有三個：第一個因素是傳輸介質的傳播延遲；第二個因素是發送一個數據單元花費的時間，它與網絡的帶寬和數據分組的大小密切相關；第三個因素是網絡內部的排隊延遲，因為交換機在將分組轉發出去之前一般要將它存儲一段時間。另外，由于網絡設備的速率不匹配或中間節點產生擁塞可能會導致更大的延遲或數據的丟失。有關帶寬等概念第2章中還要進一步介紹。