《计算机网络应用基础》课件第1章.ppt

1、第第1章绪论章绪论 第第1章绪论章绪论 1.1 计算机网络的形成与发展1.2 计算机网络的分类1.3 计算机网络的拓扑结构1.4 本章小结1第第1章绪论章绪论 1.1 计算机网络的形成与发展计算机网络的发展历史最早可以追溯到20世纪60年代初期。到目前为止，计算机网络的发展经历了四个主要阶段。1.1.1 早期分组交换原理的产生和发展早期分组交换原理的产生和发展计算机网络发展的第一个阶段，即早期分组交换原理的产生和发展阶段，从时间上大致可以划分为1961-1972年。这一阶段的主要工作是研究分组交换分组交换（packet switching）的基本概念和主要技术。在20世纪60年代初期，电话网络

2、（telephone network）是世界上主要的通信网络。电话网络传输的是语音（voice）信息，假定在发送端与接收端之间以相对恒定的速率传输语音信息，电话网络采用电路交换（circuit switching）的方式将信息从发送端传输到接收端。采用电路交换技术完成数据传输要经历电路建立、数据传输、电路拆除三个过程。数据传输期间，在发送端和接收端之间要建立和维持一条利用若干中间结点构成的专用物理连接线路，直到数据传输结束。2第第1章绪论章绪论 在这一时期，计算机的作用和影响力日益增强，特别是分时计算机（time-sharing computer）系统的出现迫使人们考虑是否能够以及如何将计算机

3、互联起来，使分布在不同地域的用户可以共享这些计算机。与语音信息不同，互联起来的计算机用户之间的通信活动通常是突发的（bursty），通信活动时有时无，断断续续。例如，一个用户向某远程计算机发送一条命令之后随即进入等待应答的状态，或者对接收到的应答进行相应的处理。针对互联计算机通信的通信活动呈现突发状态这一特点，三个不同的研究团队分别开始研究电路交换的替代技术。这三个团队分别是美国麻省理工学院美国麻省理工学院的Leonard Kleinrock、兰德公司兰德公司（RAND Corporation）的Paul Baran以及英国国家物理实验室英国国家物理实验室（NPL:National Physi

4、cal Laboratory）的Donald Davies和Roger Scantlebury。他们在互相不知道对方研究内容的情况下各自展开了研究工作。这三个团队的研究成果就是分组交换技术。分组交换是电路交换的替代技术，它比电路交换更加有效，并且具有更强的健壮性。在这三组研究人员中，最先发表分组交换技术研究成果的是Leonard Kleinrock，当时他还是麻省理工学院的一名研究生。Leonard Kleinrock在其发表的研究论文中以排队论为理论依据很好地证明了分组交换方法对突发通信的有效性。这三个团队所提出的分组交换的概念、原理和主要技术为今天的Internet奠定了理论基础。3第第1

5、章绪论章绪论 在这一阶段，具有里程碑式的验证性计算机网络是著名的ARPAnet。前苏联在1957年发射了人类历史上第一颗人造地球卫星Sputnik，美国对其潜在的军事用途深感担忧，因而组建了旨在重新树立美国在军事科技研究和应用方面领导地位的ARPA（Advanced Research Projects Agency，美国国防部高级研究项目局）。在20世纪60年代主持ARPA计算机科学研究项目的是Leonard Kleinrock在麻省理工学院的两位同事-J.C.R.Licklider和Lawrence Roberts。在1967年，Lawrence Roberts发表了ARPAnet的总体设计

6、方案。ARPAnet是有史以来第一个基于分组交换原理的计算机网络，也是现在Internet的鼻祖。在ARPAnet中，每个结点包含一台主机主机（host）和一台接口消息处理机接口消息处理机（IMP:Interface Message Processor）。主机与IMP之间用很短的线路连接，安放在同一房间内。用户操作主机，主机主要负责与用户交互，而IMP主要负责网络通信。IMP本质上是一台小型机（minicomputer）。当时的IMP体形庞大，有一人多高。IMP与IMP之间用传输速率为56 Kbps的传输线路互相连接。历史上第一台IMP于1969年在Leonard Kleinrock的指导下安

7、装在加州大学洛杉矶分校（UCLA），之后不久又有三台IMP陆续安装到了斯坦福研究所（SRI:Stanford Research Institute）、加州大学圣塔芭芭拉分校（UC Santa Barbara）和犹他大学（University of Utah）。到1969年年底，这个试验性的ARPAnet（现代Internet的前身）的规模已经发展到包括四个结点，如图1.1所示。图中的长方形框代表主机，框内标明主机的型号，例如当时安装在UCLA的主机是一台Sigma 7大型机，而SRI的主机是一台SDS-940型大型机。图中的椭圆形框代表IMP，框内标明IMP所在地以及接入ARPAnet的顺序，

8、例如在UCLA安装完第一台IMP一个月之后，第二台IMP安装到了SRI。4第第1章绪论章绪论 事实上，人类历史上第一次使用计算机网络进行通信的经历并不成功。在第二台IMP安装到SRI之后，人们把SDS-940大型机作为主机与该IMP连接到一起，并且由一名研究生编写了主机与IMP之间的接口程序。一切准备就绪，人们迫不及待地开始了人类历史上第一次使用计算机网络进行互连通信的尝试。当时的想法是尝试从UCLA结点向SRI结点进行一次简单的远程登录（remote login）。首先，UCLA的一名叫做Charlie Klein的本科生向SRI结点发出信息“你们收到L了吗？”，从SRI结点传来回答“是的”

9、。然后，UCLA结点向SRI结点发出信息“你们收到O了吗？”，从SRI结点传来回答“是的”。到目前为止，一切进展都很顺利。但是，就在这时，当Charlie Klein按照预定的顺序（L-O-G-I-N）向SRI结点发出“你们收到G了吗？”的信息时，这个“G”字符刚刚输入，不幸的事情发生了，整个网络崩溃了。5第第1章绪论章绪论 到1972年的时候，ARPAnet已经发展到将近15个结点。Robert Kahn在1972年的国际计算机通信会议上首次对ARPAnet进行了公开演示。随着第一批IMP不断接入到ARPAnet，越来越多的人开始尝试在ARPAnet上做各种各样的实验，进而开发某种应用。例如

10、，最初被授权制造IMP的BBN公司的工程师Ray Tomlinson于1972年写出了历史上第一个电子邮件（email）程序，这个程序是现在各种电子邮件程序的鼻祖。最初，Ray Tomlinson只是通过给自己发送电子邮件来测试其程序，至于程序本身则对外保密。但是，没过多久这个秘密不胫而走，email应用深受网络用户的喜爱。因为在此之前，人们相互之间发送消息（或邮件）仅限于在同一台分时计算机上进行，而email是在ARPAnet上的不同计算机之间收发电子邮件，这和以往的应用模式有着本质区别，开辟了崭新的应用前景。于是，email很快风靡整个ARPAnet。根据Leonard Kleinrock

11、的报告，在当时的ARPAnet中，email占用的网络传输容量远远超过其他任何网络应用。6第第1章绪论章绪论 1.1.2 网络互连和专用网络迅速发展网络互连和专用网络迅速发展计算机网络发展的第二个阶段，即网络互连和专用网络迅速发展阶段，从时间上可以划分为1972-1980年。在最初的ARPAnet出现之后，世界各地的研究者纷纷开始研究和构建各自的分组交换网络。从20世纪70年代初到70年代中期，各式各样的专用分组交换网络应运而生：ALOHAnet是一个连接夏威夷群岛上多所大学的微波通信网络；Telenet是BBN公司基于ARPAnet的技术构建的一个商业用途的分组交换网络；Transpac是一

12、个法国的分组交换网络；还有Tymnet，等等。这些专用的分组交换网络的数量开始迅速增长。1973年，Robert Metcalfe的博士论文奠定了以太网（Ethernet）的理论基础，在此之后，短距离传输的局域网（LAN:Local Area Network）得到了迅猛发展，网络数量飞速增长。随着网络数量的高速增长，如何将多个网络互连起来成为这一时期计算机网络研究的主要问题。在美国国防部高级研究项目局的资助下，Vinton Cerf和Robert Kahn在网络互连方面做出了开创性的工作。他们研究的核心问题是：如何构建一个能够包含多个互连网络的体系结构，换言之，如何构建连接多个网络的网络。事实

13、上，当时人们还专门创造出了“internetting”这个词来描述网络互连。他们研究的主要成果就是今天Internet的三个核心网络协议：TCP、UDP和IP。经过研究和实验，他们在20世纪70年代末从概念上确立了这三个关键性的网络协议。7第第1章绪论章绪论 在这一阶段，除了Vinton Cerf和Robert Kahn，许多其他的研究者也开展了网络互连的研究工作。例如，Norman Abramson开发了ALOHAnet，这是一个基于分组的无线电网络，它将分布在夏威夷群岛上的多个远程结点互连起来，使其可以相互通信。作为ALOHAnet核心的ALOHA协议是有史以来第一个多路访问协议（mult

14、iple-access protocol），该协议允许多个分布在不同地域的用户共享同一广播式的通信介质。此外，许多公司也研究开发了各种专用网络协议。DEC公司于1975年发布了DECnet的第一版，在该网络中，两台PDP-11小型机可以相互通信。在此之后DECnet不断发展完善，后来ISO推出的OSI网络协议相当大的部分来源于在DECnet中研究与验证的概念和想法。同样是在上世纪70年代，Xerox公司推出了XNS体系结构，IBM公司推出了SNA体系结构。这些不同的研究者和公司针对网络互连的早期研究工作都对后来80年代和90年代计算机网络互连的发展起到了推动作用。8第第1章绪论章绪论 1.1.

15、3 网络的迅速增长网络的迅速增长计算机网络发展的第三阶段，即网络的迅速增长阶段，从时间上可以划分为1980-1990年。20世纪70年代末，ARPAnet的规模仅仅约为200台主机，而到80年代末，连接到公共Internet（许许多多网络相互连成的一个大型网络联合体）上的主机数已经增至10万万台台。因此，20世纪80年代是网络规模急剧增大的一个时期。网络快速发展主要来源于几个独立的网络互连项目，这些项目的目的是构建计算机网络将不同的大学互相连接起来。这些项目分别是BITnet、CSnet和NSFnet。BITnet（最初含义为Because Its There Network，后演化为Beca

16、use Its Time Network）是由纽约市立大学的Ira Fuchs和耶鲁大学的Greydon Freeman建立的一个协作式大学网络。BITnet主要为美国东北部的大学提供电子邮件和文件传输等网络服务。该网络的第一条网络线路于1981年连接了CUNY和Yale两所大学。CSnet（Computer Science Network，计算机科学网）主要是为了将那些无法访问ARPAnet的大学研究人员互连起来。NSFnet构建于1986年，该网络的主要目的是提供对NSF所资助的超级计算中心的访问。NSFnet最初的主干网络速度仅为56 Kbps，而到20世纪80年代末其主干网络速度达到1

17、.5 Mbps，并且成为连接区域性网络的主要支撑网络。9第第1章绪论章绪论 与此同时，ARPAnet领域也成果显著，许多构成今天Internet体系结构的基本要素都逐渐成形。1983年1月1日，TCP/IP协议替代原来的NCP协议，正式成为ARPAnet的新的标准主机协议。从NCP协议过渡到TCP/IP协议，对于ARPAnet而言（进而对现在的Internet而言），是具有划时代意义的事件。在那一天，ARPAnet网络中所有的主机都必须从原先的NCP协议转换成TCP/IP协议。DNS（Domain Name System，域名系统）也于这一时期建立起来。DNS的功能是将人所易于理解和记忆的In

18、ternet地址名称映射为纯数字形式的32位IP地址。在这一阶段，除了上述主要由美国人研究的BITnet、CSnet、NSFnet和ARPAnet等网络之外，其他国家也对计算机网络进行了研究，比较有代表性的是法国的Minitel项目。20世纪80年代初法国启动了Minitel项目，计划将数据网络带进每个家庭。该项目由法国政府资助，Minitel系统包括一个公共分组交换网络（基于X.25协议族，采用虚电路技术）、Minitel服务器以及价格便宜的带有内置低速调制解调器的终端机。1984年，法国政府给每个需要的家庭配备了一台免费的Minitel终端机，这使Minitel项目获得了极大的成功。在其巅

19、峰时期（即20世纪90年代中期），Minitel网络提供从家庭银行服务到专业研究数据库等超过两万种不同的服务，超过20%的法国家庭使用该网络，每年产生超过10亿美元的经济收入，并且创造出大约1万个工作岗位。事实上，在大多数美国人听说Internet之前十年，很多法国家庭就已经在使用Minitel网络了。由于运行费用昂贵以及技术落后等问题，Minitel在2012年6月30日被正式关闭，退出了历史舞台。10第第1章绪论章绪论 1.1.4 网络商业化和万维网网络商业化和万维网计算机网络发展的第四阶段，即网络商业化和万维网阶段，从时间上划分为20世纪90年代至今。在这一时期，Internet继续向前

20、发展，并且很快进入商业化阶段。这一时期发生了两件标志性的事件。其一其一，现代Internet的始祖ARPAnet正式停止运行。随着越来越多的商业Internet服务提供商的出现，计算机网络逐渐从最初的ARPAnet过渡到Internet时代。其二其二，万维网（WWW:World Wide Web）的出现。万维网把Internet带进全球千百万个家庭和企业。同时，万维网还为成百上千种新的网络服务提供了平台。从在线股票交易到网上银行，从流媒体传输服务到在线信息检索等，这些前所未有的新的网络服务极大地改变了人们的工作和生活方式。11第第1章绪论章绪论 在19891991年之间，CERN（欧洲核子研究

21、组织，原名称为法语，英文名称为European Organization for Nuclear Research）的英国人Time Berners-Lee，在20世纪40年代 Vannevar Bush提出的基于关联关系的信息存储理论系统以及后来Ted Nelson 和 Douglas Englebart等人关于超文本（hypertext）技术研究的基础上，发明了万维网。因为CERN是一个非常大的国际组织，包含了许许多多分布在全球各地的研究人员，因此，刚从牛津大学毕业的Time Berners-Lee在CERN做临时软件顾问期间，写了一个供其个人使用的叫做Enquire 的程序，他将此程序称

22、为“记忆替代”（memory substitute），用来帮他记住CERN实验室的各种人员和项目之间的关系。后来，他考虑在此基础上创建一个全球范围的信息空间，将存储在全球各地的计算机上的信息联接起来，可以供全球任何地方的任何人访问使用。此后，Time Berners-Lee和他的同事们相继研究和开发了最初版本的HTML、HTTP、Web服务器服务器和Web浏览器浏览器，而这些正是万维网的四个核心技术。到1992年年末，全球共有大约200个Web服务器，这些服务器只是即将到来的万维网热潮的冰山一角。随着GUI浏览器的推出，例如Mosaic和Netscape浏览器，越来越多的人开始使用Web浏览器

23、上网，大大小小的公司开始构建和运行其Web服务器并且进行网络商务活动。在1996年，软件巨头微软公司开始大举进入万维网领域。除了万维网的发展，在20世纪90年代计算机网络的研究和开发工作还在其他领域取得了显著的进展，如高速路由器和路由算法研究、局域网技术研究、实时数据传输服务研究以及网络安全和网络管理等。12第第1章绪论章绪论 1.2 计算机网络的分类计算机网络的分类方法有许多种，例如可以根据计算机网络的拓扑结构、网络中的操作系统、所使用的网络协议以及网络共享服务方式等对计算机网络进行分类。其中，最常见的计算机网络分类方法有两种：根据计算机网络所使用的传输技术传输技术分类与根据计算机网络覆盖的

24、地理范围和规模地理范围和规模分类。1.2.1 根据传输技术分类根据传输技术分类计算机网络所采用的传输技术是网络的主要技术特性，因此根据网络所采用的传输技术对计算机网络进行分类是最常见也是最重要的一种分类方法。一般而言，计算机网络中的通信信道有两类：广播式广播式（broadcast）通信信道和点到点式点到点式（point-to-point）通信信道。广播式通信信道的特点是多个结点共享同一个公共的通信线路，一个结点发送数据，多个结点可以同时接收该数据，即所谓的一发多收。而对于点到点式通信信道而言，一条通信线路只能连接一对结点。在由点到点式通信信道构成的计算机网络中，数据从源结点到目的结点可能要经过

25、一个或多个中间结点的中转。相比之下，对于由广播式通信信道构成的计算机网络，由于通信信道由网络中所有的结点共享，因此，任何一个结点发出的数据包，其他结点都可以接收，无需中间结点。根据计算机网络中通信信道的两种不同类型，计算机网络所采用的传输技术分为广播式和点到点式两种。相应地，计算机网络也可以分为两类：广播式网络广播式网络（broadcast network）和点到点式网络点到点式网络（point-to-point network）。13第第1章绪论章绪论 1.广播式网络广播式网络在广播式网络中，每一个数据包中都含有一个地址字段，标明该数据包的接收者，即目的地址。当一个结点接收到一个数据包之后，

26、首先检查该数据包的目的地址字段。如果这个结点就是此数据包的目的结点，该结点对此数据包进行相应的处理；如果此数据包是发给其他结点的，该结点则忽略此数据包，将其丢弃。广播式网络中的通信模式好似在候机大厅里广播找人的情形。许多人都听到该广播找人的消息，但是只有被找的那个人才对这一消息产生反应并做出进一步处理，而其他人则忽略该消息。除了上述的单一目的地址方式之外，广播式网络还允许其他形式的定址方式。可以在数据包的目的地址字段设定某个特殊的代码，含有这个特殊代码的数据包发出之后，该广播式网络中所有的结点都会接收并处理该数据包，这种操作模式称为广播（broadcasting）。此外，有的广播式网络还支持将

27、数据包发送给该网络中的部分结点，即该广播式网络中所有结点的某个子集，这种工作模式称为多播（multicasting）。14第第1章绪论章绪论 2.点到点式网络点到点式网络在点到点式网络中，由于每条通信线路只连接一对结点，结点之间的通信只有两种情况：如果两个结点之间存在一条直接连接的通信线路，则直接进行数据通信；如果两个结点之间不存在直接连接的通信线路，则必须经过一个或多个中间结点进行数据中转。对于中间结点而言，它可以对数据包进行的处理只有三种：接收、存储和转发。对于点到点式网络，通常在源结点到目的结点之间可能会存在多条数据通路，而且各条数据通路的长度及其他传输性能各有不同。因此，如何在多种可能

28、的数据通路当中选择好的路线对点到点式网络非常重要，路由选择算法主要研究此类问题。与广播式网络不同，采用分组存储转发机制和路由选择算法是点到点式网络的两个主要技术特点，也是点到点式网络和广播式网络的重要区别。由于点到点式网络中的通信线路只连接一对结点，因此数据传输仅在单个源结点和单个目的结点之间进行，这种工作模式也被称为单播（unicasting）。15第第1章绪论章绪论 1.2.2 根据覆盖范围和规模分类根据覆盖范围和规模分类另外一种网络分类方法是按照网络所覆盖的范围和规模来分类。在这种分类方法中，由于计算机网络在不同的距离往往采用不同的技术，因此，距离是一个很重要的分类度量依据。表1.1列出

29、了按照处理器之间的物理距离和整个系统的尺度规模来划分的多处理器系统的分类。16第第1章绪论章绪论 1.个域网(PAN)个域网（PAN:Personal Area Network）是一个比较新的概念，目前有多种翻译，如“个人网”、“个人局域网”。本书认为，按照传统的局域网、城域网、广域网的翻译习惯，译为“个域网”更加系统连贯，便于理解和记忆。个域网顾名思义是为单个人使用而构建的网络，它是指由个人范围内（随身携带或数米之内）的计算设备（例如计算机、电话、PDA、数码相机等等）组成的通信网络，个域网既可用于这些设备之间相互交换数据，也可用于连接到高层网络或互联网。个域网可以广泛应用于各种公共场所，例

30、如家庭、办公室、汽车内等等。个域网可以是有线的，例如USB或者Firewire（IEEE1394）总线；也可以是无线的，例如红外或蓝牙。个域网的核心是实现个人信息终端的智能化互联，组建个人化的信息网络。个域网能够使各种互联的设备在个人范围内相互通信。一个简单的个域网的例子是连接一台计算机及其外部设备的无线网络。几乎每一台计算机都有显示器、键盘、鼠标和打印机等外部设备，如果不用无线连接技术的话，这些外部设备必须用各种线缆与计算机连接。对于许多新的计算机用户而言，找到各种外部设备的正确的连接线缆并将其插入正确的计算机接口往往非常麻烦，并且容易出错。为了帮助这些用户，一些公司共同设计了一个叫做蓝牙（

31、Bluetooth）的短距离范围内的无线网络，通过这种蓝牙网络技术将各种外部设备连接到计算机上，无需线缆。也就是说，如果某设备支持蓝牙，那就无需线缆。用户所需要做的仅仅是把这种支持蓝牙的设备放在计算机附近，打开该设备的电源，随即该设备和计算机就自动互连并一起工作了。对大多数用户而言，这种易操作性当然是一大优点。17第第1章绪论章绪论 蓝牙网络最简单的工作模式是如图1.2所示的主从模式主从模式。在图1.2所示的主从模式的蓝牙个域网中，计算机通常是该系统中的主主（master），而其他的外部设备，例如图中的鼠标、键盘、打印机等是系统中的从从（slave）。在个域网中，由主告知从所使用的地址、进行广

32、播通信的时间、传输数据的时间长度、数据通信采用的频段等信息。蓝牙个域网亦可应用于许多其他的情景，例如将耳麦与手机进行无线连接，或者将个人数字音乐播放器与汽车音响进行无线连接等。此外，蓝牙技术在医疗领域也有很多潜在的应用，例如助听器、植入患者体内的心脏起搏器等嵌入式医疗设备就是另外一种个域网。18第第1章绪论章绪论 2.局域网(LAN)比个域网规模更大一些的是局域网（LAN:Local Area Network）。局域网通常是一个私有的网络，其覆盖范围常常限于一栋楼宇之内或在其附近，例如一个家庭、一个办公室或一个工厂。局域网被广泛用于连接个人电脑和个人消费电子设备，使其能够共享资源(如打印机)以

33、及交换信息。从网络所采用的传输技术上分，局域网可分为无线局域网无线局域网（wireless LAN）和有线局域网有线局域网（wired LAN）两类。目前无线局域网非常流行，特别适合于家庭、旧厂房、餐厅等不便于铺设网线的环境。在无线局域网中，每台计算机都有一个无线调制解调器和一个天线，计算机使用它们与网络中其他的计算机进行通信。在大多数情况下，无线局域网中的每台计算机都和网络中的一个设备进行通信，如图1.3所示。该设备就是接入点接入点（AP:Access Point），也称为无线路由器，或称为基站（base station）。接入点的功能是在无线局域网内的计算机之间以及无线局域网内的计算机与I

34、nternet之间进行数据分组的中继。当然，如果与无线局域网内其他的计算机距离足够近的话，计算机之间也可以对等方式直接相互通信。19第第1章绪论章绪论 目前，国际上广泛使用的无线局域网的标准是由IEEE制定的IEEE 802.11标准标准。通常人们也把该标准称为WiFi（Wireless Fidelity）。事实上，WiFi是一个无线网络通信技术的品牌，由WiFi联盟（WiFi Alliance）所持有，它是一种可以将个人电脑、各种手持设备（如PDA、手机）等终端以无线方式互相连接的技术，其目的是改善基于IEEE 802.11标准的无线网络产品之间的互通性。但是，现在人们常常把WiFi和IEE

35、E 802.11等同起来。目前，遵循IEEE 802.11标准的无线局域网的数据传输速率从几十Mbps(1 Mbps=106 bps)到几百Mbps不等。相对于无线局域网，有线局域网采用了许多不同的数据传输技术。大多数有线局域网使用铜质线缆进行数据传输，也有一些有线局域网使用光纤进行数据传输。局域网的覆盖范围和规模都是有限的，这意味着网络在最差情况下的传输时间有上限，是预先可知的，了解这些传输时间的上限对于设计相应的网络协议很有帮助。有线局域网的网速较高，通常在100 Mbps1 Gbps（1 Gbps=109 bps）之间，有些新型的有线局域网的网速可以达到10 Gbps；网络延迟较低，通常

36、为微秒或纳秒级；可靠性较高，传输差错非常少。由此可见，相对于无线局域网，有线局域网在网速以及可靠性等方面均具有更高的性能表现。换言之，通过铜质线缆或光纤传输信号比通过空气传输信号要更加容易。20第第1章绪论章绪论 许多有线局域网的拓扑结构都是由点到点式的连接构成的。例如，IEEE 802.3标准标准所规定的局域网，即通常所称的以太网以太网（Ethernet），就是最常用的一种有线局域网。图1.4给出了一个典型的交换式以太网的拓扑结构，其中每台计算机都使用Ethernet协议并通过点到点方式连接到一台交换机（switch）上。正是由于交换机在此类网络中的枢纽作用，常把这种以太网称为交换式以太网。

37、一台交换机有多个端口（port），每个端口可以连接一台计算机。交换机的职责就是在连接到该交换机的各个计算机之间进行数据分组的中继。在此过程中，交换机根据数据分组中的地址信息来决定将该数据分组发送给哪一台计算机。21第第1章绪论章绪论 由于单个交换机的端口数量是有限的，因此由单个交换机组成的局域网的规模受到端口数的限制。为了组建更大规模的局域网，可以采用多个交换机级联的方式，就是将多个交换机通过其端口互相连接起来，从而有效地扩大局域网覆盖的范围与规模。相反，也可以把一个规模较大的物理上的单个局域网划分成两个或者多个规模较小的逻辑上的小局域网。这样的划分有什么作用和意义呢？在现实生活中，网络设备的

38、分布情况与使用该网络的单位的组织结构往往并不匹配。例如，某公司的研发部和市场部的计算机由于位于同一层楼或者相距较近而同处于同一个物理上的局域网内。但是，从管理和业务处理的角度，最好能将这两个不同的部门划分开，使每个部门都有逻辑上自己的局域网，这样的网络称为虚拟局域网虚拟局域网（VLAN:Virtual LAN）。在虚拟局域网中，每个端口都被标上某种颜色，比如绿色端口代表研发部的计算机，红色端口代表市场部的计算机。有了这种机制，交换机在转发数据分组时就可以把与绿色端口相连的计算机和与红色端口相连的计算机区分开来，由红色端口发出的广播分组数据不会被与绿色端口相连的计算机接收。从整体效果上看，这个公

39、司的研发部和市场部好像分别有各自独立的局域网。22第第1章绪论章绪论 除了图1.4所示的交换式以太网的拓扑结构之外，有线局域网还有其他的拓扑结构形式。事实上，交换式以太网是最初以太网设计的一个现代版本。最初设计的以太网是将所有的分组在单一的线形线缆上进行广播传输。在整个网络中，任何时刻最多只能有一台计算机成功地进行数据传输，遇到冲突的时候采用一种分布式仲裁机制来解决冲突。以太网采用的算法非常简单，只要数据线为空闲计算机即可传输数据。一旦发生冲突，即两个或多个分组碰巧要同时进行传输，发生冲突的每一台计算机必须停止当前的数据发送活动，等待一段随机长度的时间之后再尝试重新发送数据。对于广播式的局域网

40、，无论是无线局域网还是有线局域网，信道分配策略都可以根据如何分配通信信道分为静态分配策略静态分配策略和动态分配策略动态分配策略两类。典型的静态分配策略通常将时间划分为离散的时间片，并采用轮转算法（Round-Robin Algorithm）进行信道分配，即只允许分配给自己的时间片到来的计算机使用通信信道进行数据广播。静态分配策略的缺点很明显，当网络中存在空闲结点时，信道利用率会显著降低。当分配的时间片到来时，该空闲计算机没有数据发送，从而浪费了整个时间片，导致系统整体的信道利用率下降。23第第1章绪论章绪论 除了图1.4所示的交换式以太网的拓扑结构之外，有线局域网还有其他的拓扑结构形式。事实上

41、，交换式以太网是最初以太网设计的一个现代版本。最初设计的以太网是将所有的分组在单一的线形线缆上进行广播传输。在整个网络中，任何时刻最多只能有一台计算机成功地进行数据传输，遇到冲突的时候采用一种分布式仲裁机制来解决冲突。以太网采用的算法非常简单，只要数据线为空闲计算机即可传输数据。一旦发生冲突，即两个或多个分组碰巧要同时进行传输，发生冲突的每一台计算机必须停止当前的数据发送活动，等待一段随机长度的时间之后再尝试重新发送数据。对于广播式的局域网，无论是无线局域网还是有线局域网，信道分配策略都可以根据如何分配通信信道分为静态分配策略静态分配策略和动态分配策略动态分配策略两类。典型的静态分配策略通常将

42、时间划分为离散的时间片，并采用轮转算法（Round-Robin Algorithm）进行信道分配，即只允许分配给自己的时间片到来的计算机使用通信信道进行数据广播。静态分配策略的缺点很明显，当网络中存在空闲结点时，信道利用率会显著降低。当分配的时间片到来时，该空闲计算机没有数据发送，从而浪费了整个时间片，导致系统整体的信道利用率下降。24第第1章绪论章绪论 由于静态信道分配策略不可避免地具有上述信道利用率低的缺点，多数广播式网络采用动态信道分配策略。动态信道分配方法分为集中式和非集中式两种。对于集中式动态信道分配方法，系统中有一个单独的实体，如手机网络中的基站，该实体负责决定接下来该由哪一个结点

43、使用通信信道进行数据传输。例如，该实体在接收到多个分组后，根据某种内部预先设计好的算法给不同的分组赋予不同的优先级，通过分组优先级的高低来分配信道。与此相对，对于非集中式动态信道分配方法，系统中不存在上述的中心结点。系统中的每一个结点必须自己决定发送数据与否，人们设计了许多算法来保证采用非集中式动态信道分配机制的网络不陷入人自为战的冲突和混乱局面。25第第1章绪论章绪论 3.城域网(MAN)比局域网规模更大一些的是城域网（MAN:Metropolitan Area Network），其规模通常是覆盖一个城市。城域网最好的例子就是现在许多城市都有的有线电视网络。有线电视网络起源于早期的社区电视天

44、线系统，当时由于许多区域电视信号接收效果不佳，往往在附近地势相对较高的地方（比如山顶）架设一个很大的电视天线，由它把电视信号传送到周边的家庭中。最初，这些社区电视天线系统都是一些基于本地设计的定制系统。后来，大型商业企业进入有线电视领域，和地方政府签订合同，承包将整个城市的电视接收系统连成网络。随之而来的是电视节目的飞速发展，甚至出现了完全为有线电视而制作的电视节目频道。通常，这些频道都是非常专业化的，比如新闻频道、体育频道、烹饪频道、园艺频道等等。但是，这些频道从其诞生到20世纪90年代末，都是仅为有线电视网络而设计和制作的。随着Internet的迅猛发展，越来越多的观众转向Internet

45、的各种服务。此时，有线电视运营商们意识到他们可以对有线电视系统进行一些改动，使用部分空闲的频段来提供双向的Internet服务。从此，有线电视网络开始从单一的电视信号传播系统逐渐转变为现在的城域网。换言之，现在的有线电视网络所传播的既有电视信号也有Internet内容。26第第1章绪论章绪论 有线电视网络并不是唯一的城域网。随着高速无线Internet访问技术的研究和发展，出现了另一种称为WiMAX（Worldwide Interoperability for Microwave Access）的城域网，它采用IEEE 802.16标准，因此WiMAX也被称为802.16无线城域网或简称为80

46、2.16。WiMAX是一项新兴的宽带无线接入技术，能提供面向Internet的高速连接。WiMAX的技术起点高，采用了代表未来通信技术发展方向的许多先进技术，具有许多技术优势。首先，WiMAX能够实现更远的传输距离，WiMAX能实现50 km的无线信号传输，这是无线局域网所不能比拟的。WiMAX网络覆盖面积是3G发射塔的10倍，因此，只要建设少数基站就能够实现全城覆盖，使无线网络应用的范围得到极大的扩展。其次，WiMAX可提供更高速的宽带接入。WiMAX所能提供的最高接入速度约为70 Mbps，这个速度是3G发射塔所能提供宽带速度的30倍。对无线网络而言，这是一个非常大的进步。除此之外，WiM

47、AX还具有QoS（Quality of Service，服务质量）保障、传输速率高、业务丰富多样等优点。27第第1章绪论章绪论 4.广域网(WAN)比城域网覆盖范围更广，规模更大的是广域网（WAN:Wide Area Network），通常可以覆盖一个国家或者一个洲。与局域网一样，广域网也分为有线广域网和无线广域网两类。图1.5给出了一个有线广域网的例子，它表示一个集团公司在全国三个不同城市的分公司所构成的计算机网络。这些分公司的计算机网络通过有线的通信线路连接，整个集团公司的计算机网络覆盖全国范围，是一个典型的有线广域网。每个分公司网络内的计算机都可用于运行各种面向用户的应用程序，这些计算机

48、称为主机（host）。在该有线广域网中除了主机之外的用于连接这些主机的部分统称为通信子网通信子网（communication subnet），简称子子网网（subnet）。通信子网的任务是在主机和主机之间传输数据信息，就像电话网络系统在拨叫方和接听方之间传输语音信息一样。通信子网通信子网主要包括两种元素：传输线路传输线路和交换设备交换设备。传输线路的功能是在计算机之间传输比特流。广域网可以使用的传输线路包括铜芯线缆、光纤以及无线电通信信道。交换设备(或简称为交换机)实际上是用于连接两条或多条传输线路的专用计算机。当数据从一条传输线路传入时，交换设备必须选择一条传输线路将该数据转发出去。这些用于

49、数据交换的专用计算机在过去有各种各样的称谓，现在统称为路由器（router）。对图1.5所示的有线广域网而言，通信子网是指把分组从源主机传输到目的主机所经过的所有路由器和通信线路的集合，即图中用虚线标出的灰色区域。28第第1章绪论章绪论 从上述有线广域网的例子看，可能觉得广域网看上去与局域网区别不大。有线广域网似乎只是连接线路更长一些，好像就是一个更大规模的有线局域网而已。事实上，广域网和局域网之间有着本质的区别。首先，广域网中的主机和通信子网由不同的用户拥有，并且由不同的人操作。在图1.5所示的广域网中，各个分公司的员工负责各自计算机（主机）的使用，而公司的网络管理部门负责除主机之外的整个网

50、络（通信子网）的运转。在主机和通信子网之间有着清晰的界限。事实上，对大多数广域网而言，网络运营商和电信公司通常是广域网通信子网的实际操作者。将网络的纯通信层面的问题（通信子网）和网络用户应用层面的问题（主机）划分开，这极大地简化了整个网络的设计。其次，广域网中的路由器通常用于连接不同类型的网络。而在一个局域网内，往往使用的是同一种网络技术。最后，连接到通信子网上的对象也是局域网和广域网的一个重要区别。对局域网而言，连入通信子网的是单个的计算机；而对广域网而言，连入通信子网的可能是整个网络。将多个规模较小的网络通过通信子网互相连接起来是构建大型网络的基本方法。但是对于通信子网本身而言，无论接入其