1、第一章第一章 计算机网络概述计算机网络概述1.1 计算机网络的发展历史1.2 计算机网络的拓扑结构1.3 计算机网络的分类1.4 计算机网络的组成1.5 计算机网络的主要性能指标1.6 计算机网络技术发展趋势本章小结习题1.1 计算机网络的发展历史计算机网络的发展历史1.1.1 计算机网络的发展计算机网络的发展计算机网络的发展经历了以下四个阶段。1.面向终端的计算机通信网络面向终端的计算机通信网络20世纪50年代中期至20世纪60年代末期，计算机技术与通信技术初步结合，形成了计算机网络的雏形。这个时期的计算机网络被称为简单联机系统，主要目的是解决远地站点的计算机问题。其主要特点是：在计算机内部
2、增加通信概念，可以让远地站点的I/O设备通过通信线路直接和计算机相连，做到输入、处理同时进行，任务完成后将处理结果送回远地点，如图1-1和图1-2所示。图1-1 具有通信功能的单机系统图1-2 面向终端的网络2.初级计算机网络初级计算机网络第二代计算机网络又称为计算机-计算机网络，是具有通信功能的多机系统，又称为复杂联机系统。这个时期的网络有效地解决了主机负担重的问题，在主机前设置一个前端处理机，负责与主机通信，使主机从繁重的通信任务中解脱出来，集中精力完成数据处理；同时在终端集中区域设置线路集中器，大量终端通过低速线路连接到集中器，而集中器通过高速专线和主机相连，这样有效地解决了线路利用率低
3、的问题，如图1-3所示。图1-3 具有通信功能的多机系统3.开放式的标准化计算机网络开放式的标准化计算机网络分组交换网以通信子网为中心，主机与终端都处于网络的外围，构成了用户资源网，可以共享的资源得到了有效的扩充，如图1-4所示。图1-4 开放式的标准化计算机网络4.新一代的综合性、智能化、宽带高速网络新一代的综合性、智能化、宽带高速网络20世纪90年代中期至21世纪初期，宽带网络技术的发展为社会信息化提供了技术基础，网络与信息安全技术为网络应用提供了重要安全保障，基于光纤通信技术的宽带城域网与接入技术，以及移动计算机网络、网络多媒体计算、网络并行计算、网格计算等新技术的应用，使计算机网络与I
4、nternet(即因特网)向着全面互连、高速和智能化发展，并得到了广泛的应用。1.1.2 计算机网络的定义计算机网络的定义计算机网络的定义是：将地理位置不同的，具有独立功能的多台计算机及其外部设备通过通信线路连接起来，在网络操作系统、网络管理软件及网络通信协议的管理和协调下，实现资源共享和信息传递的计算机系统。为了实现计算机之间的通信交往、资源共享和协同工作，利用通信设备和线路将地理位置分散的、各自具备自主功能的一组计算机有机地联系起来，并且由功能完善的网络操作系统和通信协议进行管理的计算机复合系统就是计算机网络。概括地说，一个计算机网络必须具备以下三个基本要素：(1)至少有两个具有独立操作系
5、统的计算机，且它们之间有相互共享某种资源的需求。(2)两个独立的计算机之间必须有某种通信手段将其连接。(3)网络中的各个独立的计算机之间要能相互通信，必须制定相互可确认的规范标准或协议。以上三条是组成一个网络的必要条件，三者缺一不可。1.1.3 计算机网络的功能和应用计算机网络的功能和应用1.计算机网络的功能计算机网络的功能计算机网络技术使计算机的应用范围和其自身的功能有了突破性的发展。作为计算机网络应当具有以下三个基本功能：(1)计算机之间和计算机用户之间的相互通信交往。(2)资源共享，包含计算机硬件资源、软件资源和数据与信息资源共享。(3)计算机之间或计算机用户之间的协同工作。2.计算机网
6、络的典型应用计算机网络的典型应用随着高速信息社会进程的推进，通信和计算机技术的迅猛发展，计算机网络的应用日益多元化，打破了空间和时间的限制，几乎深入到社会的各个领域。可以在一套系统上提供集成的信息服务，包括来自政治、经济等方面的信息资源，同时还提供多媒体信息，如图像、语音、动画等，在多功能、多元化的发展趋势下，许多网络应用的新形式不断出现，如电子邮件、IP-Phone、视频点播、网上交易、视频会议等。其应用可归纳为下列几个方面：(1)管理信息系统(Management Information System，MIS)。(2)办公自动化(Office Automation，OA)。(3)信息检索系
7、统(Information Retrieve System，IRS)。(4)电子收款机系统(Point of Sells，POS)。(5)分布式控制系统(Distributed Control System，DCS)。(6)计算机集成与制造系统(Computer Integrated Manufacturing System，CIMS)。(7)电子数据交换系统(Electronic Data Interchange System，EDI)。(8)信息服务系统。1.2 计算机网络的拓扑结构计算机网络的拓扑结构1.2 计算机网络的拓扑结构计算机网络的拓扑结构1.2.1 计算机网络拓扑的定义计算机网
8、络拓扑的定义计算机网络拓扑通过网络中节点与通信线路之间的几何关系表示网络结构，反映出网络中各实体之间的结构关系。拓扑结构方案设计是工程实现计算机网络的起点，也是实现各种网络协议的基础。计算机网络拓扑主要是指通信子网的拓扑构型。1.2.2 网络拓扑结构的分类网络拓扑结构的分类计算机网络的物理连接方式叫做网络的拓扑结构。常用的计算机网络的拓扑结构有：总线型、星型、环型、树型、网状和组合型拓扑结构。1.总线型拓扑总线型拓扑(Bus Topology)总线型拓扑采用单根传输线作为传输介质，它将所有入网的计算机通过相应的硬件接口直接接入到一条通信线路上。为防止信号反射，一般在总线两端连有终结器匹配线路阻
9、抗，防止信号反馈，以吸收信号。图1-5所示为总线拓扑。10Base-5、10Base-2等以太网技术都采用总线拓扑结构。图1-5 典型的总线型拓扑结构2.星型拓扑星型拓扑(Star Topology)星型拓扑是以一个节点为中心的处理系统，各种类型的入网计算机均与该中心节点由物理链路直接相连，其他节点间不能直接通信，通信时需要通过该中心节点转发。如图1-6所示，星型拓扑以中央节点为中心，执行集中式通信控制策略，因此，中央节点相当复杂，而其余各个节点的通信处理负担都很小，又称集中式网络。图1-6 星型拓扑结构图1-7所示为带有配线架的星型拓扑结构，配线架相当于中间集中点，可以在每个楼层配置一个，并
10、具有足够数量的连接点，以供该楼层的节点使用，节点的位置可灵活放置。图1-7 带有配线架的星型拓扑结构3.环型拓扑环型拓扑(Ring Topology)环型拓扑是将各台联网的计算机用通信线路连接成一个闭合的环。如图1-8所示是一个点到点的环路，每台设备都直接连接到环上，或通过一个分支电缆连到环上。在环型结构中，信息按固定方向流动，或按顺时针方向，或按逆时针方向。典型的环型网络有令牌环网(Token Ring)和光纤分布式接口网络(FDDI)等图1-8 环型拓扑结构4.树型拓扑树型拓扑(Tree Topology)树型拓扑是由总线拓扑演变而来的，它把星型和总线型结合起来，形状像一棵倒置的树，顶端有
11、一个带分支的根，每个分支还可以延伸出子分支，如图1-9所示。图1-9 树型网络拓扑结构5.网状拓扑网状拓扑网状结构分为全连接网状和不完全连接网状两种形式。在全连接网状结构中，每一个节点和网中其他节点均有链路连接。在不完全连接网状结构中，两节点之间不一定有直接链路连接，它们之间的通信依靠其他节点转发。这种网络的优点是节点间路径多，碰撞和阻塞可大大减少，局部的故障不会影响整个网络的正常工作，可靠性高；网络扩充和主机入网比较灵活简单。但这种网络关系复杂，建网和网络控制机制复杂。广域网中一般用不完全连接网状结构，如图1-10所示。图1-10 网状拓扑结构1.3 计算机网络的分类计算机网络的分类1.3.
12、1 按网络的覆盖范围划分按网络的覆盖范围划分根据计算机网络所覆盖的地理范围、信息的传递速率及其应用目的，计算机网络通常被分为局域网、城域网、广域网。这也是目前较为流行的一种分类方法。1.广域网广域网广域网(WAN，Wide Area Network)指的是实现计算机远距离连接的计算机网络，可以把众多的城域网、局域网连接起来，也可以把全球的城域网、局域网连接起来。2.城域网城域网城域网(MAN，Metropolitan Area Network)有时又称之为城市网、区域网、都市网。城域网介于LAN和WAN之间，其覆盖范围通常为一个城市或地区，距离从几十千米到上百千米。城域网通常采用光纤或微波作为
13、网络的主干通道，现在已经弱化这一划分概念。3.局域网局域网局域网(LAN，Local Area Network)也称局部网，是指将有限的地理区域内的各种通信设备互连在一起的通信网络。它具有很高的传输速率(几十至千兆比特)，其覆盖范围一般不超过几十千米，通常将一座大楼或一个校园内分散的计算机连接起来构成LAN，同时以是否处于限定范围及是否接入同层设备作为判定的条件。4.接入网接入网接入网(AN，Access Network)又称本地接入网或用户接入网。它是近年来由于用户对高速上网需求的增加而出现的一种网络技术。如图1-11所示。接入网是局域网(或校园网)和城域网之间的桥接区。接入网提供多种高速接
14、入技术，使用户接入Internet的瓶颈得到某种程度上的解决。各类网络具有的特征参数见表1-1。总的规律是距离越长，速率越低。局域网距离最短，传输速率最高，一般以距离中心机房为判定条件。图1-11 广域网、城域网、接入网和局域网的关系网络分类缩写分布距离大约为机位范围传输速率范围局域网LAN房间4 Mb/s10 Gb/s建筑物校园城域网MAN城市50 kb/s2 Gb/s广域网WAN100国家9.6 kb/s2 Gb/s表表1-1 各类计算机网络的特征参数各类计算机网络的特征参数1.3.2 按数据的传输方式分类按数据的传输方式分类根据数据传输方式的不同，计算机网络又可以分为“广播网络”和“点对
15、点网络”两大类。广播网络(Broadcasting Network)中的计算机或设备使用一个共享的通信介质进行数据发散传播，网络中的所有节点都能收到任何节点发出的数据信息。广播网络中的传输方式目前有以下3种：单播(Unicast)发送的信息中包含明确的目的地址，所有节点都检查该地址。如果与自己的地址相同，则处理该信息，如果不同，则忽略，可以认为是点对点的传播。组播(Multicast)将信息传送给网络中部分节点，可以认为是有选择的部分传播。说明广播(Broadcast)在发送的信息中使用一个指定的代码标识目的地址，将信息发送给所有的目标节点。当使用这个指定代码传输信息时，其余所有节点都接收并处
16、理该信息，可以认为是全网传播。点对点网络(Point to Point Network)中的计算机或设备以点对点的方式进行数据传输，两个节点间都可能有多条单独的中间链路。这种传播方式应用于广域网中。以太网和令牌环网都属于广播网，而ATM和帧中继网都属于点对点网。除了按网络覆盖范围和数据传输方式这两种最常见的分类方式外，还可以有其他分类方式：按通信传输介质划分，可分为有线网络和无线网络。按使用网络的对象分类可分为专用网和公用网。按照网络中各组件的功能来划分，可分为对等网络和基于服务器网络。1.4 计算机网络的组成计算机网络的组成从资源构成的角度讲，计算机网络是由硬件和软件组成的。硬件包括各种主机
17、、终端等用户端设备，以及交换机、路由器等通信控制处理设备，而软件则由各种系统程序和应用程序以及大量的数据资源组成。从功能上将计算机网络逻辑划分为资源子网和通信子网。图1-12给出了典型的计算机网络结构。其中，资源子网负责全网的数据处理业务，并向网络用户提供各种网络资源和网络服务。资源子网主要由主机、终端以及相应的I/O设备、各种软件资源和数据资源构成。图1-12 典型的计算机网络结构1.4.1 资源子网的组成与功能资源子网的组成与功能资源子网由拥有资源的主机系统、请求资源的用户终端、终端控制器、通信子网的接口设备、软件资源、硬件共享资源和数据资源等组成。资源子网负责全网的数据处理业务，并向网络
18、客户提供各种网络资源和网络服务。1.4.2 通信子网的组成与功能通信子网的组成与功能通信子网按功能可以分为数据交换和数据传输两个部分。通信子网提供网络通信功能，完成全网主机之间的数据传输、交换、控制和转换等通信任务；负责全网的数据传输、转发及通信处理等工作。在广域网结构中，随着使用主机系统用户的减少，资源子网的概念已经有了变化。目前，通信子网由交换设备与通信线路组成，它负责完成网络中数据传输与转发任务。交换设备主要是路由器与交换机。随着微型计算机的广泛应用，连入局域网的微型计算机数目日益增多，主要是通过路由器将局域网与广域网相连接。另外，从组网的层次角度看，网络的组成结构也不再是一种简单的平面
19、结构，可能变成一种分层的层次结构。图1-13所示为一个典型的三层网络结构，最上层称为核心层，中间层称为分布层，最下层称为访问层，为最终用户接入网络提供接口。图1-13 典型的三层网络结构示意图1.5 计算机网络的主要性能指标计算机网络的主要性能指标1.5.1 带宽带宽在局域网和广域网中，都使用带宽(Bandwidth)来描述它们的传输容量。带宽本来是指某个信号具有的频带宽度。带宽的单位为赫兹(或千赫、兆赫等)。在通信线路上传输模拟信号时，将通信线路允许通过的信号频带范围称为线路的带宽(或通频带)。吞吐量是指一组特定数据在特定的时间段经过特定的路径所传输的信息量的实际测量值。由于诸多原因使得吞吐
20、量常常远小于所用介质本身可以提供的最大数字带宽。决定吞吐量的因素主要有：网络互联设备；所传输的数据类型；网络的拓扑结构；网络上的并发用户数量；用户的计算机；服务器；拥塞。1.5.2 时延时延时延(Delay或Latency)是指一个报文或分组从一个网络(或一条链路)的一端传送到另一端所需的时间。通常来讲，时延由以下几部分组成。1.发送时延发送时延发送时延是节点在发送数据时使数据块从节点进入传输介质所需要的时间，也就是从数据块的第一个比特开始发送算起，到最后一个比特发送完毕所需的时间，又称为传输时延。它的计算公式是：信道带宽就是数据在信道上的发送速率，也常称为数据在信道上的传输效率。信道带宽数据
21、块长度发送时延 2传播时延传播时延传播时延是电磁波在信道上需要传播一定的距离而花费的时间。传播时延的公式是：电磁波在自由空间的传播速率是光速，即3.0108 m/s。电磁波在网络传输媒体中的传播速率比在自由空间要略低一些。在铜缆中的传播速率约为2.3106 m/s，在光纤中的传播速率约为2.0108 m/s。例如，1000 km长的光纤线路产生的传播时延大约为5 ms。速率电磁波在信道上的传播信道长度传播时延 3处理时延处理时延处理时延是指数据在交换节点为存储转发而进行一些必要的处理所花费的时间。在节点缓存队列中分组排队所经历的时延是处理时延中的重要组成部分。因此，处理时延的长短往往取决于网络
22、中当时的通信量。当网络的通信量很大时，还会发生队列溢出，使分组丢失，这相当于处理时延为无穷大。有时可用排队时延作为处理时延。这样，数据经历的总时延就是以上三种时延之和：总时延=传播时延+发送时延+处理时延图1-14所示为三种时延所产生的位置。图1-14 三种时延产生的位置4时延带积和往返时延时延带积和往返时延将传播时延和带宽相乘就是传播时延带积，即传播时延带积=传播时延带宽在计算机网络中，往返时延RTT(Round-Trip Time)表示从发送端发送数据开始，到发送端收到来自接收端的确认(接收端收到数据后便立即发送确认)，总共经历的时延。在互联网中，往返时延包括各中间节点的处理时延和转发数据
23、时的发送时延。1.6 计算机网络技术发展趋势计算机网络技术发展趋势1.6.1 计算机网络的支撑技术计算机网络的支撑技术从系统的观点看，计算机网络是由单个节点和连接这些节点的链路所组成的。单个节点主要是连入网内的计算机以及负责通信功能的节点交换机、路由器，这些设备的物理组成主要是集成电路，而集成电路的一个重要支撑就是微电子技术。网络的另一个组成部分就是通信链路，负责所有节点间的通信，通信链路的一个重要支撑就是光电子技术。因此计算机网络的两个重要的支撑技术就是微电子技术和光电子技术。1.6.2 计算机网络的关键技术计算机网络的关键技术计算机网络架构的发展方向将是IP技术+光网络，光网络将会演进为全
24、光网络。从网络的服务层面上看将是一个IP网络的世界；从传送层面上看将是一个光的世界；从接入层面上看将是一个有线和无线多元化的世界。为此，目前比较关键的技术主要有软交换技术、IPv6技术、光交换与智能光网络技术、宽带接入技术、3G以上的移动通信系统技术等。1.软交换技术软交换技术为了把服务控制功能和网络资源控制功能与传送功能完全分开，需要应用软交换技术。根据新的网络功能模型分层，计算机网络将分为接入与传输层、媒体层、控制层、业务/应用层(也称网络服务层)四层，从而可对各种功能作不同程度的集成。通过软交换技术能把网络的功能层分离开，并通过各种接口规约(规程公约的简称)，使业务提供者可以非常灵活地将
25、业务传送和控制规约结合，实现业务融合与业务转移，非常适用于不同网络并存互通的需要，也适用于从话音网向数据网和多业务多媒体网演进。2.IPv6技术技术未来的计算机网络是基于IPv6技术的网络。和IPv4相比，IPv6的主要改变就是地址的长度为128位，也就是说可以有2128个IP地址，足以保证地球上的每个人拥有一个或多个IP地址。3.光交换与智能光网络技术光交换与智能光网络技术当前组网技术正从具有上下光路复用(OADM)和光交叉连接(OXC)功能的光联网向由光交换机构成的智能光网络发展；从环形网向网状网发展；从光电光交换向全光交换发展。即在光连网中引入自动波长配置功能，也就是自动交换光网络(AS
26、ON)，使静态的光联网走向动态的光联网。4.宽带接入技术宽带接入技术计算机网络必须要有宽带接入技术的支持，各种宽带服务与应用才有可能开展。当前宽带接入有两个新技术，一个是基于以太网无源光网络(EPON)的光纤到户技术，一个是自由空间光系统(FSO)。EPON是把全部数据都装在以太网帧内传送的网络。EPON的基本实现方法是在G.983的基础上，设法保留物理层PON，而用以太网代替ATM作为数据链路层，构成一个可以提供更大带宽、更低成本和更多更好业务能力的结合体。现今95的局域网都是以太网，故将以太网技术用于接入网是非常合乎逻辑的。5.3G以上的移动通信系统技术以上的移动通信系统技术3G以上包括后
27、3G、4G乃至5G系统将是以宽带多媒体业务为基础，使用更高更宽的频带，传输容量会更上一层楼。它们在不同网络间无缝连接，提供满意的服务；网络可以自行组织，终端可以重新配置和随身携带，是一个包括卫星通信在内的端到端的IP系统，可与其他技术共享一个IP核心网。它们都是构成下一代移动互联网的基础设施。本本 章章 小小 结结本章从计算机网络的基本组成拓扑结构出发，对计算机网络的产生及发展、计算机网络的分类及应用作了概述；介绍了计算机网络的概念及分类、功能、应用等基本知识以及计算机网络的主要性能指标等。通过学习，要求熟悉和掌握计算机网络的发展历史、发展前景，关注当今计算机网络的发展方向，尤其是计算机网络技
28、术的更新换代趋向，以及计算机网络的工作特点、组成分类、应用领域等相关应用技能。要掌握计算机网络的分类及组成结构，掌握计算机网络的拓扑结构(总线型，星型、环型、树型、混合型等)的优点和缺点以及计算机网络的发展趋势。为后续章节的学习打下坚实的基础。习习 题题一、名词解释一、名词解释计算机网络 局域网 单播 组播 广播 网络拓扑 带宽二、填空题二、填空题1.按照网络覆盖的地理范围，计算机网络可以分为 、和 。2.根据数据传输方式的不同，计算机网络可以分为 和 两大类。3.广播网络传输方式有 、三种。4.从功能上来看将计算机网络逻辑划分为 和 。5.从组网的层次角度看，网络的组成是一个典型的三层结构，
29、最上层称为核心层，中间层称为 ，最下层称为 ，为最终用户接入网络提供接口。6.影响网络性能的因素有 、。7.时延是指一个报文或分组从一个网络(或一条链路)的一端传送到另一端所需的时间。通常来讲，时延是由 、组成的。8.计算机网络的两个重要的支撑技术是 和 。9.目前，计算机网络比较关键的技术主要有 、光交换与智能光网络技术、等。三、选择题三、选择题1.一座大楼内的一个计算机网络系统属于()。A.PANB.LANC.MAND.WAN2.计算机网络中可以共享的资源包括()。A.硬件、软件、数据、通信信道B.主机、外设、软件、通信信道C.硬件、程序、数据、通信信道D.主机、程序、数据、通信信道4.世
30、界上第一个计算机网络是()。A.ARPANETB.ChinaNetC.InternetD.CERNET5.星型、总线型、环型和网状是按照()分类的。A.网络跨度B.网络拓扑C.管理性质D.网络功能6.计算机互联的主要目的是()。A.定网络协议 B.将计算机技术与通信技术相结合C.集中计算D.资源共享7.计算机网络建立的主要目的是实现计算机资源的共享。计算机资源主要指计算机()。A.软件与数据库 B.服务器、工作站与软件C.硬件、软件与数据D.通信子网与资源子网8.以下的网络分类方法中，哪一组分类方法有误()。A.局域网/广域网B.对等网/城域网C.环型网/星型网D.有线网/无线网9.局部地区通信网络简称局域网，英文缩写为()。A.WANB.LANC.SAND.MAN四、简答题四、简答题1.计算机网络组成的三要素是什么？2.计算机网络具有哪些功能？3.计算机网络的发展可划分为几个阶段？每个阶段各有何特点？4.目前，计算机网络应用在哪些方面？5.计算机网络可从几方面进行分类？6.计算机网络由哪几部分组成？7.计算机网络链路带宽的单位是什么？什么是数据的发送时延、传播时延、处理时延、排队时延和往返时延？8.计算机网络的发展方向是什么？有哪些关键技术？五、实训题五、实训题到学院的网络中心、计算中心，计算机公司或单位的计算中心参观，并画出网络拓扑图。
