第1章 互联基础知识

本章导读

计算机网络是计算机技术与通信技术相结合的产物。当前，计算机网络正向全面互联、高速和智能化方面发展，它的发展和应用必将对21世纪的经济、政治、军事、教育、文化和科技的发展产生重大影响。可以这样认为，信息技术与网络互联的应用将成为衡量一个国家21世纪国力与竞争力的重要标准。

内容要点

将两个以上的计算机网络通过一定的方法，用一种或多种通信处理设备相互连接起来以构成更大的网络系统，实现互相通信、共享软硬件资源与数据。交换机不能用来创建互联网络，只能用来增强互联的LAN的功能。必须采用路由器连接网络中各局域网、广域网设备，根据信道的情况自动选择和设定路由，以最佳路径按顺序发送信号。

进入21世纪，是一个以网络为核心的具备数字化、网络化、安全化特征的信息时代。今天，网络已经把全球各个角落的人们连接在一起，人们可以通过网络足不出户地进行学习、交流、娱乐、购物，甚至进行更高级别的商务活动。人类充分利用网络不受地理位置限制的有利条件，为各行各业的人们节约大量时间，提高工作效率。

目前，网络不仅在对信息的采集、存储、处理、传输中扮演着不可缺少的角色，更成为全球信息化产业的基石。它突破了过去传统的单台计算机系统应用的局限，将多台计算机交换信息、共享资源和协同工作变成可能。

1.1 网络互联基础

随着计算机应用的发展，人们迫切需要将多台计算机、多个网络连接在一起，达到不受地理位置、区域范围的限制，实现在计算机之间、网络之间安全地交换信息、传输数据，达到资源共享的目的，以提高人们的工作效率和生活效率。

1.1.1 计算机网络的发展

当第一台计算机诞生时，通信技术就已经存在了。但那时，计算机技术与通信技术还没有直接的联系，没有形成真正的结合。计算机只是作为单机系统供单个用户独占使用，后来随着社会信息化、数据的分布处理、计算机资源共享等各种应用要求的提出，推动了计算机技术向着群体化的方向发展，使得计算机与通信这两种现代技术得以更快发展，促进了计算机技术与通信技术的紧密结合，成长为一个崭新的技术领域——计算机网络。

第1阶段：远程联机阶段

20世纪50年代，人们开始将彼此独立发展的计算机技术与通信技术结合起来，进行数据通信技术与计算机通信网络的研究。当时，计算机数量相当少，并且价格非常昂贵，为充分利用好这部分昂贵的计算机资源，人们将分布在远方不具备数据处理的多个终端通过通信线路与远程的中心计算机连接起来，以此去使用中心计算机系统上的“高速数据运算处理器”资源和“大容量存储器”资源，形成远程联机系统，如图1-1所示。

在这种方式下，远程终端只需负责收集数据，数据处理是统一被送到中心计算机上去进行的，处理完成后的结果再返回给远程终端输出。不难看出，在这个过程中有这样一个问题，中心计算机随着远程终端的任务请求越来越多而变得越来越不堪重负，有时会大大超过自身的处理能力，因为它既要担负着数据处理的复杂计算工作，又要承担着与各终端之间的通信管理工作，超负荷工作在所难免，甚至造成宕机现象。

20世纪60年代初，人们经过研究，为减轻中心计算机的负担，在原来的系统上增加了前端处理机（或称为通信处理机）来专门负责数据的收发等通信控制和通信处理工作，而让中心计算机从过去的双重任务处理中解脱出来，只进行数据处理工作，这种结构被称为具有通信功能的多机系统，如图1-2所示。

在这种方式下，很大程度地减轻了中心计算机的负载，中心计算机可以只负责更快、更好地进行数据处理，而不需要去考虑数据如何进行收发通信、如何进行差错控制等。

第2阶段：计算机网络阶段

20世纪60年代中期，为了继续减轻中心计算机的负担，人们试图将多台计算机连接起来，实现计算机间数据的传输，以克服第一阶段计算机网络中心计算机负荷较重、可靠性较差的缺点，更好地提高网络的可用性和可靠性。这种结构可称为计算机通信网络，它是计算机网络的低级形式。

在这个阶段，以1969年美国国防部高级研究规划署（ARPA）建成并连接了分布在美国加州大学洛杉矶分校、加州大学圣巴巴拉分校、斯坦福大学和犹他大学4个结点计算机的实验性网络——ARPAnet为主要网络，如图1-3所示。

ARPAnet的成功投入运行，标志着计算机网络的真正诞生，使计算机网络的发展进入了一个新纪元，因此被公认为是网络的起源，同时也是Internet的起源。

第3阶段：开放式的标准化计算机网络

20世纪70年代，各种广域网、局域网与公用分组交换网发展十分迅速，各计算机生产商纷纷发展自己的计算机网络系统，制定自己的网络体系结构标准，生产实现这些网络体系结构的软硬件产品。用户只要购买他们提供的网络产品，借助一定的通信线路就可以组建自己的计算机网络。

这些标准不统一的网络系统，造成各生产厂家的计算机和网络产品在技术、结构等方面有着很大的差异，给用户带来了很大的不便。人们意识到很有必要要求网络公司对各自为政的状况做统一，改变用户组建网络、升级网络无所适从的局面。因为这些网络体系结构只能在一个公司范围内使用它的同种产品方为有效，一旦在一个网络中使用不同公司的网络产品，或者要连接其他异种类型网络，将会变得非常困难，甚至不可行。

1977年，国际标准化组织（ISO）、国际电报电话咨询委员会（CCITT）、美国电气和电子工程师协会等成立了专门机构，专门研究计算机系统的互联、计算机网络协议标准化等问题。力求能使不同的计算机系统、不同的网络系统互联在一起，实现“开放”式的通信和交换，实现资源共享和分布处理。

最终在1984年由ISO正式颁布了被国际社会普遍接受的“开放系统互联基本参考模型”（OSI/RM模型）国际标准ISO7498，如图1-4所示。

该模型成为国际标准参考模型，成为研究和制定新一代计算机网络体系结构标准的基础，这种标准化使得它对不同的计算机系统来说都是开放的，可以方便地互联异种机型和异种网络。事实上，除了OSI体系结构，还有一种TCP/IP（传输控制协议/网际协议）体系结构，如图1-5所示。

这种体系结构解决了因卫星通信技术和无线电技术发展带来的通信网络不能互联的问题，实现了不同通信网络的无缝链接。

第4阶段：综合性、智能化、宽带高速网络

20世纪90年代，世界经济进入了一个全新的发展阶段，经济的高速发展进而推动了信息产业的发展，加快了计算机技术、数字通信技术、光纤技术的成熟与广泛应用，计算机网络开始进入到一个飞速发展的时期。

在1993年，美国宣布了国家信息基础设施（NII）建设计划后，将大量公用或专用的网络连接起来，带动世界各国的网络建设。很多国家都纷纷开始制定自己的信息高速公路建设计划，使得高速局域网如FDDI、快速以太网、千兆位交换式以太网得到了广泛普及，为网络互联和多媒体信息的传输提供了良好条件，使得Internet（因特网）迅速扩展和广泛应用。

Internet是覆盖全球网络信息化的基础设施之一。用户可以利用Internet实现全球范围的电子邮件、WWW信息浏览、文件传输、语音图像服务等功能，为进一步满足高速、大容量、综合性、智能化、宽带高速网络的发展提供了便利。

1.1.2 计算机网络的定义

在计算机网络发展的不同阶段中，人们对计算机网络赋予了不同的解释，各种不同的定义只能反映出当时网络技术发展的水平与人们对网络的认知程度。

结合网络的最新发展技术，我们这样定义计算机网络：计算机网络就是将分布在不同地理位置的具有独立功能的计算机或由计算机控制的外部设备，通过通信线路和通信设备相互连接在一起，由网络操作系统和协议软件进行统一管理，以实现资源共享的计算机复合系统。如企业园区网、高校校园网、图书馆检索网、商业区内收款网等都属于计算机网络。典型的校园网拓扑结构如图1-6所示。

1.1.3 计算机网络的功能

实现资源共享

建立计算机网络的主要目的就是要实现网络中软件、硬件、数据资源的共享。如共享网络内硬件资源中的打印机，达到网络中的一台打印机可供网络中的所有计算机共享打印，如图1-7所示。

软件共享中主要是使用网络内服务器上存储的大型网络程序等软件资源，而数据资源共享中主要是用以查询网络内数据库服务器上的文献资料、数据资源等。

快速传输信息

计算机网络建立的最基本功能就是实现数据通信，数据通信是指允许网络上的计算机之间能相互进行数据传输、信息交换。信息快速传送是实现其他功能的基础，数据通信最简单的应用可以用电子邮件、文件传输与交换、信息点播等来说明。

提高可靠性

在单机时代，单个部件或计算机出现故障将会导致该系统停止运行。而在计算机网络中，每种资源可以同时存放在多台不同的服务器上，即使某台服务器因网络或硬件设备发生故障，用户仍可以访问该网络上的其他服务器资源，而不对用户的工作造成中断。

提高可用性

对于采用复杂算法的大型任务，可以将任务分散到网络中的另外多台计算机上进行处理，或者当网络中某台计算机负载过重时，将任务分散给网络中另外几台计算机去进行处理，以平衡工作负荷，提高每台计算机的利用率，保证计算机网络连续工作。