1.1 计算机网络概述

在信息化社会中，计算机已从单机使用发展到群体使用。现在大多数应用领域需要计算机在一定的地理范围内联合起来进行群体工作，从而促使计算机和通信这两种技术的紧密结合，形成了计算机网络这门学科。

计算机网络（Computer Network）是计算机技术和通信技术紧密结合的产物。计算机在通信中的应用促使数据通信和数字通信技术迅速发展，并促进了通信由模拟向数字化并最终向综合服务的方向发展，通信技术则为计算机之间信息的快速传递、资源共享和协调合作提供了强有力的手段。计算机网络在社会和经济发展中起着非常重要的作用，世界上的任何一个拥有计算机的人都能够通过计算机网络了解世界的变化，掌握最先进的科技知识，拥有最高超的生产技能。网络已经渗透到人们生活的各个角落，影响到人们的日常生活，计算机网络提供给人们几乎所有可能的需要。因此在某种程度上，计算机网络的发展水平不仅反映了一个国家的计算机和通信技术的水平，而且已经成为衡量其国力及现代化程度的重要标志之一。

21世纪的特征就是数字化、网络化和信息化，世界经济也从工业经济转向知识经济，知识经济的重要特点就是信息化和全球化，而这些都需要计算机网络作为支撑环境。

1.1.1 计算机网络的定义和演变

1.计算机网络的定义

网络是一系列复杂的人或事物的系统。生活中就存在许多网络，例如电话网、铁路网、高速公路网等。地球上也环绕着各种网络，有形的有线电缆组成的网，无形的有无线电波组成的网。在人的身体内部也有网络，例如神经系统、消化系统网络等。

所谓计算机网络，就是把分布在不同地理位置的计算机、终端，通过通信设备和线路连接起来，以功能完善的网络软件（网络通信协议，信息交换方式及网络操作系统等），实现互相通信及网络资源共享的系统。IEEE高级委员会坦尼鲍姆博士给它的定义是“计算机网络是一组自治计算机互联的集合”。自治（或自主）是指每台计算机都有自主权，不受别人控制，互联则是指使用传输介质将计算机连接起来。

随着IT业的发展，各种终端设备层出不穷，如打印机、网络电话、WAP（Wireless Application Protocol）手机、个人数字助理PDA（Personal Digital Assistant）等，因此，对于计算机网络一直没有严格的定义，随着计算机技术和通信技术的发展，计算机网络的内涵也在不断地变化。

在计算机网络中，众多计算机可以方便地互相传递信息，而资源共享是计算机网络的一个重要特征，用户能够通过网络来共享软件、硬件和数据资源。计算机网络的主要功能是资源共享、信息传输、集中处理、负载均衡与分布处理和提供综合信息服务等。现代计算机网络提供多媒体信息服务，如图像、语音、动画等，网络应用的形式也不断出现，如视频点播VOD（Video On Demand）、IP电话（IP-Phone）、网上交易（E-marketing）、视频会议（Video Meeting）等。

2.计算机网络的演变

计算机网络的发展过程可分为面向终端的计算机网络阶段、具有通信功能的多机系统阶段及以共享资源为主的计算机网络阶段等。

1）面向终端的计算机网络

面向终端的计算机网络（也称为具有通信功能的单机系统）是第一代计算机网络，产生于20 世纪60 年代初。随着计算机硬件和软件的发展，计算机的应用越来越广泛，人们迫切需要对分散在各地的数据进行集中处理，从而产生了面向终端的计算机网络。它是将一台主计算机（Host）经通信线路与若干个地理上分散的终端（Terminal）相连，如图1.1 所示。主计算机一般称为主机，它具有独立处理数据的能力，而所有的终端设备均无独立处理数据的能力。在通信软件的控制下，每个用户在自己的终端上分时轮流地使用主机系统的资源。这种系统可以在千里之外连接远程终端，通信装置以脱机方式先接收远程终端的原始数据和程序，然后由操作员送入计算机进行处理，再将处理结果送回远程终端。由于脱机系统的输入/输出需要人工干预，因此效率较低。若在计算机上增加通信功能，则构成具有联机通信功能的批处理系统。

面向终端的计算机网络系统存在两个方面的问题：第一，随着所连远程终端数目的增加，主机的负荷加重，系统效率下降。这是因为主机既要进行数据的处理工作，又要承担多终端系统的通信控制；第二，线路利用率低，费用也较高。由于终端设备的速率低，操作时间长，尤其在远距离时，每个终端独占一条通信线路。

2）具有通信功能的多机系统

为减轻面向终端的计算机网络中主机的负担，20 世纪60 年代出现了把数据处理和数据通信分开的工作方式，主机专门进行数据处理，而在主机和通信线路之间设置一台功能简单的计算机，专门负责处理网络中数据通信、传输和控制。这种负责通信的计算机称为通信控制处理机CCP（Communication Control Processor）或称为前端处理机FEP（Front End Processor）。它一方面作为资源子网的主机和终端的接口节点；另一方面又担负通信子网中的报文分组的接收、校验、存储、转发等任务，从而将源主机的报文准确地发送到目的主机。

随着远程终端的数量不断增加，通信费用也随之增加。为了节省费用，可在远程终端较密集处增加一个集中器。集中器与前端处理机功能类似，集中器的一端通过多条低速线路与各个终端相连，集中器的另一端通过高速线路与计算机相连。其结构是终端群—低速通信线路—集中器—高速通信线路—前端机—主计算机，从而降低通信线路的费用。由于前端机和集中器在当时一般选用小型机担任，因此这种结构称为具有通信功能的多计算机系统，如图1.2所示。

3）计算机网络

第二代计算机网络是将若干个联机系统中的主机互联，为用户提供服务，以达到资源共享的目的，或者联合起来完成某项任务。这就是早期以数据交换为主要目的的计算机网络，如图1.3 所示。这类网络是在20 世纪60 年代中期发展起来的，它和第一代网络的区别在于多个主机都具有自主处理能力，它们之间不存在主从关系，第二代计算机网络的典型代表是Internet的前身ARPA网。

ARPA网（ARPAnet）是美国国防部高级研究计划署ARPA（现在称为DARPA，Defense Advanced Research Project Agency）提出设想并与许多大学和公司共同研究发展起来的，1969年建网时，仅有4 台主机。ARPA网采用分组交换技术，当4 个节点之间的某一条通信线路因某种原因被切断以后，仍能够保证信息通过其他线路在各主机之间传递。ARPA网在1971年增至26 台主机，发展到1975 年，已将100 多台不同型号的大型计算机连入网内。ARPA网成为第一个完善地实现分布式资源共享的网络，为计算机网络的发展奠定了基础，现代计算机网络的许多概念和方法都来源于它，ARPA网是最早将计算机网络分为资源子网和通信子网两部分的网络。

4）局域网

进入20世纪70年代，局域网技术得到迅速发展。特别是到了20世纪80年代，随着硬件价格的下降和微机的广泛应用，一个单位或部门拥有微机的数量越来越多，因此需要将它们连接起来，以达到资源共享和互相传递信息的目的，如图1.4 所示。局域网联网费用低，传输速度高。其典型代表是以太网（Ethernet）和令牌环网（Token Ring）。

3.网络发展的里程碑

在计算机网络发展史上，具有里程碑意义的大事有如下几个：1969年建立的ARPA网，使用TCP/IP协议，它为Internet的发展奠定了基础；20世纪70年代出现局域网，特别是70年代中期美国Xerox公司研制的以太网（Ethernet），对网络的普及起着重要的作用；80 年代，CCITT建立了使用国际线路传输声音数据的国际标准，ISO制定了开放系统互联参考模型OSI/RM（Open System Interconnection Basic/Reference Model）；1989年Web技术的出现，使Internet得到了普及，Web也就是WWW（World Wide Web）是一个超文本系统，可以为用户提供良好的信息查询界面，没有WWW就没有Internet的今天；1993年9月，美国克林顿政府提出了国家信息基础设施NII（National Information Infrastructure）的信息高速公路计划，NII能使美国所有的国民需要信息时，可以在需要的场所，以适当的价格得到系统的支持。NII由通信网络、信息设备、信息数据库和人机部分构成。进入21 世纪，为解决IP地址紧缺问题，出现了IPv 6技术，IPv 4网络向IPv 6网络的演变已经拉开了序幕。

4.我国的网络发展

计算机网络在20 世纪80 年代进入中国，1989 年11 月我国第一个公用分组交换网CNPAC建成运行，它由3个分组节点交换机、8个集中器和一个双机组成的网络管理中心组成。1993 年建成新的中国公用分组交换网CHINAPAC，它是中国的X.25。网络管理中心设在北京，主干网的覆盖范围从原来的10 个城市扩大到2300 个市、县及乡镇，端口容量达13万个。在北京和上海设有国际出入口。

我国根据自己的国情，由电子工业部倡议，国务院直接组织，也于1993 年下半年开始规划实施“金桥”、“金卡”和“金关”的三金工程。20 世纪90 年代是中国计算机网络大发展的年代，并陆续建造了基于Internet技术并接入Internet的四大全国范围的公用计算机网络，它们分别为：

1）中国公用计算机互联网（CHINANET）

CHINANET始建于1995 年，由中国电信负责运营，该网由主干网和接入网组成。主干网的速率以2.048Mbps为主，逐步提高到E3（34Mbps）甚至更高速率。接入网由各省建设的网络构成，用户通过163（现在已将电话号码、用户名和口令都改为16300）拨号方式上网。

2）中国金桥信息网（CHINAGBN）

CHINAGBN始建于1993 年，即金桥工程。以吉通通信为业主，该网由地面光纤网和卫星网组成。主干网的速率以128kbps～8Mbps为主，主要为金融、海关、外贸、气象、交通等部门提供数据、语音、图像信息服务。

3）中国教育和科研计算机网（CERNET）

CERNET始建于1994 年，是一个公益性网络，为国民教育、科研提供信息服务。该网由主干网、地区网和校园网三级结构组成。主干网的速率以2Mbps为主，随着网络技术的发展其速率正逐步提高。

4）中国科学技术网（CSTNET）

CSTNET始建于1994年，由中科院建设和管理。

除了这四大网络外，还有中国科学院高能物理研究所计算中心网（GLOBALNET）、中国科学院计算机网络信息中心网（NCFC）等网络，它们都是所谓的“自治系统”。后来又陆续开通了几个网络，分别是中国联通互联网（UNINET）、中国网通宽带数据网（CNCNET）、中国移动互联网（CMNET）、中国国际经济贸易互联网（CIENET）、中国长城互联网（CGWNET）、中国卫星集团互联网（CSNET）和利用军队资源的数据网等。它们称为Internet服务提供商（ISP）或网络服务提供商（NSP）。这些网络的建成，使我国的计算机网络水平上升到一个新的阶段。

现在，人类社会已进入信息时代，世界各国积极建设信息高速公路，计算机网络是信息高速公路的基础，Internet也改变了人们的生活方式，人类步入了网络文化时代。进入21 世纪，网络功能不断完善、速度更快、更普及。

1.1.2 计算机网络的分类、组成和网络性能

1.计算机网络的分类

计算机网络种类很多，性能各有差异，可以从不同的角度对计算机网络进行分类，主要有以下几种分类方法。

● 按覆盖范围可分为广域网（远程网）、局域网（本地网）和城域网（市域网）；

● 根据通信子网的信道类型可分为点到点式网络和广播式网络；

● 按传输速率可分为低速网、中速网、高速网；

● 按信息交换方式可分为电路交换网、分组交换网、报文交换网和综合业务数字网等；

● 按网络的拓扑结构又可分为总线型、星型、树型、环型、网状、混合型、全连型和不规则型网络；

● 按传输介质分为双绞线、同轴电缆、光纤、无线和卫星网等；

● 按照带宽分为基带网络和宽带网络；

● 按配置可分为同类网、单服务器网和混合网；

● 按对数据的组织方式可分为分布式、集中式网络系统；

● 按使用范围可分为公用网和专用网；

● 按网络使用环境可分成校园网、内部网、外部网和全球网等；

● 按网络组件的关系可分为对等网络、基于服务器的网络。

下面介绍其中几种主要的分类方法。

1）按覆盖范围分类

（1）广域网（WAN）

广域网WAN（Wide Area Network）是利用公共通信设施，在远程用户之间进行信息交换的系统。其特点是分布范围广，一般从数千米到数千千米，可以覆盖几个城市、几个国家甚至全球。广域网内用于通信的传输介质和设备，一般由电信部门提供，网络是由多个部门或多个国家联合组建而成，可以通过串行接口工作在不同的速率。在网络发展史上，最早出现的广域网是ARPA网，它在地理位置上不仅跨越了美洲大陆，而且通过卫星与夏威夷和欧洲等地的计算机网络进行连接，至今已发展到全世界普遍使用的Internet。我国的CHINANET、CHINAGBN和CERNET等均是广域网。

WAN一般不具备规则的拓扑结构，特点是速度慢、延迟长，入网的站点不参与网络的管理，它的管理工作由复杂的互联设备（如交换机、路由器）处理。广域网可分为陆地网、卫星网和分组无线网。按其提供的业务带宽不同，可分为窄带WAN和宽带WA N。窄带WAN有公共电话交换网PSTN、综合业务数字网ISDN、数字数据网DDN、X.25和帧中继网等，宽带WAN有异步传输模式ATM、同步数字系列SDH等。

（2）局域网（LAN）

局域网LAN（Local Area Network）的特点是地理范围有限，规模较小，通常局限于一个单位或一幢大楼内，最大节点数为几百个至几千个，适用于企业、机关、学校等单位。局域网组建方便，建网周期短，见效快，成本低，使用灵活，社会效益大，是目前计算机网络发展最活跃的分支。

局域网传输距离较近，一般不超过10km。数据传输速率高，误码率低，传输延迟短，一般为几十微秒（μs）。局域网按照采用的技术、应用范围和协议标准的不同，可以分为共享式局域网、交换式局域网、虚拟局域网和无线局域网等。

随着计算机技术、通信技术和电子集成技术的发展，现在的局域网可以覆盖几十千米的范围，传输速率可达1GMbps，例如Ethernet网络。随着时代的发展，现在已有更高速的局域网出现。

（3）城域网（MAN）

城域网MAN（Metropolitan Area Network）是介于广域网与局域网之间的一种高速网络，通常覆盖一个城市或地区，距离从几十千米到上百千米。它是在局域网逐步扩大应用范围后出现的新型网络，是局域网的延伸。目前MAN建设主要采用的是IP技术和ATM技术。城域网设计的目标是满足几十千米范围内的大量企业、机关、高校和公司的多个局域网互联的需求，以实现大量用户之间的数据、语音、图形与视频等多种信息的传输功能。

按覆盖范围分类还可有校园网（Campus Area Network）、内部网（Intranet）、外部网（Extranet）和全球网（Global Area Network）之分，随着计算机网络技术的发展，目前的局域网、广域网和城域网的界限已经变得模糊了。

2）按通信速率分类

（1）低速网

网络数据传输速率为300bps～1.4Mbps，系统通常是使用调制解调器，利用公用电话网PSTN实现。广域网一般是低速网。

（2）中速网

网络数据传输速率为1.5～45Mbps，这种系统主要是传统的数字式公用数据网。

（3）高速网

网络数据传输速率为50～1000Mbps。信息高速公路的数据传输速率将会更高，局域网是高速网。ATM网的传输速率可以达到2.5Gbps。

3）按带宽分类

（1）基带网络

在计算机网络中，原始数字信号所固有的频带（没有加以调制的）叫基本频带，简称基带，这种原始的数字信号称为基带信号。数字数据直接在信道中传输，或者说只传输数字信号的，称为基带传输，其网络称为基带网络。

（2）宽带网络

宽带网络（也称频带网络）采用模拟传输技术。把不同频率的多种调制信号在同一传输线路中传输称为宽带传输，相应的网络称为宽带网。

电信界定义的宽带含义不同，当网络的传输速率超过2Mbps时，称为宽带网，而传输速率低于2Mbps时，称为窄带网。

4）其他分类方法

（1）按网络协议分类

按网络协议可把计算机网络分为以太网（Ethernet）、令牌环网（Token Ring）、光纤分布式数据接口FDDI（Fiber Distributed Data Interface）、X.25分组交换网络、TCP/IP网络、SNA网络、异步传输模式（ATM）等。

（2）按网络操作系统分类

按网络操作系统可分为以下几种：Novell公司的Netware网络、3COM公司的3+Share和3+OPEN网络、Microsoft公司的LAN Manager网络和Windows NT/2000网络、Banyan公司的VINES网络、UNIX网络等。

2.计算机网络的组成

计算机网络是一个十分复杂的系统，在逻辑上可以分为完成数据通信的通信子网和进行数据处理的资源子网两部分。

1）通信子网

通信子网提供网络通信功能，能完成网络主机之间的数据传输、交换、通信控制和信号变换等通信处理工作，由通信控制处理机（CCP）、通信线路和其他通信设备组成的数据通信系统。其中，信号变换是指根据不同传输系统的要求对数据的信号进行变换。例如，为了利用现有电话线传输数据，需要对数字信号与模拟信号进行变换；使用光纤时光电信号的变换；无线通信的发送和接收等。

广域网的通信子网通常租用电话线或铺设专线。为了避免不同部门对通信子网重复投资，一般都租用邮电部门的公用数字通信网，作为各种网络的公用通信子网。本书主要研究通信子网的内容。

2）资源子网

资源子网为用户提供了访问网络的能力，它由主机系统、终端控制器、请求服务的用户终端、通信子网的接口设备、提供共享的软件资源和数据资源（如数据库和应用程序）构成。它负责网络的数据处理业务，向网络用户提供各种网络资源和网络服务。

3.网络主要性能

通过MODEM拨号上网和通过宽带上网的速度是不一样的，其网络性能也不同。影响网络性能的因素有很多，传输距离的远近、使用的线路、采用的传输技术、带宽等都对网络的性能产生影响，网络设备的性能也同样重要。对用户而言，主要体现在网络速度上。另外，网络上在线用户的数量过多，也会使网络的带宽资源变得更加紧张。衡量网络的性能最主要的参数是带宽和延迟等。

带宽（Bandwidth）是指网络上数据在一定时刻内从一个节点传输到任意节点的信息量。可以用链路每秒能传输的比特数表示，如以太网的带宽有10Mbps、100Mbps和10Gbps等。也可以用传输每个比特所花的时间长短来衡量，如一个10Mbps的网络上，传输每个比特所花的时间为0.1μs。

延迟（Delay）是指将一个比特从网络的一端传输到另一端所花费的时间。造成延迟的原因有三个：第一个因素是传输介质的传播延迟；第二个因素是发送一个数据单元花费的时间，它与网络的带宽和数据分组的大小密切相关；第三个因素是网络内部的排队延迟，因为交换机在将分组转发出去之前一般要将它存储一段时间。另外，由于网络设备的速率不匹配或中间节点产生拥塞可能会导致更大的延迟或数据的丢失。有关带宽等概念第2章中还要进一步介绍。