计算机网络的发展

1、第第1 1章章 绪论绪论 第第1章章 绪论绪论 1.1 计算机网络的发展计算机网络的发展 1.2 计算机网络的基本概念计算机网络的基本概念 1.3 网络体系结构网络体系结构 思考题与习题思考题与习题 第第1 1章章 绪论绪论 1.1 计算机网络的发展计算机网络的发展 1.1.1 通信网络的概念 电话网络是人们最为熟悉和最常用的一种用来传输声音的通信网络，并且在远程计算机通信中也发挥着重要的作用。计算机技术与通信技术的密切结合，使人们的思维有了很大的突破，以数据通信系统为信息传输通路，以计算机为通信终端的通信网络越来越多。由于计算机功能的不断扩大，使得当今的通信网络已经不再只是提供交换信息的工具

2、。 第第1 1章章 绪论绪论 目前，世界上规模最大的通信网络Internet就是通信网络的一个应用实例，它已成为人们生活中不可缺少的工具。 通信网络是为在不同空间位置的用户之间交换信息而构架的硬件和软件环境。其中，交换的信息可能是文字、数字等数据信息，也可能是语音、视频图像等多媒体信息。一个计算机通信网络的基本模型结构如图1-1所示，它由一系列用户终端和具有信息处理与交换功能的网络结点及结点间的传输线路组成。从功能上讲，计算机通信网络由用户子网和通信子网组成。 第第1 1章章 绪论绪论 用户子网包括终端、前端处理器、主机等；通信子网由协议转换器(如网桥、路由器、网关等)、交换机、调制解调器、多

3、路复用器及集中器等一系列通信设备组成。为了减少传输错误，现代通信网络系统大都采用数字传输技术，即在传输信息之前，先由发送端将数据转换为便于远程传输的二进制电信号或光信号(更准确地说是电磁波)，然后再利用通信网络发送到接收端，最后由接收端将收到的二进制信号还原成发送的数据。 目前，通信网络正朝着传统的电信网、有线电视网、Internet这三大网络相互渗透、相互融合(即所谓三网合一)的方向发展，因此，现代通信网络不仅可用于通信，还可以提供其他许多功能。第第1 1章章 绪论绪论 图1-1 计算机通信网络的基本模型 CCPCCPCCPCCPHOSTTTTTT主机终端HOSTTTTHOSTTTT第第1

4、1章章 绪论绪论 1.1.2 计算机网络的产生 原始传递信息的最基本方法是依靠人的听觉和视觉来实现的。1838年，Samuel Morse 发明了电报，这使得通过一根铜线上的电脉冲来传递信息成为可能。报文的每一字符被转换成一串或长或短的电脉冲(通俗地讲，就是点和划)传输出去。1876年，Alexander Graham Bell发明了电话，可把人的声音转换为电信号而通过一对导线传递出去。这一发明不仅改变了人们的工作方式，而且为人们迅速传递信息提供了方便。由此，拉开了近代电信事业的序幕。第第1 1章章 绪论绪论 从20世纪30年代开始，电子技术的发展不仅推动了通信技术的进步，也加速了计算机技术的

5、迅猛发展。1946年世界上出现了第一台数字计算机。当时计算机和通信并没有什么关系，直到1954年，人们开始使用一种叫做收发器的终端，将穿孔卡上的数据通过电话线路发送到远地的计算机(或称主机)。后来，用户可在终端设备电传打字机上输入程序，并发送到远地计算机去执行，经运算处理后，其结果又可从远地计算机传送到本地电传打字机去打印。由此开始了计算机与通信结合的历程。 第第1 1章章 绪论绪论 早期计算机的功能很有限，价格也很昂贵，为了充分利用计算机的宝贵资源，一台计算机常常连接着若干个远程终端，计算机仅具有批处理信息的能力。由于通信线路传递的是模拟话音信号，而计算机处理的是数字信号，为此，在通信线路的

6、两端必须设置调制解调器，以实现模/数或数/模的转换。另外，通信线路采用的是串行传输技术，而计算机采用的是并行传输技术，加之远距离的数据传输难免会出现差错。 第第1 1章章 绪论绪论 因此，在计算机与远程终端之间还需要配置一个接口电路，即线路控制器，用于实现串行传输与并行传输间的转换以及简单的差错控制。随着远程终端数量的增多，使得一台计算机连接多个线路控制器的系统难以管理和维护，从而出现了多重线路控制器。这种由分布在各处的终端通过通信设备和线路与单一计算机相连的联机系统就是早期最原始的计算机网络面向终端的计算机网络(如图1-2所示)。其中，计算机是网络的中心和控制者，主要的任务是远程批处理。第第

7、1 1章章 绪论绪论 随着计算机技术的发展，计算机性能有了很大的改善，功能也得到了加强，计算机用户的数量也随之迅猛增长。这时，采用原有的线路控制器不仅难以适应网络和终端的变化，而且也给主机带来了很大的负担。为此，人们提出了另一种具有智能通信功能的硬件设备通信处理机(也称为前端处理机FEP，Front End Processor)。在整个网络系统中，前端处理机完成全部的数据通信任务，包括数据信号的检测、收发以及串并数据间的转换等，而计算机专门进行数据的处理(如图1-3所示)。 第第1 1章章 绪论绪论 这样大大提高了面向终端的计算机网络的性能。直到目前为止，由大型计算机组成的网络仍使用前端处理机

8、，而在局域网中使用的网卡在工作原理上与早期前端处理器的功能相当。为了充分利用通信线路，常常在远程终端较密集处配置一个集中器(Concentrator)或多路复用器(Multiplexor)，以降低通信线路的费用。第第1 1章章 绪论绪论 图1-2 面向终端的计算机网络 终端调制解调器公共电话网调制解调器计算机多重线路控制器第第1 1章章 绪论绪论 图1-3 配有前端处理机的计算机网络 终端调制解调器公共电话网调制解调器计算机前端处理机第第1 1章章 绪论绪论 计算机技术与通信技术的紧密结合、相互促进、共同发展，最终产生了计算机网络。从结构组成上讲，一个完整的计算机网络系统应该由网络硬件和网络软

9、件两大部分组成。其中，网络硬件包括网络服务器、网络工作站、网络接口卡(又称为网络接口适配器，简称网卡)、各种网络互连设备及传输介质等。网络服务器的功能是为网络工作站上的用户提供共享资源、管理网络文件系统、处理网络通信、提供网络打印服务以及响应工作站上的网络请求等。 第第1 1章章 绪论绪论 从应用功能的角度来看，常用的网络服务器有文件服务器、通信服务器、计算服务器、打印服务器、数据库服务器等。一个计算机网络系统至少要有一台服务器，也可有多台。通常用小型计算机、PC系列的专用服务器或高档微机作网络的服务器。网络工作站的功能是提供人机交互的接口、向网络服务器发出服务请求、从网络服务器上接收传送给用

10、户的数据等。网络工作站可以是具有独立、自治功能的计算机，也可以是终端设备。它是通过网络接口卡连接到网络上的。 第第1 1章章 绪论绪论 网络接口卡的功能是实现网络数据的接收与发送、完成数据格式与计算机数据格式的转换等，它提供了计算机与通信介质的接口。按照网卡的总线类型，可以将其分为工业标准结构ISA(Industrial Standard Architecture)总线接口卡、微通道结构MCA(Micro Channel Architecture)总线接口卡、扩展工业标准结构EIES(Extended Industrial Standard Architecture)总线接口卡、外围设备互连P

11、CI (Peripheral Component Interconnect) 总线接口卡等。第第1 1章章 绪论绪论 从功能上讲，计算机网络由资源子网和通信子网组成(如图1-4所示)。主机和网络结点通过相应的通信网卡与传输线路进行连接。主机之间传输的信息则被划分为相应的数据分组(所谓分组就是一段数据加上发送端和接收端的地址以及由传输网络或计算机处理用的控制信息组成的数据结构)，并按照一定的通信协议进行传输和处理。资源子网的主要功能是负责全网数据业务的处理，提供所需要共享的硬件、软件和数据等资源和网络服务。它主要包括所有计算机、终端、I/O设备以及各种系统软件(包括网络操作系统、网络数据库管理系

12、统及各种应用协议软件等)和数据库。 第第1 1章章 绪论绪论 通信子网的主要功能是完成数据传输、交换和通信控制。它由网络结点(简称结点)、通信链路和网络通信协议(简称网络协议)组成。其中网络结点是指提供网络数据传输、交换等功能的设备，它可以是一个用于通信控制的小型处理计算机，也可以是网络的互连设备(如交换机、网桥、路由器和网关等)及其他通信设备(如集中器、多路复用器、报文分组装/卸设备等)；链路就是连接各设备的传输介质(包括有线介质和无线介质)；网络协议是支持互联网中各计算机之间的信息交换的规则。第第1 1章章 绪论绪论 图1-4 计算机网络的基本模型 HOSTTTHOSTTTTTTTNCCP

13、SEPSEPADPSEPSEPADPSEHOSTTTCHOSTTTTTCHOSTTTTTGTTTHOSTTTT通信子网资源子网第第1 1章章 绪论绪论 值得一提的是，网络协议是构成计算机网络通信的核心技术之一。这是因为在计算机网络中传输的信息是通过编码方式加载到数字信号上的，相同的数字信号可以携带不同的信息。这就意味着，在计算机网络中，通信双方之间的信息传输不仅需要建立一条传输数字信号的硬件通道，而且还要利用通信双方事先确定的网络协议设法恢复数字信号所携带的信息(即解码)。通过后面的学习，我们可以看到，在计算机网络中，到处都运行着协议。 第第1 1章章 绪论绪论 比如，路由器中运行的协议是确定

14、分组从源端到目的端的路径；拥塞控制协议控制的是发送端与接收端间分组的传送速率；物理上连接着的两台计算机中的网络接口卡实现的协议控制的是这两台计算机间连线上的位流，等等。这也就是计算机网络内容的很大篇幅是关于网络协议的原因。第第1 1章章 绪论绪论 1.1.3 计算机网络的发展 计算机网络的发展过程大致经历了四个阶段。 第一阶段：(20世纪60年代)以单个计算机为中心的面向终端的计算机网络系统。这种网络系统是以批处理信息为主要目的。它的缺点是：如果计算机的负荷较重，会导致系统响应时间过长；单机系统的可靠性一般较低，一旦计算机发生故障，将导致整个网络系统的瘫痪。第第1 1章章 绪论绪论 第二阶段：

15、(20世纪70年代)以分组交换网为中心的多主机互连的计算机网络系统。为了克服第一代计算机网络的缺点，提高网络的可靠性和可用性，人们开始研究如何将多台计算机相互连接的方法。人们首先借鉴了电信部门的电路交换的思想。所谓“交换”，从通信资源的分配角度来看，就是由交换设备动态地分配传输线路资源或信道带宽所采用的一种技术。电话交换机采用的交换技术是电路交换(或线路交换)，它的主要特点是： 第第1 1章章 绪论绪论 在通话的全部时间内用户独占分配的传输线路或信道带宽，即采用的是静态分配策略； 通信双方建立的通路中任何一点出现了故障，就会中断通话，必须重新拨号建立连接，方可继续，这对十分紧急而重要的通信是不

16、利的。显然，这种交换技术适应模拟信号的数据传输。然而在计算机网络中还可以传输数字信号。数字信号通信与模拟信号通信的本质区别在于数字信号的离散性和可存储性。这些特性使得它在数据传输过程中不仅可以间断分时发送，而且可以进行再加工、再处理。 第第1 1章章 绪论绪论 计算机数据的产生往往是“突发式”的，比如当用户用键盘输入数据和编辑文件时，或计算机正在进行处理而未得出结果时，通信线路资源实际上是空闲的，从而造成通信线路资源的极大浪费。据统计，在计算机间的数据通信中，用来传送数据的时间往往不到10%甚至1%。另外，由于各异的计算机和终端的传输数据的速率各不相同，采用电路交换就很难相互通信。为此，必须寻

17、找出一种新的适应计算机通信的交换技术。 第第1 1章章 绪论绪论 1964年，巴兰(Baran)在美国兰德(Rand)公司“论分布式通信”的研究报告中提出了存储转发(store and forward)的概念。1962 1965年，美国国防部的高级研究计划署(Advanced Research Projects Agency，ARPA)和英国的国家物理实验室(National Physics Laboratory，NPL)都在对新型的计算机通信技术进行研究。英国NPL的戴维德(David)于1966年首次提出了“分组”(Packet)这一概念。1969年12月，美国的分组交换网网络中传送的信息

18、被划分成分组(packet)，该网称为分组交换网ARPANET(当时仅有4个交换点投入运行)。 第第1 1章章 绪论绪论 ARPANET的成功，标志着计算机网络的发展进入了一个新纪元。现在大家都公认ARPANET为分组交换网之父，并将分组交换网的出现作为现代电信时代的开始。 分组交换网是由若干节点交换机和连接这些交换机的链路组成(如图1-5所示)，每一结点就是一个小型计算机。它的工作机理是：首先将待发的数据报文划分成若干个大小有限的短数据块，在每个数据块前面加上一些控制信息(即首部)，包括诸如数据收发的目的地址、源地址，数据块的序号等，形成一个个分组，然后各分组在交换网内采用“存储转发”机制将

19、数据从源端发送到目的端。 第第1 1章章 绪论绪论 由于节点交换机暂时存储的是一个个短的分组，而不是整个的长报文，且每一分组都暂存在交换机的内存中并可进行相应的处理，这就使得分组的转发速度非常快。由此可见，通信与计算机的相互结合，不仅为计算机之间的数据传递和交换提供了必要的手段，而且也大大提高了通信网络的各种性能。第第1 1章章 绪论绪论 图1-5 分组交换网的示意图 通信子网BDACEH2H1H4H6H5H3第第1 1章章 绪论绪论 由此可见，采用存储转发的分组交换技术，实质上是在计算机网络的通信过程中动态分配传输线路或信道带宽的一种策略。值得说明的是，分组交换技术所采用的存储转发原理并不是

20、一个全新的概念，它是借鉴了电报通信中基于存储转发原理的报文交换的思想。它们的关键区别在于通信对象发生了变化。基于分组交换的数据通信是实现计算机与计算机之间或计算机与人之间的通信，其通信过程需要定义严格的协议；而基于报文交换的电信通信则是完成人与人之间的通信，因而双方之间的通信规则不必如此严格定义。所以，分组交换尽管采用了古老的交换思想，但实际上已变成了一种崭新的交换技术。表1-1列出了分组交换网的主要优点。 第第1 1章章 绪论绪论 表1-1 分组交换网的主要优点 优 点采 取 的 手 段提高了线路的利用率节点间的线路可以被多个分组动态共享协调主机间的处理速率采用存储转发技术灵活、可靠网状的拓

21、扑结构和智能的计算机，使得当发生网络拥塞或少数节点、链路出现故障时，可灵活地改变转发的路径而不致引起通信中断或全网瘫痪第第1 1章章 绪论绪论 与电路交换相比，分组交换的不足之处是： 每一分组在经过每一交换节点时都会产生一定的传输延时，考虑到节点处理分组的能力和分组排队等候处理的时间，以及每一分组经过的路由可能不等同，使得每一分组的传输延时长短不一。因此，它不适用于一些实时、连续的应用场合，如电话话音、视频图像等数据的传输； 由于每一分组都额外附加一个头信息，从而降低了携带用户数据的通信容量； 第第1 1章章 绪论绪论 分组交换网中的每一节点需要更多地参与对信息转换的处理，如在发送端需要将长报

22、文划分为若干段分组，在接收端必须按序将每个分组组装起来，恢复出原报文数据等，从而降低了数据传输的效率。尽管如此，分组交换技术的出现，不仅大大推动了当时的计算机网络技术的发展，而且也是现代计算机网络技术发展的重要基础。第第1 1章章 绪论绪论 第三阶段：(20世纪80年代)具有统一的网络体系结构，遵循国际标准化协议的计算机网络。局域网络系统日渐成熟。随着计算机网络的普及和应用推广，越来越多的用户都希望将自己的计算机连网。然而实现不同系列、不同品牌的计算机互连，显然并不是一件容易的事情。因为相互通信的计算机必须高度协调工作，而这种协调是相当复杂的。为了降低网络设计的复杂性，早在当初设计ARPANE

23、T时，就有专家提出了层次模型。分层设计的基本思想就是将庞大而复杂的问题转换为若干个较小的子问题进行分析和研究。第第1 1章章 绪论绪论 随着ARPANET的建立，各个国家甚至大公司都建立了自己的网络体系结构，如IBM公司研制的分层网络体系结构SNA(System Network Architecture)，DEC公司开发的网络体系结构DNS(Digital Network Architecture)。这些网络体系结构的出现，使得一个公司生产的各种类型的计算机和网络设备可以非常方便地进行互连。但是，由于各个网络体系结构都不相同，协议也不一致，使得不同系列、不同公司的计算机网络难以实现互联。这为全

24、球网络的互连、互通带来了困难。第第1 1章章 绪论绪论 20世纪80年代开始，人们着手寻找统一的网络体系结构和协议的途径。国际标准化组织ISO(International Standard Organization)于1977年成立了专门机构研究该问题，并于1984年正式颁布了开放系统互连参考模型OSI-RM(Open Systems Interconnection Reference Model，简称OSI)。所谓“开放”，就是指只要遵循OSI标准模型的任何系统，不论位于何地，都可以进行互连、互通。这一点非常像世界范围的电话和邮政系统。这里的“开放系统”，是指在实际网络系统中与互连有关的各个

25、部分。它也是对当时各个封闭的网络系统而言的。第第1 1章章 绪论绪论 在计算机网络发展的进程中，另一个重要的里程碑就是出现了局域网络。局域网可使得一个单位或一个校园的微型计算机互连在一起，互相交换信息和共享资源。由于局域网的距离范围有限、连网的拓扑结构规范、协议简单，使得局域网连网容易，传输速率高，使用方便，价格也便宜。所以很受广大用户的青睐。因此，局域网在20世纪80年代得到了很大的发展，尤其是1980年2月份美国电气和电子工程师学会组织颁布的IEEE802系列的标准，对局域网的发展和普及起到了巨大的推动作用。第第1 1章章 绪论绪论 第四阶段：(20世纪90年代)网络互连与高速网络。自OS

26、I参考模型推出后，计算机网络一直沿着标准化的方向在发展，而网络标准化的最大体现是Internet的飞速发展。Internet是计算机网络最辉煌的成就，它已成为世界上最大的国际性计算机互联网，并已影响着人们生活的各个方面。由于Internet也使用分层次的体系结构，即TCP/IP网络体系结构，使得凡遵循TCP/IP的各种计算机网络都能相互通信。进入20世纪90年代后，网络进一步向着开放、高速、高性能方向发展。第第1 1章章 绪论绪论 由于Internet还存在着技术和功能上的不足，加上用户数量猛增，使得现有的Internet不堪重负。1993年美国政府提出了“NGII(Next Generati

27、on Internet Initiative)行动计划”，该计划的目标是：开发规模更大、速度更快的下一代网络结构，使之端到端的数据传输速率超过100 Mb/s甚至10 Gb/s；提供更为先进、实时性更高的网络应用服务，如远程教育、远程医疗、高性能的全球通信、环境监测和预报等，NGII计划将使用超高速全光网络，能实现更快速的交换和路径选择；保证网络信息的可靠性和安全性。 第第1 1章章 绪论绪论 1.1.4 计算机网络在我国的发展 我国在20世纪80年代初期已经有一部分高校和企业建立了局域网，并引入了国外的局域网产品。1989年我国第一个公用分组交换网CNPAC正式运行，CNPAC分组交换网由3

28、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所组成。1993年该网扩充成层次结构的全国网CHINAPAC，由国家主干网和各省、区、市的省内网组成。主干网的覆盖范围由原来的10个城市扩大到2300个市、县及以下乡镇，在北京、上海设有国际出入口。1993年我国又开始启动金字工程，即金桥、金卡、金关“三金”工程，使我国网络发展进入了一个新的时期。第第1 1章章 绪论绪论 自20世纪90年代起，由于Internet网络技术的发展和普及，我国陆续建造了基于Internet技术的，可以与Internet互连的四个全国范围的公用计算机网络，即中国公用计算机互联网CHINANET、中国金桥信息网C

29、HINAGBN、中国教育和科研计算机网CERNET、中国科学技术网络CSTNET。其中，中国教育和科研计算机网CERNET是我国第一个完全依靠自己的科研人员设计、建设和运行的全国性计算机网络。它是一个三层次结构的计算机网络，包括主干网(用速率64 kb/s的DDN专线连接)、地区网(共分8个地区)、校园网，网络中心设在清华大学。 第第1 1章章 绪论绪论 到2000年已连接全国大部分高等学校入网，并将主干网的速率提高到2 Mb/s以上，同时提供了丰富的网络应用资源。中国科学技术网CSTNET是中国科学院负责建设和管理的网络，是我国最早完成与Internet相连接的互连网络。它主要包括三大部分：

30、北京中关村地区教育与科研示范网(CSTNET的核心部分)；中科院院网(即在北京中科院院网的基础上延伸到全国25个城市的120多个科研机构的百所大联网)；用微波、卫星等公用线和专线连接有关部委和地区的一批接入网和用户电话拨号入网的对外科技界网络部分。现在我国的“中国互联网络信息中心CNNIC”就是在CSTNET和中科院网络信息中心的基础上成立的。第第1 1章章 绪论绪论 尽管我国在计算机网络方面有了较快的发展，但与发达国家相比，在计算机网络化方面仍有很大的差距。 未来计算机网络发展的主要特征是：高速的计算机网络、高速信息网络的体系结构、骨干网协议的统一和综合智能的网络管理。第第1 1章章 绪论绪

31、论 1.2 计算机网络的基本概念计算机网络的基本概念 1.2.1 计算机网络的定义和功能 什么是计算机网络？它能为用户提供哪些服务？它有哪些功能？这是人们学习计算机网络时普遍关心的问题。第第1 1章章 绪论绪论 到目前为止，关于什么是计算机网络还没有一个科学统一的定义。这是因为计算机网络是一门新兴的科学技术，它随着科技的发展而不断地完善和充实。我们根据当前普遍公认的看法，将计算机网络定义为:将地理位置不同、具有自治的多个计算机通过通信设备和通信介质连接起来的、由功能完善的网络软件控制而实现网络资源共享的系统。第第1 1章章 绪论绪论 其中，自治的计算机意指具有独立管理和控制能力的系统。它可以是

32、巨型机、大型机、小型机或工作站、PC机以及笔记本电脑或其他具有CPU处理器的智能设备。这些设备在计算机网络中具有唯一的可供计算机网络识别和处理的通信地址。通信设备包括网卡、路由器、交换机、集线器、调制解调器及其他设备。其中路由器或ATM交换机是构成广域网络的主要通信设备，而交换机和集线器则是构成局域网络的主要通信设备(有关局域网与广域网的概念将在后续的章节中讨论)。 第第1 1章章 绪论绪论 这些设备都可看作是一种专用的计算机。通信介质可以是电话线路、有线电缆(包括数据传输电缆、有线电视信号传输电缆等)、光纤、无线电、微波、卫星等，这些通信介质把通信设备连接起来组成相应的通信子网(或称通信系统

33、)。以上是构成一个计算机网络的硬件基础。第第1 1章章 绪论绪论 然而，只有硬件的计算机网络系统是一个无脑的躯体，必须配有相应的网络软件。与计算机网络有关的软件包括操作系统核心软件、通信控制协议软件、管理软件(包括安全、记账、出错、配置等)、交换与路由软件以及应用软件。操作系统核心软件是网络软件系统的基础。一般来说，和计算机网络连接的主机或交换设备所使用的操作系统必须是多任务的，否则将无法处理来自不同计算机的数据的收发任务。这也是UNIX操作系统从一开始就成为Internet主要操作系统的原因。协议软件则是计算机网络中通信各部分之间所必须遵守的规则的集合，它定义了通信各部分交换信息时的语法、语

34、义、同步等规则。 第第1 1章章 绪论绪论 协议软件是计算机网络软件中最重要、最核心的部分。计算机网络的体系结构都是由协议决定的。而且，网络管理软件、交换与路由软件以及应用软件等的功能都是基于协议软件实现的。管理软件管理计算机网络的用户与网络的接入、认证，计算机网络的安全以及网络运行状态，并负责计费等工作。而交换与路由软件则负责为通信各部分之间建立和维护传输信息所需的路径。计算机网络通过应用软件为用户提供网络服务，即信息资源的传输和共享。应用软件可分为两类，一类是由网络软件厂商开发的通用应用软件工具，包括电子邮件、Web服务器及相应的浏览搜索工具等。 第第1 1章章 绪论绪论 例如使用电子邮件

35、软件传递信件，使用网络浏览器查询Web服务器上的各类信息等。另一类应用软件则依赖于不同的用户业务。例如网络上的金融、电信管理、制造厂商的分布式控制与操作。与操作系统为开发用户程序提供系统调用功能一样，计算机网络也为应用软件的开发提供相应的接口和服务。人们往往把这一类应用软件的开发与网络建设一起称为系统集成(system integration)或系统整体解决(system solution)。 第第1 1章章 绪论绪论 综上所述，计算机网络是一个由不同传输介质和通信设备互连而构成的通信子网、与这个通信子网连接的多台地理上分散的具有唯一网络地址标识的计算机系统而构成的资源子网以及网络软件所组成的

36、传输和共享信息的系统。第第1 1章章 绪论绪论 计算机网络的功能主要体现在数据通信(如E-mail、IP电话、计算机协同式操作CSCW(Computer Supported Co-operative Work等)、资源共享(包括硬件资源的共享，如打印机、大容量磁盘、CD-ROM等；软件资源的共享，如程序、数据等)、增强可靠性(避免了某一台计算机或交换机的失效对用户产生的影响)、提高系统处理能力等。针对具体业务研制开发的应用网络软件的功能就很丰富了，如网络实时交谈、网络游戏、网上教学、网上书店、网上购物、网上订票、网上电视直播、网上医院、网上证券交易、虚拟现实以及电子商务等。第第1 1章章 绪论

37、绪论 1.2.2 计算机网络的分类 从不同的角度，计算机网络有不同的分类结果，表1-2列出了常见的计算机网络分类。第第1 1章章 绪论绪论 表1-2 计算机网络的分类 分类方法类 别说 明按交换方式电路交换报文交换分组交换帧中继交换信元交换其中，帧中继交换是分组交换的一种协议简化的交换方式；信元交换采用的是一种时分多路复用技术的交换方式按拓扑结构集中式网络分散式网络分布式网络其中，集中式网络的特点是网络信息流必须经过中央处理机或网络交换节点(如星形拓扑结构)；分布式网络的特点是任何一个节点都至少和其他两个节点直接相连(如网状形拓扑结构)，是主干网常采用的一种结构；分散式网络实际上是星形网和网状

38、形网的混合网第第1 1章章 绪论绪论 按作用范围广域网(WAN)局域网(LAN)城域网(MAN)其中，广域网的作用范围为几十至几千公里，又称为远程网；局域网的作用范围常限制在一个单位或一个校园(1 km)内，但数据传输速率高(10 Mb/s以上)；城域网常介于广域网和局域网之间，局限在一个城市(550 km)内按使用范围公用网专用网其中，公用网都是由国家的电信部门建造和控制管理的；专用网是某个单位或部门为本系统的特定业务需要而建造的，不对单位或部门以外的人员开放。第第1 1章章 绪论绪论 1.2.3 关于计算机网络的若干术语 1. 计算机网络与计算机通信网络 计算机网络与计算机通信网路的主要区

39、别是：前者以网络资源共享为主要目的，网络资源都是由系统来管理和控制的，网络的使用对用户是完全透明的(即不可见的)；后者以数据通信为主要目的，网络资源共享程度低，资源管理和网络使用对用户不透明。由于它们各自应用的目的不同，所以在网络的结构(包括硬件和软件)组成上也有一定的差异。 第第1 1章章 绪论绪论 2. 计算机网络与分布式计算机系统 计算机网络与分布式计算机系统的主要区别是：分布式系统中的各个计算机对用户是透明的，整个系统对用户而言就好像是一个计算机那样。当用户通过键盘键入命令后，操作系统就为用户选择一个最合适(即依据功能要求、当前系统的负荷等情况来决定)的计算机去运行其程序，并将运行的结

40、果传送到合适的地方。 第第1 1章章 绪论绪论 这些都不需要用户的干预，用户也不知道最终哪个计算机为他运行程序。而计算机网络则不同，用户必须先登录到网上。然后，根据计算机地址，通过计算机网络将程序传送到要运行它的计算机上。最后，根据用户的命令将运行的结果传送到指定的计算机中。它们在结构组成上的主要差别是高层软件的配置不同。一般来说，分布式计算机系统是计算机网络的一个特例。 第第1 1章章 绪论绪论 3. 通信子网、广域网、局域网和互联网 通信子网作为广域网的一个重要组成部分，通常由传输信道(包括传输设备)和转接设备(又称接口信息处理器，如路由器、网关等)组成。它的主要任务是利用存储转发技术将数

41、据从子网的源端传递到子网的目的端。通信子网和主机结合就构成了广域网，对于局域网来说，它仅由网卡、传输信道(或传输介质)和主机组成，它无通信子网，这是由于局域网覆盖的距离范围有限，拓扑结构很规范，不存在网络路径的选择和网络拥塞等控制问题，所以，数据通信的处理和控制由网卡和局域网的协议来完成。第第1 1章章 绪论绪论 互联网仅涉及不同网络的连接技术问题，如局域网与广域网之间的连接、局域网与局域网之间的连接以及广域网与广域网之间的连接。值得注意的是，互联网与网络互连是有区别的，尽管它们都反映了利用互连设备及相关协议技术所实现的两个或两个以上网络的连接，但是，网络互连含有连接“动作”之意，而互联网则侧

42、重于连接成型的网络“状态”。第第1 1章章 绪论绪论 1.3 网络体系结构网络体系结构 1.3.1 网络体系结构的定义 早在20世纪60年代，计算机系统设计者就提出了计算机网络体系结构的概念。它是指从整个计算机网络系统的角度研究网络的结构特征。具体来说，就是研究计算机网络的逻辑结构和功能的分配。其目的是为了使计算机网络系统能够在统一的原则下进行设计、建造、互连、使用和发展。 第第1 1章章 绪论绪论 它提出的问题并不是针对某个网络产品或部件，也不涉及某个具体的网络或系统，以及具体技术上的实现细节，而仅仅从概念上和功能上抽象和概括计算机网络的结构框架。由于它从全局的观点研究、探讨计算机网络，所以

43、对促进网络的合理化、标准化、通用化、高性能化将产生重要影响和作用。 目前，常见的网络体系结构实例有IBM公司的SNA(Systems Network Architecture)，DEC公司的DNS(Digital Network Architecture)，美国国防部的TCP/IP网络体系结构等。由于不同的网络体系结构互不兼容，使得各种体系结构的计算机网络不能互连，这给计算机网络的发展带来了很多困难。第第1 1章章 绪论绪论 这一问题受到了国际标准化组织ISO的重视，该组织于1977年3月召开的第九次全会上决定成立一个新的技术委员分会ISO/TC97/SC16专门研究此课题。经过几年的努力，1

44、983年ISO/TC97/SC16提出了开放系统互连参考模型OSI-RM，即著名的ISO7498国际标准。它采用了抽象化、虚拟化和分层化的方法研究计算机网络的各层功能、接口及协议。其中，采用抽象化的方法给出了OSI的参考模型、服务定义和协议规范；第第1 1章章 绪论绪论 基于虚拟化的方法，提出了逻辑通道、虚拟电路、虚拟终端等高度概括与理想的产物，而并未具体到某一器件、装置、程序和组件，这为研究网络体系结构找到了目标和对象；用分层化的方法定义了OSI的七层模型，为进一步开发OSI标准提供了共同的框架。第第1 1章章 绪论绪论 狭义地讲，网络体系结构就是计算机网络的各层及其协议集合，网络上每一层的

45、功能都是由该层的协议和服务来实现的。具体地说，就是为完成计算机之间的通信合作，把每个计算机互连的功能划分成定义明确的层次，规定出同等层进程间的通信协议和相邻层之间的接口及服务，将这些分层模型、同等层进程通信协议规范和相邻层接口服务规范等的集合统称为计算机网络体系结构。第第1 1章章 绪论绪论 需要强调的是，由于网络体系结构只是精确定义了计算机网络中的逻辑构成及所应完成的功能，至于这些功能究竟是用何种硬件或软件实现的，并未说明。这样做，是为了促进网络互连的发展，促进计算机网络技术的提高，而又不带来副作用。所以，体系结构只是抽象的，而实现则是具体的，是需要硬件和软件来完成的。第第1 1章章 绪论绪

46、论 1.3.2 网络体系结构的几个重要概念 1. 网络协议 在计算机网络中要做到计算机之间的信息传输，就必须遵循它们事先约定好的信息交换规则。这是因为相同的数字信号可携带不同的信息。我们把在计算机网络中为进行数据交换而建立的一系列规则、标准或约定称为网络协议。具体地讲，网络协议包括语法、语义和同步三要素，其中，语法约定了数据和控制信息的格式或结构、编码及信号电平等；语义是为协调完成某种动作或操作而规定的控制和应答信息；同步是对事件实现顺序的详细说明，指出事件的顺序以及速度匹配。第第1 1章章 绪论绪论 为了减少网络协议涉及的复杂性，网络设计者并不是为所有形式的通信设计一个单一、巨大的协议，而是

47、采用协议分层方法设计网络协议。所谓“协议分层”就是按照信息的流动过程将网络通信的整体功能分解为一个个的功能层，位于不同系统上的同等功能层之间按相同的协议进行通信，而同一系统上的相邻功能层之间按接口进行信息传递。 为了便于理解协议分层的概念，我们以在两个计算机之间通过通信网络传递邮件为例进行说明。如果按协议分层结构的方法，可以将这项工作划分为三个层次(如图1-6(a)所示)。 第第1 1章章 绪论绪论 图1-6 协议层次划分 邮件收发模块通信模块网络接入模块邮件收发模块通信模块网络接入模块DDN、ISDN、X.25(a) 邮件传递服务的协议层次划分应用层传输层网络层面向应用协议通信子网应用层传输

48、层网络层网际协议通信子网进程间信道协议(b) 通信协议层次划分主机A主机B访问通信子网协议第第1 1章章 绪论绪论 第一层次：提供邮件发送服务。为了保证该服务的实现，在这一层次上必须首先约定好通信双方邮件的格式、邮件内容所采用的语言文字(即字符)等，以便通信双方能够知道是谁写的信，信中的内容是什么等，我们称此规定的内容为邮件协议。如果两个计算机所采用的邮件格式或语言文字不同，则邮件发送服务程序必须提供完成邮件格式及文字转换的功能模块。这一层上只保证邮件的发送和接收，以及彼此双方邮件的识别，我们用邮件收发模块来实现。至于邮件能否可靠地传递到对方，则由下一层来保证。第第1 1章章 绪论绪论 第三层

49、次：网络接入服务。由于通信服务的实现是建立在通信网络的基础上。所以，该层负责完成与通信网络的接口功能。为此，在这一层次上必须约定好与通信网络连接接口的机械特性、电气特性、功能特性和规程特性等，我们称此规定的内容为连接接口协议。第第1 1章章 绪论绪论 显然，采用协议分层结构的突出特点是： 层的独立性和封装性。由于每一层都是相对独立的功能模块，只要彼此相邻间的接口所提供的服务不变，那么至于各层的模块如何实现以及如何发生变化或修改，都不会影响其他各层。它不仅将整个系统设计的复杂度降低了，而且为系统的维护和管理提供了方便，同时也为在硬件和软件方面适应新技术的发展和更新提供了灵活性； 其二，利于促进标

50、准化。因为每一层的功能都有精确的定义和说明，所以有利于促进标准化。第第1 1章章 绪论绪论 图1-6(b)给出了一般网络的协议层次划分及两主机间通过网络进行通信的协议间的关系。从图中可以看出，在通信的应用服务层间需要一种面向应用的协议，以协调两个应用模块的行动，并统一双方间通信的语法和语义；在传输服务层间的通信要遵循面向进程的协议，以处理和控制诸如信息的流量和差错之类的事务；网络服务层间的通信将涉及到通信子网访问协议以及通信子网间的网际协议，以实现数据信息的传递。第第1 1章章 绪论绪论 2. 网络服务 由上述分析可知，网络的协议是作用在不同系统中的同等层间的。为了使同等层间具有通信的能力，在

51、网络的每一层中至少有一个实体。它泛指能够发送和接收信息的任何东西，它既可以是软件实体(如进程)，也可以是硬件实体(如某一接口芯片)。不同系统上的同一层实体叫对等实体(或同等实体)。在网络协议的控制下，两个对等实体间的通信使得本层能够向它相邻的上一层提供服务。所以，网络服务是指彼此相邻的两层间下层向上层提供通信能力或操作而屏蔽其细节的过程。其中下层是服务提供者，上层是接受服务的用户(简称服务用户)。 第第1 1章章 绪论绪论 由于网络分层结构中的单向依赖关系，使得网络的底层总是向它的上层提供服务，且每一层的服务又都是借助于它的下层以及以下各层的服务能力。服务的表现形式是服务原语(比如库函数或系统

52、调用等)，即上层是利用下层提供的服务原语通过层间接口的信息交换来使用下层的服务，共有请求、指示、响应、证实四种类型服务原语。其中请求原语类型(request)用以使服务用户能从服务提供者那里请求一定的服务，比如建立连接、发送数据、释放连接、报告状态等；指示原语类型(indication)用以使服务提供者能向服务用户提示某种状态，如连接指示、输入数据、释放连接指示等； 第第1 1章章 绪论绪论 响应原语类型(response)用以使服务用户能响应先前的指示原语，如接受连接或释放等；证实原语类型(confirmation)用以使服务提供者能报告先前请求原语请求成功与否。它们相互作用的关系如图1-7

53、所示。 值得注意的是，协议和服务在概念上是有很大区别的。首先协议的实现保证了该层能够向它相邻的上一层提供服务，服务用户只能看见服务提供者提供的服务而看不见它的协议，即协议对服务用户是透明的，这就意味着，协议是提供服务的重要基础，而服务是协议实现的最终体现；其次，协议是“水平”的，而服务是“垂直”的。从图1-7中也可以看出它们间的联系和区别。第第1 1章章 绪论绪论 图1-7 服务原语间的关系 主机1证实原语请求原语服务用户服务提供者Request命令ACK命令指示原语响应原语服务提供者主机2服务用户第第1 1章章 绪论绪论 在同一系统中，相邻层间的实体进行信息交换的地方通常称为服务访问点SAP

54、(Service Access Point)。SAP实际上就是一个逻辑接口，更具体地说，就是为实现层间接口的通信所定义的数据结构，它有唯一地址加以标识。第第1 1章章 绪论绪论 在网络分层体系结构中，同等层间或相邻层间的数据交换是按数据单元进行传递的，即约定：同等层间按协议数据单元PDU(Protocol Data Unit)通信；相邻层间按接口数据单元IDU(Interface Data Unit)通信；服务数据单元SDU(Serve Data Unit)是服务用户交给服务提供者所传递的数据单位，它只需在同等层的服务用户之间保持一致，而不管在传输过程中经过什么变化。它们间的联系和区别如图1-

55、8所示。 第第1 1章章 绪论绪论 从图中可以看到，(N)层实体为了将服务用户的(N+1)SDU传递到对等层(N)层实体的服务用户中，首先给(N+1)SDU外加一些协议控制信息，使之变换成(N+1)PDU，这是因为对等层实体是按协议数据单元通信的。由于实际数据的流向是穿过发送端系统的各层，并通过对接的传输介质传递到接收端系统中的最底层(即物理层)，然后再由底层逐层传递，直到与发送端对接的同等层为止。所以，还必须在(N+1)PDU上外加一些接口控制信息，使之变换成(N)IDU，以便通过相邻层间的接口SAP传递至(N)层。当数据传递到(N)层后，接口控制信息的作用已经完成。 第第1 1章章 绪论绪

56、论 此时，(N)层最终接受的数据又作为(N1)层的服务用户数据，即(N)SDU，并借助(N1)层的网络服务将数据继续向下层传递(这一传递过程常常称为打包过程)，即按各同等层间的协议组装数据，直到网络的最底层物理层后，通过传输介质传送到接收端。接收端再按相反的方向由底层向上层逐层传递接收的数据(这一传递过程常常又称为解包过程)，即各同等层间按协议解释数据，直到与发方对接的同等层为止。至此完成了通信双方间的数据传递。第第1 1章章 绪论绪论 值得注意的是，各类数据单元的大小都是有一定限制的。所以，在各类数据单元之间的转换过程中，常常需要在发送端对数据进行分段或分块，而在接收端对数据进行合段或合块。

57、图1-8仅给出了一对一的转换关系图。 第第1 1章章 绪论绪论 图1-8 各数据单元间的联系(N1)协议控制信息( N1) SDU(N1) PCI(N1) UD(N1) SDU作为(N1) PDU的用户数据(N1) PDU(N)接口控制信息(N1) PDU作为(N) IDU的接口数据(N) ICI(N) ID(N) IDU(N) SUD(N) PCI(N) UD(N) PDU(N) SAP(N1) ICI(N1) ID(N) IDU(N1) 层(N) 层(N) 层(N1) 层(N1) SAP(N1) SUD第第1 1章章 绪论绪论 3. 面向连接服务与无连接服务 从通信的角度看，各层所提供的服

58、务可分为面向连接服务和无连接服务两种。 1) 面向连接服务 所谓“连接”是指在同等层的两个对等实体间所设定的逻辑通路。利用建立的连接进行数据交换的方式称为面向连接的数据传输。第第1 1章章 绪论绪论 面向连接服务的过程类似于电话通信中电路交换的过程，即需要经历连接建立、数据传输和连接释放这三个阶段。在网络层中该服务类型称为虚电路服务。其中“虚”表示在两个服务用户的通信过程中并没有自始至终占用一条端到端的完整物理线路。 第第1 1章章 绪论绪论 这是因为采用分组交换时，通信的链路是按信道逐段占用的，但对服务用户来说，却好像一直占用了一条完整的通信电路。显然，面向连接服务比较适合数据量大、实时性高

59、的数据传输应用场合。若两个服务用户之间需要经常进行频繁的数据通信时，则可建立永久虚电路，类似于建立的专用电话线路，这样可以免除每次通信时的连接建立和连接释放。第第1 1章章 绪论绪论 2) 无连接服务 无连接服务的过程类似于邮政系统中的信件通信，其特点是：通信前，同等层的两个对等实体间不需要事先建立连接，通信链路资源完全在数据传输过程中动态地进行分配。此外，通信过程中，双方并不需要同时处于激活(或工作)状态，如同在信件传递过程中，收件人没有必要当时位于目的地一样。显然，无连接服务的优点是灵活方便，信道的利用率高，特别适合于短报文的传输。但是，由于通信前事先未建立连接，所以，传递的每个分组信息必

60、须标明源地址和目的地址。第第1 1章章 绪论绪论 根据服务的质量，无连接服务可分为数据报、证实交付、请求回答三种类型。其中，数据报是一种不可靠的服务，通信过程类似于一般平信的投递，其特点是不需要接收端做任何响应；证实交付是一种可靠的服务，它要求每一报文的传输都有一个证实应答给发送方的服务用户，不过这个证实来自于接收方的服务提供者而不是服务用户，这就意味着这种证实只能保证报文已经发给目地站，但并不能保证目的站的服务用户已收到该报文；请求应答也是一种可靠的服务，它要求接收方的服务用户每收到一个报文就向发送方的服务用户发送一个应答报文。第第1 1章章 绪论绪论 1.3.3 ISO/OSI的参考模型