3.1.1 计算机网络的概念及分类
1.计算机网络的定义和特征
随着计算机工业的诞生,20世纪进入了信息时代。虽然计算机工业仍然非常年轻,但其发展速度却是惊人的。计算机技术和通信技术相结合,使以往计算任务由单个大型机集中处理的形式逐渐被新的形式取代,即大量独立的相互连接起来的计算机共同完成计算任务,这种形式就是计算机网络。而计算机网络的产生也将信息系统推向了网络时代。
关于计算机网络目前还没有统一的精确定义,本书采用一个比较简单的定义:计算机网络是相互连接、自主的计算机的集合。其中,相互连接是指两台计算机能够实现相互通信、交换信息;而自主是指每台计算机都能够独立完整地实现计算机的各种功能。
计算机之间可能需要通过铜线、光纤、微波、红外线和通信卫星等通信链路进行连接,也可能还需要通信连接设备如交换机、路由器、微波站等建立连接。当然计算机网络最简单的形式就是两台计算机通过链路进行连接。
自主的计算机系统与早期主从式计算机系统是相对的。在主从式系统中,多个终端与一个主机相连并受控于该主机,主机与终端属于主从关系。而在计算机网络中,自主计算机不从属于任何一台主机。需要强调的是,由于网络信息系统的网络环境并不局限于由个人计算机组成的网络,所以本书讨论的计算机泛指具有计算能力的设备,包括手持终端、传感器等。
目前计算机网络的一些基本特征如下:
①计算机网络建立的主要目的是实现通信和资源共享;
②构成网络互连的计算机是分布在不同地理位置的多台独立的“自主计算机系统”;
③多台计算机要实现通信需要依赖通信媒介,包括通信设备和线路;
④连网计算机要实现通信还必须遵循相同的网络协议。
2.计算机网络的构成
为了更好地了解计算机网络,下面讲述网络的具体构成。计算机网络由硬件和软件构成。
(1)硬件构成
网络硬件主要包括:网络中的计算设备、传输介质、通信连接设备。
传统的计算设备多数是客户机(网络中个人使用的计算机)以及服务器(它们负责对网络进行管理,提供网络服务功能和共享资源,如存储信息、传输Web页面和提供电子邮件服务等)。现在,有越来越多的非传统计算设备,如个人数字助手(PDA,Personal Digital Assistant)、数字电视、移动计算机、蜂窝电话、汽车、环境传感设备和家用电器,都在与网络相连。所有这些设备都称为主机或端系统。
这些端系统在网络中是通过传输介质以及通信连接设备相互连接在一起的。传输介质由多种不同类型的物理媒体组成,包括常用于电话到本地交换机之间的双绞铜线、有线电视系统和城域网中应用很广泛的同轴电缆、用于长途电话网络以及Internet主干的光纤、无线局域网和蜂窝移动通信系统中的地面无线信道和卫星无线信道等。不同的传输介质,特性不同,传输的速率也有所不同。
除了传输介质之外,还需要一些通信连接设备将端系统连起来,如网卡、再生器(或集线器)、网桥(或交换机)和路由器。这些连接设备可以保证通信的可靠有效进行。网卡是网络接口卡(NIC,Network Interface Card)的简称,是网络中连接计算机和传输介质的接口设备。再生器(或集线器)工作在协议栈的物理层,负责将接收到的信号再生并转发到另一段链路上。它能够延伸链路长度,扩展网络的作用范围,是在同一网络中使用的连接设备。网桥工作在物理层和数据链路层,不仅能再生信号,还能识别帧中的物理地址,具备过滤能力。但它不改变分组的格式和内容,只能用于连接使用相同协议的网络。路由器工作在物理层、数据链路层和网络层,能够识别数据报中的逻辑地址,在多个互相连接的网络中选择路由、转发分组。它更为复杂和智能,可用于连接不同类型的网络,如任意类型的局域网或/和广域网,实现互联网的功能。
(2)软件构成
网络软件主要包括:网络操作系统、网络通信协议以及网络应用程序。
从第1章看到,网络操作系统是计算机网络的核心软件。网络操作系统除了具有一般单机操作系统的基本功能外,还具备如网络的通信、管理以及服务功能等。
网络通信协议是网络实体进行通信的规则的集合。网络中需要进行通信的计算机都要遵守相同的通信协议。端系统、分组交换设备和其他网络组件,都要运行控制网络信息接收和发送的一系列协议。
网络应用程序为用户提供许多的网络应用。网络应用程序能够通过网络提供电子邮件、Web冲浪、即时信息、网络电话(VoIP,Voice over Internet Protocol)、Internet广播、视频流业务、分布式游戏、对等(P2P)的文件共享、Internet电视、远程注册等信息应用服务。这一部分是用户可以直接接触到的,如果没有这些吸引人的网络应用,那么网络的存在就没有意义了。
3.网络的分类
关于计算机网络,没有一种统一的分类方法,这里介绍3种分类标准:按照传输技术分类、按照传输距离分类和按照网络用途分类。
(1)按照传输技术分类
目前普遍使用的传输技术有两种,分别是:广播式链接和点到点式链接。因此按网络传输技术分类,网络可以分为广播式网络和点对点式网络。
在广播式网络中,所有联网计算机共享一个公共通信信道,当一台计算机发送分组时,所有其他计算机都会“收听”到这个分组。为了能将分组准确送达目的地,在发送的分组中有一个地址域,包含了有关该分组目标接收者的信息。每台机器收到分组后,都会检查这个地址域。如果地址域表明该分组是发送给它的,则接收这个分组,否则就忽略该分组。这种模式称为广播。有些广播网络也允许将分组传输给其中一组计算机,即所有机器的一个子集,这种模式称为多播。
在点对点式网络中,整个网络由许多连接/通道构成,每一条连接对应一对计算机。当然,这对计算机不一定直接相连,分组从源端传送到目的地需要通过一个或者多个中间节点,即通信连接设备,选择合适的路径,进行接收、存储、转发。采用分组存储转发与路由选择机制是点对点式网络和广播式网络最重要的区别。只有一个发送方和一个接收方的点到点传输模式有时候也称为单播。
(2)按照传输距离分类
网络分类的另一个准则是网络的距离尺度或者作用范围。按照网络的距离尺度或作用范围分类,可以将网络分为:个人区域网、局域网、城域网、广域网等。表3-1所示为按照距离尺度来划分网络。
表3-1 按照距离尺度对网络进行分类
距离作为一种分类的度量是非常重要的,因为不同的距离尺度将会使用不同的技术。下面按距离尺度由小到大,对这几种网络进行简要的介绍。
个人区域网(PAN,Personal Area Network),简称个域网,是指在个人周边范围内把电子设备连接起来的网络,仅供个人使用,其范围在1 m左右。典型的例子是通过无线技术(如蓝牙技术)将计算机和外设连接成的网络,也常称为无线个人区域网(WPAN,Wireless Personal Area Network)。将嵌入式的起搏器、助听器等与一个用户操控的远程控制终端相连形成的网络也属于这一类。
局域网(LAN,Local Area Network)通常位于一个建筑物内,或者一个校园内,地理上局限在较小的范围(如1 km左右)。局域网一般通过高速通信线路将计算机连接起来,以便共享资源和交换信息。它往往是专有网络,早期一个学校或企业往往只拥有一个局域网,但现在局域网已被非常广泛地使用,一个学校或企业大都拥有许多个互联的局域网(常称为校园网或企业网)。
城域网(MAN,Metropolitan Area Network)的作用范围一般是一个城市,可跨越几个街区甚至整个城市,其作用距离约为几千米到几十千米。城域网可以为一个或几个单位所拥有,也可以是一种公用设施,用来将多个局域网进行互联,使用技术与局域网相似。最著名的城域网的例子是有线电视网。此外还有用于高速Internet接入的城域网,目前已被标准化的IEEE 802.16,也称全球互联微波接入(Wi MAX,Worldwide Interoperability for Microwave Access)。
广域网(WAN,Wide Area Network)覆盖的范围更大,通常为几十到几千千米,可跨越一个国家甚至一个大洲。广域网是Internet的核心部分,其任务是通过长距离(例如,跨越不同的国家)运送主机所发送的数据。连接广域网各节点连接设备的链路一般都是高速链路,具有较大的通信容量。
最后,两个或者多个网络连接起来之后称为互联网。世界范围的Internet是一个最有名的互联网例子。关于互联网的概念将在3.1.2节进行介绍。
还有一类比较特殊的计算机网络,是用于将端系统连接到其边缘路由器的物理链路,称为接入网(AN,Access Network)。边缘路由器是端系统到任何其他远程端系统的路径上的第一台路由器。接入网可分为将用户家庭端系统与网络相连的住宅接入、将商业或教育机构中的端系统与网络相连的公司接入和将移动端系统与网络相连的无线接入。实际上,接入网只是起到让用户能够与网络尤其是Internet连接的“桥梁”作用。图3-1显示了广域网、城域网、接入网以及局域网的关系。
图3-1 广域网、城域网、接入网以及局域网的关系
(3)按照网络用途分类
按照网络用途进行分类,可以将网络分为公用网和专用网。
公用网是为签约用户提供服务的网络。所谓“公用”指的是任何支付签约费用的个体或团体都能使用这种网络,因此公用网也可称为公众网。提供通信服务的公司称为服务提供商。所谓“公”是指网络服务的公众可用性,而不是针对传输的数据而言的,因此服务提供商需要保证通过公用网传输的数据的安全性。通常公用网是由电信公司(国有或私有)出资建造的大型网络。
专用网可以为个体消费者、小型办公室、中小型企业和大型企业提供网络服务。这种网络一般是根据特殊的工作需要而建造的,因此不向其他公众开放。例如,军队、铁路、电力等系统均有本系统的专用网。专用网的线路可以从运营商那里租用。