1.2.2 相关知识：计算机网络概述
1.计算机网络的定义
通常认为，计算机网络就是利用通信线路将分散在各地的具有独立功能的计算机相互连接，使其按照网络协议互相通信，实现资源共享的系统的集合。因此，计算机网络应具备以下三方面的要素。
（1）通信线路：主要指传输介质，是计算机互相通信的物质基础。网络的发展很大程度上取决于通信线路的发展。通信线路一般包括双绞线、同轴电缆、光导纤维、微波和通信卫星等。
（2）独立功能的计算机：是指具有高速运算能力和内部存储能力，并由程序控制其操作过程的计算设备。因此，从本质上讲，网络中计算机的运转并不必须依赖于网络中的其他设备，脱离网络仍然能够处理各种业务；反过来，这台计算机同样也不能干预网络中其他计算机的工作，如启动、停止等。任意两台计算机没有主从关系。
（3）网络协议：所谓协议，就是大家共同遵守的规则和约定。网络协议只能由一些公认的国际组织制定，能够制定协议的常见国际组织有：国际标准化组织（ISO），它主要制定了著名的开放系统互连参考模型OSI（open system interconnection）；美国电子电气工程师协会（IEEE），它制定了局域网的各种通信标准；国际电报电话咨询委员会（CCITT），它制定了X.25（ISDN）、X.75（帧中继）等广域网通信标准。
2.计算机网络的产生与发展
计算机网络最早出现于20世纪50年代，通过通信线路将远方终端资料传送给主计算机处理，形成一种简单的联机系统。随着计算机技术和通信技术的不断发展，计算机网络也经历了从简单到复杂、从单机到多机的发展过程，其演变过程大致可分为以下几个阶段。
（1）具有通信功能的单机系统：20世纪60年代中期以前，联机终端网络是一种主要的系统结构形式，从计算机技术上来看，这是由单用户独占一个系统发展到分时多用户系统，即多个终端用户分时占用主机上的资源，这种结构被称为第一代网络，其结构如图1-5所示。
图1-5 第一代网络结构
分布在不同办公室甚至不同地理位置的本地终端或者远程终端通过公共电话网及相应的通信设备与一台计算机相连，登录到计算机上，使用该计算机上的资源，这就有了通信与计算机的结合。这种具有通信功能的单机系统（图1-6）被称为第一代计算机网络，也是计算机网络的初级阶段。严格地讲，这不能算是计算机网络，但它将计算机技术与通信技术结合，可以让用户以终端的方式与远程主机进行通信，因此我们视它为计算机网络的雏形。
图1-6 具有通信功能的单机系统
（2）具有通信功能的多机系统：在具有通信功能的单机系统中，计算机只和一个远程终端相连，计算机的利用率较低。采用多机系统将一台计算机和多个远程终端相连，各个远程终端分时使用计算机，并且当没有远程终端使用计算机时，计算机仍可以独立使用，提高了计算机的利用率。这是计算机网络发展的第二阶段。
无论是单机系统还是多机系统，在计算机发展的这两个阶段有一点是共同的，即都是面向终端的计算机联机系统网络。
（3）计算机通信网络：随着计算机应用的发展和硬件价格的下降，一个单位经常拥有多个联机系统，这些联机系统中各主机之间要求能互相连接起来，以便做到资源共享。
当今有名的ARPA网就属于计算机通信网。ARPA网是由美国国防部高级研究计划局研制并于1969年12月投入运行的，当时只有四个结点。到1980年已经发展到100多个结点，除遍布美国本土外，还通过卫星延伸至夏威夷和伦敦的计算机网络。一般都把ARPA网作为计算机通信网诞生的标志。
计算机通信网实现了多台计算机之间的互相连接和互相通信，较之联机系统中只有一台计算机与多台终端互相连接并进行通信要复杂得多。
（4）局域网的兴起和分布式计算的发展：20世纪70年代开始，随着大规模集成电路技术和计算机技术的飞速发展，硬件价格急剧下降，微机广泛应用，局域网技术得到迅速发展。
局域网的发展也促进了计算模式的变革。早期的计算机网络是以主计算机为中心的，计算机网络控制和管理功能都是集中式的，也称为集中式计算机模式。随着PC功能的增强，用户一个人就可在微机上完成所需要的作业，PC方式呈现出的计算机能力已发展成为独立的平台，这就促进了一种新的计算结构——分布式计算模式的诞生。
目前计算机网络的发展正处于第四阶段。这一阶段计算机网络发展的特点是：互连、高速、智能与更为广泛的应用。
（5）计算机网络互连：随着经济全球化发展，人们的活动空间要求的范围越来越大，一个计算机网络所覆盖的范围已经不能满足人们的需求，计算机网络互连问题提出了。世界上网络互连数目最多、规模最大的互连网络，就是Internet。实际上Internet就是在ARPA网的基础上发展起来的。
3.计算机网络的分类
可以从不同角度对计算机网络进行分类。
（1）基于作用范围分类：从作用范围角度来分类，网络可以分成局域网、广域网和城域网。
1）局域网（local area network，LAN）一般用微型计算机通过高速通信线路相连（速度通常在10 Mbps以上），但在地理上则局限于较小的范围（如1km左右）。
2）广域网（wide area network，WAN）：其作用范围通常为几十公里到几千公里，广域网有时也称为远程网（long haul network）。
3）城域网（metropolitan area network，MAN）：其传输速度比局域网快，作用范围在局域网和广域网之间。例如，作用范围是一个城市，作用距离为5～50 km。
若中央处理机之间的距离非常近（如仅1 m的数量级或更小些），则一般就称之为多处理机系统而不称为计算机网络。
（2）基于应用范围分类：按使用范围分类，计算机网络可以分为公用网和专用网。
1）公用网：一般是国家的电信部门建造的网络。公用是指所有愿意按电信部门规定缴纳费用的人都可以使用，因此公用网也称为公众网。
2）专用网：是某个部门根据本系统的特殊业务工作需要而建造的网络。这种网络不向本系统以外的人提供服务，如军队、铁路、电力等系统均有本系统的专用网。
公用网和专用网都可以传送多种业务，如要传送计算机数据，则公用网和专用网都可以完成。
（3）基于拓扑结构分类：计算机网络拓扑结构是指计算机网络硬件系统的连接形式，主要的网络拓扑结构有总线型拓扑结构、环型拓扑结构、星型拓扑结构、树型拓扑结构、混合型拓扑结构等。
4.计算机网络的拓扑结构
计算机网络的拓扑结构是引用拓扑学中的研究与大小、形状无关的点、线特性的方法，把网络单元定义为结点，两结点间的线路定义为链路，则网络结点和链路的几何位置就是网络的拓扑结构。网络的拓扑结构主要有总线型拓扑结构、环型拓扑结构、星型拓扑结构、树型拓扑结构和混合型拓扑结构。
（1）总线型拓扑结构：总线型拓扑结构是将网络中的所有设备都通过一根公共总线连接，通信时信息沿总线进行广播式传送，如图1-7所示。
图1-7 总线型拓扑结构
总线型拓扑结构简单，增删结点容易。网络中任何结点的故障都不会造成全网的瘫痪，可靠性高。但是任何两个结点之间传送数据都要经过总线，总线成为整个网络的瓶颈。当结点数目多时，易发生信息拥塞。
总线结构投资省，安装布线容易，可靠性较高。在传统的局域网中，是一种常见的结构。
（2）环型拓扑结构：环型拓扑结构中，所有设备被连接成环，信息是沿着环进行广播式传送的，如图1-8所示。在环型拓扑结构中，每一台设备只能和相邻结点直接通信。与其他结点通信时，信息必须依次经过两者间的每一个结点。
环型拓扑结构传输路径固定，无路径选择问题，故实现简单。但任何结点的故障都会导致全网瘫痪，可靠性较差。网络的管理比较复杂，投资费用较高。当环型拓扑结构需要调整时，如结点的增、删、改，一般需要将整个网重新配置，扩展性、灵活性差，维护困难。
图1-8 环型拓扑结构
图1-9 星型拓扑结构
（3）星型拓扑结构：星型拓扑结构是由一个中央结点和若干从结点组成的，如图1-9所示。中央结点可以与从结点直接通信，而从结点之间的通信必须经过中央结点的转发。
星型拓扑结构简单，建网容易，传输速率高。每结点独占一条传输线路，消除了数据传送堵塞现象。一台计算机及其接口的故障不会影响到网络，扩展性好，配置灵活，增、删、改一个站点容易实现，网络易管理和维护。网络可靠性依赖于中央结点，中央结点一旦出现故障将导致全网瘫痪。
（4）树型拓扑结构：树型拓扑从总线型拓扑演变而来，形状像一棵倒置的树，顶端是根结点，根结点以下带分支，每个分支还可再带子分支，如图1-10所示。根结点接收各站点发送的数据，然后再广播发送到全网。树型拓扑的特点与总线型拓扑的特点相似，但也有一些特殊之处。
图1-10 树型拓扑结构
树型拓扑结构的优点如下。
1）易于扩展：这种结构可以延伸出很多分支和子分支，这些新结点和新分支都能容易地加入网内。
2）故障隔离较容易：如果某一分支的结点或线路发生故障，很容易将故障分支与整个系统隔离开。
树型拓扑结构的缺点：各个结点对根结点的依赖性太大，如果根结点发生故障，则全网不能正常工作。从这一点来看，树型拓扑结构的可靠性有点类似于星型拓扑结构。
（5）混合型拓扑结构：将以上某两种拓扑结构结合起来，取两者的优点构成的拓扑结构称为混合型拓扑结构。例如，一种是星型拓扑和总线型拓扑混合成的“星—总”拓扑结构，另一种是星型拓扑和环型拓扑混合成的“星—环”拓扑结构。
5.计算机网络的组成
计算机网络是一个非常复杂的系统。网络的组成，根据应用范围、目的、规模、结构及所采用的技术不同而不尽相同，但计算机网络都必须包括硬件和软件两大部分。网络硬件提供的是数据处理、数据传输和建立通信通道的物质基础，而网络软件是真正控制数据通信的，软件的各种网络功能须依赖硬件去完成，两者缺一不可。
（1）网络硬件系统：计算机网络硬件系统是由服务器、客户机、通信处理设备和通信介质组成的。服务器和客户机是构成资源子网的主要设备，通信处理设备和通信介质是构成通信子网的主要设备。
1）服务器：服务器一般是一台配置高（诸如CPU速度快，内存和硬盘的容量大等）的计算机，它为客户机提供服务。按照服务器所能提供的资源来区分，可分为文件服务器、打印服务器、应用系统服务器和通信服务器等。在实际应用中常把几种服务集中在一台服务器上，这样一台服务器就能执行几种服务功能，如将文件服务器连接到网络共享打印机上，此服务器就能作为文件和打印服务器使用。
文件服务器在网络中起着非常重要的作用。它负责管理用户的文件资源，处理客户机的访问请求，将相应的文件下载到某一客户机中。为了保证文件的安全性，常为文件服务器配置磁盘阵列或备份的文件服务器。
打印服务器负责处理网络中用户的打印请求。一台或几台打印机与一台计算机相连，并在计算机中运行打印服务程序，使得各客户机都能共享打印机，这就构成了打印服务器。还有一种网络打印机，内部装有网卡，可以直接与网络的传输介质相连，作为打印服务器。
应用系统服务器运行应用程序的服务器端软件，该服务器一般保存着大量信息供用户查询。应用系统服务器处理客户端程序的查询请求，只将查询结果返回给客户机。
通信服务器负责处理本网络与其他网络的通信，以及远程用户与本网的通信。
2）客户机：客户机运行应用程序的客户机端软件，网络用户通过客户机与网络联系，由于网络中的客户机能够共享服务器的资源，因而一般情况下配置比服务器低。
3）网卡：服务器和客户机都需要安装网卡。网卡是计算机和传输介质之间的物理接口，又称为网络适配器。网卡的作用是将计算机内的数据转换成传输介质上的信号发送出去，并把传输介质上的信号转换成计算机内的数据接收进来。网卡的总线接口插在计算机的扩展槽中，网络缆线接口与传输介质相连。
4）通信介质：通信介质也称为传输介质，用于连接计算机网络中的网络设备，传输介质一般可分为有线传输介质和无线传输介质两大类。常用的有线传输介质是双绞线、同轴电缆和光导纤维，常用的无线传输介质是微波、激光和红外线等。
5）通信处理设备：通信处理设备主要包括调制解调器、中继器、集线器、网桥、交换机、路由器和网关等。
a.调制解调器（modem）：是远程计算机通过电话线连接网络所需配置的设备。调制是指发送方将数字信号转换为线缆所能传输的模拟信号。解调是指接收方将模拟信号还原为数字信号。调制解调器同时具备调制和解调双重功能，因此它既能发送又能接收。
b.中继器（repeater）：由于信号在线缆中传输会发生衰减，因此要扩展网络的传输距离，可以使用中继器使信号不失真地继续传播。
c.集线器（hub）：是一种特殊的中继器。它除了可对接收到的信号再生并传输外，还可为网络布线和集中管理带来方便。集线器一般有8～16个端口，供计算机等网络设备连接使用。
d.网桥（bridge）：不仅能再生数据，还能够实现不同类型的局域网互连。网桥能够识别数据的目的地址，如果不属于本网段，就把数据发送到其他网段上。
e.交换机（switch）：分为二层交换机和三层交换机等。二层交换机同时具备了集线器和网桥的功能。三层交换机除了具有二层交换机的功能之外，还有路径选择功能。
f.路由器（router）：具有数据格式转换功能，可以连接不同类型的网络。路由器能够识别数据的目的地址所在的网络，根据内置的路由表，从多条通路中，选择一条最佳路径发送数据。
g.网关（gateway）：网关又叫协议转换器，它的作用是使网络上采用不同高层协议的主机能够互相通信，进而完成分布式应用。网关是传输设备中最复杂的一个，主要用于连接不同体系结构的网络或局域网与主机的连接。
（2）网络软件系统：在计算机网络系统中，每个用户都可享用系统中的各种资源，因此，系统必须能按用户的请求为用户提供相应的服务，对所涉及的信息数据进行控制和管理。网络中的这些服务、控制和管理工作都是网络软件系统完成的。
计算机网络软件系统大致可分为5类：网络操作系统、网络协议软件、网络管理软件、网络通信软件和网络应用软件，此处主要讲解网络操作系统和网络协议软件。
1）网络操作系统：网络操作系统（network operating system，NOS）是为计算机网络配置的操作系统，它是网络软件系统的基础，与网络的硬件结构相联系。网络中各计算机都有自己的操作系统，而网络操作系统可把它们有机地联系起来。网络操作系统除了具有常规操作系统所具有的功能外，还具有网络通信管理功能、网络范围内的资源管理功能和网络服务功能等。常见的网络操作系统有：UNIX、NetWare、Windows NT/2000等。
2）网络协议软件：网络协议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顺序、格式和词汇。网络协议软件是网络软件系统中最重要、最核心的部分。计算机网络体系结构都是由协议决定的，而网络管理软件、网络通信软件以及网络应用软件等都要通过网络协议软件才能发生作用。网络协议软件的种类很多，不同体系结构的网络系统都有支持自身系统的协议软件，体系结构中不同层次上又有不同的协议软件。典型的网络协议软件有：TCP/IP协议、IPX/SPX协议、IEEE 802标准协议系列等。