计算机网络概述：全球最大的Internet网络简介

计算机网络是将若干台独立的计算机通过传输介质相互物理地连接，并通过网络软件逻辑地相互联系到一起而实现信息交换、资源共享、协同工作和在线处理等功能的计算机系统。计算机网络给人们的生活带来了极大的方便，如办公自动化、网上银行、网上订票、网上查询、网上购物等。计算机网络不仅可以传输数据，更可以传输图像、声音、视频等多种媒体形式的信息，在人们的日常生活和各行各业中发挥着越来越重要的作用。

1.计算机网络的基本概念

“网络”主要包含连接对象（即元件）、连接介质、连接控制机制（如约定、协议、软件）和连接方式与结构四个方面。

计算机网络连接的对象是各种类型的计算机（如大型计算机、工作站、微型计算机等）或其他数据终端设备（如各种计算机外部设备、终端服务器等）。计算机网络的连接介质是通信线路（如光纤、同轴电缆、双绞线、地面微波、卫星等）和通信设备（网关、网桥、路由器、Modem等），其控制机制是各层的网络协议和各类网络软件。所以计算机网络是利用通信线路和通信设备，把地理上分散的，并具有独立功能的多个计算机系统互相连接起来，按照网络协议进行数据通信，用功能完善的网络软件实现资源共享的计算机系统的集合。它是以实现远程通信和资源共享为目的，大量分散但又互联的计算机的集合，互联的含义是两台计算机能互相通信。

两台计算机通过通信线路（包括有线和无线通信线路）连接起来就组成了一个最简单的计算机网络。全世界成千上万台计算机相互间通过双绞线、电缆、光纤和无线电等连接起来构成了世界上最大的Internet网络。网络中的计算机可以是在一间办公室内，也可能分布在地球的不同区域。这些计算机是相互独立的，即所谓自治的计算机系统，脱离了网络也能作为单机正常工作。在网络中，需要有相应的软件或网络协议对自治的计算机系统进行管理。

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，是通过通信线路将远方终端资料传送给主计算机处理，形成的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，其演变过程主要可分为面向终端的计算机网络、计算机通信网络、计算机互联网络和高速互联网络四个阶段，如表7-1所示。

表7-1　计算机网络发展的四个阶段

3.计算机网络的组成和功能

（1）计算机网络系统的组成。从网络逻辑功能来看，可以将计算机网络分成通信子网和资源子网两部分。

通信子网中心由网络中的通信控制处理器、其他通信设备、通信线路和只作用信息交换的计算机组成，负责完成网络数据的传输和转发等通信处理任务。因特网的通信子网一般由路由器、交换机和通信线路等组成。

资源子网处于通信子网的外围，由主机系统、外设、各种软件资源和信息资源等组成，负责全国的数据处理业务，向网络用户提供各种网络资源和网络服务。主机系统是资源子网的主要组成部分，它通过高速通信线路与通信子网的通信控制处理机相连接，普通用户的计算机可通过主机系统连接入网。

（2）计算机网络的功能。

信息交换：通过网络实现计算机之间的信息通信和数据交换。

资源共享：包括硬件、软件和数据资源的共享。

分布式：指网络系统中的若干台计算机可以相互协作共同完成一个任务。

4.计算机网络的分类

按照分布范围可把计算机网络分为局域网、城域网和广域网三类。

（1）局域网。局域网LAN（Local Area Network）又称为局部区域网，覆盖范围为几百米到几千米，一般连接一幢或几幢大楼。信道传输速率可达1～20兆位/秒（Mbps），结构简单，布线容易。局域网是一种在小范围内实现的计算机网络，一般在一个建筑物内，或一个工厂、一个事业单位内部，为单位所独有。

（2）城域网。城域网MAN（Metropolitan Area Network）是由不同的局域网通过网间连接构成一个覆盖在整个城市范围之内的网络。它是比局域网规模大一些的中型网络，提供全市的信息服务。在一个学校范围内的计算机网络通常称为校园网。实质上它是由若干个局域网连接构成的一个规模较大的局域网，也可视校园网为一个介于普通局域网和城域网之间的、规模较大的、结构较复杂的局域网络。

（3）广域网。广域网WAN（Wide Area Network）其作用范围通常为几十到几千千米，可以分布在一个省内、一个国家或几个国家。广域网信道传输速率较低，一般小于0.1兆位/秒（Mbps），结构比较复杂，它的通信传输装置和媒体一般由电信部门提供。

5.计算机网络的拓扑结构

计算机网络拓扑是通过网络节点与通信线路之间的几何关系来表示网络结构。计算机网络拓扑结构通常有星型结构、总线型结构、环型结构、树型结构和网状结构。在组建局域网时常采用星型、环型、总线型和树型结构。树型和网状结构在广域网中比较常见。但是在一个实际的网络中，可能是上述几种网络结构的混合。

（1）星型结构。星型布局是以中央节点为中心与各节点连接而组成的，各节点与中央节点通过点与点方式连接，中央节点执行集中式通信控制策略，各节点间不能直接通信，需要通过该中心处理机转发。因此，中央节点相当复杂，负担也重，必须有较强的功能和较高的可靠性。

星型结构的优点是结构简单、建网容易、控制相对简单。其缺点是集中控制，主机负载过重，可靠性低，通信线路利用率低，如图7-1所示。

（2）总线结构。用一条称为总线的中央主电缆，将相互之间以线性方式连接的工作站连接起来的布局方式，称为总线结构。在总线结构中，所有网上微机都通过相应的硬件接口直接连在总线上，任何一个节点的信息都可以沿着总线向两个方向传输扩散，并且能被总线中任何一个节点所接收。由于其信息向四周传播，类似于广播电台，故总线网络也被称为广播式网络，如图7-2所示。

图7-1　星型结构

图7-2　总线型结构

总线布局的特点是：结构简单灵活，非常便于扩充；可靠性高，网络响应速度快；设备量少、价格低、安装使用方便；共享资源能力强，总线形网络结构是目前使用最广泛的结构，也是传统的一种主流网络结构，适合于信息管理系统、办公自动化系统领域的应用。目前在局域网中多采用此种结构。

（3）环型结构。环型结构将各个联网的计算机由通信线路连接形成一个首尾相连的闭合的环。在环型结构的网络中，信息按固定方向流动，或顺时针方向，或逆时针方向。其传输控制机制较为简单，实时性强，但可靠性较差，网络扩充复杂。环形网也是微机局域网常用拓扑结构之一，适合信息处理系统和工厂自动化系统，如图7-3所示。

（4）树型结构。树型结构实际上是星型结构的一种变形，它将原来用单独链路直接连接的节点通过多级处理主机进行分级连接。这种结构与星型结构相比降低了通信线路的成本，但增加了网络复杂性。网络中除最低层节点及其连线外，任何一个节点连线的故障均影响其所在支路网络的正常工作，如图7-4所示。

（5）网状结构。网状结构其优点是节点间路径多，碰撞和阻塞可大大减少，局部的故障不会影响整个网络的正常工作，可靠性高；网络扩充和主机入网比较灵活、简单，如图7-5所示。但这种网络关系复杂，建网不易，网络控制机制复杂，广域网中一般采用网状结构。

图7-3　环型结构(www.xing528.com)

图7-4　树型结构

图7-5　网状结构

6.网络协议与网络体系机构

（1）计算机网络协议。网络中的计算机要实现通信，必须事先对信息的内容、格式、传输时序和出错控制等方面进行约定，这些网络通信双方共同遵守的约定或规则称为协议（protocol）。其关键要素是语法、语义和时序。语法是指数据的结构或格式，语义是指发送数据中每一部分的含义。时序是指数据何时发送以及发送速率等。计算机网络协议是指计算机网络中不同主机之间、不同操作系统之间为实现通信所共同遵守的一系列约定和规则。

为了减少网络协议设计和实现的复杂性，大多数网络按层的方式来组织。层和协议的集合称为网络体系结构。目前有两大网络体系结构：一个是OSI体系结构，另一个是TCP/IP体系结构。

（2）OSI七层协议模型。它是OSI组织对计算机网络协议制定的参考标准，把体系结构分为七层：物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层和应用层，如图7-6所示。

图7-6　OSI参考模型

其中，底层协议侧重于处理实际的信息传输，高层协议侧重于处理用户服务和各种应用请求，从第二层以上用软件实现。OSI要求双方通信只能在同一层次进行，实际通信是自上而下，经过物理层通信，再自下而上传送到对等的层次。

①物理层。物理层提供数据链路实体之间建立、保持和中止物理连接，对通信介质、调制技术、传输速率、插头等具体特征加以说明，实现二进制位流的交换。

②数据链路层。数据链路层实现以帧为单位的数据块交换，包括帧的装配、分解及差错处理的管理。如果数据帧被破坏，则发送端能自动重发。帧包括数据块和接收方的地址。

③网络层。网络层主要任务是交换和路由。交换是指在物理设备之间建立临时连接。路由是指选择从一端到另一端传输数据的最佳路径。在网络层中数据交换的单元是报文组或包（packet）。

④传输层。传输层提供两个会话实体之间透明的数据传输，并进行差错恢复、流量控制等，实现独立于网络通信的端到端报文交换，为计算机节点之间的连接提供服务。

⑤会话层。会话层为用户提供建立、管理和中止连接的服务。为建立对话，双方的会话层应核实对方是否有权参加会话，确定由哪一方支付通信费用，并在选择功能（如全双工或半双工通信）方面取得一致。该层是用户连接到网络上的接口。

⑥表示层。表示层提供应用程序在数据表示差异上的独立性，保证通信设备之间的互操作性。表示层以下各层主要关心的是可靠传输比特流，而表示层要关心的是所传输信息的语法和语义。用户可以使两台内部数据表示不同的计算机实现通信。在表示层可以引入数据加密和解密，从而保证安全性。

⑦应用层。应用层提供给用户对OSI环境的访问和分布式信息服务。应用层以下均通过应用层向应用程序提供服务，为用户提供了接口，为电子邮件、文件传输等信息服务提供支持。

（3）TCP/IP体系结构。TCP/IP是行业标准，在计算机网络体系结构中占有非常重要的地位。Internet主要采用的协议就是TCP/IP。它将网络分为四层：网络接口层、网络层、传输层和应用层，它与OSI体系结构的对应关系如图7-7所示。

图7-7　TCP/IP协议及其与OSI模型的对应关系

①网络接口层。网络接口层是TCP/IP参考模型的最底层，与OSI的链路层和物理层相对应，负责管理设备和网络之间的数据交换。它包括各种逻辑链路控制和媒介访问协议，如以太网协议、X.25、FDDI等。

②网络层。网络层也叫网际层。是TCP/IP参考模型的第二层，与OSI的网络层相对应，负责将源主机的报文分组发送到目的主机，源主机与目的主机可以在同一个网上，也可以在不同的网上。

网络层主要的协议是无连接的网络互联协议（IP，Internet Protocol）和Internet控制报文协议（ICMP，Internet Control Message Protocol）。

③传输层。传输层是TCP/IP参考模型的第三层，与OSI的传输层的功能相对应，它负责在应用进程之间的“端—端”通信。

传输层可使用两种不同的协议：一种是面向连接的传输控制协议（TCP，Transmission Control Protocol）；另一种是无连接的用户数据报协议（UDP，User Data Protocol）。

④应用层。应用层是TCP/IP参考模型的最高层，与OSI模型的上三层相对应（应用层、表示层和会话层），为各种应用层序提供了使用的协议，主要有以下几种：

·HTTP：超文本传输协议，用来访问在WWW服务器上的各种页面。

·FTP：文件传输协议，为文件的传输提供途径（上传、下载文件）。

·DNS：域名系统，用于实现从主机（域名）到IP地址的转换。

·Telnet：远程登录协议，实现互联网中工作站（终端）登录到远程服务器的能力。

·SMTP：简单邮件传输协议，实现互联网中电子邮件的传送功能。

7.计算机网络的构成

计算机网络是一个非常复杂的系统，它要完成数据处理和数据通信两大任务。因此，它通常由计算机硬件、软件及通信设备组成，如图7-8所示。

图7-8　计算机网络物理构成