计算机网络(第三版)

第1章 概论 计算机网络(Computer-Networks)涉及计算机和通信两个领域，是这两种技术密切结合的产物，它已成为计算机应用中一个必不可少的方面。对整个社会的进步做出了重大贡献。尤其在当今这个信息化的时代里，由于今天的世界已成了一个高度流动性的世界，无疑，生活在这个世界上的人们对信息的收集、存储、处理和交换以及共享的需求急剧上涨，同时要求足够的快速和及时，计算机网络从中扮演了很重要的角色，为满足这种需求提供了保证。 近一二十年，以电子技术为基础的通信技术有了迅猛发展，计算机和通信设备不断更新，计算机网络的功能不断增强，并且正在朝着数字化、综合化、智能化的方向发展。20世纪90年代是计算机网络化的时代已是事实，网络化的计算环境也愈来愈被人们所接受并且将是21世纪发展的必然趋势。所以，了解和深入研究计算机网络技术已不再只是计算机界学者、专家的事，而是整个社会关注的热点之一。目前，一个国家的全国性计算机网络的建设水平，已成为衡量这个国家科学技术发展水平、综合国力以及社会信息化程度的重要标志。为了深入认识计算机网络，下面将从计算机网络的“产生与演变”、“定义与应用”、“组成与分类”以及“计算机网络的体系结构”等方面进行介绍。 1.1 计算机网络的产生与演变 1.1.1 发展历程 计算机网络出现的历史不长，但发展很快，经历了一个从简单到复杂、由低级到高级的演变过程。这个过程可分为3个阶段：面向终端的计算机网络、计算机通信网络和计算机网络。 1．面向终端的计算机网络 在1946年世界上**台电子计算机(electronic numerical integrator and calculator，ENIAC)从美国诞生后的一段时间内，计算机和通信之间并没有什么关系。早期的计算机数量很少、价格昂贵，是一种较稀有的珍贵资源，因而计算机系统是高度集中的，所有的设备安装在独立的计算中心里，使用计算机的用户要不远千里到这个计算中心去上机，这显然是不方便的。除了浪费时间、精力和大量资金外，还无法实现对信息的及时加工处理和使用。为了解决这个问题，一种带收发器(transceiver)的终端于1954年被研制出来了，人们使用这种终端*次实现了将穿孔卡片上的数据通过通信线路发送到远方的计算机，而计算机算出的结果又可以反向送回远程终端T(terminal)，这就是计算机与通信结合的开始。 由于当初的计算机是为成批处理信息而设计的，所以当计算机和远程终端相连时，必须使计算机具备通信功能。这种“一边通过终端完成信息的输入，一边由主机完成信息的处理，*后将处理结果通过通信线再送回到远地站点的系统”被称为面向终端的计算机网络，或**代计算机网络。系统的初级形式即具有通信的单机系统如图1-1所示。 这种系统中除了一台中心计算机，其余终端都不具备自主处理的功能，并且有两个明显的缺点。*先是主机负担过重，它既要承担本身的数据处理任务又要承担通信任务，在通信量很大时，主机几乎没有时间处理数据；其次是线路利用率低，特别是在终端远离中心计算机时尤为明显。 解决的方法是：一方面将数据处理与通信分开，在中心计算机前设置一个前端处理机FEP(front end processor)来完成通信工作，而让中心计算机集中更多时间专门进行数据处理，这样可显著地提高效率。另一方面，在终端比较集中的区域设置线路集中器(concen-trator)或称集中分配器，来完成用户作业信息的存储、装配和终端地址的分配等。它*先通过低速线路将附近的各终端连接起来，再通过高速通信线路与远程中心计算机相连，从而提高了远程线路的利用率，降低了通信费用。典型的结构如图1-2所示。 **代计算机网络的一个代表是SABREI，这是20世纪60年代初期美国航空公司投入使用的由一台中心计算机和全美范围内2000多个终端组成的预订飞机票系统。 图1-1 具有通信功能的单机系统 图1-2 由前端处理机、集中器构成的远程通信联机系统 2．计算机通信网 上述的联机系统之所以被称为“面向终端的计算机网络”，是因为它实现的是终端-计算机间的通信，而且已具备了计算机网络的雏形。到了20世纪60年代中期，随着计算机应用的发展和硬件价格的降低，单独部门单位内有分散在不同地区的多个主机系统已属常事，并且由于业务上的联系主机之间需要交换信息。如在工商界、国际航空售票业务、现代化工厂中多条生产流水线的过程控制等，这些分散开的计算机各自完成特定的任务是整体工作中的一部分。它们之间必然要有机地协调、互相通信，并且这种系统中的通信是在“计算机-计算机”之间进行的，这里的每个计算机都是具有自主处理能力的，它们之间不存在“主-从”(Master-Slave)关系。将这种由多个主机系统连接起来且以传输信息为主要目的的计算机群，称为计算机通信网。它是计算机网络的低级形式，也称为第二代计算机网络。其典型代表为ARPAnet。 3．计算机网络 计算机通信网发展到20世纪70年代后期，人们在广泛使用它的过程中逐渐由原来以传输信息为主变为共享网上各计算机系统资源为主，网上用户把整个网络视为一个大的计算机系统，而不必熟悉每个子系统，即不必熟悉所要资源具体地理位置，并且为便于对所传输信息内容的理解，要对信息的表达形式、传输方法和应答信号等必须在全网内制定一套共同遵守的规则即协议(Protocol)。将这种在协议的控制下，以实现资源(硬件、软件和数据等)共享为主要目的，借助于通信系统连接的多个计算机的集合，称为计算机网络，或称为第三代计算机网络。 除了如上所述的区别外，第二、第三代计算机网络还在如下两个方面有明显不同。 (1) 资源管理：第二代计算机网络中对资源的管理由网络操作系统完成。 (2) 体系结构：目前世界已有许多个第二代计算机网络在运行着，但体系结构(网络功能分层、层间接口及各层中应用协议的集合，详见本章第４节)却是相异的。如依据IBM公司的SNA(System Network Architecture)和DEC公司的DNA(Digital Network Architecture)所组建的网络，体系结构就相差很大。这给实现异构网互联带来了困难，从而阻碍计算机网络的普及与发展。在第三代计算机网络中这一问题得到了较好的解决，即统一应用 ISO(International Standards Organization)的OSI(Open System Interconnection Reference Model)，详见本章第1.4节。 1.1.2 未来趋势 随着第三代计算机网络的诞生和网络访问、网络服务、网络管理和安全等技术以及标准化工作的逐步完善，计算机网络的应用几乎遍及人类活动的一切领域。各种管理信息自动化系统、办公自动化系统、智能决策系统、情报资料检索系统、生活信息服务系统、电子邮政系统、事务处理系统、交通管理系统、军事指挥系统、专家指挥系统、大型科学计算中心等都是在客观分布情况下，以计算机网络为基础构成的信息网络上完成的。它们涉及政治、经济、军事、文化、科学及日常生活的各个方面，并继续向着“无处不在、无所不能”的方向迅速发展。光缆网络上的数据传输速率已达到Gb/s(千兆/秒)级，计算机局域网络(local area network，LAN)已随处可见，成了人们须臾不离的通信工具。 近十年来，人们对计算机网络尤其是Internet/lntranet向人类社会提供的机会与挑战作了全面深入的分析和研究，获益匪浅。在一个有亿万台计算机运行的世界里，一个邮件(信息)一般只需5秒钟而不是过去的5天就能到达目的地。公司产品的设计者与推销员即使远隔重洋也可紧密配合工作。计算机网络已将“语言、图片、视频、音乐、书信、统计数据”等各种形式的多媒体信息带进了人类活动的所有领域。可以概括地说，目前计算机网络的发展出现了三种任意性，即：在任意数目的计算机上运行任意数目的程序且可能要在任意时刻相互通信。并且正受着三股潮流的协力冲击： 纷纷地从集中式大型机结构撤离，走向分布式客户/服务器(client/server)的新天地； 微处理器计算能力和存储容量强劲地增长； 对多媒体持续增长的兴趣，特别是各种形式的视频应用。 同时，由于未来的通信业务会朝着“高速、宽带、智能、可靠”的方向发展，计算机本身会进一步朝着“功能强、体积小、价格低、易操作”的方向前进，这必然导致计算机网络将进一步朝着“开放、综合、智能”的方向迅速发展。所谓“开放”，一是相对其直接应用环境的开放和对不同应用的适应，二是相对其互联环境的开放，便于与其他网络和计算机的互联。包括：①网络体系结构的标准化；②发展各种网络互联技术如中继技术、自动转换协议的网桥和网关技术、自动协议选择技术等；③创造开放的统一网络应用环境。所谓“综合”，体现了系统中各要素间的更紧密结合，包括：①各种先进信息技术如机器人控制技术、雷达红外检测技术、光盘存储技术、人工智能技术、光纤通信技术等的进一步综合；②各种计算机如巨、大、中、小、工作站、PC和便携机、专用和通用机、同种和异种机等的综合；③服务功能如资源共享、通信服务、分布与并行处理等的综合；④通信系统的综合，如各种介质、通信方法、子网与主网的有机结合；⑤各种信息媒体的综合，如各种数据、语音、图像等不同信息媒体在计算机网络系统中的综合采集、存储、处理、传输和综合输出应用以及综合业务数字网(integrated services digital network，ISDN)与 OSI的进一步结合等；⑥网络系统结构的一体化，包括各种资源的合理配置与分工、C/S和B/S模式的发展、各种分布式应用与分布式网络操作系统的进一步完善等。所谓“智能”，是AI(artificial intelligence)技术与网络技术的结合，包括：①网络服务中心引入智能技术直接提高各种网络应用功能，如“智能通信网络”等；②网络通信操作中应用智能技术以提高网络系统的自适应性和可靠性，如智能路由选择、智能网络管理、故障的自动诊断与恢复等；③网络系统结构中如何把传统的与智能的计算机神经网以及名种智能人机接口、知识库等在网络系统中有机的结合、合理的配置，以及网络上的计算机从系统整体上逐步增加更多的智能而变得更“聪明”些。 网络资源的膨胀，使得传统的共享LAN难以招架沉重的C/S交通。通常采用的“网段微化”措施也不能解决根本问题，以往网络设计中的20/80(远程交通/本地交通)法则已被否定。因此，必须探索和发展新型的网络技术。在过去的几年里，光纤分布数据接口(fiber distributed data interface，FDDI)、信元交换(cell switching)、异步传输模式(asynchronous transfer mode，ATM)、千兆以太网交换和xDSL等技术备受重视，进而研究以光纤作为传输介质、采用交换的新技术范例来组建Gigabit网。同时，各种功能强、高速和智能的交换集线器(intelligent switching hub，ISH)相继问世，并且它们在基础结构上足以融进更高性能的技术，这些智能 Hub在未来网络建设中正起到和将会起到非常重要的作用。 毫无疑问，在未来时代里“网络中心”将更加普遍，局域网会让位于分布式工作组，服务器操作和网络操作将变得更加可靠，交换式互联网(switched internet)必将占据未来的网络市场。在这种网络化环境里，社会将变得更加生机勃勃，人民生活将变得更加轻松自如、丰富多彩，计算机网络的未来无限美好。 1.2 计算机网络的定义与应用 1.2.1 计算机网络的定义 自1970年以来，对于计算机网络已有了几种不同的定义，这是由于受不同