计算机网络(第四版)

第1章概论 计算机网络（Computer Networks）技术发源于20世纪60年代，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，在*近二十年来得到了飞速发展，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，以因特网为代表的计算机网络已经深入到人们工作和生活的各个方面，如电子银行、电子商务、电子政务以及远程教育、远程医疗等。近年来出现的物联网、大数据、云计算等新技术更是建立在计算机网络的基础上，所以毫不夸张地说，当今的知识经济、信息时代均源于网络。 随着互联网的出现，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越来越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、专家的事情，而是整个社会关注的热点之一。全世界所有发达国家和发展中国家都纷纷研究和制定本国建设信息基础设施的计划，这使得计算机网络的发展进入了一个新的历史阶段，变成人尽皆知并且备受关注的热门学科。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，本章将从计算机网络的“产生与演变”、“定义、组成与分类”和“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计算机网络的发展历程 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。计算机网络的形成与发展历史大致可以分为以下四个阶段。 1）**阶段：诞生阶段（以主机为中心的终端联机系统） **阶段可以追溯到20世纪50年代，数据通信技术与计算机通信网络的研究为计算机网络的诞生形成了技术准备，奠定了理论基础。 在1946年世界上**台电子计算机ENIAC（Electronic Numerical IntegratorandCalculator）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，使用计算机的用户可能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，人们使用这种终端首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*后将处理结果通过通信线路再送回到远地站点的系统”被称为面向终端的计算**代计算机网络。系统的初级形式即具有通信功能的单机系统如图1-1所示。除了一台中心计算机，其余终端都不具备自主处理的功能，所以该系统有两个明一是主机负担过重，它既要承担本身的数据处理任务又要承担通信任务，在通信主机几乎没有时间处理数据；二是线路利用率低，特别是在终端远离中心计算机尤其明显。 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（FrontEndProcessor，FEP）来完成通信工作，而让中心计算机集中更多时间专门理，这样可显著提高效率；另一方面，在终端比较集中的区域设置线路集中器（C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，从而线路的利用率，降低了通信费用。典型的结构如图1-2所示。 典型应用是由一台计算机和全美范围内2000多个终端组成的飞机订票系统台计算机的外部设备包括显示器和键盘，但无CPU和内存。当时，人们把计算机“以传输信息为目的而连接起来，实现远程信息处理或进一步达到资源共享的系自的通信系统已具备了网络的雏形。 2）第二阶段：形成阶段（以通信子网为中心的主机互联） 第二阶段是从20世纪60年代由美国国防部高级研究计划局协助开发的A]分组交换技术开始的。ARPANET是计算机网络技术发展中的一个里程碑，它进网络技术发展和理论体系的形成起到了重要的推动作用，并为Internet的形成的基础。 **阶段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。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，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。主机（Host）之间不是直接用线路相连，而是由接口报文处理机（Interface Message Processor，IMP）转接后互联的，IMP和它们之间互联的通信线路一起负责主机间的通信任务，构成通信子网。通信子网互联的主机负责运行程序，提供资源共享，组成资源子网。 3）第三阶段：互联互通阶段（具有层次化体系结构的标准化网络） 第三阶段是从20世纪70年代中期开始，人们在广泛使用二代网络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，即不必熟悉所需要资源的具体地理位置，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，借助通信系统连接的多个计算机的集合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以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。ARPANET后的计算机网络发展迅猛，各大计算机公司相继推出了自己的网络体系结构及实现这些结构的软硬件产品，例如，IBM公司的SNA（System Network Architecture）和DEC公司的DNA（Digital Network Architecture）。但由于没有统一的标准，不同厂商的产品之间互联很困难，人们迫切需要一种开放性的标准化实用网络环境，这样两种国际通用的*重要的体系结构应运而生，即TCP/IP体系结构和国际标准化组织（ISO）的OSI/RM体系结构。 4）第四阶段：高速、智能的网络技术阶段（新一代计算机网络） 20世纪90年代开始的第四代计算机网络由于局域网技术发展成熟，出现光纤及高速网络技术、多媒体网络和智能网络等，整个网络就像一个对用户透明的大的计算机系统，这个阶段*富有挑战性的话题是Internet应用技术、无线网络技术、对等网络技术与网络安全技术等，这一阶段的标志性成果主要表现在以下方面： （1）E-mail、FTP、TELNET等展现出计算机网络广阔的应用前景，NSFNET允许商业应用加速了Internet形成的速度，Web技术的出现促进了电子商务、电子政务、远程医疗与远程教育应用的发展，全球信息高速公路的建设与大规模的用户接入使互联网进入高速发展阶段； （2）移动IP技术与无线通信技术的研究为移动互联网的发展奠定了技术基础，移动通信网与互联网业务的融合为移动互联网开辟了广阔的发展空间，智能手机、平板电脑等移动终端与可穿戴计算设备的应用促进了移动网络应用的快速发展。 物理世界与网络世界融合的需求促进了物联网概念的形成，感知技术、智能技术的应用为物联网的发展奠定了坚实的基础，物联网为计算机网络技术提供了更大的发展空间，如果说互联网的作用是扩大了信息社会人与人之间信息共享的广度，移动互联网的作用是扩大了信息共享的深度和灵活性，那么物联网则是利用传感器与射频标签等感知技术，将人与人的互联扩大到人与物、物与物的互联，使人类对外部世界具有更全面的感知能力、更广泛的互联互通能力和更智慧的处理能力。 1.1.2计算机网络的未来趋势 计算机网络技术的所有前沿研究正在不断取得进展，包括部署更快的路由器和在接入网与网络主干中提供更高的传输速率等。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。下列进展值得特别关注。 2000年开始，人们见证了家庭宽带因特网接入的积极部署一不仅有电缆调制解调器和DSL，还有光纤到户。这种高速因特网为丰富的视频应用创造了条件，包括用户生成视频的分发（如bmbm）、各类网络视频API（如爱奇艺、优酷等）和视频会议（如腾讯会议、钉钉等）。 高速公共Wi-Fi网络和经过4G/5G蜂窝电话网的因特网接入越来越普及，不仅使在运动中保持持续连接成为可能，也产生了新型特定位置应用（如大众点评、美团等）。2011年，与因特网连接的无线设备数量超过了有线设备数量。高速无线接入为手持计算机的迅速发展提供了舞台。 在我国极为流行的微信、新浪微博和国外的Instagram、Twitter，这样的在线社交网络已经在因特网之上构建了巨大的人际网络。这些社交软件，广泛用于发送消息以及照片和生活日常分享。许多因特网用户今天主要“生活”在一个或多个社交网络中。通过他们的API，在线社交网络为新的联网应用创建了平台。 许多商务公司在“云”中运行它们的应用，许多大学也已经将它们的因特网应用迁移到云中，人们在家中和办公室访问计算机设施，就像使用水和电那样容易。“网络中心”更加普遍，因特网是一个无处不在的、总是运行的、总是可用的网络，即在任何时间（Anytime）、任何地方（Anywhere）通过任何连接将任何信息（Any Connection Leading to Any Information）、任何服务提供给任何人（Any Service for Anybody）。 1.2计算机网络的定义、组成与分类 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多种不同的定义，这是由受不同发展时期的限制和侧重点不同所致，虽然计算机网络的精确定义并未统一，但定义中的核心内容是一致的。现将这一定义给出：用通信线路将分散在不同地理位置的独立自治的计算机系统相互连接，并按网络协议进行数据通信和实现资源共享的计算机集合，称为计算机网络，并具有以下主要特征。 （1）组建计算机网络的主要目的是实现计算机资源的共享和信息交互：计算机资源主要是指在有限时间内为用户提供服务的设备，包括软件、硬件和数据资源，网络用户不仅可以使用本地计算机资源，也可以通过网络访问远程计算机资源，还可以调用网络中多台计算机协同完成一项任务； （2）联网计算机系统是相互独立的自治计算机系统：“独立自治”是指网络中的计算机之间无明显的主从关系，任何一台计