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1、计算机网络计算机网络) )第一章计算机网络概述计算机网络是计算机技术和通信技术紧密相结合的产物，它涉及到通信与计算机两个领域。它的诞生使计算机体系结构发生了巨大变化，在当今社会经济中起着非常重要的作用，它对人类社会的进步做出了巨大贡献。现在，计算机网络已经成为人们社会生活中不可缺少的一个重要基本组成部分，计算机网络应用已经遍布各个部门领域。从某种意义上讲，计算机网络的发展水平不仅反映了一个国家的计算机科学和通信技术水平，而且已经成为衡量其国力及现代化程度的重要标志之一。1.1计算机网络的产生与发展计算机网络的发展过程是从简单到复杂、从单机到多机、由终端与计算机之间的通信，演变到计算机与计算机之
2、间的直接通信的过程。其发展经历了四个阶段：联机系统阶段、互联网络阶段、标准化网络阶段、网络互连与高速网 阶段。1.1.1 联机系统阶段计算机与通信的结合始于 20 世纪 50 年代。1954 年，人们制造出了一种终端设备，它能够将穿孔卡片上的数据从电话线上发送到远地计算机上，这种终端设备被称为收发器（Transceiver） 。此后，电传打字机开始作为远程终端和计算机相连，用户可在远地的电传打字机上将自己的程序键入到计算机中，计算机算出的结果又可从计算机传送到电传打字机上打印出来。这种简单的“终端通信线路计算机”系统，就是计算机网络的雏形，即计算机网络的第一阶段。第一阶段计算机网络的基本结构是
3、：一台中央主计算机连接大量的、在物理位置上处于分散的终端设备构成的系统，系统中除主计算机具有独立的处理数据的功能外，系统中所连接的终端设备均无独立处理数据的功能。第一阶段的计算机网络系统实质上就是联机多用户系统，是面向终端的计算机通信。联机系统中的中心计算机与远程终端的通信当时只能利用公用电话系统。而利用电话线传输计算机与远程终端发出的信号，就必须要经过数据转换，因为计算机和远程终端发出的数据信号都是数字信号，而公用电话系统的传输系统只能传输模拟信号。实现两种信号转换的设备是调制解调器（Modem） 。调制解调器的作用就是：在通信前，先把从计算机或远程终端发出的数字信号转换成可以在电话线上传送
4、的模拟信号；通信后再将被转换的信号进行复原。由于计算机内的传输是并行传输，而通信线路上的传输是串行传输，所以，在计算机和远程终端相连时必须有一个接口设备，其作用是进行串行和并行传输的转换，以及进行简单的传输差错控制，这就是线路控制器（Line Controller） 。最初，一个线路控制器只能和一条通信线路相连，这种模式的联机系统如图 1.1 所示。然而，随着联机系统内远程终端的数量增加，系统中主计算机内要使用多个线路控制器，为了避免这种情况的发生，60 年代初研制生产出了多重线路控制器（Multilane Controller） 。一个线路控制器可以和多个远程终端相连接，多重线路控制器模式的
5、联机系统如图1.2 所示。在计算机通过线路控制器与远程终端直接相连的系统中，计算机既要进行数据处理，又要承担各终端间的通信，主计算机负荷加重，实际工作效率下降；而且分散的终端都要单独占用一条通信线路，通信线路利用率低，费用高，为此就在系统的主计算机前增设一个前端处理机 FEP（Front End Processor）或通信控制器CCU（Communication Control Unit） ，这些设备用来专门负责通信工作，从而实现了数据处理与通信控制的分工，更好地发挥中心计算机的数据处理能力，如图 1.3 所示。为了进一步节省通信费用，提高通信效率，在终端比较集中的地方设置集中器 C（Conc
6、entrator）或多路复用器把终端发来的信息收集起来，装配成用户的作业信息存入集中器或多路复用器中，然后再用高速线路将数据信息传给前端处理机，最后提交给主机。当主机把信息发给用户时，信息经前端处理机、集中器最后分发给用户，从而进一步提高了通信效率。如图 1.4 所示。1.1.2 计算机互联网络阶段60 年代中期，英国国家物理实验室 NPL 的戴维斯（Davies）提出了分组（Packer）的概念，1969 年美国的分组交换网 ARPA 网投入运行，从而使计算机网络通信方式由终端与计算机之间的通信，发展到计算机与计算机之间的直接通信。从此，计算机网络的发展就进入了一个崭新时代。早期的系统中只有
7、一个计算机处理中心，各终端通过通信线路共享主计算机的硬件和软件资源。计算机与计算机通信的计算机网络系统，呈现出的是多个计算机处理中心的特点，各计算机通过通信线路连接，相互交换数据、传送软件，实现了连接的计算机之间的资源共享。单个主计算机为中心的网络和以多计算机为中心的网络的逻辑结构如图 1.5 所示。1.1.3 标准化网络阶段计算机网络系统是非常复杂的系统，计算机之间相互通信涉及到许多复杂的技术问题，为实现计算机网络通信，实现网络资源共享，计算机网络采用的是对解决复杂问题的十分有效的分层解决问题的方法。1974 年，美国 IBM 公司公布了它研制的系统网络体系结构SNA（System Netw
8、ork Architecture） 。不久，各种不同的分层网络系统体系结构相继出现。对各种体系结构来说，同一体系结构的网络产品互连是非常容易实现的，而不同系统体系结构的产品却很难实现互连。但社会的发展迫切要求不同体系结构的产品都能够很容易地得到互连，人们迫切希望建立一系列的国际标准，渴望得到一个“开放”系统。为此，国际标准化组织 ISO（International Standards Organization）于 1977 年成立了专门的机构来研究该问题，在 1984 年正式颁布了“开放系统互连基本参考模型” （Open System Interconnection Basic Referen
9、ce Model）的国际标准 OSI，这就产生了第三代计算机网络。1.1.4 网络互连与高速网络进入 90 年代，计算机技术、通信技术以及建立在互连计算机网络技术基础上的计算机网络技术得到了迅猛的发展。特别是 1993 年美国宣布建立国家信息基础设施 NII（National Information Infrastructure）后，全世界许多国家纷纷制订和建立本国的NII，从而极大地推动了计算机网络技术的发展。使计算机网络进入了一个崭新的阶段，这就是计算机网络互连与高速网络阶段。目前，全球以 Internet 为核心的高速计算机互联网络已经形成，Internet已经成为人类最重要的、最大的知
10、识宝库。网络互连和高速计算机网络就成为第四代计算机网络。1.2 计算机网络的概念1.2.1 计算机系统计算机系统是由软件系统和硬件系统组成的。图 1.6 就反映了计算机硬件与软件之间的关系。其中，系统硬件资源主要包括中央处理器 CPU、存储器和输入输出设备。紧挨着硬件层的软件是操作系统，不同类型的操作系统与不同规格的计算机硬件结合，构造出不同类型的计算机系统。从类型上看，操作系统分单用户操作系统、联机多用户操作系统和网络操作系统。其中联机多用户操作系统又分多道批处理操作系统、分时操作系统、实时操作系统。操作系统不同，其功能特点也不同。1.2.2 联机多用户系统从本质上讲，在联机多用户系统中，不
11、论主机上连接多少个计算机终端或计算机，主机与其连接的计算机终端或计算机之间都是支配与被支配的关系。传统的联机多用户系统，都是由一台中央处理机、多个联机终端以及一个多用户操作系统组成的。在多用户系统中，终端不具备单独的数据处理能力。以分时系统为例，终端是靠 CPU把系统的一部分主存分给终端用户，并且通过使用 CPU 为每个用户划分的时间片来执行用户的应用程序。随着计算机科学的发展、微型计算机的诞生，具有相当数量的多用户系统，中央处理机联机所使用的终端，其本身是具有单独数据处理能力的计算机。我们把这种具有单独数据处理能力的、连接在多用户系统中的计算机称作智能终端。在连接有智能终端的多用户系统中，由
12、于智能终端本身是一个独立的计算机，它们各具有一套独立的计算机系统，所以，在没有通过主机启动多用户操作系统的情况下，智能终端可直接启动支持自身 CPU 的操作系统进行工作。这时虽然智能终端是连接在多用户系统主机上的，但它与多用户系统没有丝毫关系，而是以一立的计算机身份进行工作的。也就是说智能终端中的资源不能被主机共享，同样主机的资源也不能被智能终端共享。总之，在多用户系统中，终端仅仅是系统中的输入、输出设备。换言之，在多用户系统中不存在主机与终端共享资源的问题。图 1.7 描述了一个连接四个终端的分时系统。系统中每个终端分享一台通常称之为主机的计算机资源，而主机，即使是最大型的主机，其存储器、速
13、度及所能负担的终端数量都是有限的，每个终端都能够分享到一部分计算机资源。系统中所连接的终端越多，每个用户使用机器的机会就越少。如果打算给主机增加一批终端，主机就必须有足够的容量才能负担这么多终端。否则，就只有换用更大的主机。1.2.3 网络系统现代网络系统是建立在分组交换技术基础上的计算机网络系统。网络系统是由网络操作系统、用以组成计算机网络的多台计算机以及各种通信设备构成的。在计算机网络系统中，每台计算机是独立的，任何一台计算机都不能干预其他计算机的工作，任何两台计算机之间没有主从关系。所以，我们把计算机网络定义为：凡将物理位置不同、并具有独立功能的多个计算机系统通过通信设备和线路连接起来、
14、以功能完善的网络软件实现网络中资源共享的系统，称之为计算机网络系统。其中，资源共享是指在网络系统中的各计算机用户均能享受网内其他各计算机系统中的全部或部分资源。图 1.8 所示系统是一个连接了三台计算机、两台打印机、一个磁盘存储系统的早期的计算机网络系统。由于网络系统不是以一台大型的主计算机为基础，而是以许多独立的计算机为基础，它们各自不仅拥有属于自己的打印机、磁盘驱动器及操作系统、应用软件，而且所有这些计算机相互之间还能够传送信息，共享资源（打印机、磁盘系统） 。图 1.8 所示网络系统中的三台计算机全可以独立使用，并可以使用网络系统中的所有外部设备，互相之间可发送信息、交换程序和数据。计算
15、机网络系统与联机分时多用户系统特性比较如表 1.1 所示。1.2.4 分布式计算机系统分布式计算机系统与计算机网络系统在计算机硬件连接、系统拓扑结构和通信控制等方面基本都是一样的，它们都具有通信和资源共享的功能。但它们之间有一点非常重要的区别，这就是：分布式计算机系统是在分布式计算机操作系统支持下，进行分布式数据库处理和各计算机之间的并行计算工作，也就是说各互连的计算机可以互相协调工作，共同完成一项任务，一个大型程序可以分布在多台计算机上并行运行。而计算机网络系统是在网络操作系统支持下，实现互连的计算机之间的资源共享，计算机网络系统中的各计算机通常是各自独立进行工作的。随着网络技术的发展，计算
16、机网络系统也渐渐地或多或少地具有一些分布式计算机系统的功能。所以，也称分布式计算机系统为分布式计算机网络。总之，计算机网络是突破地理范围限制的大量计算机设备群体的集合，它们彼此用物理信道互连，并遵守共同的协议而进行数据通信（协议是计算机与计算机进行通信时，通信双方共同遵守的一组规则） ，从而实现用户对网络系统中各互连计算机设备群体的共享。计算机网络是人们彼此进行交往的工具，它能促进人们进行广泛的思想交流，促进知识迅速更新，使信息得到充分利用和实现系统资源的尽量共享。它是建立人与人之间以及这一群人与另一群人之间沟通联系的现代化通信与计算机环境。1.3 计算机网络的特点和目标计算机网络是通过通信媒体，把各个独立的计算机互相连接所建立起来的系统。它实现了计算机与计算机之间的通信和资源共享。1.3.1 网络的特点虽然各种网络系统的具体用途、系统连接结构、数据传送方式各不相同，但各种网络系统都具有一些共同的特点。1计算机之间的数据交换网络系统中各相连的计算机能相互传送数据信息，使相距很远的人之间能直接交换数据。2各计算机相对独立性网络系统中各相连计算机是
