任务2 计算机网络的使用与维护

2.1 计算机网络概述

2.1.1 计算机网络的概念与分类

1.计算机网络的概念

对“计算机网络”这个概念的理解和定义，随着计算机网络本身的发展，人们提出了各种不同的观点。早期的计算机系统是高度集中的，所有的设备安装在单独的大房间中，后来出现了批处理和分时系统，分时系统所连接的多个终端必须紧密连接主计算机。20世纪50年代中后期，许多系统都将地理上分散的多个终端通过通信线路连接到一台中心计算机上，这样就出观了第一代计算机网络。

第一代计算机网络是以单个计算机为中心的远程联机系统。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定票系统。终端指的就是一台计算机的外部设备包括CRT显示器和键盘，无GPU内存。

随着远程终端的增多，在主机前增加了前端机FEP。当时，人们把计算机网络定义为“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统”，但这样的系统己具备了通信的雏形。

第二代计算机网络是以多个主机通过通信线路互连起来，为用户提供服务，兴起于20世纪60年代后期，典型代表是美国国防部高级研究计划局协助开发的ARPAnet。

主机之间不是直接用线路相连，而是由接口报文处理机IMP转接后互连的。IMP和它们之间互连的通信线路一起负责主机间的通信任务，构成了通信子网。通信子网互连的主机负责运行程序，提供资源共享，组成了资源子网。

两个主机间通信时对传送信息内容的理解，信息表示形式以及各种情况下的应答信号都必须遵守一个共同的约定，称为协议（如TCP/IP协议），如图2-1所示。

在ARPA网中，将协议按功能分成了若干层次，如何分层，以及各层中具体采用的协议的总和，称为网络体系结构，体系结构是个抽象的概念，其具体实现是通过特定的硬件和软件来完成的。

在20世纪70年代至80年代，第二代网络得到迅猛的发展。

第二代网络以通信子网为中心。这个时期，网络概念为“以能够相互共享资源为目的互连起来的具有独立功能的计算机之集合体”，形成了计算机网络的基本概念。

第三代计算机网络是具有统一的网络体系结构并遵循国际标准的开放式和标准化的网络。

国际标准化组织ISO于1984年公布了一个网络体系结构模型，这就是开放系统互连参考模型OSI（Open System Interconnection），如图2-2所示。该模型分为七个层次，也称为OSI七层模型，公认为新一代计算机网络体系结构的基础，为普及局域网奠定了基础。

20世纪70年代后，由于大规模集成电路出现，局域网由于投资少，方便灵活而得到了广泛的应用和迅猛的发展，与广域网相比有共性，如有分层的体系结构，又有不同的特性，如局域网为节省费用而不采用存储转发的方式，而是由单个的广播信道来连接网上计算机。

第四代计算机网络从20世纪80年代末开始，局域网技术发展成熟，出现光纤、高速网络技术、多媒体、智能网络，整个网络就像一个对用户透明的大的计算机系统，发展为以Internet为代表的互联网。

现在，计算机网络可定义为：将将多个地理位置不同且具有独立工作能力的计算机系统，通过通信设备和传输媒体连接起来，由功能完善的网络软件实现硬件、软件、数据资源共享和数据通信（交换）的系统。

从定义中，可以看出计算机网络涉及三个方面的问题：

（1）至少两台计算机互连；

（2）通信设备与线路介质；

（3）网络软件，通信协议和NOS。

2.计算机网络的分类

用于计算机网络分类的标准很多，如拓扑结构，应用协议等。但是这些标准只能反映网络某些方面的特征，最能反映网络技术本质特征的分类标准是分布距离，按分布距离分为LAN、MAN、WAN，Internet。

（1）局域网（Local Area Network，LAN）。

通常用“LAN”表示局域网，这是最常见、应用最广的一种网络。现在局域网随着整个计算机网络技术的发展和提高得到充分的应用和普及，几乎每个单位都有自己的局域网，有的甚至家庭中都有自己的小型局域网。很明显，所谓局域网，那就是在局部地区范围内的网络，它所覆盖的地区范围较小。局域网在计算机数量配置上没有太多的限制，少的可以只有两台，多的可达几百台，如图2-3所示。一般来说在企业局域网中，工作站的数量在几十到两百台左右。在网络所涉及的地理距离上，一般来说可以是几米至10km以内。局域网一般位于一个建筑物或一个单位内，不存在寻径问题，不包括网络层的应用。

这种网络的特点是：连接范围窄、用户数少、配置容易、连接速率高。目前局域网最快的速率要算现今的10Gbps以太网了。IEEE的802标准委员会定义了多种主要的LAN网：以太网（Ethernet）、令牌环网（Token Ring）、光纤分布式接口网络（FDDI）、异步传输模式网（ATM）以及最新的无线局域网（WLAN）。这些都将在后面详细介绍。

（2）城域网（Metropolitan Area Network，MAN）。

这种网络一般来说是在一个城市，但不在同一地理小区范围内的计算机互连。这种网络的连接距离可以在10～100km，它采用的是IEEE802.6标准。MAN与LAN相比扩展的距离更长，连接的计算机数量更多，在地理范围上可以说是LAN网络的延伸。在一个大型城市或都市地区，一个MAN网络通常连接着多个LAN网。如连接政府机构的LAN、医院的LAN、电信的LAN、公司企业的LAN等。由于光纤连接的引入，使MAN中高速的LAN互连成为可能。

城域网多采用ATM技术做骨干网。如图2-4所示，ATM是一个用于数据、语音、视频以及多媒体应用程序的高速网络传输方法。ATM包括一个接口和一个协议，该协议能够在一个常规的传输信道上，在比特率不变及变化的通信量之间进行切换。ATM也包括硬件、软件以及与ATM协议标准一致的介质。ATM提供一个可伸缩的主干基础设施，以便能够适应不同规模、速度以及寻址技术的网络。ATM的最大缺点就是成本太高，所以一般在政府城域网中应用，如邮政、银行、医院等。

（3）广域网（Wide Area Network，WAN）。

这种网络也称为远程网，如图2-5所示，所覆盖的范围比城域网（MAN）更广，它一般是在不同城市之间的LAN或者MAN网络互连，地理范围可从几百千米到几万千米。因为距离较远，信息衰减比较严重，所以这种网络一般是要租用专线，通过IMP（接口信息处理）协议和线路连接起来，构成网状结构，解决循径问题。这种城域网因为所连接的用户多，总出口带宽有限，所以用户的终端连接速率一般较低，通常为9.6Kbps～45Mbps，如原邮电部的CHINANET，CHINAPAC和CHINADDN网。

（4）互联网（Internet）。

在互联网应用如此发展的今天，它已是我们每天都要打交道的一种网络，无论从地理范围，还是从网络规模来讲它都是最大的一种网络，也就是我们常说的“Web”、“WWW”和“万维网”等多种叫法。从地理范围来说，它可以是全球计算机的互连，这种网络的最大的特点就是不定性，整个网络的计算机每时每刻随着人们网络的接入在不变的变化。当您连在互联网上的时候，您的计算机可以算是互联网的一部分，但一旦断开互联网的连接，您的计算机就不属于互联网了。但它的优点也是非常明显的，就是信息量大，传播广，无论你身处何地，只要连上互联网，你就可以对任何联网的用户发出你的信函和广告。由于这种网络的复杂性，所以这种网络的实现技术也是非常复杂的。

2.1.2 计算机网络的发展与现状

计算机网络近年来获得了飞速的发展。20年前，在我国很少有人接触过网络。现在，计算机通信网络以及Internet已成为我们社会结构的一个基本组成部分。网络被应用于工商业的各个方面，包括电子银行、电子商务、现代化的企业管理、信息服务业等都以计算机网络系统为基础。从学校远程教育到政府日常办公乃至现在的电子社区，很多方面都离不开网络技术。可以不夸张地说，网络在当今世界无处不在。

1997年，在美国拉斯维加斯的全球计算机技术博览会上，微软公司总裁比尔·盖茨先生发表了著名的演说。在演说中，“网络才是计算机”的精辟论点充分体现出信息社会中计算机网络的重要基础地位。计算机网络技术的发展越来越成为当今世界高新技术发展的核心之一。

网络的发展也是一个经济上的冲击。数据网络使个人化的远程通信成为可能，并改变了商业通信的模式。一个完整的用于发展网络技术、网络产品和网络服务的新兴工业已经形成，计算机网络的普及性和重要性已经导致在不同岗位上对具有更多网络知识的人才的大量需求。企业需要雇员规划、获取、安装、操作、管理那些构成计算机网络和Internet的软硬件系统。另外，计算机编程已不再局限于个人计算机，而要求程序员设计并实现能与其他计算机上的程序通信的应用软件。

计算机网络发展的阶段划分在20世纪50年代中期，美国的半自动地面防空系统（Semi-Automatic Ground Environment，SAGE）开始了计算机技术与通信技术相结合的尝试，在SAGE系统中把远程距离的雷达和其他测控设备的信息经由线路汇集至一台IBM计算机上进行集中处理与控制。世界上公认的、最成功的第一个远程计算机网络是在1969年，由美国高级研究计划署（Advanced Research Projects Agency，ARPA）组织研制成功的。该网络称为ARPANET，它就是现在Internet的前身。

随着计算机网络技术的蓬勃发展，计算机网络的发展大致可划分为4个阶段。

第一阶段：诞生阶段。20世纪60年代中期之前的第一代计算机网络，是以单个计算机为中心的远程联机系统。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定票系统。终端是一台计算机的外部设备包括显示器和键盘，无CPU和内存。随着远程终端的增多，在主机前增加了前端机（FEP）。当时，人们把计算机网络定义为“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统”，但这样的通信系统已具备了网络的雏形。

第二阶段：形成阶段。20世纪60年代中期至70年代的第二代计算机网络，是以多个主机通过通信线路互连起来，为用户提供服务，兴起于20世纪60年代后期，典型代表是美国国防部高级研究计划局协助开发的ARPANET。主机之间不是直接用线路相连，而是由接口报文处理机（IMP）转接后互连的。IMP和它们之间互连的通信线路一起负责主机间的通信任务，构成了通信子网。通信子网互连的主机负责运行程序，提供资源共享，组成了资源子网。这个时期，网络概念为“以能够相互共享资源为目的互连起来的具有独立功能的计算机之集合体”，形成了计算机网络的基本概念。

第三阶段：互连互通阶段。20世纪70年代末至90年代的第三代计算机网络，是具有统一的网络体系结构并遵循国际标准的开放式和标准化的网络。ARPANET兴起后，计算机网络发展迅猛，各大计算机公司相继推出自己的网络体系结构及实现这些结构的软、硬件产品。由于没有统一的标准，不同厂商的产品之间互连很困难，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最重要的体系结构就应运而生了，即TCP/IP体系结构和国际标准化组织的OSI体系结构。

第四阶段：高速网络技术阶段。20世纪90年代末至今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，智能网络，整个网络就像一个对用户透明的大的计算机系统，发展为以Internet为代表的互联网。

从计算机网络应用来看，网络应用系统将向更深和更宽的方向发展。首先，Internet信息服务将会得到更大发展。网上信息浏览、信息交换、资源共享等技术将进一步提高速度、容量及信息的安全性。

其次，远程会议、远程教学、远程医疗、远程购物等应用将逐步从实验室走出，不再只是幻想。网络多媒体技术的应用也将成为网络发展的热点话题。未来将是一个网络无处不在的世界，任何东西都可以进行网络互连，我们可以在我们能够达到的任何地方，对我们想要了解的任何东西进行搜索和远程控制。

2.1.3 计算机网络的技术与质量指标

计算机网络的性能与指标很多，下面仅介绍几个常用的主要参数。

（1）比特。比特（bit），是计算机中数据量的单位，也是信息论中使用的信息量的单位。bit来源于binary digit，意思是一个“二进制数字”，因此一个比特就是二进制数字中的一个1或0。

（2）速率即数据率。速率即数据率（data rate）或比特率（bit rate），是计算机网络中最重要的一个性能指标。速率的单位是b/s，或kb/s、Mb/s、Gb/s等。速率往往是指额定速率或标称速率。

（3）“带宽”。“带宽”（bandwidth），本来是指信号具有的频带宽度，单位是赫（Hz），或kHz、MHz、GHz。现在“带宽”是数字信道所能传送的“最高数据率”的同义语，单位是“比特每秒”（b/s、bit/s），或kb/s、Mb/s、Gb/s等。

（4）吞吐量。吞吐量（throughput），表示在单位时间内通过某个网络（或信道、接口）的数据量。吞吐量更经常用于对现实世界中的网络的一种测量，以便知道实际上到底有多少数据量能够通过网络。吞吐量受网络的带宽或网络的额定速率的限制。