第一章 计算机网络概论

目录

• • • 一、计算机网络的形成和发展
    • • • 1.早期的计算机网络
        • 2.现代算机网络的发展
        • 3.计算机网络标准化阶段
        • 4.微型机局域网的发展时期
        • 5.国际特网的发展时期
    • 二、计算机网络的分类和应用
    • • 1.计算机网络的分类
      • 2.计算机网络的应用
    • 三、计算机网络体系结构
    • • • 1.计算机网络的功能特性
        • 2.开放系统互连参考模型的基本概念
        • 1.应用层
        • 2.表示层
        • 3.会话层
        • 4.传输层
        • 5.网络层
        • 6.数据链路层
        • 7.物理层
    • 四、几种商用网络的体系结构
    • 五、OSI协议集

一、计算机网络的形成和发展

1.早期的计算机网络

（1）自从有了计算机，就有了计算机技术与通信技术的结合。

（2） 1951 年，美国省理工学院林肯实验室就开始为美国空军设计称为 SAGE 的半自动化地面防空系统，该系统最终于1963年建成，被认为是计算机和通信技术结合的先驱。

（3）计算机通信技术最早应用于飞机订票系统SABRE-1（美国航空公司与IBM公司在20纪50年代初开始联合研究、60代初入使用）

（4）美国通用电气公司的信息服务系统则是世界上最大的商用数据处理网络，其地理范围从美国本土延伸到欧洲、澳洲和亚洲的日本。该系统于 1968 年投入运行，具有交式处理和批处理能力，由于地理范围大，可以利用时差达到资源的充分利用。

早期的计算机网络特点：

使用了多点通信线路、终端集中器以及前端处理机等现代通信技术。这些技术对以后计算机网络的发展有着深刻的影响。以多点线路连接的终端和主机间的通信建立过程，可以用主机对名终端轮询或是由各终端连接成雏菊链的形式实现。考虑到远程通信的特殊情况，对传输的信息还要按照一定的通信规程进行特别的处理。

2.现代算机网络的发展

现代意义上的计算机网络是从1969年美国国防部高研究计局(DARPA)建成的ARPAnet 实验网开始的。

ARPAnet 的主要特点是:

（1）资源共享

（2）分散控制

（3）分组交换

（4）采用专门的通信控制处理机

（5）分层的网络协议

这些特点被认为是现代计算机网络的一般特征。

3.计算机网络标准化阶段

（1）1974年，IBM 首先推出了该公司的系统网络体系结构(System Network Architecture，SNA)，为用户提供能够互连互通的成套通信产品。

（2）1975 年，DEC 公司宣布了自己的数字网络体系结构(Digital NetworkArchitecture，DNA)。

（3）1976 年，UNIVAC 宣布了该公司的分布式通信体系结构(DistributedCommunication Architecture)。

（4）1977 年，国际标准化组织(ISO)的TC97 信息处理系统技术委员会SC16分技术委员会开始手制定开放系统互连参考模型 OSI/RM。

4.微型机局域网的发展时期

（1）1972 年，Xerox 公司发明了以太网，以太网与微型机的结合使得微型机局域网得到了快的发展。在一个单位内部的微型计算机和智能设备相连接起来，提供了办公自动化的环境和信息共享的平台。

（2）1980 年2 月，IEEE 组织了一个802委员会，开始制定局域网标准。局域网的发展道路不同于广域网，局域网厂商从一开始就按照标准化、互相兼容的方式展开竞争。用户在建设自己的局域网时选择面更宽，设备更新更快。

5.国际特网的发展时期

（1）1985 年，美国国家科学基金会(NSF)利用ARPAnet 协议建立了用于科学研究和教育的骨干网络NSFnet。

（2）1990年，NSFnet代替ARPAnet 成为美国国家骨干网，并且走出了大学和研究机构进入社会。从此，网上的电子邮件、文件下载和消息传输受到越来越多人的欢迎并被广泛使用。

（3）1992 年，Internet 学会成立，该学会把Internet 定义为"组织松散的、独立的国际合作互联网络"，"通过自主遵守计算协议和过程支持主机对主机的通信"。

（4）1993年，美国伊利诺斯大学国家超级计算中心开发成功了网上浏览工具 Mosaic(后来发展成 Netscape)，使得各种信息都可以方便地在网上交流。浏览工具的实现引发了Itenet 发展和普及的高潮。上网不再是网络操作人员和科学研究人员的专利，而成为一般人进行远程通信和交流的工具。

（5）20世纪90年代后期，Internet 以惊人的高度发展，网上的机数、上网人数、网络的信息流量每年都在成倍地增长。

二、计算机网络的分类和应用

1.计算机网络的分类

（1）按照互连规模和通信方式，可以把网络分为局域网(LAN)、城域网 (MAN)和广域网(WAN)。

（2）按照使用方式，可以把网络分为校园网和企业网。

（3）按照网络服务的范围，可以分为公用网与专用网。

（4）按照网络提供的服务，可以分为通信网和信息网。

2.计算机网络的应用

计算机网络的应用涉及社会生活的各个方面。主要有以下等应用：

1.办公自动化

2.电子数据交换

3.远程教育

4.电子银行

5.证卷和期货交易

6.娱乐和在线游戏

三、计算机网络体系结构

1.计算机网络的功能特性

首先，计算机网络应该在源节点和目标节点之间提供传输线路，这种传输线路可能要经过一些中间节点。如果是远程联网，则要通过电信公司提供的公用通信线路，这些通信线路可能是地面链路，也可能是卫星链路。如果电信公司提供的通信线路是模拟的，还必须用 Modem进行信号变换，因而网络应该提供与 Modem的物理的和电气的接口。

计算机通信有一个特点，即间歇性或突发性。人们打电话时信息流是平稳而连续的，速率也不太高。然而计算机之间的通信不是这样。当用户坐在终端前思考时，线路中没有信息流过。当用户发出文件传输命令时，突然来到的数据需要迅速地发送，然后又沉默一段时间。因而计算机之间的通信链路要有较高的带宽，同时由许多节点共享高速线路，以获得合理经济的使用效率。计算机网络的设计者发明了一些新的交换技术来满足这种特殊的通信要求，例如报文交换和分组交换技术。计算机网络的功能之一是对传输的信息流进行分组，加入控制信息，并把分组正确地传送到目的地。

加入分组的控制信息主要有两种:一种是接收端用于验证是否正确接收的差错控制信息:另一种是指明数据包的发送端和接收端的地址信息。因而网络必须具有差错控制功能和寻址功能。另外，当多个节点同时要求发送分组时，网络还必须通过某种冲突仲裁过程决定谁先发送谁后发送。所有这些带有控制信息的数据包在网络中通过一个个节点正确向前传送的功能叫做数据链路控制(DLC)功能。

关于寻址功能，还有更复杂的一面。如果网络有多个转发节点，则当转发节点收到数据包时必须确定下一个转发的对象，因此每一个转发节点都要有根据网络配置和交通情况决定路由的能力。

复杂网络中的通信类似于道路系统中的交通情况，弄得不好会导致交通拥挤、阻塞、甚至完全瘫痪，所以计算机网络要有流量控制和拥塞控制功能。当网络中的通信达到一定程度时必须限制进入网络中的分组数，以免造成死锁。万一交通完全阻塞，也要有解除阻塞的办法。两个用户通过计算机网络会话时，不仅开始时要有会话建立的过程，结束时还要有会话终止的过程。同时他们之间的双向通信也需要进行管理，以确定什么时候该谁说，什么时候该谁听。一旦发生差错，该从哪儿说起。

最后，通信双方可能各有一些特殊性需要统一，才能彼此理解。例如，用户使用的终端不同，字符集和数据格式各异，甚至他们之间还可能使用某种安全保密措施，这些都需要规定统一的协议，以消除不同系统之间的差别。这样，才能保证用户使用计算机网络进行正常的通信。

由上面的介绍可知，网络中的通信是相当复杂的，涉及到一系列相互作用的功能过程。用户与远地应用程序通信的过程如下图所示。以上提到的主要功能按照顺序列在图中，用户输入的字符流按标准协议进行转换，然后加入各种控制位和顺序号用以进行会话管理，再进行分组，加入地址字段和校验字段等。上述信息经过 Modem 的变换，送入公共载波线路传送。在接收端进行相反的处理，就可得到发送的信息。值得注意的是，整个通信过程经过这样的功能分解后，得到的功能元素总是成对地出现。例如，一对 Modem，一对数据链路控制元素等。每一对功能元素互相通信，它们之间的协议不涉及相邻层次的功能。例如，一对 Modem之间的对话不涉及传输线路的细节，也不必了解它们传输的比特流的意义。而数据链路控制功能则与 Modem 的调制与解调功能无关，也与数据中信息字段的内容无关，DLC 元素的作用只是把数据帧从发送节点正确地传送到接收节点。这样，把一对功能元素从整个功能过程中孤立出来，就形成了分层的体系结构。

可以把这些功能层按作用范围分类。Modem和数据链路控制功能是相邻节点间的作用，与同一线路上的其他节点无关;

协议转换、会话管理和打包/拆包功能涉及到一对端节点，与端节点之间的转发节点无关。寻址和路由功能则涉及多个节点，完成这样的功能要考虑到网络中所有节点，以便数据包可以沿着一条最佳线路逐个节点地向前传送，最后到达目的地。也可以从另一个角度看待这种分层结构，寻址一路由一-数据分组之上的功能层次对端用户隐藏了通信网络的细节，因而这些功能层次叫做高层功能，它们下边的功能层次叫做低层功能。这样的功能分解与上图中把整个计算机网络划分为资源子网和通信子网是一致的。

事实上，情况远不是如此简单。

首先，有些功能会出现在一个以上的层次。例如，多路复用功能，即几个信息流交叉地通过同一线路的功能，会出现在数据链路控制过程中，也会出现在公共载波传输系统中。

其次，几个端用户可能会多路访问同一通路，当一个用户的数据包从端节点出发进入更下面的功能层次时，就存在选择在哪一层与其他用户的信息流合并的问题。问题的复杂性还在于同一节点中的层次之间还有控制信息的通信。例如在一个中间节点上，路由功能必须给 DLC 功能提供地址，以便 DLC 能把数据包转发到适当的中间节点上。

还需指出的是，有些功能层可能很简单，甚至完全没有。例如，在局域网中，就不需要路由功能:对于租用线路，则没有物理层。

用"接口"来描述相邻层之间的相互作用。在两个相邻层之间，下层为上层提供服务，上层利用下层提供的服务实现规定给自己的功能，这种服务和被服务的关系就是所说的接口关系。例如，Modem和DLC 之间必须按规定的电气接口相互作用;用户程序和网络之间也应规定统一的接口关系，以便于程序的移植。

至此，已引入了功能层次的概念。对等层之间按规定的协议通信，相邻层之间按接口关系提供服务和接受服务。把实现复杂的网络通信过程的各种功能划分成这样的层次结构，就是网络的分层体系结构。

2.开放系统互连参考模型的基本概念

所谓开放系统，是指遵从国际标准的、能够通过互连而相互作用的系统。显然，系统之间的相互作用只涉及系统的外部行为，而与系统内部的结构和功能无关。因而，关于互连系统的任何标准都只是关于系统外部特性的规定。

1979年，ISO公布了开放系统互连参考模型(OSI/RM)。

1979年，CCITT认可并采纳了这一国际标准的建议文本(称为 X.200)。

OSI/RM为开放系统互连提供了一种功能结构的框架，ISO7498文件对它作了详细的规定和描述。

OSI/RM是一种分层的体系结构。从逻辑功能看，每一个开放系统都是由一些连续的子系统组成，这些子系统处于各个开放系统和分层的交叉点上，一个层次由所有互连系统的同一行上的子系统组成。例如，每一个互连系统逻辑上是由物理电路控制子系统、分组交换子系统和传输控制子系统等组成，而所有互连系统中的传输控制子系统共同形成了传输层。

分层的目的：

（1）复杂的问题进行分解处理

（2）保持层次之间的独立性

OSI/RM 用抽象的服务原语说明一个功能层提供的服务，这些服务原语采用了过程调用的形式。服务可以看作是层间的接口，OSI只为特定层协议的运行定义了所需的原语和参数，而互连系统内部层次之间的局部流控所需的原语和参数，以及层次之间交换状态信息的原语和参数都不包括在 OSI服务的定义之中。

服务分为面向连接的服务和无连接的服务。对于面向连接的服务,有4种形式的服务原语即请求原语、指示原语、响应原语和确认原语。

OSI/RM的网络体系结构如下图所示，下面简要说明OSI/RM七层协议的主要功能。

1.应用层

这是OSI的最高层。这一层的协议直接为端用户服务，提供分布式处理环境。应用层管理开放系统的互连，包括系统的启动、维持和终止，并保持应用进程间建立连接所需的数据记录其他层都是为支持这一层的功能而存在的。

一个应用是由一些合作的应用进程组成的，这些应用进程根据应用层协议互相通信。应用进程是数据交换的源和宿，也可以被看作是应用层的实体。应用进程可以是任何形式的操作过程，例如，手工的、计算机化的或工业和物理过程等。这一层协议的例子有在不同系统间传输文件的协议、电子邮件协议和远程作业录入协议等。

2.表示层

表示层的用途是提供一个可供应用层选择的服务的集合，使得应用层可以根据这些服务功能解释数据的涵义。表示层以下各层只关心如何可靠地传输数据，而表示层关心的是所传输数据的表现方式、它的语法和语义。表示服务的例子有统一的数据编码、数据压缩格式和加密技术等。

3.会话层

会话层支持两个表示层实体之间的交互作用。它提供的会话服务可分为如下两类。

(1)把两个表示实体结合在一起，或者把它们分开，这叫会话管理。

(2)控制两个表示实体间的数据交换过程。例如，分段、同步等，这一类叫会话服务。通过计算机网络的会话和人们打电话不一样，更和人们当面谈话的情况不一样。对话的管理包括决定该谁说，该谁听。长的对话(例如传输一个长文件)需要分段，一段一段地进行如果一段传错了，可以回到分界限的地方重新传输。所有这些功能都需要专门的协议支持。

4.传输层

传输层在低层服务的基础上提供一种通用的传输服务。会话实体利用这种透明的数据传输服务而不必考虑下层通信网络的工作细节，并使数据传输能高效地进行。传输层用多路复用或分流的方式优化网络的传输效率。当会话实体要求建立一条传输连接时，传输层要求建立一个对应的网络连接。如果要求较高的吞吐率，传输层可能为其建立多个网络连接;如果要求的传输速率不是很高，单独创建和维持一个网络连接不合算，则传输层就可考虑把几个传输连接多路复用到一个网络连接上。这样的多路复用和分流对传输层以上是透明的。传输层的服务可以提供一条无差错按顺序的端到端连接，也可能提供不保证顺序的独立报文传输，或多目标报文广播。这些服务可由会话实体根据具体情况选用。传输连接在其两端进行流量控制，以免高速主机发送的信息流淹没低速主机。传输层协议是真正的源端到目标端的协议，它由传输连接两端的传输实体处理。传输层下面的功能层协议都是通信子网中的协议。

5.网络层

网络层的功能属于通信子网，它通过网络连接交换传输层实体发出的数据。网络层把上层来的数据组织成分组在通信子网的节点之间交换传送。交换过程中要解决的关键问题是选择路径，路径既可以是固定不变的，也可以是根据网络的负载情况动态变化的。另外一个要解决的问题是防止网络中出现局部的拥挤或全面的阻塞。此外，网络层还应有记账功能，以便根据通信过程中交换的分组数(或字符数、位数)收费。当传送的分组跨越一个网络的边界时，网络层应该对不同网络中分组的长度、寻址方式、通信协议进行变换，使得异构型网络能够互联互通。

6.数据链路层

数据链路层的功能是建立、维持和释放网络实体之间的数据链路，这种数据链路对网络层表现为一条无差错的信道。相邻节点之间的数据交换是分帧进行的，各帧按顺序传送，并通过接收端的校验检査和应答保证可靠地传输。数据链路层对损坏、丢失和重复的帧应能进行处理，这种处理过程对网络层是透明的。相邻节点之间的数据传输也有流量控制的问题，数据链路层把流量控制和差错控制合在一起进行。两个节点之间传输数据帧和发回应答帧的双向通信问题要有特殊的解决办法，有时由反向传输的数据帧"捎带"应答信息，这是一种极巧妙而又高效率的控制机制。

7.物理层

物理层规定通信设备机械的、电气的、功能的和过程的特性，用以建立、维持和释放数据链路实体间的连接。

四、几种商用网络的体系结构

1. SNA
2. X.25
3. Novell NetVare

五、OSI协议集

下面是对应 OSI参考模型7个功能层次的各种协议。