第4章 计算机网络与Internet
- [4.1 计算机网络概述](#4.1 计算机网络概述)
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- [4.1.1 计算机网络的定义](#4.1.1 计算机网络的定义)
- [4.1.2 计算机网络的发展](#4.1.2 计算机网络的发展)
- [4.1.3 计算机网络的功能](#4.1.3 计算机网络的功能)
- [4.1.4 计算机网络体系结构和TCP/IP 参考模型](#4.1.4 计算机网络体系结构和TCP/IP 参考模型)
- [4.2 计算机网络的组成和分类](#4.2 计算机网络的组成和分类)
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- [4.2.1 计算机网络的组成](#4.2.1 计算机网络的组成)
- [4.2.2 计算机网络的分类](#4.2.2 计算机网络的分类)
- [4.3 网络传输介质和通信设备](#4.3 网络传输介质和通信设备)
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- [4.3.1 网络传输介质](#4.3.1 网络传输介质)
- [4.3.2 网络通信设备](#4.3.2 网络通信设备)
4.1 计算机网络概述
4.1.1 计算机网络的定义
计算机网络发展的不同阶段，人们因对计算机网络的理解和侧重点不同而提出了不同的定义。就目前计算机网络现状来看，从资源共享的观点出发，通常将计算机网络定义为以能够相互共享资源的方式连接起来的独立计算机系统的集合。
也就是说，将相互独立的计算机系统以通信线路相连接，按照全网统一的网络协议进行数据通信，从而实现网络资源共享。
4.1.2 计算机网络的发展
1．第一代计算机网络
第一代计算机网络又称为面向终端的计算机网络。用今天对计算机网络的定义来看，"主机---终端"系统只能称得上是计算机网络的雏形，还算不上是真正的计算机网络，但这一阶段进行的计算机技术与通信技术相结合的研究，成为计算机网络发展的基础
2．第二代计算机网络
20世纪60年代，计算机的应用日趋普及，许多部门，如工业、商业机构都开始配置大、中型计算机系统。这些地理位置上分散的计算机之间自然需要进行信息交换。这种信息交换的结果是将多个计算机系统连接，形成一个计算机通信网络，被称之为第二代网络。
其重要特征是通信在"计算机-计算机"之间进行，计算机各自具有独立处理数据的能力，并且不存在主从关系。计算机通信网络主要用于传输和交换信息，但资源共享程度不高。美国的ARPANET就是第二代计算机网络的典型代表。ARPAnet为Internet的产生和发展奠定了基础。
3．第三代计算机网络
1977年国际标准化组织ISO（InternationalStandards Organization）提出了著名的开放系统互连参考模型OSI/RM，形成了一个计算机网络体系结构的国际标准。尽管Internet上使用的是TCP/IP，但OSI/RM对网络技术的发展产生了极其重要的影响。第三代计算机的特征是全网中所有的计算机遵守同一种协议，强调以实现资源共享（硬件、软件和数据）为目的。
4．第四代计算机网络
从20世纪90年代开始，Internet实现了全球范围的电子邮件、WWW、文件传输和图像通信等数据服务的普及，但电话和电视仍各自使用独立的网络系统进行信息传输。人们希望利用同一网络来传输语音、数据和视频图像，因此提出了宽带综合业务数字网（B-ISDN）的概念。
"宽带"是指网络具有极高的数据传输速率，可以承载大数据量的传输；"综合"是指信息媒体，包括语音、数据和图像可以在网络中综合采集、存储、处理和传输。由此可见，第四代计算机网络的特点是综合化和高速化。
4.1.3 计算机网络的功能
数据通信、资源共享、提高系统的可靠性、分布处理、分散数据的综合处理
4.1.4 计算机网络体系结构和TCP/IP 参考模型
1．网络体系结构
（1）网络体系结构的定义
从网络协议的层次模型中来看，网络体系结构（Architecture）可以定义为计算机网络的所有功能层次、各层次的通信协议以及相邻层次间接口的集合。
网络体系结构中3要素分别是分层、协议和接口，可以表示为：
网络体系结构=｛分层、协议、接口｝
网络体系结构是抽象的，网络体系结构仅给出一般性指导标准和概念性框架，不包括实现的方法，其目的是在统一的原则下设计、建造和发展计算机网络。
（2）网络体系结构的分层原则
各层功能明确、接口清晰简洁、层次数量适中、协议标准化
2．TCP/IP 参考模型
伴随着Internet在全世界的飞速发展，TCP/IP的广泛应用对网络技术发展产生了重要的影响。TCP/IP参考模型分为应用层、传输层、网络互连层和网络接口层4个层次。
网络接口层：在TCP/IP参考模型中，网络接口层是TCP/IP参考模型中的最低层，负责网络层与硬件设备的联系。网络接口层是TCP/IP与各种LAN或WAN的接口。
网络互连层：网络互连层是整个TCP/IP协议的核心，对应于OSI参考模型的网络层，负责对独立传送的数据分组进行路由选择，以保证可以发送到目的主机。
传输层：在TCP/IP模型中，使源端主机和目标端主机上的对等实体进行会话属于传输层的功能。
应用层：TCP/IP模型中，应用层实现了OSI参考模型中会话层和表示层的功能。在应用层中，能够对不同的网络应用引入不同的应用层协议。
网络互连层的主要功能
- 处理互连的路径、流程与拥塞问题
- 处理来自传输层的分组发送请求
- 处理接收的数据报
4.2 计算机网络的组成和分类
4.2.1 计算机网络的组成
1．计算机系统
计算机系统是网络的基本组成部分，它主要完成数据信息的收集、存储、管理和输出的任务，并提供各种网络资源。计算机系统根据其在网络中的用途，一般分为主机和终端两部分。
主机（Host）：主机在很多时候被称为服务器（Server），它是一台高性能计算机，用于管理网络、运行应用程序和处理各网络工作站成员的信息请示等。
终端（Terminal）：终端是网络中的用户进行网络操作、实现人机对话的重要工具，在局域网中通常被称为工作站（Workstation）或者客户机（Client）。由服务器进行管理和提供服务的、连入网络的任何计算机都属于工作站，其性能一般低于服务器。个人计算机接入Internet后，在获取Internet服务的同时，其本身就成为一台Internet网上的工作站。网络工作站需要运行网络操作系统的客户端软件。
2．数据通信系统
数据通信系统是连接网络的桥梁，提供了各种连接技术和信息交换技术，其主要任务是把数据源计算机所产生的数据迅速、可靠、准确地传输到数据宿（目的）计算机或专用外设中。
从计算机网络技术的组成部分来看，一个完整的数据通信系统，一般由数据终端设备、通信控制器、通信信道和信号变换器等4个部分组成。
3．网络软件及协议
网络软件是计算机网络中不可或缺的组成部分。网络的正常工作需要网络软件的控制，如同单个计算机在软件的控制下工作一样。网络软件一方面授权用户对网络资源访问，帮助用户方便、快速地访问网络；另一方面，网络软件也能够管理和调度网络资源，提供网络通信和用户所需要的各种网络服务。
通常情况下，网络软件分为通信软件、网络协议软件和网络操作系统3个部分。
4．通信子网和资源子网
从功能上看，计算机网络主要具有完成网络通信和资源共享两大功能，为实现这两个功能，计算机网络必须具有数据通信和数据处理两种能力。因此，计算机网络可以从逻辑上被划分成两个子网，即通信子网和资源子网。
通信子网：主要负责网络的数据通信，为网络用户提供数据传输、转接、加工和变换等数据信息处理工作，由通信控制处理机（又称网络结点）、通信线路、网络通信协议以及通信控制软件组成。
资源子网：用于网络的数据处理功能，向网络用户提供各种网络资源和网络服务，主要包括通信线路（即传输介质）、网络连接设备（如网络接口设备、通信控制处理机、网桥、路由器、交换机、网关、调制解调器和卫星地面接收站等）、网络通信协议和通信控制软件等。
两者的相互关系：在局域网中，资源子网主要由网络的服务器、工作站、共享的打印机和其他设备及相关软件所组成。通信子网由网卡、线缆、集线器、中继器、网桥、路由器、交换机等设备和相关软件组成。
4.2.2 计算机网络的分类
1．按网络覆盖的地理范围分类
局域网（LAN）：将较小地理区域内的计算机或数据终端设备连接在一起的通信网络，局域网覆盖的地理范围比较小，一般在几十米到几千米之间，主要用于实现短距离的资源共享。
城域网（MAN）：城域网是一种大型的通信网络，它的覆盖范围介于局域网和广域网之间，一般为几千米至几万米，城域网的覆盖范围在一个城市内，它将位于一个城市之内不同地点的多个计算机局域网连接起来实现资源共享。
广域网（WAN）：广域网在地域上可以覆盖跨越国界、洲界，甚至全球范围。目前，Internet是现今世界上最大的广域计算机网络，它是一个横跨全球、供公共商用的广域网络。
国际互联网（Internet）：目前世界上有许多网络，而不同网络的物理结构、协议和所采用的标准也各不相同。如果连接到不同网络的用户需要进行相互通信，就需要将这些不兼容的网络通过称为网关（gateway）的机器设备连接起来，并由网关完成相应的转换功能。多个网络相互连接构成的集合称为互联网，其最常见形式是多个局域网通过广域网连接起来。
2．按服务方式分类
对等网：在对等网络中，计算机的数量通常不超过20台，所以对等网络相对比较简单。在对等网络中各台计算机有相同的功能，无主从之分，网上任意节点计算机既可以作为网络服务器为其它计算机提供资源，也可以作为工作站分享其它服务器的资源。
客户机/服务器网络：在计算机网络中，如果只有一台或者几台计算机作为服务器为网络上的用户提供共享资源，而其他的计算机仅作为客户机访问服务器中提供的各种资源，这样的网络就是客户机/服务器网络。
服务器指专门提供服务的高性能计算机或专用设备；客户机指用户计算机。客户机/服务器网络方式的特点是安全性较高，计算机的权限、优先级易于控制，监控容易实现，网络管理能够规范化。服务器的性能和客户机的数量决定了该网络的性能。
3．按网络的拓扑结构分类
计算机网络的拓扑结构指网络中的计算机或设备与传输媒介形成的结点与线的物理构成模式。网络的结点有两类：一类是转换和交换信息的转接结点，包括结点交换机、集线器和终端控制器等；另一类是访问结点，包括计算机主机和终端等。线则代表各种传输媒介，包括有形的线和无形的线。
4．按网络传输介质分类
有线网：有线传输介质指在两个通信设备之间实现的物理连接部分，能将信号从一方传输到另一方，主要有同轴电缆、双绞线和光纤。有线网则是使用这些有线传输介质连接的网络。
无线网：无线传输介质指周围的自由空间，利用无线电波在自由空间的传播可以实现多种无线通信。无线网络的特点为连网费用较高、数据传输率高、安装方便、传输距离长和抗干扰性不强等。无线网包括无线电话、无线电视网、微波通信网和卫星通信网等。
4.3 网络传输介质和通信设备
4.3.1 网络传输介质
1．有线传输介质
目前常用的计算机网络有线传输介质主要包括双绞线和光导纤维两种。
2．无线传输介质
无线传输是利用可以在空气中传播的微波、红外线、无线电波等无线介质进行传输，无线局域网就是由无线传输介质和计算机设备组成的局域网。
4.3.2 网络通信设备
1．网卡
网卡（Network Interface Card，NIC）又称网络适配器、网络卡或者网络接口卡，是以太网的必备设备。
有线网卡是指必须将网络连接线连接到网卡中，才能访问网络的网卡，主要包括PCI网卡、集成网卡和USB网卡3种类型。
无线网卡是无线局域网的无线网络信号覆盖下通过无线连接网络进行上网使用的无线终端设备。目前的无线网卡主要包括PCI网卡、USB网卡、PCMCIA网卡和MINI-PCI网卡4种类型。
2．路由器
路由器（Router）是一种连接多个网络或网段的网络设备，它能将不同网络或网段之间的数据信息进行"翻译"，使不同网段和网络之间能够相互"读懂"对方的数据，从而构成一个更大的网络。
路由器的主要工作就是为经过路由器的每个数据帧寻找一条最佳传输路径，并将该数据有效地传送到目的站点。路由器是网络与外界的通信出口，也是联系内部子网的桥梁。
3．交换机
交换机（Switch）是一种用于电信号转发的网络设备。它可以为接入交换机的任意两个网络节点提供独享的电信号通路。最常见的交换机是以太网交换机，其他常见的还有电话语音交换机、光纤交换机等。
交换机的雏形是电话交换机系统，经过发展和不断创新，才形成了如今的交换机技术。其主要功能包括以下几点。
物理编址、网络拓扑结构、错误校验、帧序列、流量控制