计算机 络 之 计算机 络概述

所谓的计算机 络，是指把地理上分散的自主计算机，通过数据通信系统连接起来，以达到资源共享目标的一种计算机系统。
所谓的自主计算机，是指具有独立处理能力的计算机。对计算机 络的一种更为简洁的定义是：一些互联的自主计算机系统的集合。
可见，计算机 络是在计算机技术和通信技术高度发展的基础上，两者相互结合的产物。一方面，通信系统为计算机之间的数据传送提供重要支持，另一方面，由于计算机技术渗透到通信领域中，又极大提高了通信 络的性能
计算机 络的发展史
计算机 络的发展经历了四个阶段：面向终端的计算机 络、分组交换 络、开放式标准化 络、Internet
面向终端的计算机 络
1954年，收发器终端出现，实现了将穿孔卡片上的数据从电话线上发送到远地的计算机。用户可在远地的电传打字机上键入自己的程序，计算机计算出来的结果从计算机传送到远地的电传打字机上打印出来。计算机 络的概念也就这样产生了，成为联机系统。如图所示，面向终端的计算机通信 中，计算机是 络的中心和控制者，终端围绕中心计算机分布在各处，呈分层星型结构，而计算机的任务是进行批处理。面向终端的计算机 络采用了多路复用器、线路集中器、前端控制器等通信控制设备连接多个终端，使昂贵的通信线路为若干个分布在同一远程地点的相近用户分时共享使用。
用一台中央主机连接大量的地理上处于分散位置的终端，构成以单个计算机为中心的远程联机系统，称为面向终端的计算机 络。
为了减轻中心计算机的负载，在通信线路和计算机之间设置了一个前端处理器FEP或通信控制器CCU（Front End Processor）（Communication Control Unit）专门负责与终端之间的通信控制，是数据处理与通信控制分开。在终端机较集中的地区，采用了集中管理器（集中器或多路复用器）用低速线路把附近群集的终端连接起来，通过MODEM及高速线路与远程中心计算机的前端机相连。这样的远程联机系统既提高了线路的利用率，又节约了远程线路的投资。
图中为以单个计算机为中心的远程联机系统
分组交换 络的出现
第二阶段计算机 络的典型代表是ARPA（Advanced Research Project Agency NET） 络。ARPA 络的建成标志着现代计算机 络的诞生。ARPA 络的实验成功是计算机 络的概念发生根本性的变化，很多有关计算机 络的基本概念都与ARPA的研究成果有关，如分组交换， 络协议，存储转发等。
分组交换 的出现是现代电信时代的开始
根据数据传送技术划分，交换 络可分为电路交换 、 文交换 、和分组交换 。
图中为交换 络的拓扑结构图。分组交换也称为包交换，她是现代计算机 络的技术基础
1）电路交换的工作原理
电路交换的三个过程
电路建立：在传输任何数据之前，要先经过呼叫过程建立一条端到端的电路，如图，若H1站要与H3站连接，典型的做法是，H1站先向与其相连的A提出请求，然后A节点在通向C节点的路径中找到下一个支路。比如选择经B节点的电路，在此电路上分配一个未用的通道，并告诉B他还要连接C节点；B在呼叫C，建立电路BC，最后，节点C完成到H3站的连接。这样A与C之间就有一条专用电路ABC，用于H1站与H3站之间的数据传输
2）数据传输：电路ABC建立以后，数据就可以从A发送到B，再由B交换到C；C也可已经B向A发送数据。在整个数据传输过程中，所建立的电路必须始终保持连接状态。
3）电路拆除：数据传输结束后，有一方（B或者C）发出拆除请求，然后逐节拆除到对方节点
（2）电路交换技术的优缺点及其特点
1）优点：数据传输可靠，迅速，数据不会丢失且保持原来的序列
2）缺点：在某些情况下，电路空闲时的通道容易被浪费，在短时间数据传输时电路建立和拆除所用的时间得不偿失。因此，它是用于系统间要求高质量的大量数据传输的情况。
3）特点：在数据传送开始之前必须先设置一条专用通路。在线路释放之前，该通路有一对用户完全占用，对于突发式的通信，电路交换效率不高。
（2） 文交换的工作原理
当端点间交换的数据具有随机性和突发性时，采用电路交换方法的缺点是信道容量和有效时间的浪费。采用 文交换则不存在这种问题。
1） 文交换原理
文交换方式的数据传输单位是 文， 文就是站点一次性要发送的数据块，其长度不限且可变。当一个站要发送 文时，他将一个目的地址附加到 文上， 络节点根据 文上的目的地址信息，将 文传送给下一个节点，一直逐个节点的传送到目的的节点。
每个节点在收到整个 文并检查无误后，就暂存这个 文，然后利用路由信息找出下一个节点的地址，再把整个 文传送给下一个节点。因此，端与端之间无需先通过呼叫建立连接。
一个 文在每个节点的延迟时间，等于接收 文所需的时间加上向下一个节点转发所需的排队延迟时间之和。
（2） 文交换的特点
1） 文从源点传送到目的地采用“存储-转发”的方式，在传送 文时，一个时刻仅占用一段通道。
2）在交换节点中需要缓冲存储， 文需要排队，故 文交换不能满足实时通信的要求
（3） 文交换的优点
1）电路利用率高。由于许多 文可以分时共享两个节点之间的通道，所以对于同样的通信量来说，对线路的传输能力要求较低。
2）在电路交换 络上，当通信量变得很大时，就不能接受新的呼叫。而在 文交换 络上，通行量很大时仍然可以接收 文，不过传送延迟会增加。
3） 文交换系统可以把一个 文发送到多个目的地，而电路交换 络很难做到这一点。
4） 文交换 络可以进行速度和代码的转换
（4） 文交换的缺点
1）不能满足实时或交互式的通信要求， 文经过 络的延迟时间长且不定
2）有世界点受到过多的数据而无空间存储或不能及时转发时，就不得不丢弃 文，而且发出的 文不按顺序到达目的地。
（3）分组交换的工作原理
分组交换是 文交换的一种改进，它将 文分成若干个分组，每个分组的长度有一个上限，有限长度的分组使得每个节点所需的存储能力降低了，分组（数据块+首部==分组）可以存储到内存中，提高了交换速度。它（分组交换）适用于交互式通信，如终端与主机通信。分组交换有虚电路分组交换、数据 分组交换两种。它（分组交换）是计算机 络中使用最广泛的一种交换技术
通常我们将发送的整块数据称为一个 文。在发送 文之前，先将较长的 文划分成一个个较小的等长数据块，例如：每个数据块为1024比特。在每一个数据块的前面，加上首部后，就构成了一个分组。分组又称为“包”，而分组的首部也可称为“包头”。分组中的首部是非常重要的，因为正是分组的首部才包含了诸如目的地址和源地址等重要的控制信息，而分组交换 只有从分组的首部才能获知应将分组发往何处。
1）虚电路分组交换原理和特点
在虚电路分组交换中，为了进行数据传输， 络节点和目的节点之间要先建立好一条逻辑通路。每个分组除了包含数据之外还包含一个虚电路标识符。在预先建好的路径上每个节点都要知道把这些分组引导到哪里去，不再需要路由选择判定。最后，由某一个站用清除请求分组来结束这次连接。他之所以是虚的，是因为这条线路不是专用的
虚电路分组交换的主要特点：在数据传送之前必须通过虚呼叫设置一条虚电路。但并不像电路交换那样有一条专用通路，分组在每个节点上仍然需要缓冲，并在线路上进行排队等待输出
2）数据 分组交换的原理与特点
数据 分组交换中，每个分组的传送时是被单独处理的。每个分组称为一个数据 ，每个数据 自身携带足够的地址信息。一个节点收到一个数据 后，根据数据 中的地址信息和节点所存储的路由信息，找出一个合适的出路，把数据 原样的发送到下一个节点。由于各数据 所走的路径不一定相同，因此不能保证各个数据 按顺序到达目的地，有的数据 甚至会中途丢失。在整个过程中，没有虚电路的建立，但要为每个数据 做路由选择。
分组交换包括虚电路分组交换和数据 分组交换
虚电路分组交换是预先建立好了传输线路
数据 分组交换是在每个分组中存储地址信息，再在每个节点进行路由选择
（4）各种数据交换技术的性能比较
1）电路交换：在数据传输之前必须先设置一条完全的通路。在线路拆除（释放之前），该通路由一对用户完全占用。对于突发式通信，电路交换效率不高
2） 文交换： 文从源点传送到目的地采用存储转发的方式， 文需要排队。因此 文交换不适合于交互式（分组交换适合于交互式通信）通信，不能满足实时通信的要求。
3）分组交换：分组交换方式和 文交换方式类似，但是 文被分成分组传送，并规定了最大长度。分组交换技术是在数据 中使用最广泛的一种交换技术，适用于交换中等或者大量数据的情况。采用存储转发的分组交换，实质上是采用了在数据通信的过程中断续分配传输带宽的策略。这对传送突发事的计算机数据非常合适，使得当发生 络拥塞或者少数节点、链路出现故障时，可以灵活地改变路由而不致引起通信的中断或全 的瘫痪。此外，通信 络的主干线路往往由一些高速链路组成，这样就能迅速的传送大量的计算机数据。
上述几种交换方法的时序图如图所示：
开放式标准化 络
第三代计算机 络
Internet的产生和发展
计算机 络的定义和分类
计算机 络的定义：将分散的多台计算机、终端和外部设备用通信线路互联起来，实现彼此间通信，并且计算机软件、硬件和数据资源大家都可以共享使用，这样一个实现了资源共享的系统叫做计算机 路
连起来–共享–从而实现资源共享的系统—-》计算机 络
一个计算机 络所具备的三个要素：计算机，通信介质（线），协议
1）计算机：至少有两台具有独立操作系统的计算机，且相互间有共享的资源
2）通信介质：两台计算机之间要有通信手段将其互联，如用双绞线、电话线、同轴电缆或光线等有线通信，也可以是用微波、卫星等无线媒体把它们连接起来
3）协议：这是关键的要素，由于不同厂家生产的不同类型的计算机，其操作系统、信息表示方法等都存在差异，他们的通信就需要遵循共同的规则和约定，如同将不同的语言的人类进行对话需要一种标准语言才能沟通。在计算机 络中需要共同遵守的规则和约定被称为 络协议，由他解释、协调和管理计算机之间的通信和相互间的操作。
计算机 络的特征
1） 络上各计算机系统相互独立。每台计算机可以运行各自的操作系统
2）各计算机的地位平等。广域 上绝对平等，局域 上基本平等，不互相干预
3）数据交换是 络的最基本的功能。各种 络资源共享都是建立在数据交换的基础上
4）资源共享是 络的最终目标。资源共享是指 络中计算机软、硬件资源及数据资源的共享
此外，数据交换的必要前提是：用通信设备和通信介质完成计算机的互联
计算机 络的分类
按照地理覆盖范围的大小，可分为广域 ，城域 ，局域
局域 ：LAN，Local Area Network
城域 ：MAN，Metropolitan Area Network
广域 ：WAN，Wide Area Network
按照 络的拓扑结构分类
计算机 络的布线方式常常抽象成规则的几何图形，即通常所说的拓扑结构
星型拓扑、环形拓扑、树形拓扑、 状型拓扑、总线型拓扑
星型拓扑：星形 络必须有一个中心节点，通过中心节点向四面辐射，所有节点间通信都要通过中心节点。
树形 络：在实际建造一个较大型的 络时，往往采用多级星型 络。而将多级星形 络按层次方式进行排列，即形成树形 络。 络的最高层是中央处理机，最低层是终端，其他各层可以是多路转换器、集中器、或者部门计算机。树形 络的特点
1）众多终端共享一条信息线路，线路利用率高
2） 络分布处理能力增强，改善了星型 的可扩充性，可靠性
3）通信费用（合理组 ）低于星型
4）结构比星星复杂，链路多，时延大
树形 络适用场合：分级管理和控制系统
（3）总线型 络
总线型 络是有一条高速共用总线通过相应的硬件接口连接点所形成的，其中一个节点是 络服务器，由他提供 络通信及资源共享服务；其他接电视 络工作站，由于只有一条信道，所以在一个时刻只能有一个站发送数据，如何解决多占争用总线的问题，是这种 络的关键所在。
总线型 络的特点：
1）广播通信方式，即一个节点发送消息，可被 络上所有节点接受
2）信道利用率高，因为多个节点共用一条传输信道
3）地理覆盖范围小，共用宗现场督长度受限，超过一定范围，要加中继器来放大信
4）建 容易，节点连到总线即可，易于控制
5）节点数增多，难以维护，主干任何一处出故障，难排除
总线型 络使用场合：局域 ，且节点很少
（4）环形 络
在环形 络中，每台入 的计算机都先连接到一个转发器上，再将所有的转发器通过高速点点式通道形成环形。 络中的信息是单向流动的，从任意源转发器所发送出去的信息，经环路传送一周后又都返回到原转发器。环形 络的特点：
1）广播通信方式：由信源站点发出的信息，沿单方向经环路一周返回，故可实现广播通信
2）传输时延确定，源站发出信息在确定的时间内到达目的站点
3）引入优先机制，可使某节点具有较高优先级，先发信息
4）可靠性差，从结构上看，一旦一个站点坏，断环，断
5）灵活性差，不论是增加或减少 络节点，都需要断开原环，造成 络中断
环形 络的适应场合：局域 ，单向传输，点到点方式，非常适合于光纤连接
（5） 状型 络
在 状 络中每个节点至少有两条链路与其他节点相连，任何一条线路出现故障时，数据可经其他链路传输，可靠性较高。因为没有自然的中心，数据流向也没有固定方向，这种 络的控制往往是分布式的，所以又叫分布式 络。 状 格的特点：
1）两级 络形式，有通信子 和资源子 组成（把计算机 络中实现 络通信功能的设备及其软件的集合称为 络的通信子 ，而把 络中实现资源共享功能的设备及其软件的集合称为资源子 ）
2） 络可靠性高，在任何节点之间，存在多条传输路径，所以 络的稳定性比较好
3）可扩充性好，凡需要入 的计算机只要连接到接口信息处理机上，各计算机之间通过通信子 进行通信
状型 络的适应场合：一般用在WAN中，是大型 络的基本部分
（3）按 络控制方式分类
1）集中式计算机 络
集中式计算机 络的处理和控制功能都高度集中在一个或少数几个节点上，所有的信息流都必须就过这些节点之一，因此，这些节点是 络的处理和控制中心，而多余的大多数节点则有较少的处理和控制功能。前面所介绍的星形 络和树形 络都是典型的集中式 络。集中式计算机 络的优点是：实现简单，其 络操作系统很容易从传统的分时操作系统经适当地扩充和改造而成。集中式计算机 络的缺点：实时性差，可靠性低，缺乏较好的可扩充性和灵活性
2）分布式计算机 络
在分布式计算机 络中，不存在一个处理和控制中心。 络中的任一节点都至少和另外两个节点相连接，信息从一个节点到另一个节点时，可能有多条路径。同时， 络中的各个节点均以平等地位相互协调工作和交换信息，并可共同完成一个大型任务。前述的分组交换 ， 状型 络就属于分布式 络。分布式计算机 络具有信息处理的分布性高、可靠性高、可扩充性及灵活性好的优点。
计算机 络系统的组成
计算机广域 的组成
从 络拓扑结构来看，计算机广域 是有一些 络节点和连接这些 络节点的通信链路抽成。从逻辑功能来讲，广域 是由通信子 和资源子 组成。通信子 是计算机广域 中负责数据通信的部分，主要完成计算机之间的数据传输、交换以及通信控制，他有 络节点、通信链路组成。资源子 提供访问 络和处理数据的能力，是由主机系统、终端控制器和终端组成，主机系统负责本地或全 的数据处理，运行各种应用程序或者大型数据库，向 络用户提供各种软硬件资源和 络服务，终端控制器把一组终端连入通信子 ，并负责对终端的控制以及终端信息的接收和发送。通信双方必须共同遵守的规则和约定就成为通信协议，它的存在与否是计算机 络与一般计算机互联系统的根本区别。
络软件系统和 络硬件系统是计算机广域 系统赖以存在的基础。在广域 中，硬件对 络的选择起着决定性作用，而 络软件则是挖掘 络潜力的工具。
1） 络软件
在广域 中， 络上的每个用户都可享有系统中的各种资源，系统必须对用户进行控制，否则就会造成系统混乱、信息数据的破坏和丢失。为了协调系统资源，系统需要通过软件工具对 络资源进行全面的管理，调度和分配，并采取一系列的安全保密措施，防止用户不合理地对数据和信息的访问，以防止数据和信息的破坏的丢失。 络软件是实现 络功能不可缺少的软件环境。
通常 络软件包括：
1） 络协议软件：它是通过协议程序实现 络协议功能。
2） 络通信软件：通过 络通信软件实现 络工作站之间的通信
3） 络操作系统： 络操作系统使用以实现系统资源共享，管理用户对不同资源访问的应用程序，他是最主要的 络软件。
4） 络管理及 络应用软件： 络管理软件是用来对 络资源进行管理核对 络进行维护的软件。 络应用软件时为 络用户提供服务并为 络用户解决实际问题的软件。
络软件最重要的特征是：软件所研究的重点不是在 络中互连的各个独立的计算机本身的功能，而是如何实现 络特有的功能。
（2） 络硬件
络硬件是计算机 络系统的物质基础。要构成一个计算机 络系统，首先要将计算机及其附属硬件设备与 络中的其它计算机系统连接起来。不同的计算机 络系统，在硬件方面是有差别的。随着计算机技术和通信技术的发展， 络硬件日趋多样化，功能更加强大，更加复杂
主要的 络硬件有：
1）线路控制器LC：（Line Controller，LC）LC是主计算机或终端设备与线路上的调制解调器的接口设备
2）通信控制器CC：（Communication Controller，CC）CC是用以对数据信息的各个阶段进行控制的设备
3）通信处理机CP：（Communication Processor，CP）CP是作为数据交换的开关，负责通信的处理工作
4）前段处理机FEP（Front End Processor）：FEP是负责通信处理工作的设备
5）集中器C（Controller）、多路选择器MUX：是通过通信线路分别和多个远程中断相连接的设备
6）主机HOST（Host Computer）和终端T(Terminal）。
随着计算机 络技术的发展和 络应用的普及， 络节点设备会越来越多，功能也更加强大，设计也更加复杂
计算机局域 的组成
组成计算机局域 的部件，根据其作用不同，可分为 络服务器，客户工作站， 络接口卡（ 卡），传输介质和 络软件。
1） 络服务器
目前流行的各种局域 络，其访问控制方式均是集中控制型，其控制核心部件成为 络服务器，一般是一个高档微机或一个以大容量硬盘为主的专用服务器。局域 操作系统也都是运行在 络服务器上。通常 络中至少有一个服务器，其运行效率直接影响着整个局域 的效率，如何选择和配置 络服务器是组建 络是非常重要的问题。
（1） 络服务器的作用
1）运行 络操作系统：这是服务器的最主要功能。通过 络操作系统控制和协调 络个工作站的运行，处理和响应个工作站同时发来的各种 络操作要求
2）存储和管理 络中的共享资源： 络中共享的数据库，文件，应用程序等软件资源；大容量硬盘、打印机、绘图仪及其他贵重设备等硬件资源均存放在 络服务器中，有 络操作系统对这些资源进行分配管理，使各工作站得以共享这些资源。
3） 络管理员在 络服务器上对各工作站的活动进行监视及调整
4）在Client/Server（客户/服务器）体系结构中， 络服务器不仅充当文件服务器，还有具有为各 络工作站的应用程序服务的功能。
（2） 络服务器的分类
按 络服务器的应用可分为：文件服务器，应用程序服务器，通信服务器等。通常一个 络至少有一个文件服务器， 络操作系统及其使用程序和共享硬件资源都安装在文件服务器上。早期局域 只有文件服务器概念。文件服务器只为 络提供硬盘共享、文件共享、打印机共享等功能，工作站需要共享数据时，便从文件服务器中取过来，文件服务器只负责共享信息的管理，接受和发送，而丝毫不帮助工作站对所要求的信息进行处理。随着分布式 络操作系统和分布式数据库管理系统的出现，要求 络服务器不仅要具有文件服务器功能，而且要能够处理用户提交的任务。简单地说就是当某一 络工作站要对共享数据进行操作时，具体控制该操作的不仅是工作站上的处理器，还应用 络服务器上的处理器，即 络服务器中有多个处理器为一个事务进行处理，具有这种能执行用户应用程序功能的服务器叫应用程序服务器。一般局域 中的工作站并不共享 络服务器的CPU资源，如果有了应用程序服务器就可以实现了。若应用程序是一个数据库管理系统，则有时也称为数据库服务器。
2）客户工作站
工作站是 络各用户的工作场所，通常是一台带有硬盘的微机，也可以是不配有硬盘驱动器的无盘工作站，工作站通过插在其中的 络接口卡（ 卡）经传输介质与 络服务器相连，用户通过工作站向局域 请求服务和访问共享资源。他通过 络从服务器中取出程序和数据后，用自己的CPU和内存进行运算处理，处理结果再存到服务器上去。工作站可以有自己的单独工作的操作系统，独立工作，但与 络相连时，需要将 络操作系统的一部分，即“工作站连接软件”安装在工作站上，形成一个专门的引导程序，访问服务器；在无盘工作站中必须在 络接口板上加插一块专用的启动芯片（远程复位EPROM），用作从服务器上引导本地系统。
3） 络接口卡
为了将服务器、工作站（统称智能设备）连到 络中去，需要在 络通信介质和智能设备之间用 络接口设备进行物理连接，局域 中有一块 络接口卡（ 卡）完成这一功能。
卡的基本功能包括：基本数据转换（例如并行到串行或者串行到并行）、信息包的装配和拆解、 络存取控制、数据缓存、生成 络信 等，一方面， 卡要和计算机RAM交换数据；另一方面还必须以 络物理数据路径或介质的速度和格式传送或者接受数据。在 络中数据是串行按位传送。如果 络与主机CPU之间的速度不匹配，就需要缓存以防数据丢失。由于 卡处理数据包的速度比 络传输数据的速度慢，也比主机向 卡发送数据的速度慢，经常会出现速率不匹配，成为 络与主机之间的瓶颈。
4） 络软件系统
络软件是计算机 络系统不可缺少的重要资源。 络软件所涉及到和解决的问题要比单机系统中的各类软件都复杂。其复杂性主要表现在以下几个方面：
（1）软件系统的结构
虽然 络软件也同单机系统中软件系统一样，是一宗层次结构，但由于各类 络软件之间联系密切，相互渗透，所以对 络软件来说没有明显的分层结构，层与层之间没有明显的界限，也就是说对许多 络软件来说，很难把它划分在某一确定的层次上。
2）软件的功能
软件要解决的问题多而复杂，并且涉及的范围广，内容丰富
3）软件类型
软件的类型多种多样，难于标准化，这是由于 络体系的多样化， 络硬件的多样化和复杂化造成的。根据 络软件在 络系统中所起的作用不同，可以将其划分为：协议软件，通信软件， 络操作软件和 络应用软件等
计算机 络的功能：数据通信、资源共享、远程传输、集中管理、实现分布式处理、负荷均衡
计算机 络的服务
电子邮件服务、文件传输服务、远程登录服务、共享硬盘服务、共享打印机服务

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