第6章 计算机网络基础
【本章导言】 计算机网络技术是计算机技术与通信技术相结合的产物。它代表着当代计算机体系结构发展的一个极其重要的方向。 本章阐述了计算机网络的概念、功能、应用、发展及组成与分类，并介绍了局域网、Internet应用及网络安全的相关内容。 6.1 计算机网络概述
6.1.1 计算机网络的概念 ⒈计算机网络的定义
计算机网络正在高速发展，在不同的阶段和从不同的角度对其有不同的定义。可以简单理解为：计算机网络就是利用通信设备和线路将地理位置不同的、功能独立的多个计算机系统互联起来，以功能完善的网络软件（如网络通信协议、信息交换方式、网络操作系统等）实现网络中资源共享和信息传递的系统。
2．计算机网络的功能
随着人们对计算机网络需求的不断上升和计算机网络技术的进一步提高，其功能也越来越强大。计算机网络的主要目标是实现资源共享，而其主要功能如下：
（1） 资源共享
计算机的很多软、硬件资源是比较昂贵的，如规模大的计算中心、大容量的硬盘、数据库、某些应用软件以及特殊设备等。组建计算机网络的主要目标之一就是让网络中的各用户可以共享分散在不同地点的各种软、硬件资源。在局域网中，服务器通常提供大容量的硬盘，用户不仅可以共享服务器硬盘中的文件，而且还可以独占服务器中的部分硬盘空间，这样，用户就可以在一个无盘的工作站上完成自己的任务。
（2） 信息交流
信息交流是计算机网络最基本的功能，计算机网络提供了最快捷、最方便与他人交流信息的方式。人们可以在网络上发送电子邮件，发布新闻消息，进行电子商务，远程教育，远程医疗等活动。
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（3）均衡负荷与分布式处理
对于一些综合型的大任务，可以通过计算机网络采用适当的算法，将大任务分散到网络中的各计算机上进行分布式处理，也可以通过计算机网络用各地的计算机资源共同协作，进行重大科研项目的联合开发和研究。
（4）综合信息服务
通过计算机网络可以向全社会提供各种经济信息、科研情报和咨询服务。其中Internet上的万维网（World Wide Web ,WWW）服务就是一个最典型也是最成功的例子。综合服务数据网络（ISDN）就是将电话、传真机、电视机和复印机等办公设备纳入计算机网络中，提供了数字、语音、图形图像等多种信息的传输。
3．计算机网络的应用
随着现代信息社会进程的推进，通信和计算机技术的迅猛发展，计算机网络的应用也越来越普及，它几乎深入到社会的各个领域。
（1）在教育、科研中的应用
通过全球计算机网络，科技人员可以在网上查询各种文件和资料，可以互相交流学术思想和交换实验资料，甚至可以在计算机网络上进行国际合作研究项目。在教育方面可以开设网上学校，实现远程授课，学生可以在家里或其他可以将计算机接入计算机网络的地方利用多媒体交互功能听课，有什么不懂的问题可以随时提问和讨论。学生可以从网上获得学习参考资料，并且可通过网络交付作业和参加考试。
（2）在办公中的应用
计算机网络可以使单位内部实现办公自动化，实现软、硬件资源共享。如果将单位内部网络接入Internet，还可以实现异地办公。如通过WWW或电子邮件，公司可以很方便地与分布在不同地区的子公司或其他业务单位建立联系，及时地交换信息。在外的员工通过网络还可以与公司保持通信，得到公司的指示和帮助。企业可以通过Internet，搜集市场信息并发布企业产品信息。
（3）在商业上的应用
随着计算机网络的广泛应用，电子数据交换（Electronic Data Interchange，EDI）已成为国际贸易往来的一个重要手段，它以一种被认可的数据格式，使分布在全球各地的贸易伙伴可以通过计算机传输各种贸易单据，代替了传统的贸易单据，节省了大量的人力和物力，提高了效率。通过网络可以实现网上购物和网上支付，例如登录“当当”网上书城（www.dangdang.com）购买图书。
（4）在通信、娱乐上的应用
20世纪个人之间通信的基本工具是电话，21世纪个人之间通信的基本工具是计算机网络。目前，计算机网络所提供的通信服务包括电子邮件、网络寻呼与聊天、BBS、网络新闻和IP电话等。目前，电子邮件已广泛应用。Internet上存在着很多的新闻组，参加新闻组的人可以在网上对某个感兴趣的问题进行讨论，或是阅读有关这方面的资料，这是计算机网络应用中很受欢迎的一种通信方式。网络寻呼不但可以实现在网络上进行寻呼的功能，还可以在网友之间进行网络聊天和文件传输等。IP电话也是基于计算机网络的一类典
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型的个人通信服务。
家庭娱乐正在对信息服务业产生着巨大的影响，它可以让人们在家里点播电影和电视节目。新的电影可能成为交互式的，观众在看电影时可以不时参与到电影情节中去。家庭电视也可以成为交互形式的，观众可以参与到猜谜等活动之中。家庭娱乐中最重要的应用可能是在游戏上。目前，已经有很多人喜欢上多人实时仿真游戏。如果使用虚拟现实的头盔和三维、实时、高清晰度的图像，我们就可以共享虚拟现实的很多游戏和进行多种训练。
随着网络技术的发展和各种网络应用的需求增加，计算机网络应用的范围在不断扩大，应用领域越来越拓宽，越来越深入，许多新的计算机网络应用系统不断地被开发出来，如工业自动控制、辅助决策、虚拟大学、远程教学、远程医疗、管理信息系统、数字图书馆、电子博物馆、全球情报检索与信息查询、网上购物、电子商务、电视会议、视频点播等。
6.1.2 计算机网络的组成与分类
⒈ 组成
从系统功能的角度来看，计算机网络主要由资源子网和通信子网两个部分组成。 （1） 通信子网（Communication Subnet）
通信子网负责数据通信，由通信控制处理机、通信线路与其它通信设备组成。它的功能是为主机提供数据传输，负责完成网络数据传输、转发等通信处理任务。
（2）资源子网（Resource Subnet）
资源子网实现全网面向应用的数据处理和网络资源共享，由硬件和软件组成。包括： ① 主机和终端：主机是资源子网的主要组成单元，装有本地操作系统、网络操作系统、数据库等软件，终端是主机和用户之间的接口。
② 网络操作系统：用于实现不同主机之间的通信，以及全网软硬件资源的共享，并向用户提供统一网络接口。
③ 网络数据库：是建立在网络操作系统之上的一种数据库系统，可以集中驻留在一台主机上，向网络用户提供存取、修改、共享网络数据库的服务。
④ 应用系统：是建立在上述系统基础上的具体应用，以实现用户的需求。
现代广域网结构中，资源子网的概念已经有了变化，随着连入局域网的微型计算机数目日益增多，它们一般通过路由器将局域网与广域网相连接。从组网的层次角度看网络的组成结构，也不一定是一种简单的平面结构，可能变成一种分层的立体结构。
⒉ 分类
计算机网络的种类很多，根据不同的分类原则，对计算机网络的分类方法也各不相同。 （1） 按照通信距离来划分，计算机网络可以分为局域网、城域网和广域网 ① 局域网（LAN）：如果网络的服务区域在一个局部范围（一般几十千米）之内，则称为局域网。在一个局域网中，可以有一台或多台主计算机以及多个工作站，各计算机系统、工作站之间可通过局域网进行各类数据的通信。
② 城域网（MAN）：城域网规模局限在一座城市的范围内10~100km的区域。城域网是由不同的局域网通过网间连接构成一个覆盖在整个城市范围之内的网络。它是比局域网规模大一些的中型网络，提供全市的信息服务。
在一个学校范围内的计算机网络通常称为校园网，可以看作是一个介于普通局域网和
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城域网之间的、规模较大的、结构较复杂的局域网络。
③ 广域网（WAN）：服务区域不局限于某一个地区，而是一个相当广阔的地区（例如各省市之间，全国甚至全球范围）的网络称为广域网。为实现远程通信，一般的计算机局域网可以连接到公共远程通信设备上，例如电报电话网、微波通信站或卫星通信站。在这种情况下，要求局域网是开放式的，并具有与这些公共通信设备的接口。
（2）按照网络的拓扑结构来划分，可以分为星形网、环形网、总线型网等
网络的拓扑结构是指网络连线及工作站点的分布形式。常见的网络拓扑结构有星形结构、环形结构、总线结构、树形结构和网状结构5种。如图6-1所示是这5种网络拓扑结构的示意图。
(a)星形结构 (b)环形结构 (c)总线结构
(d)树形结构 (e)网状结构
图6-1 网络的5中拓扑结构示意图
① 星形结构：星形结构是最早的通用网络拓扑结构形式。在这种结构中，每个工作站都通过连接线（电缆）与主控机相连，相邻工作站之间的通信都通过主控机进行。它是一种集中控制方式。这种结构要求主控机有极高的可靠性。它的优点是，当需要增加新的工作站时成本较低，结构简单，控制处理也较方便；缺点是，一旦主控机出现故障，系统将全部瘫痪，可靠性比较差。
② 环形结构：在这种结构中，各工作站的地位相同，互相顺序连接成一个闭合的环形，数据可以单向或双向进行传送。这种结构的优点是，网络管理简单，通信设备和线路较为节省，而且还可以把多个环经过若干交接点互联，扩大连接范围。
③ 总线结构：在这种结构中，各个工作站均与一根总线相连。这种结构的优点是，工作站连入网络十分方便；两工作站之间的通信通过总线进行，与其它工作站无关；系统中某工作站一旦出现故障不会影响其它工作站之间的通信，即对系统影响很小。因此，这种结构的系统可靠性高，是目前局域网中最普遍采用的形式。
④ 树形结构：这种结构是一种分层次的宝塔形结构，控制线路简单，管理也易于实现。它是一种集中分层的管理形式，但各工作站之间很少有信息流通，共享资源的能力较差。
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⑤ 网状结构：在这种结构中，各工作站互联成一个网状结构，没有主控机来主管，也不分层次，通信功能分散在组成网络的各个工作站中，是一种分布式的控制结构。它具有较高的可靠性，资源共享方便，但线路复杂，网络的管理也较困难。
局域网常用的拓扑结构主要是前4种。实际使用中，还可构造出一些复合型拓扑结构的网络。
（3）按照通信传输的介质来划分，可分为双绞线网、同轴电缆网、光纤网和无线网等
传输介质是网络中发送方与接受方之间的物理通路，它对网络数据通信的质量有很大的影响。常用的网络传输介质有以下4种：
① 双绞线（Twisted Pair）：双绞线是最常用的一种传输介质，它由两条具有绝缘保护层的铜导线相互绞合而成。把两条铜导线按一定的密度绞合在一起，可增强双绞线的抗电磁干扰能力。一对双绞线形成一条通信链路。在双绞线中可传输模拟信号和数字信号。双绞线通常有非屏蔽式和屏蔽式两种。
a．非屏蔽双绞线UTP
把一对或多对双绞线组合在一起，并用塑料套装，组成双绞线电缆。这种采用塑料套装的双绞线电缆称为非屏蔽双绞线（Unshielded Twisted Pair，UTP），如图6-2所示。用于计算机网络中的UTP不同于其他类型的双绞线，其阻抗为100Ω，线缆外径大约4.3mm。通常使用一种称之为RJ-45的8针连接器，与UTP连接构成UTP电缆。常用的UTP有3类、4类、5类和超5类等形式。
图6-2 非屏蔽双绞线UTP
UTP具有成本低、重量轻、尺寸小、易弯曲、易安装、阻燃性好、适于结构化综合布线等优点，因此，在一般的局域网建设中被普遍采用。但它也存在传输时有电磁辐射、容易被窃听的缺点，所以，在少数信息保密级别要求高的场合，还须采取一些辅助屏蔽措施。
b．屏蔽双绞线STP
采用铝箔套管或铜丝编织层套装双绞线就构成了屏蔽式双绞线（Shielded Twisted Pair，STP）。STP有3类和5类两种形式，有150Ω阻抗和200Ω阻抗两种规格。屏蔽式双绞线具有抗电磁干扰能力强、传输质量高等优点，但它也存在接地要求高、安装复杂、弯曲半径大、成本高的缺点，尤其是如果安装不规范，实际效果会更差。因此，屏蔽式双绞线的实际应用并不普遍。
② 同轴电缆（Coaxial Cable)：同轴电缆由于其导线外面包有屏蔽层，抗干扰能力强，连接较简单，信息传送速度可达每秒几百兆位，因此，被中、高档局域网广泛采用。同轴电缆又分为基带方式和宽带方式两种。采用基带方式时，数字信号直接加到电缆上，连接简单，传送速率低于每秒10兆位，距离可达几千米。采用宽带方式时，信号要调制到高频载波上，传输速度可达每秒几百兆位，还可以进行视频信号传送。在需要传送图像、声音、数字等多种信息的局域网中，往往采用宽带同轴电缆。如图6-3所示。
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第6章计算机网络基础
