网络工程师教程(第二版)节选

1网络工程师教程（第2版）第1章第1章计算机网络概论计算机和通信技术的结合正在推动着社会信息化的技术革命。人们通过连接各个部门、地区、国家，甚至全世界的计算机网络来获取、存储、传输和处理信息，广泛地利用信息进行生产过程的控制和经济计划的决策。全国乃至全球范围的计算机互联网络不断地高速发展并日益深入到国民经济的各个部门和社会生活的各个方面，计算机网络已经成为人们日常生活中必不可少的交际工具。1.1计算机网络的形成和发展1.1.1早期的计算机网络自从有了计算机，就有了计算机技术与通信技术的结合。早在1951年，美国麻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。计算机通信技术应用于民用系统方面，最早的当数美国航空公司与IBM公司在20世纪50年代初开始联合研究，20世纪60年代初投入使用的飞机订票系统SABRE-I。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、澳洲和日本。该系统于1968年投入运行，具有交互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。在这一类早期的计算机通信网络中，为了提高通信线路的利用率并减轻主机的负担，已经使用了多点通信线路、终端集中器以及前端处理机。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，可以用主机对各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。1.1.2现代计算机网络的发展20世纪60年代中期出现了大型主机，因而也提出了对大型主机资源远程共享的要求。以程控交换为特征的电信技术的发展则为这种远程通信需求提供了实现的手段。现代意义上的计算机网络是从1969年美国国防部高级研究计划局（DARPA）建成的ARPAnet实验网开始的。2网络工程师教程（第2版）第1章该网络当时只有4个结点，以电话线路作为主干网络，两年后，建成15个结点，进入工作阶段。此后，ARPAnet的规模不断扩大。到了20世纪70年代后期，网络结点超过60个，主机100多台，地理范围跨越了美洲大陆，连通了美国东部和西部的许多大学和研究机构，而且通过通信卫星与夏威夷和欧洲地区的计算机网络相互连通。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。20世纪70年代中后期是广域通信网大发展的时期。各发达国家的政府部门、研究机构和电报电话公司都在发展分组交换网络。例如，英国邮政局的EPSS公用分组交换网络（1973），法国信息与自动化研究所（IRIA）的CYCLADES分布式数据处理网络（1975），加拿大的DATAPAC公用分组交换网（1976），日本电报电话公司的DDX-3公用数据网（1979）。这些网络都以实现计算机之间的远程数据传输和信息共享为主要目的，通信线路大多采用租用电话线路，少数铺设专用线路，数据传输速率在50Kb/s左右。这一时期的网络被称为第二代网络，以远程大规模互联为其主要特点。1.1.3计算机网络标准化阶段经过20世纪60年代和20世纪70年代前期的发展，人们对组网的技术、方法和理论的研究日趋成熟。为了促进网络产品的开发，各大计算机公司纷纷制定自己的网络技术标准。IBM首先于1974年推出了该公司的系统网络体系结构SNA（SystemNetworkArchitecture），为用户提供能够互联的成套通信产品；1975年DEC公司宣布了自己的数字网络体系结构DNA（DigitalNetworkArchitecture）；1976年UNIVAC宣布了该公司的分布式通信体系结构(DistributedCommunicationArchitecture)。这些网络技术标准只是在一个公司范围内有效，遵从某种标准的、能够互连的网络通信产品，只是同一公司生产的同构型设备。网络通信市场这种各自为政的状况使得用户在投资方向上无所适从，也不利于多厂商之间的公平竞争。1977年国际标准化组织ISO的TC97信息处理系统技术委员会SC16分技术委员会开始着手制定开放系统互联参考模型OSI/RM。作为国际标准，OSI规定了可以互连的计算机系统之间的通信协议，遵从OSI协议的网络通信产品都是所谓的开放系统。今天，几乎所有的网络产品厂商都声称自己的产品是开放系统，不遵从国际标准的产品逐渐失去了市场。这种统一的、标准化产品互相竞争的市场又进一步促进了网络技术的发展。1.1.4微机局域网的发展时期20世纪80年代初出现了微型计算机，这种更适合办公室环境和家庭使用的新机种对社会生活的各个方面都产生了深刻的影响。1972年Xerox公司发明了以太网，以太网与微机的结合使得微机局域网得到了快速的发展。在一个单位内部的微型计算机和智能设备互相连接起来，3网络工程师教程（第2版）第1章提供了办公自动化的环境和信息共享的平台。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。1.1.5国际互联网的发展时期1985年，美国国家科学基金会（NationalScienceFoundation，NSF）利用ARPAnet协议建立了用于科学研究和教育的骨干网络NSFnet。1990年，NSFnet代替ARPAnet成为国家骨干网，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们的欢迎并被广泛使用。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”。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Internet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。在这种形势下，美国总统克林顿于1993年宣布正式实施国家信息基础设施（NationalInformationInfrastructure，NII）计划，从此在世界范围内展开了争夺信息化社会领导权和制高点的竞争。与此同时NSF不再向Internet注入资金，使其完全进入商业化运作。20世纪90年代后期，Internet以惊人的高速度发展，网上的主机数量、上网的人数、网络的信息流量每年都在成倍地增长。1.2计算机网络的分类和应用1.2.1计算机网络的分类计算机网络这一术语是指由通信线路互相连接的许多自主工作的计算机构成的集合体。这里强调构成网络的计算机是自主工作的，这是为了和多终端分时系统相区别。在后一种系统中，终端无论是本地的还是远程的，只是主机和用户之间的接口，它本身并不拥有计算资源，全部资源集中在主机中。主机以自己拥有的资源分时地为各终端用户服务。在计算机网络中的各个计算机（工作站）本身拥有计算资源，能独立工作，能完成一定的计算任务。同时用户还可以使用网络中其他计算机的资源（CPU、大容量外存或信息等）。比计算机网络更高级的系统是分布式系统。分布式系统在计算机网络基础上为用户提供了透明的集成应用环境。用户可以用名字或命令调用网络中的任何资源或进行远程的数据处理，不必考虑这些资源或数据的地理位置。与计算机网络类似的另一种系统是多机系统。多机系统专指同一机房中的许多大型主机互4网络工程师教程（第2版）第1章连组成的功能强大、能高速并行处理的计算机系统。对这种系统互连的要求是高带宽和连通的多样性。计算机网络中的信息传输往往开销很大，实际的有效数据速率比通信线路能够提供的带宽要小得多。同时由于距离的原因，在计算机网络终端系统是通过交换设备互连的，这种有限互连的方式不能适应高速并行计算的要求。计算机网络的组成元素可以分为两大类，即网络结点和通信链路。网络结点又分为端结点和转接结点。端结点指信源和信宿结点，例如用户主机和用户终端；转接结点指网络通信过程中起控制和转发信息作用的结点，例如交换机、集线器、接口信息处理机等。通信链路是指传输信息的信道，可以是电话线、同轴电缆、无线电线路、卫星线路、微波中继线路、光纤缆线等。网络结点通过通信链路连结成的计算机网络表示在图1-1中。图1-1通信子网与资源子网在图1-1中，虚线框外的部分称为资源子网。资源子网中包括拥有资源的用户主机和请求资源的用户终端，它们都是端结点。框内的部分叫做通信子网，其任务是在端结点之间传送由信息组成的报文，主要由转接结点和通信链路组成。在图1-1中，我们按照ARPA网络的术语把转接结点通称为接口信息处理机（InterfaceMessageProcessor，IMP）。IMP是一种专用于通信的计算机，有些IMP之间直接相连，有些IMP之间必须经过其他IMP才能相连。当IMP收到一个报文后要根据报文的目标地址决定把该报文提交给与它相连的主机还是转发到下一个IMP，这种通信方式叫做存储—转发通信。在广域网中的通信一般都采用这种方式。另外一种通信方式是广播通信方式，主要用于局域网中。局域网中的IMP简化为一个微处理器芯片，每台主机或工作站中都设置一个IMP。在广播通信系统中，唯一的信道为所有主机共享，任何主机发出的信息所有主机都能收到。信息包中的目标地址则指明特定的接收站。在需要时可以用一个特殊的目标地址（例如全1地址）表示该信息包是发给所有站的，这叫做多目标发送。通信子网中转发结点的互连模式叫做子网的拓扑结构。图1-2所示为常见的几种拓扑结构，其中全连接型对于点到点的通信是最理想的，但由于连接数接近结点数的平方倍，所以实际上5网络工程师教程（第2版）第1章是行不通的。在广域网中常见的互连拓扑是树型和不规则型，而在局域网中则常用规则型拓扑结构（星型、环型、总线型）。图1-2网络的拓扑结构可以按照不同的方法对计算机网络进行分类。按照互连规模和通信方式，可以把网络分为局域网、城域网和广域网，这3种网络的比较表示在表1-1中。表1-1LAN、MAN和WAN的比较网络类型项目局域网（LAN）城域网（MAN）广域网（WAN）地理范围室内，校园内部建筑物之间，城区内国内，国际所有者和运营者单位所有和运营几个单位共有或公用通信运营公司所有互联和通信方式共享介质，分组广播共享介质，分组广播共享介质，分组交换数据速率几十兆位每秒至几百兆位每秒几兆位每秒至几十兆位每秒几十千位每秒误码率最小中较大拓扑结构规则结构：总线型，星型和环型规则结构：总线型，星型和环型不规则的网状结构主要应用分布式数据处理，办公自动化LAN互联，综合声音、视频和数据业务远程数据传输按照使用方式可以把计算机网络分为校园网（campusnetwork）和企业网（enterprise6网络工程师教程（第2版）第1章network），前者用于学校内部的教学科研信息的交换和共享，后者用于企业管理和办公自动化；按照连接范围可以把计算机网络分为内联网（intranet）和外联网（extranet）。内联网是采用Internet技术建立的企业网，用防火墙限制与外部的信息交换，以确保内部的信息安全。外联网则指校园网或企业网与Internet连接的通道，内部网络正是通过外联网与外界通信的；按照网络服务的范围又可以分为公用网与专用网。公用网是通信公司建立和经营的网络，向社会提供有偿的通信和信息服务。专用网一般是建立在公用网上的虚拟网络，仅限于一定范围内的人群之间的通信，或者对一定范围的通信设备实施特殊的管理；按照网络提供的服务可以分为通信网和信息网。通信网提供远程联网服务，各种校园网和企业网通过远程连接形成了互联网（Internet），提供互联服务的供应商叫做ISP