第五章计算机网络与INTERNET应用

第五章计算机网络与INTERNET应用5．1计算机网络基础知识5．1．1计算机网络概述世界上最早出现的计算机网络的雏形是美国1952年建立的一套半自动地面防空（SAGE）系统，它使用了远距离通信线路将l000多台终端连接到一台旋风计算机上，实现了计算机远距离的集中控制。这种由一台计算机经过通信线路与若干台终端直接连接的方式被称为主机—终端系统或称为面向终端的计算机网络。这种面向终端的计算机网络在60年代获得了很大发展，其中一些至今仍在使用，如美国的SABRE1系统，是60年代美国航空公司与IBM公司联合研制的全国飞机票联机订票系统，它由一台中央计算机与分布在全美各地的2000多个终端相连。另外在图书、军用及一些商用网中，这种面向终端的网络也起了很大作用。从现在的角度看，主机—终端系统还不能代表计算机网络，它只是我们现在所说的计算机网络的一部分。它存在两个明显的缺点：一是主机负荷重。因它既要担任通信控制工作，又要担任数据处理工作。二是线路利用率低，特别是远程终端更为突出。为减轻主机负担和提高线路利用率，60年代出现了一种在主机和通信线路之间设置通信控制处理机，专门负责通信控制，在终端较为集中的区域设置集线器，大量终端先通过低速线路连到集线器上，集线器则通过高速线路与主机相连，这种结构常采用小型机作为通信控制处理机，它除完成通信控制外，还具有信息处理、信息压缩、代码转换等功能，这种结构被称作具有通信功能的多机系统。随着计算机应用的发展，一些大公司或部门往往拥有多台计算机，有时这些计算机之间需要交换信息，于是出现了一种以传输信息为主要目的、用通信线路将两台或多台计算机连接起来的网络形式，它被称为计算机通信网络。它是计算机网络的低级形式。随着计算机通信网络的发展和广泛应用，用户不仅要求计算机之间能传输信息，而且希望共享网内其他计算机上的信息或使用网上的其他计算机来完成自己的某些工作，这种以共享网上资源为目的的计算机网络，就是我们现在所称的计算机―计算机网络，简称计算机网络。它使得使用网络中的资源与使用本地资源一样方便。计算机网络是一个复杂的系统，但无论其本身怎样复杂，对用户来讲，我们可引用SunMicrosystem公司总裁奥尔森的一句名言来理解计算机网络的含义，即：“Net-workiscomputer”（网络就是计算机）。这表明，不管网络有多么复杂，总可以把它理解为一个扩大了的计算机系统，把网络上的资源理解为这台计算机系统的大硬盘，用户在网上操作与在自己的单机上操作并无大的区别。我国的计算机网络自80年代以来发展非常迅速，铁道部、公安部、军队、民航、银行都建立了自己的专用网络，“三金”工程的启动和实施使我国的网络基础设施得到了进一步的完善和提高。在计算机网络标准化方面，1988年制定了与ISO的“开放系统互连基本参考模型”相对应的国家标准GB9387－88。从以上的介绍可以看出，计算机网络在不同时期、从不同的角度有不同的理解。1970年美国信息处理学会联合会从共享的角度出发，把计算机网络定义为：“以能够相互共享资源的方式，连接起来，并各自具备独立功能的计算机系统的集合。”若从物理结构看，我们可把计算机网络定义为：在协议控制下，由若干计算机、终端设备、数据传输设备和通信控制处理机等组成的系统集合。现在普遍认为的是：计算机网络是地理上分散的、具有独立功能的多个计算机系统通过通信设备和线路连接起来，且以功能完善的网络软件（网络协议、信息交换方式及网络操作系统等）实现网络资源共享的系统。5．1．2计算机网络的分类计算机网络从不同的角度、不同的划分原则，可以得到不同类型的计算机网络。按网络的作用范围及计算机之间连接的距离可分为：局域网、广域网、城域网三种。（l）局域网LAN（LocalAreaNetwork）。局域网地理范围一般在10公里以内，属于一个单位或部门组建的小范围网络。例如一个学校的计算机中心或一个系的计算机各自互连起来组成的网络就是一个局域网。局域网组建方便，使用灵活，是目前计算机网络中最活跃的分支。（2）广域网WAN（WideAreaNetwork）。广域网也叫远程网，它的地理范围可以从几十公里到几万公里。如一个国家或洲际间建立的网络都是广域网络。广域网用于通信的传输装置和介质，一般都由电信部门提供，能实现广大范围内的资源共享。Internet网就是一个覆盖了180多个国家和地区、连接了上千万台主机的广域网。（3）城域网MAN（MetropolitanAreaNetwork）。城域网介于广域网和局域网之间，作用距离从几十公里到上百公里，通常覆盖一个城市或地区。网络还可按网络的数据传输与交换系统的所有权划分，可分为专用网和公用网两种。专用网一般是由某个部门或企业自己组建，也可以是租用电信部门的专用传输线路。如航空、铁路、军队、银行都有本系统的专用网络。公用网一般都由国家电信部门组建和管理，网络内传输和交换的装置可提供给单位或个人使用。另外，网络还可按传输的信道分为：基带、宽带、模拟和数字网络等。按网络的拓扑结构可以分为总线形网络、星形网络、树形网络、环形网络、网状形网络等。按交换技术可分为电路交换、报文交换、分组交换网络等。5．1．3计算机网络协议和体系结构由于计算机的种类繁多，各种形式的网络不断出现，为了规范异种网络和不同机型的互连，1984年国际标准化组织（ISO）颁布了“开放系统互连基本参考模型”（OSI）作为网络的体系结构标准。该模型将计算机网络划分为功能上相对独立的七个层。在这种分层的体系结构中，通常把每一层在通信中用到的规则与约定称为协议，它是计算机网络软硬件开发的依据。OSI模型各层功能概述：（1）应用层它是OSI的最高层，是用户访问网络的接口层，是直接面向用户的。应用层为用户提供各种网络服务，如远程登录、电子邮件、文件传输等。OSI中没有规定应用层的协议，由用户自己开发。（2）表示层负责处理不同数据在表示上的差异及其相互转换，如不同格式文件的转换，不兼容终端的数据格式之间的转换，数据加密、解密等。（3）会话层负责建立、拆除、管理进程之间的通信连接。“进程”是指程序执行时所需的虚拟地址空间和控制信息。（4）传输层提供端到端的通信，它从会话层接收数据，进行适当处理后传送到网络层，在网络另一端的传输层从网络层接收对方传来的数据，进行逆向处理后提交给会话层。（5）网络层负责提供路由和连接选择，包括处理输出报文分组地址，解析输入报文的地址，维护路由信息等。（6）数据链路层提供网路相邻结点间的可靠通信。（7）物理层通过物理介质传输和接收二进制位流。OSI定义的网络体系结构从理论上讲是比较完整的，但实现起来过分复杂，目前在Internet中广泛使用的体系结构是TCP/IP参考模型，它比OSI少了表示层和会话层，共五个层次，他们是：应用层、传输层、网络层、数据链路层和物理层。其中应用层对应OSI中的应用层、表示层和会话层，包括了许多面向应用的协议，如超文本传输协议（HTTP）、简单邮件传输协议（SMTP）等。5．1．4计算机网络的特点各种网络在数据传送、具体用途及连接方式上都不尽相同，但一般网络都具有以下一些功能和特点。（l）资源共享。这是计算机网络的重要功能，也是组建计算机网络的重要目的之一。这里的共享就是指网络中各地资源可以相互通用，用户可使用网络中的软件、硬件和数据。例如把一应用软件或系统软件装在网内的某一台计算机中，就可以让网络上的其他用户调用，或将其他用户传来的数据进行处理，再把处理结果送回。用户也可以通过网络使用一些对用户开放的、昂贵的外围设备，如绘图仪、激光打印机、激光照排机等，这样既提高了设备的利用率，又减少了硬件的投资。（2）数据通信能力。计算机网络可以实现各计算机之间的数据传送，根据需要可以对这些数据进行分散、分组、集中管理和处理，这也是计算机网络最基本的功能。这种数据通信能力使分散在不同地点的业务部门和生产部门的信息得到统一、集中的管理和控制。如可以为远距离召开的电子会议进行传递会议文件等服务。（3）分布式处理。分布式处理是计算机网络研究的重点课题，在计算机网络中，用户可根据实际情况，利用网络内最合适的软、硬件资源来使问题得到最好的解决。对于一项复杂问题，可以采用合适的算法将任务划分为若干部分，由网络上各计算机分别承担其中一部分任务，同时运行。利用网络技术还可以将许多微机或小型机联成具有较高性能的分布式计算机系统，使其具有大型机的能力，从而解决复杂的问题。（4）提高计算机的可靠性。这是计算机网络的又一重要功能。计算机网络系统能实现对差错信息的重发，并且网络中的各台计算机可以通过网络互为后备机，一旦某台计算机出现故障，网络中其他计算机可代为继续执行，这样可以避免整个系统瘫痪，从而提高计算机的可靠性。（5）均衡负载的互相协作。这一点是计算机网络的最大优点。均衡负载可使网络中计算机任务的“轻”与“重”得到合理调整。如当网络中某台计算机任务过重时，网络可以将该机上的部分任务转交给其他任务较“轻”的计算机去处理。5．2计算机局域网计算机局域网是在较小的范围，用于家庭、办公室、机关、企业、学校等的内部联网，它的传输率高、误码率低，通常由用户自行建立、管理和使用。5．2．1局域网的物理组成局域网通常由计算机网络软件、硬件和通信设备等组成。下面分别介绍：1．计算机计算机在网络中根据承担的任务不同，可分别扮演不同的角色。在基于个人计算机的局域网中，网络的核心是服务器。一般都用高档个人机或专用服务器来担任。根据服务器在网络中的作用，又可将它划分为文件服务器、通信服务器、打印服务器、数据库服务器等。除服务器外，联网的其它个人机称作工作站。工作站一方面可以作为一台普通的个人计算机使用，另一方面，工作站通过网络可使用服务器提供的各种共享资源。一台计算机通过软、硬件的配置后可同时担任几个角色，如文件服务器、数据库服务器和打印服务器等。2．网卡网卡又称网络适配器。它是网络通信的基本硬件，每一台工作站和服务器都必须配备一块网卡，插在扩展槽中，计算机通过它与网络通信线路相连接。3．通信线路通信线路用来连接服务器、工作站及其他设备。局域网常用的有：同轴电缆、双绞线、光缆。还可通过微波、红外线、激光等建立无线连接。一般双绞线传输速率较低，同轴电缆较高，光纤更高。4．局部网络通信设备这些设备主要是用来延伸传输距离和易于网络布线。常用的有集线器（HUB）和中继器（Repeater）。集线器可使多个工作站连接到它上面，常用的有8口、16口等，它一是便于布线，另外具有再生、放大和管理多路通信的能力。中继器是用来对信号进行放大以使传输距离提高的一种设备。5．网络互连设备网络互连是指局域网与局域网、主机系统与局域网、局域网与广域网的连接。网络的互连设备有网桥、路由器和网关。此外计算机若要用电话线连网，还得配置调制解调器（Modem）。网桥一般用于同类型局域网之间的互连，且各局域网采用同样的网络操作系统。路由器是网络互连中使用较多的设备，它用于连接多个逻辑上分开的子网，每个子网代表一个单独的网络。当从一个子网传输数据到另一个子网时，就由路由器来完成这项工作。路由器具有判断网址和选择路径的功能，它在复杂的网络环境中可建立起较灵活的连接。网关又称协议转换器。主要用于不同体系结构的网络或局域网与主机的连接。调制解调器是目前单机通过电话线连网所必需的设备。它的功能是将计算机输出的数字信号转换成模拟信号并通过电话线传出，同时也通过电话线将模拟信号转换为数字信号接收。6．网络软件网络软件主要是指网络操作系统。在当今流行的“客户机／服务器”体系结构中，是把网络操作系统的主要部分放在服务器上，行使对网络资源的管理，为客户机提供各种网络服务。对于客户机来讲，它也必须运行一小部分网络软件，主要用于与客户机上原本运行的操作系统进行通信。5．2．2局域网的拓扑结构这里借用拓扑学中研究与大小形状无关的点、线特性的方法，抛开网络中的具体设备，把服务器、工作站等抽象为“点”，把连接电缆等通信介质抽象为“线”。这样，计算机网络从拓扑学的观点看就成了由点和线组成的几何图形。