计算机网络概述

第1章计算机网络概述本章重点本章准备了一些必要的基础知识，包括计算机网络的基本知识，Java网络编程的基本知识。通过本章的学习能够达到以下目的：掌握所介绍的基本概念，了解所介绍的一些Java常用编程模式和方法，以及网络程序的结构。本章主要内容●计算机网络的基础知识●Java的基本知识●Java网络编程1.1计算机网络的发展历史1946年，世界上第一台数字计算机问世，但直到1954年，才出现了一种被称作收发器(transceiver)的终端，计算机网络的基本原型才诞生。有人将这种最简单的通信网称为第一代计算机网络。在第一代计算机网络中，人们利用通信线路、多路复用器以及公用电话网等设备，将一台计算机与多台用户终端相连接，用户通过终端命令以交互的方式使用计算机系统，从而将单一计算机系统的各种资源分散到了每个用户手中。为了克服第一代计算机网络的缺点，提高网络的可靠性和可用性，人们开始研究将多台计算机相互连接的方法。人们首先想到的是能否借鉴电话系统中所采用的电路交换(circuitswitching)思想。电路交换本来是为电话通信而设计的，对于计算机网络来说，建立通路的呼叫过程太长，必须寻找新的适合于计算机通信的交换技术。1969年12月，DARPA的计算机分组交换网ARPANET投入运行。ARPANET连接了美国加州大学洛杉机分校、加州大学圣巴巴拉分校、斯坦福大学和犹他大学4个结点的计算机。ARPANET的成功，标志着计算机网络的发展进入了一个新纪元。ARPANET的成功运行使计算机网络的概念发生了根本性的变化。早期的面向终端的计算机网络是以单个主机为中心的星型网，各终端通过电话网共享主机的硬件和软件资源。但分组交换网则以通信子网为中心，主机和终端都处在网络的边缘。主机和终端构成了用户资源子网。用户不仅共享通信子网的资源，而且还可共享用户资源子网的丰富的硬件和软件资源。这种以资源子网为中心的计算机网络通常被称为第二代计算机网络。1974年，IP协议(Internet协议)和TCP协议(传输控制协议)问世，合称TCP/IP协议。这两个协议定义了一种在电脑网络间传送报文(文件或命令)的方法。随后，美国国防部决定向全世界无条件地免费提供TCP/IP，即向全世界公布解决电脑网络之间通信的核心技术，TCP/IP协议核心技术的公开最终导致了Internet的大发展。1980年，世界上既有使用TCP/IP协议的美国军方的ARPA网，也有很多使用其他通信协议的各种网络。为了将这些网络连接起来，VintonCerf提出一个想法：在每个网络内部各自使用自己的通信协议，在和其他网络通信时使用TCP/IP协议。这个设想最终导致了Internet的诞生，并确立了TCP/IP协议在网络互联方面不可动摇的地位。目前，全球以美国为核心的高速计算机互联网络即Internet已经形成，Internet已经成为人类最重要的、最大的知识宝库。美国政府又分别于1996年和1997年开始研究发展更加快速可靠的互联网2(Internet2)和下一代互联网(NextGenerationInternet)。网络互联和高速计算机网络正是现在最新一代计算机网络的发展方向。1.2网络硬件计算机网络就是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，彼此间实现互相通信，并且计算机的硬件、软件和数据资源大家都可以共同使用，实现资源共享的整体系统。从广义上讲，计算机网络可以按照传输技术分为两类：广播式网络和点到点网络。广播式网络仅有一条通信通道，由网络上所有机器共享，消息被任何机器发送，并被其他所有机器接收。机器检查如果是到本地的，则接受，否则抛弃此消息。点到点的网络则不同，它由一对对机器之间的多条连接构成。这些连接会通过网络中很多节点到达对方。一般说来，短距离的，通信状况良好的用广播式网络。反之，长距离一般用点到点的网络。而按照联网计算机之间的距离和网络覆盖面的不同，计算机网络又可分为4类：(1)局域网(LAN，即LocalAreaNetwork)。(2)城域网(MAN，即MetropolitanAreaNetwork)。(3)广域网(WAN，即WideAreaNetwork)。(4)因特网(Internet)。网际互联时，必须在物理上把两种网络连接起来。要真正建立计算机网络需要各种网络硬件。组成计算机网络的硬件有很多，主要有：(1)网络服务器。(2)网络工作站。(3)网络适配器，又称为网络接口卡或网卡。(4)传输介质或称传输媒体(即连接线)，主要是电缆、双绞线和光纤以及扩展局域网范围的调制解调器、集线器、网桥和路由器等。1.2.1服务器和工作站硬件部分中，网络用户使用计算机网络时主要接触到的是服务器和工作站。1.服务器(Server)服务器是指任何在网络上允许用户文件访问、打印、通信及其他服务的计算机。服务器一般拥有比工作站更高性能的处理器，更大的存储空间，常配有大容量电源，采用了容错技术。服务器根据作用的不同分为文件服务器、应用程序服务器和数据库服务器等。现在所说的服务器(Server)意义更广泛，是指任何向客户端(Client)程序提供某种特定服务的计算机或是软件包。2.工作站(WorkStation)工作站也称客户端(Client)，指的是由服务器进行管理和提供服务的、连入网络的任何计算机。工作站的性能一般低于服务器。任何个人计算机接入网络后，在获取服务的同时其本身就成为一台工作站。1.2.2网络互联的硬件设备要解决一种网络如何与另一种网络通信的问题，解决他们之间协议差别的问题，处理速度与带宽差别的问题，就需要网络互联的硬件设备。1.中继器中继器(RPrepeater)是连接网络线路的一种装置,常用于两个网络节点之间物理信号的双向转发工作。中继器是最简单的网络互联设备,主要完成物理层的功能,负责在两个节点的物理层上按位传递信息,完成信号的复制、调整和放大功能,以此来延长网络的长度。它在OSI参考模型中的位置是物理层。由于存在损耗,在线路上传输的信号功率会逐渐衰减,衰减到一定程度时将造成信号失真，并会导致接收错误。中继器就是为解决这一问题而设计的。它完成物理线路的连接,对衰减的信号进行放大,保持与原数据相同。一般情况下,中继器的两端连接的是相同的媒体,但有的中继器也可以完成不同媒体的转接工作。从理论上讲中继器的使用是无限的,网络也因此可以无限延长。事实上这是不可能的,因为网络标准中都对信号的延迟范围作了具体的规定,中继器只能在此规定范围内进行有效的工作,否则会引起网络故障。以太网络标准中就约定了一个以太网上只允许出现5个网段,最多使用4个中继器,而且其中只有3个网段可以挂接计算机终端。2.特殊中继器特殊中继器包括集线器与交换机(多端口中继器)：(1)集线器集线器(Hub)是中继器的一种形式,区别在于集线器能够提供多端口服务,也称为多口中继器。集线器在OSI/RM中的物理层，是对网络进行集中管理的最小单元。英文Hub就是中心的意思，像树的主干一样是各分支的汇集点。Hub是一个共享设备，主要提供信号放大和中转的功能，它把一个端口接收的所有信号向所有端口分发出去。一些集线器在分发之前将弱信号加强后重新发出，一些集线器则排列信号的时序以提供所有端口间的同步数据通信。(2)交换机交换机也叫交换式集线器，它通过对信息进行重新生成，并经过内部处理后转发至指定端口，具备自动寻址能力和交换作用。由于交换机根据所传递信息包的目的地址，将每一信息包独立地从源端口送至目的端口，避免了与其他端口发生碰撞，因此，交换机可以同时互不影响的传送这些信息包，并防止传输碰撞，提高了网络的实际吞吐量。3.网桥网桥(Bridge)也称桥接器，是连接两个局域网的存储转发设备，用它可以完成具有相同或相似体系结构网络系统的连接。一般情况下，被连接的网络系统都具有相同的逻辑链路控制规程(LLC)，但媒体访问控制协议(MAC)可以不同。网桥是数据链路层的连接设备，准确地说它工作在MAC子层上。网桥在两个局域网的数据链路层(DDL)间接帧传送信息。网桥是为各种局域网存储转发数据而设计的，它对末端节点用户是透明的，末端节点在其报文通过网桥时，并不知道网桥的存在。网桥可以将相同或不相同的局域网连在一起，组成一个扩展的局域网络。4.路由器路由器是一种多端口设备，它可以连接不同传输速率并运行于各种环境的局域网和广域网，也可以采用不同的协议。路由器属于OSI模型的第三层。网络层指导从一个网段到另一个网段的数据传输，也能指导从一种网络向另一种网络的数据传输。过去，由于过多的注意第三层或更高层的数据，如协议或逻辑地址，路由器曾经比交换机和网桥的速度慢。因此，不像网桥和第二层交换机，路由器是依赖于协议的。在它们使用某种协议转发数据前，它们必须要被设计或配置成能识别该协议。传统的独立式局域网路由器正慢慢地被支持路由功能的第三层交换机所替代，但路由器这个概念还是非常重要的。本节的剩余部分讲述的都是关于第三层交换机的应用。独立式路由器仍然是使用广域网技术连接远程用户的一种选择。5.网关网关不能完全归为一种网络硬件。用概括性的术语来讲，它们应该是能够连接不同网络的软件和硬件的结合产品。特别地，它们可以使用不同的格式、通信协议或结构连接起两个系统。和本章前面讨论的不一样，网关实际上通过重新封装信息以使它们能被另一个系统读取。为了完成这项任务，网关必须能运行在OSI模型的几个层上。网关必须同应用通信，建立和管理会话，传输已经编码的数据，并解析逻辑和物理地址数据。网关可以设在服务器、微机或大型机上。由于网关具有强大的功能并且大多数时候都和应用有关，它们比路由器的价格要贵一些。另外，由于网关的传输更复杂，它们传输数据的速度要比网桥或路由器低一些。正是由于网关的传输速度较慢，它们有造成网络堵塞的可能。然而，在某些场合，只有网关能胜任工作。也可能会在电子邮件系统环境中听到关于网关的讨论。常见的网关包括电子邮件网关、IBM主机网关、因特网网关和局域网网关，具体描述如下：●电子邮件网关：通过这种网关可以从一种类型的系统向另一种类型的系统传输数据。例如，电子邮件网关允许使用Eudora电子邮件的人与使用GroupWise电子邮件的人相互通信。●IBM主机网关：通过这种网关，可以在一台个人计算机与IBM大型机之间建立和管理通信。●因特网网关：这种网关允许并管理局域网和因特网间的接入。因特网网关可以限制某些局域网用户访问因特网，反之亦然。●局域网网关：通过这种网关，运行不同协议或运行于OSI模型不同层上的局域网网段间可以相互通信。路由器甚至一台服务器都可以充当局域网网关，局域网网关也包括远程服务器，它允许远程用户通过拨号方式接入局域网。2.3网络软件网络协议就软件部分而言，计算机网络中的软件通常是指网络操作系统(NOS)、协议(protocal)以及其他应用软件。1.3.1网络操作系统(NOS)网络操作系统是指能使网络上各计算机方便而有效地共享网络资源，为用户提供所需的各种服务的操作系统软件。网络操作系统除了具备单机操作系统所需的功能外，还必须具有下列功能：●提供高效可靠的网络通信能力。●提供多项网络服务功能如远程管理、文件传输、电子邮件、远程打印等。●目前网络操作系统并非由单一的网络操作系统一统天下，而是存在着多种网络操作系统并存的情况。以目前常用的NOS来说，主要有UNIX系统，Netware系统和WindowsNT系统。以推出的时间来说，UNIX最早，Netware第二，WindowsNT最晚。除去技术上的原因，依靠推出时间早的优势，UNIX几乎独霸了最早具有连网需求的邮电、银行、铁路、军事等领域，而随着网络技术的发展，虽然出现了像Windows这样界面更友好的操作系统，但用户出于保护投资及使用习惯上的原因不情愿完全抛弃已经使用的操作系统，从而导致了操作系统的共存与混用。各种操作系统在网络应用方面都有各自的优势，而实际应用却千差万别，这种局面促使各种操作系统都极力提供跨平台的应用支持。由于Internet以TCP/IP协议为基础,而TCP/IP协议正是U