計(jì)算機(jī)等級(jí)考試必備-三級(jí)網(wǎng)絡(luò)教程

計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)教程

劉君

計(jì)算機(jī)科學(xué)系第1章概述計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)在信息時(shí)代的作用1.1因特網(wǎng)概述1.2因特網(wǎng)的組成1.3計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)在我國的發(fā)展1.41.1計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)在信息時(shí)代的

作用

我們已經(jīng)進(jìn)入了21世紀(jì)。21世紀(jì)的一些重要特征就是數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化和信息化，它是一個(gè)以網(wǎng)絡(luò)為核心的信息時(shí)代。 知識(shí)經(jīng)濟(jì)中的兩個(gè)重要特點(diǎn)就是信息化和全球化。

這里所說的網(wǎng)絡(luò)是指電信網(wǎng)絡(luò)(主要的業(yè)務(wù)是電話，但也有其他業(yè)務(wù)，如傳真、數(shù)據(jù)等)、有線電視網(wǎng)絡(luò)(即單向電視節(jié)目的傳送網(wǎng)絡(luò)，但現(xiàn)已開始逐漸向雙向傳輸網(wǎng)絡(luò)改造)和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)。這三種網(wǎng)絡(luò)通常簡稱為“三網(wǎng)”。

進(jìn)入20世紀(jì)90年代以來，以因特網(wǎng)(Internet)為代表的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展速度十分迅猛，已從最初的教育科研網(wǎng)絡(luò)逐步發(fā)展成為商業(yè)網(wǎng)絡(luò)，并已成為僅次于全球電話網(wǎng)的世界第二大網(wǎng)絡(luò)。1.2因特網(wǎng)概述

1.2.1網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)起源于美國的因特網(wǎng)現(xiàn)已發(fā)展成為世界上最大的國際性計(jì)算機(jī)互聯(lián)網(wǎng)①。這就使得20世紀(jì)90年代成為公認(rèn)的因特網(wǎng)時(shí)代，或簡稱為網(wǎng)絡(luò)時(shí)代。

這種連接到計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)上的計(jì)算機(jī)通常都稱為主機(jī)(host)。圖1-1因特網(wǎng)

(a)表示因特網(wǎng)的方法(b)因特網(wǎng)是“網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)”因特網(wǎng)是網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)

(networkofnetworks)。 計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)把許多計(jì)算機(jī)連接在一起，而因特網(wǎng)則把許多計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)連接在一起。

1.2.2因特網(wǎng)發(fā)展的三個(gè)階段因特網(wǎng)的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)大體上經(jīng)歷了三個(gè)階段的演進(jìn)。但這三個(gè)階段在時(shí)間劃分上并非截然分開而是有部分重疊的，這是因?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)的演進(jìn)是逐漸的而不是突然的。第一階段是從單個(gè)網(wǎng)絡(luò)ARPANET向互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的過程。以小寫字母i開始的internet（互聯(lián)網(wǎng)或互連網(wǎng)）是一個(gè)通用名詞，它泛指由多個(gè)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)互連而成的網(wǎng)絡(luò)。

以大寫字母I開始的的Internet（因特網(wǎng)）則是一個(gè)專用名詞，它指當(dāng)前全球最大的、開放的、由眾多網(wǎng)絡(luò)相互連接而成的特定計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)，它采用TCP/IP族作為通信的規(guī)則，且其前身是美國的ARPANET。

第二階段的特點(diǎn)是建成了三級(jí)結(jié)構(gòu)的因特網(wǎng)。分為主干網(wǎng)、地區(qū)網(wǎng)和校園網(wǎng)（或企業(yè)網(wǎng)）。

第三階段的特點(diǎn)是逐漸形成了多級(jí)ISP結(jié)構(gòu)的因特網(wǎng)。因特網(wǎng)服務(wù)提供者ISP(InternetServiceProvider)。又常稱為因特網(wǎng)服務(wù)提供商。圖1-2用戶通過ISP接入因特網(wǎng)圖1-3基于ISP的多級(jí)結(jié)構(gòu)的因特網(wǎng)的概念示意圖

網(wǎng)絡(luò)接入點(diǎn)NAP(NetworkAccessPoint)，NAP又稱為對(duì)等點(diǎn)(peeringpoint)，表示接入到NAP的設(shè)備不存在從屬關(guān)系而都是平等的。由歐洲原子核研究組織(CERN)開發(fā)的萬維網(wǎng)WWW(WorldWideWeb)被廣泛使用在因特網(wǎng)上，大大方便了廣大非網(wǎng)絡(luò)專業(yè)人員對(duì)網(wǎng)絡(luò)的使用，成為因特網(wǎng)的這種指數(shù)級(jí)增長的主要驅(qū)動(dòng)力。網(wǎng)絡(luò)數(shù)主機(jī)數(shù)用戶數(shù)管理機(jī)構(gòu)數(shù)198010102102100199010310510610120001051071081022005106108109103表1-1 因特網(wǎng)的發(fā)展情況概況由于因特網(wǎng)存在著技術(shù)上和功能上的不足，加上用戶數(shù)量猛增，使得現(xiàn)有的因特網(wǎng)不堪重負(fù)。“下一代因特網(wǎng)計(jì)劃”，即“NGI計(jì)劃”(NextGenerationInternetInitiative)。

NGI計(jì)劃要實(shí)現(xiàn)的一個(gè)目標(biāo)是開發(fā)下一代網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，以比現(xiàn)有的因特網(wǎng)高100倍的速率連接至少100個(gè)研究機(jī)構(gòu)，以比現(xiàn)有的因特網(wǎng)高1000倍的速率連接10個(gè)類似的網(wǎng)點(diǎn)。

NGI計(jì)劃將使用超高速全光網(wǎng)絡(luò)，能實(shí)現(xiàn)更快速的交換和路由選擇，同時(shí)具有為一些實(shí)時(shí)(realtime)應(yīng)用保留帶寬的能力。在整個(gè)因特網(wǎng)的管理和保證信息的可靠性與安全性方面也會(huì)有很大的改進(jìn)。

1.2.3關(guān)于因特網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)化工作

1992年，因特網(wǎng)不再歸美國政府管轄，因此成立了一個(gè)國際性組織叫做因特網(wǎng)協(xié)會(huì)ISOC(InternetSociety)，以便對(duì)因特網(wǎng)進(jìn)行全面管理以及在世界范圍內(nèi)促進(jìn)其發(fā)展和使用。

ISOC下面有一個(gè)技術(shù)組織叫做因特網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)研究委員會(huì)IAB(InternetArchitectureBoard)，負(fù)責(zé)管理因特網(wǎng)有關(guān)協(xié)議的開發(fā)。IAB下面又設(shè)有兩個(gè)工程部。

·因特網(wǎng)工程部IETF(InternetEngineeringTaskForce)·因特網(wǎng)研究部IRTF(InternetResearchTaskForce)

從一個(gè)普通文檔上升到因特網(wǎng)的正式標(biāo)準(zhǔn)要經(jīng)過四個(gè)階段。

（1）因特網(wǎng)草案(InternetDraft)。（2）建議標(biāo)準(zhǔn)(ProposedStandard)。（3）草案標(biāo)準(zhǔn)(DraftStandard)。（4）因特網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)(InternetStandard)。 還有三種RFC，即歷史的、實(shí)驗(yàn)的和提供信息的。圖1-8所示的是各種RFC之間的關(guān)系。1.3因特網(wǎng)的組成

因特網(wǎng)雖然在地理上覆蓋了全球，但從其工作方式上看，可以把整個(gè)因特網(wǎng)的組成劃分為兩大塊，即由所有連接在因特網(wǎng)上的主機(jī)組成的因特網(wǎng)的邊緣部分和由大量網(wǎng)絡(luò)和連接這些網(wǎng)絡(luò)的路由器組成的因特網(wǎng)核心部分

圖1-4因特網(wǎng)的邊緣部分與核心部分

1.3.1因特網(wǎng)的邊緣部分處在因特網(wǎng)邊緣的部分就是連接在因特網(wǎng)上的所有的主機(jī)。這些主機(jī)又稱為端系統(tǒng)(endsystem)，“端”就是“末端”的意思。

因特網(wǎng)的端系統(tǒng)就是前面提到的主機(jī)。邊緣部分的功能就是利用核心部分所提供的服務(wù)，使這樣多的主機(jī)之間能夠互相通信并交換或共享信息。

主機(jī)A和主機(jī)B進(jìn)行通信，主機(jī)A的某個(gè)進(jìn)程和主機(jī)B上的另一個(gè)進(jìn)程進(jìn)行通信。這種比較準(zhǔn)確的說法通?？梢院喎Q為“計(jì)算機(jī)之間通信”。

在網(wǎng)絡(luò)邊緣的端系統(tǒng)中運(yùn)行的程序之間的通信方式可劃分為兩大類：客戶服務(wù)器方式和對(duì)等方式。

1．客戶服務(wù)器方式這種方式在因特網(wǎng)上是最常用的，也是傳統(tǒng)的方式?？蛻?client)和服務(wù)器(server)都是指通信中所涉及的兩個(gè)應(yīng)用進(jìn)程。客戶服務(wù)器方式所描述的是進(jìn)程之間服務(wù)和被服務(wù)的關(guān)系。

這里最主要的特征就是：客戶是服務(wù)請(qǐng)求方，服務(wù)器是服務(wù)提供方。服務(wù)請(qǐng)求方和服務(wù)提供方都要使用網(wǎng)絡(luò)核心部分所提供的服務(wù)。圖1-5客戶服務(wù)器工作方式在實(shí)際應(yīng)用中，客戶程序和服務(wù)器程序通常還具有以下一些主要特點(diǎn)。客戶程序：（1）被用戶調(diào)用后運(yùn)行，在打算通信時(shí)主動(dòng)向遠(yuǎn)地服務(wù)器發(fā)起通信（請(qǐng)求服務(wù)）。（2）可與多個(gè)服務(wù)器進(jìn)行通信。（3）不需要特殊的硬件和很復(fù)雜的操作系統(tǒng)。服務(wù)器程序：（1）是一種專門用來提供某種服務(wù)的程序，可同時(shí)處理多個(gè)遠(yuǎn)地或本地客戶的請(qǐng)求。（2）當(dāng)系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)即自動(dòng)調(diào)用并一直不斷地運(yùn)行著，被動(dòng)地等待并接受來自多個(gè)客戶的通信請(qǐng)求。（3）一般需要強(qiáng)大的硬件和高級(jí)的操作系統(tǒng)支持?？蛻艉头?wù)器本來都指的是計(jì)算機(jī)進(jìn)程（軟件）。運(yùn)行客戶程序的機(jī)器稱為client，把運(yùn)行服務(wù)器程序的機(jī)器稱為server。

2．對(duì)等連接方式對(duì)等連接（peer-to-peer，簡寫為P2P）是指兩個(gè)主機(jī)在通信時(shí)并不區(qū)分哪一個(gè)是服務(wù)請(qǐng)求方還是服務(wù)提供方。也稱為P2P文件共享。

圖1-6對(duì)等連接工作方式

1.3.2因特網(wǎng)的核心部分網(wǎng)絡(luò)核心部分是因特網(wǎng)中最復(fù)雜的部分。網(wǎng)絡(luò)核心部分向網(wǎng)絡(luò)邊緣中的主機(jī)提供服務(wù)，使邊緣部分中的任何一個(gè)主機(jī)都能夠向其他主機(jī)通信（即傳送或接收各種形式的數(shù)據(jù)）。在網(wǎng)絡(luò)核心部分，網(wǎng)絡(luò)和網(wǎng)絡(luò)的連接要依靠路由器(router)，路由器的具體任務(wù)是轉(zhuǎn)發(fā)收到的分組，但從通信的角度看，路由器是實(shí)現(xiàn)分組交換(packetswitching)，這是網(wǎng)絡(luò)核心部分最重要的功能。

1．電路交換的主要特點(diǎn)從通信資源的分配角度來看，“交換(switching)”就是按照某種方式動(dòng)態(tài)地分配傳輸線路的資源。圖1-7電話機(jī)的不同連接方法

(a)兩部電話直接相連(b)5部電話兩兩直接相連(c)用交換機(jī)連接許多部電話這種必須經(jīng)過“建立連接（占用通信資源）→通話（一直占用通信資源）→釋放連接（歸還通信資源）”三個(gè)步驟的交換方式稱為電路交換。

而在通話的全部時(shí)間內(nèi)，通話的兩個(gè)用戶始終占用端到端的通信資源。圖1-8電路交換的用戶始終占用端到端的通信資源

2．分組交換的主要特點(diǎn)分組交換則采用存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)技術(shù)①。將欲發(fā)送的整塊數(shù)據(jù)稱為一個(gè)報(bào)文(message)。在每一個(gè)數(shù)據(jù)段前面，加上一些必要的控制信息組成的首部(header)后，就構(gòu)成了一個(gè)分組(packet)。分組又稱為“包”，而分組的首部也可稱為“包頭”。分組是在因特網(wǎng)中傳送的數(shù)據(jù)單元。

圖1-9劃分分組的概念圖1-10(a)強(qiáng)調(diào)因特網(wǎng)的核心部分是由許多網(wǎng)絡(luò)和把它們互連起來的路由器組成，而主機(jī)處在因特網(wǎng)的邊緣部分。主機(jī)的用途是為用戶進(jìn)行信息處理的，并且可以和其他主機(jī)通過網(wǎng)絡(luò)交換信息。路由器的用途則是用來轉(zhuǎn)發(fā)分組的，即進(jìn)行分組交換的。討論因特網(wǎng)的核心部分中的路由器轉(zhuǎn)發(fā)分組的過程時(shí)，往往把單個(gè)的網(wǎng)絡(luò)簡化成一條鏈路，而路由器成為核心部分的結(jié)點(diǎn)(node)，如圖1-10(b)所示。

(a)核心部分的路由器把網(wǎng)絡(luò)互連起來(b)核心部分中的網(wǎng)絡(luò)可用一條鏈路表示圖1-10分組交換的示意圖當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中的某些結(jié)點(diǎn)或鏈路突然出故障時(shí)，在各路由器中運(yùn)行的路由選擇協(xié)議(protocol)能夠自動(dòng)找到其他路徑轉(zhuǎn)發(fā)分組。優(yōu)點(diǎn)所采用的手段高效在分組傳輸?shù)倪^程中動(dòng)態(tài)分配傳輸帶寬，對(duì)通信鏈路是逐段占用靈活為每一個(gè)分組獨(dú)立地選擇轉(zhuǎn)發(fā)路由迅速以分組作為傳送單位，可以不先建立連接就能向其他主機(jī)發(fā)送分組；網(wǎng)絡(luò)使用高速鏈路可靠完善的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議；分布式多路由的分組交換網(wǎng)，使網(wǎng)絡(luò)有很好的生存性表1-2 分組交換的優(yōu)點(diǎn)分組交換也帶來一些新的問題，時(shí)延，開銷(overhead)。而在20世紀(jì)40年代，電報(bào)通信也采用了基于存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)原理的報(bào)文交換(messageswitching)。

電路交換——整個(gè)報(bào)文的比特流連續(xù)地從源點(diǎn)直達(dá)終點(diǎn)，好像在一個(gè)管道中傳送。報(bào)文交換——整個(gè)報(bào)文先傳送到相鄰結(jié)點(diǎn)，全部存儲(chǔ)下來后查找轉(zhuǎn)發(fā)表，轉(zhuǎn)發(fā)到下一個(gè)結(jié)點(diǎn)。分組交換——單個(gè)分組（這只是整個(gè)報(bào)文的一部分）傳送到相鄰結(jié)點(diǎn)，存儲(chǔ)下來后查找轉(zhuǎn)發(fā)表，轉(zhuǎn)發(fā)到下一個(gè)結(jié)點(diǎn)。

(a)電路交換(b)報(bào)文交換(c)分組交換（P1～P4表示4個(gè)分組）圖1-11三種交換方式的比較1.4計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)在我國的發(fā)展

下面簡單介紹一下計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)在我國的發(fā)展情況。最早著手建設(shè)專用計(jì)算機(jī)廣域網(wǎng)的是鐵道部。鐵道部在1980年即開始進(jìn)行計(jì)算機(jī)聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)。

1989年11月我國第一個(gè)公用分組交換網(wǎng)CNPAC建成運(yùn)行。CNPAC分組交換網(wǎng)由3個(gè)分組結(jié)點(diǎn)交換機(jī)、8個(gè)集中器和一個(gè)雙機(jī)組成的網(wǎng)絡(luò)管理中心所組成。1993年9月建成新的中國公用分組交換網(wǎng)，并改稱為CHINAPAC，由國家主干網(wǎng)和各省、區(qū)、市的省內(nèi)網(wǎng)組成。在北京、上海設(shè)有國際出入口。在20世紀(jì)80年代后期，公安、銀行、軍隊(duì)以及其他一些部門也相繼建立了各自的專用計(jì)算機(jī)廣域網(wǎng)。這對(duì)迅速傳遞重要的數(shù)據(jù)信息起著重要的作用。除了上述的廣域網(wǎng)外，從20世紀(jì)80年代起，國內(nèi)的許多單位都陸續(xù)安裝了大量的局域網(wǎng)。局域網(wǎng)的價(jià)格便宜，其所有權(quán)和使用權(quán)都屬于本單位，因此，便于開發(fā)、管理和維護(hù)。局域網(wǎng)的發(fā)展很快，對(duì)各行各業(yè)的管理現(xiàn)代化和辦公自動(dòng)化已起了積極的作用。 這里應(yīng)當(dāng)特別提到的是1994年4月20日我國用64

kbit/s專線正式連入因特網(wǎng)。從此，我國被國際上正式承認(rèn)為接入因特網(wǎng)的國家。同年5月中國科學(xué)院高能物理研究所設(shè)立了我國的第一個(gè)萬維網(wǎng)服務(wù)器。在9月中國公用計(jì)算機(jī)互聯(lián)網(wǎng)(CHINANET)正式啟動(dòng)。到目前為止，我國陸續(xù)建造了基于因特網(wǎng)技術(shù)的并可以和因特網(wǎng)互連的9個(gè)全國范圍的公用計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)。這就是：（1）中國公用計(jì)算機(jī)互聯(lián)網(wǎng)CHINANET（2）中國教育和科研計(jì)算機(jī)網(wǎng)CERNET（3）中國科學(xué)技術(shù)網(wǎng)CSTNET（4）中國聯(lián)通互聯(lián)網(wǎng)UNINET（5）中國網(wǎng)通公用互聯(lián)網(wǎng)CNCNET （6）中國國際經(jīng)濟(jì)貿(mào)易互聯(lián)網(wǎng)CIETNET（7）中國移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)CMNET（8）中國長城互聯(lián)網(wǎng)CGWNET（建設(shè)中）（9）中國衛(wèi)星集團(tuán)互聯(lián)網(wǎng)C