1.1　计算机网络简介

1.1.1　计算机网络的概念

IEEE高级会员塔能鲍姆（Andrew S. Tanenbaum）博士在他的名著《计算机网络》中对计算机网络给出了如下阐述：计算机和通信的结合对计算机系统的组织方式产生了深远的影响。过去那种用户必须带着任务到大型计算机房间里进行数据处理的计算模式，现在已经完全过时。这种由一台计算机服务于整个组织内所有计算需求的老式模型已经被新的模型所取代——大量相互独立但彼此连接的计算机共同完成计算任务。这些系统称为计算机网络（Computer Networks）。

从计算机与通信技术相结合的观点出发，人们把计算机网络定义为：以计算机之间传输信息为目的而连接起来，实现远程信息处理并进一步达到资源共享的系统。

从强调资源共享的观点出发，计算机网络可以定义为：把地理上分散的资源，以能够相互共享资源（硬件、软件和数据）的方式连接起来，并且各自具备独立功能的计算机系统的集合体。

从物理结构上看，计算机网络又可定义为：在协议控制下，由若干计算机、终端设备、数据传输介质和通信控制处理机等组成的集合。

综合上述观点，计算机网络可以定义为：将分布在不同地理位置并具有独立功能的多台计算机，通过通信设备和线路连接起来，在功能完善的网络软件（网络协议、网络操作系统等）支持下，以实现网络资源共享和数据传输为目的的系统。

1.1.2　计算机网络的基本组成

1.计算机网络的物理组成

计算机网络按物理结构可分为网络硬件和网络软件两部分。

网络硬件是整个计算机网络的物质基础，它是网络运行的实体，对网络的性能起着决定性的作用。常见的网络硬件如下：

（1）计算机：网络服务器、个人计算机等。

（2）网络适配器：网卡。

（3）传输介质：同轴电缆、双绞线、光纤，以及无线传输介质等。

（4）网络互连设备：中继器、网桥、交换机、路由器、网关等。

网络软件是整个计算机网络的灵魂，它用于支持网络运行、提高运行效率和开发网络资源。常见的网络软件如下：

（1）网络操作系统：Windows Server、Linux等。

（2）网络协议软件：TCP/IP、IPX/SPX等。

（3）网络应用软件：IE、数据库网络接口（如ODBC、ADO）等。

2.计算机网络的逻辑组成

计算机网络按逻辑功能可分为资源子网和通信子网两部分。

资源子网是网络中实现资源共享功能的硬件及其软件的集合，它是计算机网络中面向用户的部分。资源子网由网络中独立工作的计算机及其外围设备、各种软件资源与数据资源组成。

通信子网是网络中实现网络通信功能的硬件及其软件的集合。通信子网为资源子网提供传输服务，是支持资源子网上用户之间相互通信的基本环境。通信子网由用于信息交换的网络互连设备和通信链路等软硬件设施组成。

1.1.3　计算机网络的功能

计算机网络有很多用处，其中最重要的3个功能是：数据通信、资源共享和分布处理。

1.数据通信

数据通信是计算机网络最基本的功能。它用来快速传送计算机与终端、计算机与计算机之间的各种信息，包括文字、声音、图像、视频等。如果计算机网络覆盖的地域足够大，则可使各种信息在全国乃至全球范围内快速传递和处理。

2.资源共享

“资源”指的是网络中所有的软件、硬件和数据。“共享”指的是网络中的用户都能够部分或全部地享受这些资源。一个非常普遍的例子是一个办公室里的所有工作人员共用同一台打印机。在计算机网络中，许多昂贵的资源，例如大型数据库、巨型计算机、大容量存储空间等，并非为每一个用户所独有，它们必须实行资源共享。资源共享可以避免重复投资，提高资源利用率，使系统的整体性价比得到提高。

3.分布处理

当某台计算机负担过重，或该计算机正在处理某项工作时，计算机网络可将新任务转交给空闲的计算机来完成，这样能均衡各计算机的负载，提高处理问题的实时性。对于大型综合性问题，可将问题各部分交给不同的计算机分别进行处理，充分利用网络资源，扩大计算机的处理能力，增强处理问题的实用性。联合使用多台计算机并构成高性能的计算机体系，这种协同工作、并行处理的方法要比单独购置高性能的大型计算机便宜得多。

1.1.4　计算机网络的分类

关于计算机网络，目前还没有一种被普遍接受的分类方法，一般是通过传输技术和覆盖范围两个角度对计算机网络进行分类。

1.按网络的传输技术分类

从广义上讲，目前计算机网络普遍使用的传输技术有两种，分别是点到点链路和广播式链路。

点到点（Point-to-Point ）链路是指将一对单独的计算机连接起来。在一个由点到点链路组成的网络中，如果两台计算机之间没有直连线路，为了使发送方发送的消息到达接收方，消息就必须首先通过一个或多个中间结点，这种消息在某些情况下被称为数据包或分组（Packet）。点到点传输只有一个发送方和一个接收方，有时候它也被称为单播（Unicasting）。

与点到点链路不同，广播式链路是指通信信道被网络上的所有计算机所共享。任何一台计算机发出的数据包能被所有其他计算机收到。每个数据包的地址字段指定了预期的接收方。当一台计算机收到一个数据包时，它要检查地址字段。如果包的目的地就是本计算机，则该计算机要处理此数据包；如果包的目的地址是其他计算机，则该计算机忽略此数据包。无线网络是广播式网络的一个常见例子，一个覆盖区域内的通信由该区域内所有计算机共享。

广播式网络往往还提供将一个数据包发送给所有目标计算机的可能性，这种传输模式称为广播（Broadcasting）。广播只要在地址字段中使用一个特殊的编码，如果被传输的数据包带有这样的地址编码，那么网络中的每一台计算机都将会接收该包并对其进行处理。有些广播式网络还支持给一组计算机发送数据包的模式，这种传输模式称为多播（Multicasting）。

2.按网络的覆盖范围分类

按网络的覆盖范围可以将计算机网络分为：个域网、局域网、城域网和广域网。它们之间的比较如表1-1所示。

（1）个域网

个域网（Personal Area Network，PAN）允许设备围绕着一个人进行通信。一个常见的例子是计算机通过无线网络与其外围设备连接。为了减少外设（显示器、键盘、鼠标、打印机）与计算机连接的电缆，一些公司联合起来设计了一种短距离无线网络来连接这些计算机组件，这种无线网络使用蓝牙（Blue tooth）技术。

在最简单的形式下，蓝牙网络采用主-从操作模式，如图1-1所示。计算机通常是主设备，与鼠标、键盘等从设备通信。主设备告诉从设备以后广播时使用什么地址、它们能够传输多长时间、它们可以使用什么频率等所有与传输有关的信息。蓝牙也可用在其他设备中，如将耳麦与手机相连。我们将在第9章更详细地介绍蓝牙技术。

PAN也可以采用其他短程通信技术来搭建，例如智能卡和RFID。我们将在第9章介绍RFID。

（2）局域网

局域网（Local Area Network，LAN）是一种私有网络，一般存在于一座建筑物内。局域网被广泛用来连接个人计算机和消费类电子设备，使它们能够共享资源（比如服务器、打印机）和交换信息。当局域网被用于公司时，就称为企业网（Enterprise Network）。

局域网一般分为有线局域网和无线局域网两种。有线局域网使用了各种不同的传输技术。它们大多使用铜线作为传输介质，但也有一些使用光纤。通常情况下，有线局域网的运行速率在100Mbit/s～1Gbit/s之间，延迟很低（微秒或纳秒级），而且很少发生错误。较新的局域网甚至可以工作在高达10Gbit/s的速率下。

许多有线局域网的拓扑结构是以点到点链路为基础。俗称以太网（Ethernet）的IEEE802.3是迄今为止最常见的一种有线局域网。图1-2所示为一个交换式以太网（Switched Ethernet）的拓扑例子。每台计算机按照以太网协议规定的方式运行，通过一条点到点链路连接到一台交换机（Switch），这就是交换式以太网名字的由来。一个交换机有多个端口（port），每个端口连接一台计算机。交换机的工作是中继与之连接的计算机之间的数据包，根据每个数据包中的地址来确定这个数据包要发送给哪台计算机。

为了建立较大的局域网，需要用多个交换机，它们相互连接，如果把它们连接在一起形成一个环，会发生什么？网络仍然能正常工作吗？设计者考虑到了这种情况，这正是协议的工作任务。协议必须梳理数据包的路径，并选择该走的路径，最终抵达预期的计算机。交换机的工作情况将在第5章进行介绍。

人们有时候也会将一个大的物理局域网分成几个较小的逻辑局域网，这么做是因为有时候网络设备的布局不一定与组织结构相匹配。例如，某个学校的人事和财务部门因为位于同一建筑物的同一楼层，因此它们的计算机有可能在同一个物理局域网中。如果人事部门和财务部门逻辑上有自己独享的虚拟局域网（Virtual LAN，VLAN），就更易于管理各自的系统。此时，可以给每个端口额外加上一个数字标签，例如数字“10”表示人事部门，数字“20”表示财务部门，然后交换机在转发数据包时，将连到数字标签“10”端口的计算机和连到数字标签“20”端口的计算机区别开。例如，在数字标签“10”端口上发送的广播数据包将不会被连到数字标签“20”端口上的计算机收到，就好像存在两个不同的局域网一样。与此相关的内容将在第7章中讨论。

交换式以太网是原始以太网设计的一个现代版本。在最初的以太网设计中，所有的数据包在一条电缆上广播，因而一次至多只有一台机器能够成功发送。为此，需要一个分布式仲裁机制来解决冲突问题。其算法非常简单：只要电缆空闲，计算机就可以传输。如果两个或两个以上的数据包在电缆上发生冲突，每台计算机只需等待一个随机时间后再次重发。通常称这种版本的以太网为经典以太网（Classic Ethernet）。

无线局域网近来很受欢迎，尤其是在家庭、旧办公楼、食堂和其他一些安装电缆很麻烦的场所。在这些系统中，每台计算机都有一个无线网卡用来与其他计算机通信。在大多数情况下，每台计算机与一个专用设备通信，如图1-3所示。这个设备称为接入点（Access Point ，AP），它主要负责中继无线计算机之间的数据包，还负责中继无线计算机和Internet之间的数据包。

无线局域网的一个标准称为IEEE 802.11（俗称Wi-Fi），它已经被非常广泛地使用。它可以以11Mbit/s到几百兆比特每秒的速率运行。无线局域网的相关内容将在第9章进行介绍。

家庭局域网值得多花一些时间讨论。虽然可以认为家庭网络只是另一种局域网，但它却有着一些与其他网络不同的属性要求。例如，它的安装必须非常容易、操作必须非常简单、价格要低廉，并且要安全可靠。如何构建家庭网络将在第11章进行介绍。

（3）城域网

城域网（Metropolitan Area Network，MAN）的范围可覆盖一个城市，它们大多使用光纤作为传输介质。城域网的一个重要用途是用作城市骨干网，通过它将位于同一城市内不同地点的局域网互相连接起来。城域网不仅可用于计算机通信，同时也可用于传输语音、图像以及视频等信息，成为一种综合通信网络。有线电视网就是一个典型的城域网例子。最初的有线电视网只能专用于电视节目的接收，从20世纪90年代后期Internet开始吸引大量观众后，有线电视网开始利用原来尚未使用的频谱来提供双向的Internet服务。从那时候起，有线电视网就从分发电视节目的单一模式演变为一个城域网。

最近发展的高速无线Internet接入催生了另一种城域网，并且已经被标准化为IEEE 802.16，这就是WiMAX。WiMAX技术将在第9章进行介绍。

（4）广域网

广域网（Wide Area Network，WAN）的范围很大，它能跨越很大的地理区域，通常是一个国家、地区或者一个大洲。与局域网类似，广域网也分为有线广域网和无线广域网两种。下面以一个在不同城市有分支机构的公司作为案例来说明有线广域网。

图1-4所示为一个公司的广域网，它连接了该公司设在北京、上海和广州3个城市的办事处。每个办事处都有专门运行用户程序的计算机。按照传统说法把这些计算机称为主机（Host），然后把连接这些主机的网络部分称为通信子网（Communication Subnet）。

在大多数广域网中，通信子网由两个不同部分组成：传输线路和交换元素。传输线路（Transmission Line）负责在计算机之间传输数据。它们可以是铜线、光纤或无线链路。交换元素（Switching Element）是专用的计算机，负责连接两条或两条以上的传输线路，并在传输线路之间转发数据。这些负责转发数据的计算机现在最常用的名称是路由器（Router）。

我们所描述的有线广域网看起来类似一个大型的有线局域网，但除了线路更长之外，它们之间还有着一些非常重要的差异。通常在广域网中，主机和通信子网由不同的人拥有和经营（例如，通信子网通常由网络提供商或电话公司负责经营）。

广域网和局域网的第二个区别是广域网中的路由器通常连接不同类型的网络，例如，办事处内部网络可能是以太网，而长途传输线路可能是帧中继链路（将在第8章介绍）。

有线广域网可以分为两类：

・利用虚拟专用网络（Virtual Private Network，VPN）相互连接的广域网。例如，公司并不租赁专用的传输线路，而是把自己的办事处的网络直接连接到Internet，办事处之间通过虚拟链路相互连接。与租赁专线相比，VPN提供了重用某种资源（Internet连接）的灵活性，但它也存在虚拟化的一般缺点，即缺乏对底层资源的控制。

・通过网络服务提供商（Network Service Provider）相互连接的广域网。在这种广域网类型中，通信子网由不同的公司负责运营。子网运营商通常会与Internet相连，这样的子网运营商称为Internet服务提供商（Internet Service Provider，ISP），相应的通信子网称为ISP网络（ISP Network）。

其他种类的广域网使用了大量的无线技术，例如卫星系统和蜂窝移动电话网络。无线广域网将在第9章进行介绍。