1.1 计算机网络基础

20 世纪 50 年代，计算机网络的诞生引起了人们极大的兴趣。其间，随着计算机技术和通信技术高速发展及相互渗透结合，计算机网络也迅速扩散到日常生活的各个领域，政府、军队、企业和个人都越来越多地将自己的重要业务依托于网络运行，越来越多的业务和信息都通过网络来传输。

在信息化社会中，计算机网络对信息的收集、传输、存储和处理起着非常重要的作用，对已经到来的信息社会都有着极其深刻的影响。

1.1.1 计算机网络概述

计算机网络通过使用双绞线、同轴电缆或光纤等有线通信介质，或使用微波、卫星等无线媒体，把地理上分散的多台计算机系统连接起来，并通过网络中的协议进行通信，实现资源共享的计算机系统集合。

两台计算机连接起来可以组成一个最简单的对等网络；通过光纤把全世界计算机连接起来就构成了Internet网络。无论何种网络，计算机网络的主要功能包括以下几方面。

1.软、硬件共享

网络允许用户共享网络上的各种不同类型硬件：服务器、存储器、打印机等。共享硬件的好处是提高硬件的使用效率、节约开支。软件共享则允许多个用户同时使用网上数据和软件，如数据库管理系统、Internet应用软件等，并可以保持数据的完整性和一致性。

2.信息共享

Internet网是一个巨大的信息资源库，就像一个信息的海洋。每一个接入Internet用户都可以共享这些资源，如Web主页、FTP服务器、电子读物、微博、网上图书馆等。

3.数据通信

通信是计算机网络最基本功能之一，建设网络的主要目的就是让分布在不同地理位置的用户能够相互通信、交流信息。网络可以传输数据、声音、图像及视频等多媒体信息，可以发送电子邮件、打IP电话、发微信、在网上开视频会议等。

4.负荷均衡与分布处理

负荷均衡是将网络中工作负荷，均匀地分配给网络中的各计算机系统。当网络上某台主机的负荷过重时，通过网络应用程序的控制，可以将任务分配给网络上其他计算机处理，充分发挥网络系统上各台主机的作用。

5.系统的安全与可靠性

网络系统可靠性对于军事、金融和工业过程控制等部门应用特别重要。计算机通过网络中冗余部件，可大大提高可靠性。例如，工作中一台机器出了故障，可以使用网络中另一台机器替代；网络中一条通信线路出现故障，可以取道另一条线路，从而提高系统整体可靠性。

1.1.2 计算机网络发展历程

20世纪50年代后期，美国半自动地面防空系统（Semi-Automatic Ground Environment，SAGE）开始了计算机技术与通信技术相结合的尝试。在 SAGE 系统中，把远程雷达和其他测控设备，由线路汇集至一台 IBM 大型计算机上进行集中的信息处理。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。

随着计算机网络技术的蓬勃发展，计算机网络的发展历史大致可划分为如下几个阶段。

1.第一代计算机网络

20世纪50年代，为了使用计算机系统，将地理上分散的多台无处理能力的终端机（终端是一台计算机外部设备，包括显示器和键盘，无CPU和内存）通过通信线路连接到一台中心计算机上，排队等候，待系统空闲时使用计算机，科学工作者们创造了第一代计算机网络系统，如图1-1所示。

第一代计算机网络的主要特征是：为了增加系统的计算能力和实现资源共享，分时系统所连接的多台终端连接着中心服务器，这样就可以让多个用户同时使用中心服务器资源。当时计算机网络的定义为“以传输信息为目的而连接起来，以实现远程信息处理或进一步达到资源共享的计算机系统”。

2.第二代计算机网络

第二代计算机网络（远程大规模互连）将多台主机之间通过通信线路实现互连，为网络中的用户提供服务。20 世纪 60 年代出现了大型主机商业应用，因而也有了对大型主机资源远程共享要求。同时，以程控交换为特征的电信技术的发展，为这种远程通信需求提供了实现手段，如图1-2所示。

在这种网络中，主机之间不是直接用线路相连，而由接口报文处理机（Interface Message Processor，简称为IMP，是路由器的前身）转接后实现互连。互连IMP机和通信线路一起负责网络中主机间的通信任务，构成通信子网。接入到通信子网中的互连主机负责运行程序，提供资源共享，组成资源子网。这个时期这种特征网络概念为“以能够相互共享资源为目的，互连起来的具有独立功能的计算机集合体”。

1969年，美国国防部高级研究计划局（Defense Advanced Research Projects Agency，DARPA）建成ARPAnet实验网。该网络就是Internet网的前身，当时该网络只有4个节点，以电话线路为主干网络。此后该网络建设的规模不断扩大，到20世纪70年代后期，网络节点已超过60多个，网络的范围连通了美国东部和西部许多大学和研究机构。

20 世纪 70 年代是通信网络大力发展时期，这时的网络都以实现计算机之间远程数据传输和信息共享为主要目的，通信线路大多租用电话线路，少数铺设专用线路。这一时期的网络以远程大规模互连为主要特点，称为第二代网络。

3.第三代计算机网络

随着计算机网络技术的成熟，网络应用领域越来越广泛，网络规模不断地增大，网络通信技术也变得更加复杂。各大计算机公司纷纷制定出自己公司的网络技术标准。

1974年，IBM推出了系统网络结构SNA（System Network Architecture）标准，为用户提供互连成套通信。

1975年，DEC（Digitul Equipment Corporation，美国数字设备公司）宣布了数字网络体系结构DNA（Digital Network Architecture）标准。

1976 年，UNIVAC 也宣布了分布式通信体系结构 DCA（Distributed Communication Architecture）标准。

但这些网络标准都只能在一个公司建设的网络范围内有效，只有同一公司生产的网络设备才能实现互连。企业这种各自为政网络市场状况，使得用户无所适从，也不利于厂商之间公平竞争。

1977年，ISO（International organization for standardization，国际标准化组织）组织出面制定了开放系统互连参考模型。OSI/RM（Open System Inter Connect，开放系统互连参考模型）参考模型的出现，标志着第三代计算机网络（计算机网络标准化阶段）诞生，即所有的厂商都共同遵循OSI标准，形成一个具有统一网络体系结构局面，建设遵循国际标准的开放式和标准化的网络。

OSI/RM网络参考模型把网络划分为7个层次，直观化了网络通信过程，简化了通信原理，标准化了网络通信协议，成为新一代计算机网络体系结构基础，为普及局域网奠定基础。

4.第四代计算机网络

20世纪80年代，PC技术、局域网技术发展成熟，出现了光纤及高速网络传输技术。网络就像一个对用户透明的大规模计算机系统，计算机网络获得高速发展。此时，计算机网络定义为“将多个具有独立工作能力的计算机系统，通过通信设备和线路互连在一起，由功能完善的网络软件实现资源共享和数据通信的系统”。

1980年2月美国电气和电子工程师协会（Institute of Electrical and Electronics Engineers，IEEE）组织802委员会，制定了局域网IEEE802标准。

1985年，美国国家科学基金会（National Science Foundation，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取代ARPAnet成为国家骨干网，并走出大学和研究机构进入社会，受到广泛使用。

1992年，Internet委员会成立。该委员会把Internet定义为“组织松散的、独立的国际合作互连网络”，其“通过自主遵守计算协议和规程，支持主机对主机的通信”。

现在，计算机网络及Internet已成为社会结构的组成部分。网络被应用于工商业各个方面，包括电子银行、电子商务、现代化的企业管理、信息服务业等。从学校远程教育到政府日常办公乃至电子社区，都离不开网络技术，网络无处不在。

5.下一代计算机网络NGN

NGN是“下一代网络（Next Generation Network）”技术，是互联网、移动通信网络、固定电话通信网络的融合及 IP 网络和光网络的融合。NGN 可以提供包括语音、数据和多媒体等各种业务的综合开放的网络构架，是业务驱动、业务与呼叫控制分离、呼叫与承载分离的网络，是基于统一协议的、基于分组的网络。

NGN的核心思想是在一个统一的网络平台上，以统一管理的方式提供多媒体业务，在整合现有的市内固定电话、移动电话的基础上，增加多媒体数据服务及其他增值型服务，其中，话音的交换将采用软交换技术，而平台的主要实现方式为IP技术。

NGN朝着具有定制性、多媒体性、可携带性和开放性等方向发展。毫无疑问，下一代计算机网络将进一步提高人们的生活质量，为消费者提供种类更丰富、更高质量话音的数据和多媒体业务。

1.1.3 计算机网络分类

1.按地理范围分类

按照地理范围，计算机网络可以分为局域网、城域网和广域网。

① 局域网（Local Area Network，LAN）：局域网地理范围一般为100m~10km，属于小范围连网，并实现资源共享，如一座建筑物内、一所学校内、一个工厂内等。局域网的组建简单、灵活，使用方便。

局域网传输速度通常在10 Mbit/s~1000 Gbit/s之间。局域网设计通常针对一座建筑物，提高资源和信息的安全性，用于减少管理者的维护操作等。客户/服务系统（C/S，B/S）是局域网的重要应用，客户端向服务器发送请求，服务器再将处理结果返回给浏览器或客户端程序。

② 城域网（Metropolitan Area Network，MAN）：城域网地理范围从100km~1000km，可覆盖一个城市或一个地区，属于中等范围连网。

③ 广域网（Wide Area Network，WAN）：广域网地理范围一般在100km以上，属于大范围连网、如几个城市、一个或几个国家，能实现大范围的资源共享，如国际性的Internet网络。

与局域网相比，广域网的传输速度要慢得多。在传输线路连接形式上有电话线、专线（线缆）、光纤等几种。WAN与LAN的区别在于，WAN是一种通过租用运营商的线路（专线等），实现地理位置相隔很远的设备之间通信的网络。

2.按传输介质分类

传输介质是数据传输中发送设备和接收设备间的物理媒体，分为有线和无线两大类。

采用有线传输介质连接成的网络称为有线网，常用有线传输介质有双绞线、同轴电缆和光纤。

① 双绞线（twisted pair）：将一对以上线缆封装在一个绝缘外套中，为了降低信号干扰，线缆中每一对线由两根绝缘铜导线相互扭绕而成，因此称为双绞线。

② 同轴电缆（coaxial cable）：由一根空心外圆柱导体和一根位于中心轴线内的导线组成，内导线和圆柱导体及外界之间用绝缘材料隔开。

③ 光纤（optical fiber）：用来传播光束的细小而柔韧的光介质。通过应用光学原理，发送端由光发送机产生光束，将电信号变为光信号，再把光信号导入光纤；在另一端由光接收机接收光纤上传来的光信号，并把它变为电信号。

采用无线传输介质连接成的网络称为无线网。主要采用三种传输技术：微波、红外线和卫星通信。

① 微波（microwave）：微波指频率大于1GHz的电波。如果应用较小发射功率（约1W）配合定向高增益微波天线，需要每隔16~80km距离设置一个中继站，构筑微波通信系统。

② 人造卫星（satellite）：常见通信卫星系统采用同步地球轨道（Geostationmory Earth Orbit，GEO）。GEO卫星始终处在赤道上方，高度大约为22300mile（1mile=1609.344m），与地球表面保持相对位置，提供多种轨道通信。

③ 红外线（radio）：主要用于有线无法连接情形下10米以内桥接，多用于短程传输。

3.按拓扑结构分类

所谓网络拓扑，指用传输介质连接各种网络设备形成的物理布局，即用什么方式把网络中计算机等设备连接起来。按照网络拓扑结构所呈现的形状，网络大致可分为以下几种。

（1）总线型拓扑

部线型（bus）拓扑使用一条同轴电缆连接网络中所有设备，所有的工作站均接到此主缆上，如图 1-3 所示。总线型网络的优点：安装容易，扩充或删除一个节点容易，单个节点故障不会殃及系统。总线型网络的缺点：由于信道共享，连接的节点不宜过多，并且总线自身的故障容易导致系统的崩溃。早期以太网采用的就是总线形的网络拓扑结构。

（2）星型拓扑

星型（star）拓扑网络以一台中央处理设备（通信设备）为核心，其他机器与该中央设备间直接连接。所有数据都必须经过中央设备转发传输，如图1-4所示。

星型网络结构具有便于网络集中控制、易于维护、网络延迟时间较小、传输误差较低等优点。但这种网络结构要求中心节点必须具有极高的可靠性。因为中心节点一旦损坏，整个系统便趋于瘫痪。

（3）环型拓扑

环型（ring）拓扑结构中的传输媒体，从一个端用户连接到另一个端用户，直到将所有的端用户连成环型结构，如图1-5所示。

这种结构能有效消除各个工作站在通信时对中心设备的依赖性，但环中节点过多时，会影响信息传输速率，使网络的响应时间延长。环型网络是封闭的，不便于扩充；可靠性低，一个节点出现故障将会造成全网瘫痪；而且维护难，对分支节点故障的定位较难。

（4）网状拓扑

网状（distributed mesh）拓扑结构通常利用冗余的设备和线路，提高网络可靠性，因此节点设备可以根据当前的网络信息流量，有选择地将数据发往不同的线路，如图1-6所示。但这种网络连接不经济，网状结构的安装也很复杂，但系统可靠性高，容错能力强。

（5）分层树型拓扑

分层树型（hierarchical tree）拓扑是在星型拓扑基础上衍生而成，网络拓扑像树枝一样由根部一直向叶部发展，一层一层犹如阶梯状，如图1-7所示。

与星型相比，分层树形拓扑的节点易于扩充，寻找路径比较方便，但除了叶节点及其相连的线路外，任一节点或其相连的线路发生故障都会使系统受到影响。

现在，一些网络常把主要骨干网络做成网状拓扑结构，而非骨干网络则采用星型拓扑结构。

4.按交换功能分类

从网络交换功能来看，将网络分为电路交换网络、报文交换网络、分组交换网络等。

① 电路交换：在双方通信前，通过用户呼叫（即拨号），从主叫端到被叫端建立一条物理通路，然后双方进行通信；当通信结束后，自动释放掉这条物理链路，如电话就是典型电路通信。电路交换优点是传输速率高、可靠有保证，缺点是对带宽浪费较大。

② 分组交换：也称包交换，通信过程中将整块数据（报文）分成一个个更小数据段，添加首部（header）信息形成分组，或者“包”。分组包通过首部携带目的地址、源地址等信息，经过一系列的分组交换机转发到目的地。分组交换网络具有高效、灵活、可靠等优点，缺点是分组在各个节点存储转发时，会造成一定延时，添加的分组首部控制信息也会造成额外开销等。

③ 报文交换：报文交换也基于存储转发。报文交换直接传送整个报文，不将报文分割成为更小分组。

1.1.4 网络传输介质

网络传输介质大致可分为有线介质（双绞线、同轴电缆、光纤等）和无线介质（微波、红外线、激光等）两类，下面分别介绍。

1.双绞线

双绞线（Twisted Pair）是由两条绝缘的导线，按照一定规格互相缠绕而制成网络跳线。其采用绞合结构是为了减少对相邻导线电磁干扰。每根导线在传输中的电磁波辐射会被另一根导线上发出的电磁波抵消。美国电子工业协会EIA（Electronic Industries Association）和电信工业协会TIA（Telecommunications Industry Association）组织定义了标准双绞线的线序标准，具体如下。

一条双绞线的两端，如果都按照同种类型排线顺序，该双绞线就是常说的直连线。直连线多用于异型设备连接，如交换机和计算机连接，是局域网中最常见的网线。

如果双绞线两端排线顺序不同，一端按照T568A标准，另一端按照T568B标准，该双绞线就叫交叉线。交叉线通常用于同型设备连接，如计算机之间连接及交换机与交换机之间级联。

双绞线按是否有屏蔽层，还可分为非屏蔽双绞线和屏蔽双绞线。

屏蔽双绞线STP（Shielded Twisted Pair）在双绞线与外层绝缘层间，增加金属屏蔽层，以减少辐射，防止信息被窃听，阻止外部电磁干扰，比非屏蔽双绞线有更高的传输速率。

非屏蔽双绞线UTP（UnshieldedTwisted Pair）则没有屏蔽层，就是普通网线，由四对不同颜色传输线所组成，广泛用在以太网络和电话线中，如图1-8所示。

按照传输的效率，EIA/TIA组织还定义了几种不同质量的双绞线型号。

① 一类线（CAT1）：最高带宽750kHz，只适用于语音传输。

② 二类线（CAT2）：最高带宽1MHz，用于语音传输，能实现最高传输速率为4Mbit/s的数据传输。

③ 三类线（CAT3）：最高带宽10Mbit/s，应用于语音、10Mbit/s以太网（10BASE-T）和4Mbit/s令牌环，最大网段长度为100米，采用RJ（Registered Jack，注册插孔）形式连接器。

④ 四类线（CAT4）：最高带宽 20MHz，适合语音传输和最高传输速率为 16Mbit/s 的数据传输，主要用于令牌局域网和10BASE-T/100BASE-T以太网，最大网段长为100米，采用RJ连接器，未被广泛采用。

⑤ 五类线（CAT5）：增加绕线密度，外套高质量绝缘材料，最高带宽为 100M，主要用于100BASE-T和1000BASE-T网络，最大网段长为100米，是以太网最常用网线。

⑥ 超五类线（CAT5e）：最高带宽为 1000Mbit/s，具有更高衰减与串扰比值、更小时延误差，性能得到很大提高，主要用于千兆位以太网（1000Mbit/s）传输。

⑦ 六类线（CAT6）：提供两倍于超五类的带宽，传输性能远远高于超五类，适用于传输速率高于1Gbit/s应用。六类线布线采用星型拓扑，要求信道长度不能超过100米。

⑧ 超六类或6A（CAT6A）：带宽介于六类和七类之间，和七类线一样，还没有正式标准。

⑨ 七类线（CAT7）：传输带宽约为600MHz，用于今后10吉比特以太网。

2.同轴电缆

同轴电缆由内导体铜质芯线、绝缘层、网状编织的外导体屏蔽层及保护塑料外层组成。这种结构，使它具有高带宽和极好的噪声抑制特性。

同轴电缆的带宽取决于电缆的长度，1km长的电缆可以达到1Gbit/s~2Gbit/s的传输速率。若使用更长的电缆，传输速率会降低，中间需要使用放大器防止传输速率降低。

同轴电缆通常利用T形接头（T形连接器）连接。T形接头有两种：一种是必须先把电缆剪断，然后再连接；另一种是不必剪断电缆，但需要特制插入式分接头，利用螺丝分别将两根电缆内外导线连接好，连接更为麻烦和昂贵，如图1-9所示。

3.光缆

光缆利用光学原理，在发送端采用发光二极管或半导体激光器，在电脉冲作用下产生出光脉冲。接收端利用光电二极管做成光检测器，若检测到光脉冲，则还原出电脉冲。

光缆电磁绝缘性能好、信号衰减小、频带宽、传输速度快、传输距离大，主要用于传输距离较长、布线条件特殊的骨干网连接。但光缆安装和维护比较困难，需要专用设备。

根据模数不同，光纤分为单模光纤和多模光纤，其中，“模”指以一定角速度进入光纤的一束光。

多模光纤采用发光二极管做光源，允许多束光在光纤中同时传播，从而形成模分散。模分散技术限制多模光纤带宽和距离，因此多模光纤芯线粗，传输速度低、距离短，传输性能差；但成本比较低，一般用于建筑物内或地理位置相邻建筑物间布线，如图1-10所示。

单模光纤只允许一束光传播，所以没有模分散特性，因而纤芯较细，传输频带宽、容量大、距离长，但因其需要固体激光器做光源，成本较高，所以通常在建筑物之间或地域分散时使用。单模光纤是当前计算机网络中重点应用产品，也是光纤通信技术发展趋势。

光纤的中心是光传播玻璃芯。纤芯通常由石英玻璃制成，横截面很小、双层同心圆柱体。它质地脆、易断裂，因此需要外加一个保护层，其结构如图1-9所示。在多模光纤中，纤芯直径是15 μm~50 μm，与人头发粗细相当。而单模光纤纤芯直径为8 μm~10 μm。

芯外面包围一层折射率比芯低的玻璃封套，在外面是一层薄塑料外套。光纤通常被扎成束，外面有外壳保护，如图1-11所示。

4.无线传输介质

无线传输是指利用电磁波发送和接收信号进行通信的过程。国际电信联盟（International Telecommunication Union，ITU）规定波段正式名称：低频（LF，长波波长从1 km~10 km，频率30 kHz~300 kHz）；中频（MF，中波波长从100m~1000 m，频率300 kHz~3000 kHz）；高频（HF，短波波长从10 m~100 m，频率3 MHz~30 MHz）。

人们通常利用了无线电、微波、红外线等几个波段进行通信。

（1）无线电波

无线电波是指在自由空间（包括空气和真空）传播的射频频段的电磁波。无线电技术是通过无线电波传播声音或其他信号的技术。

（2）微波

微波指频率为300MHz~300GHz电磁波，即波长在1m（不含1m）到1mm之间的电磁波，是分米波、厘米波、毫米波的统称。微波通信主要使用2 GHz ~40 GHz的频率范围。由于微波在空间中的传播主要是直线传播，因此发射端和接收端天线必须精确对齐，被聚成窄窄一束传播，可获得极高信噪比。微波可用来传输电话、电报、图像等数据信息。

（3）红外线

红外线是太阳光线中不可见光线中的一种。红外线通信最突出的优点有：不易被人发现和截获，保密性强；抗干扰性强。此外，红外线通信机体积小，重量轻，结构简单，价格低廉。但它必须在直视距离内通信，且传播受天气影响较大。在不能架设有线线路及不方便使用无线电的情况下，使用红外线通信比较好。如电视机等家用电器的遥控器都用到了红外线通信。