作者：张思卿
出版社：华中科技大学出版社
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计算机网络技术试读：
前言
PREFACE计算机网络技术涉及计算机科学、通信电子技术、信息论、控制论、密码学等多学科领域，并且处于不断发展和演进的过程中，新的技术和理念不断涌现，新的热点研究课题也不断产生。因此，计算机网络教材既要全面阐述自身领域的知识理论及框架体系，又要体现国内外相关研究进展，还要注重教材内容上的可读性和实用性。
本书具有以下特点：（1）阶梯式内容安排，读者可自学；（2）包含目前相关领域的新内容和新方法；（3）能够真正构成计算机网络系统；（4）大量实例、大量精美的图形展现；（5）习题、实验可选择配套；（6）根据学时的安排，可执行不同的教学方案。
为了集中体现本书在可读性和实用性方面的特点，本书在每章都总结了学习目标和核心概念，方便学生深入开展系统理论知识的学习。为了进一步满足不同层次学生学习的需要，在一些知识点的阐述上还加入了相关概念的扩展阅读部分。最后，为了学生进行自我学习评价，本书结合教育部《全国计算机等级考试三级网络技术考试大纲》的要求，安排了典型的课后习题，并给出了相关参考答案。
为了方便教学，本书还配有电子课件等教学资源包，任课教师和学生可以登录“我们爱读书网”（www.ibook4us.com）免费注册下载，也可以发邮件至hustpeiit@163.com索取。
本书由郑州科技学院张思卿、大连工业大学王海文、华中科技大学文华学院王丽君担任主编，由张思卿完成全书的审核和统稿工作。具体编写人员分工为：郑州科技学院张思卿编写第2章，大连工业大学王海文编写第5章，华中科技大学文华学院王丽君编写第3、6章及第12章的实验11至实验20，南阳理工学院齐立磊编写第8、9章及第12章的实验1至实验10，哈尔滨理工大学谢怡宁编写第4、7章，大连科技学院姜志明编写第11章，大连医科大学中山学院张鹏编写第1、10章。哈尔滨石油学院王妍玮和黑龙江信息职业技术学院陈健也为本书编写提供了不少素材。
在本书的编写过程中，参考了大量的有关专家、学者的同类教材和网络上的相关资源，在此向其作者表示衷心的感谢。由于作者水平有限，加上编写时间仓促，书中难免会有错误，殷切地希望广大读者提出宝贵意见。编者2013年5月第1章计算机网络概述
知识目标
1．了解计算机网络的形成与发展
2．理解计算机网络的定义与功能
3．理解计算机网络的组成
4．掌握计算机网络的分类
5．掌握计算机网络的拓扑结构
6．了解标准化组织
能力目标
通过对本章的学习，应掌握计算机网络的定义、组成、功能和应用，了解计算机网络的形成与发展，掌握计算机网络的拓扑结构和分类等计算机网络基础知识。
计算机网络是计算机技术与通信技术紧密结合的产物，网络技术对信息产业的发展有着深远的影响。本章在介绍网络形成与发展历史的基础上，对网络的定义、分类与拓扑构型等问题进行了系统的讨论，并以典型的计算机网络与数据通信服务为例，对网络在企业、机关信息管理与个人信息服务中的各种应用进行了探讨，以帮助读者对计算机网络技术及应用有一个全面和准确的认识。1.1 计算机网络的形成与发展
计算机网络是计算机技术与通信技术高度发展、紧密结合的产物，它代表了当代计算机体系结构发展的一个重要的方向。计算机网络技术包括硬件、软件、网络体系结构和通信技术。网络技术的进步正在对当前信息产业的发展产生着重要的影响。计算机网络技术的发展与应用的广泛程度是惊人的。纵观计算机网络的形成与发展历史，大致可以将它划分为四个阶段。
1．以单计算机为中心的联机终端系统
第1阶段计算机网络形成于20世纪50年代中期至60年代末期，人们开始将彼此独立的计算机技术与通信技术结合起来，形成了计算机网络的雏形。此时的计算机网络，是指以单台计算机为中心的远程联机系统。美国IBM公司在1963年投入使用的飞机订票系统SABRE-1，就是这类系统的典型代表之一。此系统以一台中央计算机为网络的主体，将全美范围内的2000多个终端通过电话线连接到中央计算机上，实现并完成了订票业务，如图1-1所示。在单计算机的联机网络中，已经涉及了多种通信技术、多种数据传输与交换设备。从计算机技术看，这种系统是多个用户终端分时使用主机上的资源，此时的主机既要承担数据的通信工作，又要完成数据的处理任务。因此，主机负荷较重，效率不高。此外，由于每个分时终端都要独占一条通信线路，致使线路的利用率低，系统费用增加。图1-1 面向终端的网络
2．初级计算机网络
第2阶段计算机网络从20世纪60年代末期至70年代中后期开始形成，其标志为美国的ARPAnet与分组交换技术，又称计算机-计算机网络。计算机网络在单处理机联机网络互联的基础上，完成了计算机网络体系结构与协议的研究，形成了初级计算机网络，这时的计算机网络以分组交换技术为基础理论。这一阶段研究的典型代表是美国国防部高级研究计划局（Advanced Research Projects Agency，ARPA）的ARPAnet（通常称为ARPA网）。1969年美国国防部高级研究计划局提出将多个大学、公司和研究所的多台计算机互连的课题。在1969年ARPAnet只有四个节点，到1973年ARPAnet发展到40个节点，而到1983年已经达到100多个节点。ARPAnet通过有线、无线与卫星通信线路，使网络覆盖了从美国本土到欧洲的广阔地域。ARPAnet是计算机网络技术发展的一个重要里程碑，它对发展计算机网络技术的主要贡献表现在以下几个方面。
●完成了对计算机网络定义、分类与子课题研究内容的描述。
●提出了资源子网、通信子网两级网络结构的概念。
●研究了报文分组交换的数据交换方法。
●采用了层次结构的网络体系结构模型与协议体系。
●促进了TCP／IP协议的发展。
●为Internet的形成与发展奠定了基础。
ARPAnet网络首先将计算机网络划分为通信子网和资源子网两大部分，当今的计算机网络仍沿用这种组合方式，如图1-2所示。在计算机网络中，计算机通信子网完成全网的数据传输和转发等通信处理工作，计算机资源子网承担全网的数据处理业务，并向用户提供各种网络资源和网络服务。图1-2 资源子网和通信子网
3．开放式的标准化计算机网络
第3阶段计算机网络从20世纪70年代中期开始形成。20世纪70年代中期，国际上的各种广域网、局域网与公用分组交换网发展十分迅速，各个计算机生产厂商纷纷开发各自的计算机网络系统，但随之而来的是网络体系结构与网络协议的国际标准化问题。国际标准化组织（International Standards Organization，ISO）提出了开放系统互联参考模型与协议，ISO在推动开放系统参考模型与网络协议的研究方面做了大量的工作，对网络理论体系的形成与网络技术的发展起到了重要的作用，促进了符合国际标准化的计算机网络技术的发展，但它同时也面临着TCP／IP协议的严峻挑战。因此，第3阶段计算机网络指的是开放式的计算机网络。这里的“开放式”是相对于各个计算机厂家按照各自的标准独自开发的封闭的系统而言的。
在开放式网络中，所有的计算机网络和通信设备都遵循着公认的国际标准，从而可以保证不同厂商的网络产品在同一网络中顺利地进行通信。事实上，目前存在着两种占主导地位的网络体系结构，一种是ISO（国际标准化组织）的OSI（开放系统互联）体系结构；另一种是TCP／IP（传输控制协议／网际协议）体系结构。
4．新一代的计算机综合性、智能化、宽带高速网络
第4阶段计算机网络从20世纪90年代开始形成，其标志为计算机网络开始向全球互联、高速和智能化的方面发展。这个阶段最具有挑战性的话题是Internet、高速通信网络技术、接入网、网络与信息安全技术。Internet作为国际性的网际网与大型信息系统，正在当今经济、文化、科学研究、教育与人类社会生活等方面发挥着越来越重要的作用。同时，更高性能的Internet 2正在发展之中。宽带网络技术的发展，为社会信息化提供了技术基础，网络与信息安全技术为网络应用提供了重要的安全保障。基于光纤通信技术的宽带城域网与接入技术，以及移动计算网络、网络多媒体计算、网络并行计算、网格计算与存储区域网络正在成为网络应用与研究的热点问题。
由此可见，各种相关的计算机网络技术和产业必将对21世纪的经济、政治、军事、教育和科技的发展产生更大的影响。1.2 计算机网络的定义
在计算机网络发展过程的不同阶段，人们对计算机网络提出了不同的定义。不同的定义反映了当时网络技术发展的水平，以及人们对网络的认识程度。这些定义可以分为三类，即广义的观点、资源共享的观点与用户透明性的观点。从目前计算机网络的特点看，资源共享观点的定义能比较准确地描述计算机网络的基本特征。相比之下，广义的观点定义了计算机通信网络，而用户透明性的观点定义了分布式计算机系统。
资源共享观点将计算机网络定义为“以能够相互共享资源的方式互联起来的自治计算机系统的集合”。资源共享观点的定义符合目前计算机网络的基本特征，这主要表现在以下几个方面。
1．建立计算机网络的主要目的是实现计算机资源的共享
计算机资源主要指计算机硬件、软件、数据与信息资源。网络用户不但可以使用本地计算机资源，而且可以通过网络访问联网的远程计算机资源，还可以调用网中几台不同的计算机共同完成一项任务。一般将实现计算机资源共享作为计算机网络的最基本特征。
2．互联的计算机是分布在不同地理位置的多台独立的“自治计算机”“自治计算机”就是每台计算机有自己的操作系统，互联的计算机之间可以没有明确的主从关系。每台计算机既可以联网工作，也可以脱机独立工作；联网计算机可以为本地用户服务，也可以为远程网络用户提供服务。
3．联网计算机之间的通信必须遵循共同的网络协议
计算机网络是由多个互连的节点组成的，节点之间要做到有条不紊地交换数据，那么每个节点都必须遵守一些事先规定的约定和通信规则，这些约定和通信规则就是通信协议。这就与人们之间用语言进行沟通一样，要么大家都使用汉语，要么大家都使用英语，如果一个说汉语、一个说英语，那么就需要找一个翻译。
现代计算机网络的完整定义为：“利用通信设备和线路，将分布在不同地理位置的、功能独立的多个计算机系统连接起来，以功能完善的网络软件（网络通信协议及网络操作系统等）实现网络中资源共享和信息传输的计算机系统。”
判断计算机是否互联成计算机网络，主要看它们是不是独立的“自治计算机”。如果两台计算机之间有明确的主从关系，其中一台计算机能强制另一台计算机开启与关闭，或者控制另一台计算机，那么其中一台计算机就不是“自治”的计算机。根据资源共享观点的定义，由一台中心控制单元与多个从站组成的计算机系统不是一个计算机网络。因此，一台带有多个远程终端或远程打印机的计算机系统也不是一个计算机网络。1.3 计算机网络的基本功能
计算机网络的功能有很多，其中最重要的三个功能是数据通信、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，可支持用户之间的数据传输，如电子邮件、文件传输、IP电话、视频会议等。
2．资源共享（1）硬件共享 用户可以使用网络中任意一台计算机所附接的硬件设备，包括利用其他计算机的中央处理器来分担用户的处理任务。例如，同一网络中的用户共享打印机、共享硬盘空间等。（2）软件共享 用户可以使用远程主机的软件（系统软件和应用软件），既可以将相应软件调入本地计算机执行，也可以将数据送至对方主机，运行软件并返回结果。（3）数据共享 网络用户可以使用其他主机和用户的数据。
3．分布处理
分布处理是指对于大型的课题，可以分为许许多多的小题目，由不同的计算机分别完成，然后再集中起来，解决问题。1.4 计算机网络的分类
计算机网络的分类方法有多种，其中最主要的是以下两种分类方法：按网络传输技术分类和按网络覆盖范围分类。
1.4.1 按网络传输技术分类
网络所采用的传输技术决定了网络的主要技术特点，因此根据网络所采用的传输技术对网络进行分类是一种很重要的方法。
通信信道的类型有两类：广播通信信道与点对点通信信道。在广播通信信道中，多个节点共享一个通信信道，一个节点广播信息，其他节点必须接收信息。而在点对点通信信道中，一条通信线路只能连接一对节点，如果两个节点之间没有直接连接的线路，那么它们只能通过中间节点转接。
显然，网络要通过通信信道完成数据传输任务，网络所采用的传输技术也只可能有广播方式与点对点方式两类，因此，相应的计算机网络也可以分为广播式网络（broadcast networks）与点对点式网络（point-to-point networks）两类。
1．广播式网络
在广播式网络中，所有联网计算机都共享一个公共通信信道。当一台计算机利用共享通信信道发送报文分组时，所有其他的计算机都会“收听”到这个分组。由于发送的分组中带有目的地址与源地址，接收到该分组的计算机将检查目的地址是否与本节点地址相同。如果被接收报文分组的目的地址与本节点地址相同，则接收该分组，否则丢弃该分组。显然，在广播式网络中，发送的报文分组的目的地址可以有单一节点地址、多节点地址与广播地址三类。
2．点对点式网络
与广播式网络相反，在点对点式网络中，每条物理线路连接一对计算机。假如两台计算机之间没有直接连接的线路，那么它们之间的分组传输就要通过中间节点接收、存储与转发，直至目的节点。由于连接多台计算机之间的线路结构可能是复杂的，因此，从源节点到目的节点可能存在多条路由。决定分组从通信子网的源节点到目的节点的路由需要有路由选择算法。采用分组存储转发与路由选择机制是点对点式网络与广播式网络的重要区别之一。
1.4.2 按网络覆盖范围分类
计算机网络按照其覆盖的地理范围进行分类，可以很好地反映不同类型网络的技术特征。由于网络覆盖的地理范围不同，它们所采用的传输技术也就不同，因而形成了不同的网络技术特点与网络服务功能。
按覆盖的地理范围划分，计算机网络可以分为局域网（local area network，LAN）、城域网（metropolitan area network，MAN）和广域网（wide area network，WAN）三类。
1．局域网
局域网用于将有限范围内（如一个实验室、一幢大楼、一个校园等）的各种计算机、终端与外部设备互联成网络。局域网按照采用的技术、应用范围和协议标准的不同可以分为共享局域网与交换局域网两类。局域网技术的发展非常迅速，并且应用日益广泛，是计算机网络中活跃的领域之一。
从局域网应用的角度看，局域网的技术特点主要表现在以下几个方面。
●局域网覆盖有限的地理范围，它适用于机关、校园、工厂等有限范围内的计算机、终端与各类信息处理设备联网的需求。
●局域网提供高数据传输速率（10Mb／s～10Gb／s）、低误码率的高质量数据传输环境。
●局域网一般属于一个单位所有，易于建立、维护与扩展。
●从介质访问控制方法的角度，局域网可分为共享介质式局域网与交换式局域网两类。
局域网可以用于个人计算机局域网、大型计算设备群的后端网络与存储区域网络、高速办公室网络、企业与学校的主干局域网。
2．城域网
城市地区网络常简称为城域网。城域网是介于广域网与局域网之间的一种高速网络。城域网设计的目标是要满足几十千米范围内的大量企业、机关的多个局域网互联的需求，以实现大量用户之间的数据、语音、图形与视频等多种信息的传输功能。
3．广域网
广域网也称为远程网。广域网覆盖一个国家、地区，或者横跨几个洲，形成国际性的远程网络。广域网的通信子网主要使用分组交换技术。广域网的通信子网可以利用公用分组交换网、卫星通信网和无线分组网，它将分布在不同地区的计算机系统互联起来，达到资源共享的目的。
随着网络技术的发展，LAN和MAN的界限越来越模糊，各种网络技术的统一已成为发展的趋势。1.5 计算机网络的组成与结构
早期的计算机网络主要是广域网，本节所讨论的计算机网络的组成与结构主要是针对广域网的。
由于计算机网络的基本功能分为数据处理与数据通信两大部分，因此它所对应的结构必然分成两个部分：负责数据处理的计算机与终端设备；负责数据通信的通信控制处理机（communication control processor，CCP）与通信线路。
从计算机网络组成的角度看，典型的计算机网络按其逻辑功能可以分为资源子网和通信子网两部分，图1-2所示为计算机网络的组成结构。
1.5.1 计算机资源子网
1．资源子网的组成
资源子网由拥有资源的主计算机、请求资源的用户终端、终端控制器、联网的外设、各种软件资源与信息资源等组成。
1）主计算机
主计算机简称为主机（host），它可以是大型机、中型机、小型机、工作站或微机。主机是资源子网的主要组成单元，它通过高速通信线路与通信子网的通信控制处理机相连接，主要为本地用户访问网络上的其他主机设备与资源提供服务，同时要为网中远程用户共享本地资源提供服务。普通用户终端通过主机连入网内。随着微型机的广泛应用，连入计算机网络的微型机数量日益增多，它可以作为主机的一种类型，直接通过通信控制处理机连入网内，也可以通过联网的大、中、小型计算机系统间接连入网内。
2）终端
终端（terminal）是用户访问网络的界面。终端一般是指没有存储与处理信息能力的简单输入、输出设备，也可以是带有微处理机的智能终端。智能终端除具有输入、输出信息的功能外，本身还具有存储与处理信息的能力。各类终端既可以通过主机连入网中，也可以通过终端控制器、报文分组组装／拆卸装置或通信控制处理机连入网内。
3）网络中的共享设备
网络共享设备一般是指计算机的外部设备，例如高速网络打印机、高档扫描仪等。
2．资源子网的基本功能
资源子网负责全网的数据处理业务，并向网络用户提供各种网络资源与网络服务。
1.5.2 计算机通信子网
1．通信子网的组成
通信子网按功能可以分为数据交换和数据传输两部分。通信子网由通信控制处理机、通信线路与其他通信设备组成。
1）通信控制处理机
通信控制处理机在网络拓扑结构中被称为网络节点。它是一种在数据通信系统中专门负责网络中的数据通信、传输和控制的专门计算机或具有同等功能的计算机部件。它一般由配置了通信控制功能的软件和硬件的小型机、微型机承担。一方面，它作为与资源子网的主机、终端的连接接口，将主机和终端连入网内；另一方面，它又作为通信子网中的分组存储转发节点，完成分组的接收、校验、存储、转发等操作，实现将源主机报文准确发送到目的主机的功能。在早期的ARPAnet中，承担通信控制处理机功能的设备是接口报文处理机（interface message processor，IMP）。
2）通信线路
通信线路即通信介质。通信线路为通信控制处理机（CCP）与主机之间提供数据通信的通道。计算机网络中采用了多种通信线路，如由电话线、双绞线、同轴电缆、光导纤维电缆（简称光缆）等有线通信线路组成的通信信道，也可以使用由无线通信、微波与卫星通信等无线通信线路组成的通信信道。
需要指出的是，广域网可以明确地划分出资源子网与通信子网，而局域网由于采用的工作原理与结构的限制，不能明确地划分出子网的结构。
3）信号变换设备
信号变换设备的功能是根据不同传输系统的要求对信号进行变换。例如，实现数字信号与模拟信号之间变换的调制解调器、无线通信的发送和接收设备，以及光纤中使用的光-电信号之间的变换和收发设备等。
2．通信子网的基本功能
通信子网提供网络通信功能，完成全网主机之间的数据传输、交换、控制和变换等通信任务，负责全网的数据传输、转发及通信处理等工作。
3．现代网络结构的特点
随着微型计算机和局域网的广泛应用，使用大型机与中型机的主机-终端系统的用户日益减少，现代网络结构已经发生变化。随着微型计算机的广泛应用，大量的微型计算机通过局域网连入广域网，而局域网与广域网的互联是通过路由器实现的。1.6 计算机网络的拓扑结构
1.6.1 计算机网络拓扑的定义
1．拓扑结构与计算机网络拓扑
对于复杂的计算机网络结构设计，人们引入了拓扑结构的概念。拓扑学是几何学的一个分支，它是从图论演变过来的。拓扑学通过把实体抽象成与其大小、形状无关的点，以及将连接实体的线路抽象成线，进而研究点、线、面之间的关系。计算机网络拓扑就是通过计算机网络中的各个节点与通信线路之间的几何关系来表示网络结构，进而反映出网络中各实体之间的结构关系的。
2．网络拓扑的定义
通常将网络中的计算机主机、终端和其他通信控制与处理设备抽象为节点，通信线路抽象为线路，而将节点和线路连接而成的几何图形称为网络的拓扑结构。网络拓扑结构可以反映出网络中各实体之间的结构关系。
3．网络拓扑的用途
网络拓扑设计是建设计算机网络的第一步，也是实现各种协议的基础，它对网络性能、系统可靠性与通信费用、建设网络的投资等都有重大影响。计算机网络拓扑主要是指通信子网的拓扑构型。
1.6.2 网络拓扑的分类与基本网络拓扑结构的类型
1．网络拓扑的分类
网络拓扑可以根据通信子网中的通信信道类型分为广播信道通信子网的拓扑与点对点线路通信子网的拓扑两类。
1）广播式的通信子网
在采用广播信道的通信子网中，一个公用的通信信道被多个节点共享。在任一时间内只允许一个节点使用公共通信信道，当一个节点利用公共通信信道“发送”数据时，其他节点只能“收听”正在发送的数据。采用广播信道通信子网的基本拓扑构型主要有四种，即总线型、树型、环型、无线通信与卫星通信型。
要利用广播通信信道完成网络通信任务时，必须解决以下两个基本问题。
●确定通信对象，即有源节点和目的节点。
●解决多节点争用公共通信信道的问题。
2）点对点式的通信子网
在采用点对点线路的通信子网中，每条物理线路连接一对节点。如果两个节点之间没有直接相连的物理线路，则它们之间的通信只能通过中间的其他节点转接。在采用点对点线路的通信子网中，任意两个要通信的节点之间可能存在多条路径，因此如何选择路径是需要解决的问题。采用点对点线路的通信子网的基本拓扑构型有星型、环型、树型与网状拓扑四类。
2．基本网络拓扑结构的类型
基本网络拓扑结构有总线型、星型、环型、树型与网状拓扑等，如图1-3所示。其中总线型网络拓扑属于广播式的通信子网，其他的属于点对点通信子网的拓扑构型。图1-3 基本网络拓扑结构
1）总线型网络拓扑结构
在总线型网络中，使用单根传输线路（总线）作为传输介质，网络中的所有节点都要通过接口串接在总线上。网络中的每一个节点发送的信号都在总线中传送，并被网络上的其他节点所“收听”，但在任一时刻只能由一个节点使用总线传送信息，网络中的所有节点共享该总线的带宽和信道，因而总线的带宽成为网络的瓶颈，网络的效率也随着网络节点数目的增加而急剧下降。
2）星型拓扑
在星型拓扑构型中，节点通过点对点通信线路与中心节点连接，中心节点控制全网的通信，任何两节点之间的通信都要通过中心节点。因此，星型拓扑构型简单，易于实现，便于管理，但是网络的中心节点是全网可靠性的瓶颈，中心节点的故障可能造成全网瘫痪。
3）环型拓扑
在环型拓扑构型中，节点通过点对点通信线路连接成闭合环路。环中的数据将沿一个方向逐站传送。环型拓扑结构简单，传输延时确定，但是环中的每个节点与连接节点之间的通信线路都会成为网络可靠性的瓶颈。环中的任何一个节点出现线路故障，都可能造成网络瘫痪。为保证环的正常工作，需要较复杂的环维护处理。环节点的加入和撤出过程都比较复杂。
4）树型拓扑
在树型拓扑构型中，节点按层次进行连接，信息交换主要在上、下节点之间进行，相邻及同层节点之间一般不进行数据交换或数据交换量小。树型拓扑可以看成是星型拓扑的一种扩展，树型拓扑网络适用于汇集信息的应用要求。
5）网状拓扑
网状拓扑又称无规则型拓扑。在网状拓扑构型中，节点之间的连接是任意的，没有规律。网状拓扑的主要优点是系统可靠性高，但是结构复杂，必须采用路由选择算法与流量控制方法。目前实际存在与使用的广域网结构，基本上都是采用网状拓扑构型的。
6）卫星通信网络的拓扑构型
在卫星通信网络中，通信卫星就是一个中心交换站，通过分布在不同地理位置的地面站与各地区网络相互连接。地区网络可以采用上述任何一种网络拓扑结构。
在实际的网络应用中，网络拓扑结构往往不是单一类型的，而是由上述几种类型混合而成的。1.7 计算机网络的应用
由于计算机网络具有资源共享、提供人际通信手段、较高可靠性、节省费用、便于扩充、分组负荷及协同处理等方面的功能，使得它在工业、农业、交通运输、邮电通信、文化教育、商业、国防以及科学研究等领域获得越来越广泛的应用。工厂企业可利用网络来实现生产的监测、过程控制、管理和辅助决策。铁路部门可利用网络来实现报表收集、运行管理和行车调度。邮电部门可利用网络来提供世界范围内快速而廉价的电子邮件、传真和IP电话服务。教育科研部门可利用网络的通信和资源共享来进行情报资料的检索、计算机辅助教育和计算机辅助设计、科技协作、虚拟会议以及远程教育。计划部门可利用网络来实现普查、统计、综合、平衡和预测等。国防工程能利用网络来进行信息的快速收集、跟踪、控制与指挥。商用服务系统可利用网络实现制造企业、商店、银行和顾客间的自动电子销售转账服务或更广泛意义上的电子商务。计算机网络的应用范围十分广泛，并且作为现代化的信息处理和传输工具具有重要作用。
航空公司在世界范围的主要城市都设有售票点，各地的售票员应能在旅客在场的情况下了解他所要求的航班的座位情况，这样售出的机票才不会出现问题。当旅客不能直达目的地时，还需要及时了解其他航空公司的信息以安排转机，航空公司还可能需要安排到达和离开机场的地面交通、转机旅客的旅馆和负责货运的调度。为了航班的正确运行，必须随时掌握气象情况、飞机燃料及其他用品的供应、机组人员的搭配和飞机维护日程的安排。当某目标机场因气象原因而关闭时，必须及时通知机长改变地点并通知机场做好相应准备。航空公司可能还需要及时了解客流、计算盈亏、掌握营业情况，以确定增减航班及调整飞机的大小。所有这一切都需要有远程快速和准确的信息收集、传递、处理和控制，离开了计算机网络是难以完成的。
从以上所述可见，计算机网络的应用已经深入到了社会的各个方面。1999年我国政府在利用网络方面迈进了一大步，一方面将许多政务信息、政策法规、办事制度通过网络更快更广泛地向民众宣传、公开；另一方面也可以更及时地获得民众的反馈意见，进一步缩短政府和民众间的距离。而且，通过政府内部网络实现政务办公自动化，逐步向无纸办公的方向发展，也可以大大提高政府部门的办事效率，从而更好更有效地为人民服务。例如，保障网络的建立，将有利于住房公积金、养老保险金以及医疗保险金等的统一管理、使用与监控，进一步完善我国的社会保障体系。网络的普及与应用也会对每个人的日常生活甚至于娱乐产生很大影响，这方面最吸引人的莫过于视频点播服务VOD（video on demand），一旦这项应用服务得以实现并普及，人们就不再需要按照电视台安排的时间和节目表收看电视节目了，而可以按照个人的爱好，自己安排时间随时点播大量影视数据库中的节目。新的电影或电视节目还可能是交互式的，观众可以在某一时刻选择故事情节的发展方向，以使得其结局成为悲剧或喜剧，或者留下一个悬念。1.8 网络标准化
我们将计算机网络的各层以及其协议的结合，称为网络的体系结构。换言之，计算机网络的体系结构即为这个计算机网络及其部件所应该完成的功能的精确定义。需要强调的是，这些功能究竟由何种硬件或软件完成，则是一个遵循这种体系结构的实现的问题。可见体系结构是抽象的，是存在于纸上的，而实现是具体的，是运行在计算机软件和硬件之上的。
世界上第一个网络体系结构是美国IBM公司于1974年提出的，它取名为系统网络体系结构SNA（system network architecture）。凡是遵循SNA的设备就称为SNA设备，这些SNA设备可以很方便地进行互联。在此之后，很多公司也纷纷建立自己的网络体系结构，这些体系结构大同小异，都采用了层次技术，但各有其适合本公司生产的计算机组成网络的特点，这些体系结构也有其特殊的名称。例如，20世纪70年代末有美国数字网络设备公司DEC公司发布的DNA（digital network architecture，数字网络体系结构）等。但使用不同体系结构的厂家设备是不可以相互连接的，后来经过不断地发展，有诸如以下的体系结构诞生，从而实现了不同厂家设备的互联。标准的计算机网络体系结构有以下几种。
1．ISO
国际标准化组织（International Organization for Standardization，ISO）是一个全球性的非政府组织，是国际标准化领域中一个十分重要的组织。ISO被130多个国家应用，其总部设在瑞士日内瓦。ISO的任务是促进全球范围内的标准化及其有关活动的开展，以利于国际产品与服务的交流以及在知识、科学、技术和经济活动中发展国际第一线合作，它显示了强大的生命力，吸引了越来越多的国家参与其活动。ISO制定了网络通信的标准，即OSI（open system interconnection，开放系统互联参考模型），它将网络通信分为七个层，开放的意思是通信双方必须都要遵守OSI模型。
2．ITU
国际电信联盟（ITU），1865年成立于法国巴黎，1947年成为联合国的一部分，成员来自于188个国家，总部设在瑞士日内瓦。ITU是世界各国政府的电信主管部门协调电信事务方面的一个国际组织。
ITU的宗旨是维持和扩大国际合作，以改进和合理地使用电信资源；促进技术设施的发展及其有效的运用，以提高电信业务的效率，扩大技术设施的用途，并尽量使公众得以普遍利用；协调各国行动，以达到上述的目的。
在通信领域，最著名的国际电信联盟电信标准化部门（ITU0-T）的标准有V系列标准，如V.32、V.33、V.42标准对使用电话传输数据做了明确的说明；还有X系列标准，如X.25、X.400、X.500为公用数字网上传输数据的标准；ITU-T的标准还包括电子邮件、目录服务、综合业务数字网ISDN和宽带ISDN等方面的内容。
3．TIA
美国通信工业协会（TIA）是一个全方位的服务性国家贸易组织。其成员包括美国和世界各地提供通信和信息技术产品、系统和专业技术服务的900余家公司，协会的成员有能力制造供应现代通信网中应用的所有产品。此外，TIA还有一个分支机构——多媒体通信协会（MMTA）。TIA还与美国电子工业协会（EIA）有着广泛而密切的联系。
4．EIA
美国电子工业协会（EIA）广泛代表了设计生产电子组件、部件、通信系统和设备的制造商以及工业界、政府和用户的利益，在提高美国制造商的竞争力方面起到了重要的作用。在信息领域，EIA在定义数据通信设备的物理接口和电气特性等方面有巨大的贡献，尤其是数字设备之间串行通信的接口标准，如EIA RS-232、EIA RS-449和EIA RS-530等。
5．IEEE
电气和电子工程师协会（Institute of Electrical and Electronics Engineers，IEEE）由1963年美国电气工程师学会（AIEE）和美国无线电工程师学会（IRE）合并组成，是美国规模最大的专业学会。IEEE最大的成果是制定了局域网和城域网的标准，这个标准称为802项目或802系列标准。习题1
一、选择题
1．一座大楼内的一个计算机网络系统，属于（ ）。
A．PAN
B．LAN
C．MAN
D．WAN
2．计算机网络中可以共享的资源包括（ ）。
A．硬件、软件、数据、通信信道
B．主机、外设、软件、通信信道
C．硬件、程序、数据、通信信道
D．主机、程序、数据、通信信道
3．计算机网络是计算机技术和通信技术相结合的产物，这种结合开始于（ ）。
A．20世纪50年代
B．20世纪60年代初期
C．20世纪60年代中期
D．20世纪70年代
4．世界上第一个计算机网络是（ ）。
A．ARPAnet
B．ChinaNet
C．Internet
D．CERNET
5．星型、总线型、环型和网状型是按照（ ）分类。
A．网络跨度
B．网络拓扑
C．管理性质
D．网络功能
6．计算机互联的主要目的是（ ）。
A．确定网络协议
B．将计算机技术与通信技术相结合
C．集中计算
D．资源共享
7．计算机网络建立的主要目的是实现计算机资源的共享。计算机资源主要指计算机（ ）。
A．软件与数据库
B．服务器、工作站与软件
C．硬件、软件与数据
D．通信子网与资源子网
8．以下的网络分类方法中，分类方法有误的是（ ）。
A．局域网／广域网
B．对等网／城域网
C．环型网／星型网
D．有线网／无线网
9．局部地区通信网络简称局域网，英文缩写为（ ）。
A．WAN
B．LAN
C．SAN
D．MAN
10．在计算机网络中，所有的计算机均连接到一条通信传输线路上，在线路两端连有防止信号反射的装置。这种连接结构被称为（ ）。
A．总线结构
B．环型结构
C．星型结构
D．网状结构
11．Switch是（ ）。
A．网卡
B．交换机
C．集线器
D．路由器
12．计算机网络的硬件主要包括网络服务器、工作站、（ ）和传输介质。
A．计算机
B．通信设备
C．网络拓扑结构
D．网络协议
13．计算机网络传输介质中传输速度最快的是（ ）。
A．同轴电缆
B．光纤
C．双绞线
D．铜质电缆
14．计算机网络最基本的功能是（ ）。
A．降低成本
B．打印文件
C．资源共享和数据通信
D．文件调用
15．（ ）是实现数字信号和模拟信号转换的设备。
A．网卡
B．调制解调器
C．网络线
D．A、B、C项都不正确
16．在计算机网络中，为了使计算机或终端之间能够正确传送信息，必须按照（ ）来相互通信。
A．信息交换方式
B．网卡
C．传输装置
D．网络协议
17．接入Internet的计算机必须共同遵守（ ）。
A．CPI／IP协议
B．PCT／IP协议
C．PTC／IP协议
D．TCP／IP协议
二、简答题
1．什么是计算机网络？
2．计算机网络的发展可分为几个阶段？每个阶段各有何特点？
3．计算机网络是由什么组成的？
4．计算机网络的功能有哪些？
5．计算机网络可以从哪几个方面进行分类？第2章数据通信
知识目标
1．理解数据通信的基本概念
2．掌握数据的编码技术
3．掌握数据通信的同步技术
4．掌握多路复用技术
5．掌握数据交换技术
能力目标
通过本章的学习，应掌握数据的编码技术、数据通信的同步技术、多路复用技术、数据交换技术等重要数据通信方式，理解数据通信的基本概念和数据纠错技术。
数据通信是指通信技术和计算机技术相结合而产生的一种新的通信方式。在两地间传输信息必须有传输信道，根据传输媒体的不同，数据通信可分为有线数据通信与无线数据通信两类。但它们都是通过传输信道将数据终端与计算机联结起来，而使不同地点的数据终端实现软、硬件和信息资源的共享。2.1 基本概念
数据通信是通过某种类型的介质把数据从一个地点向另一个地点传送的通信方式，是以信息处理技术和计算机技术为基础的通信方式，为计算机网络的应用和发展提供了技术支持和可靠的通信环境。
2.1.1 数据通信的定义及特点
数据通信是计算机与计算机，或者计算机与其他数据终端之间的存储、处理、传输和交换信息的一种通信技术，是计算机技术与通信技术相结合的产物。它克服了时间和空间上的限制，使人们可以利用终端在远距离同时使用计算机，从而大大提高了计算机的利用率，扩大了计算机的应用范围，也促进了通信技术的发展。
数据通信具有以下特点。（1）数据通信实现的是机与机或人与机之间的通信。（2）数据传输的准确性和可靠性要求高。（3）传输速率高，要求接续和传输响应时间快。（4）数据通信具有灵活的接口能力以满足各式各样的计算机和终端间的相互通信。
2.1.2 信息、数据和信号
通信的目的是交换信息，因此要保证被传输的二进制码（信息在计算机中的表示）在传输过程中不出现错误。
数据一般可理解为信息的数字化形式，在计算机网络系统中，数据通常理解为在网络中存储、处理和传输的二进制数字编码。
信息是数字、字母和符号的组合，是按照一定的格式加工处理过的数据。
信号是数据在传输过程中的电信号的表示形式，是指数据的电编码或电磁编码，有连续的模拟信号和离散的数字信号两种。在通信系统中，数据以模拟信号（波形连续变换的电信号）或数字信号（离散信号）的形式由一端传输到另一端。模拟信号和数字信号的表示如图2-1所示。图2-1 模拟信号和数字信号的表示
2.1.3 数据通信系统的基本结构
通信系统中产生和发送信息的一端叫信源，接收信息的一端叫信宿。信源与信宿通过通信线路进行通信。
信道就是通信系统中用来传递信息的通道。信道有物理信道和逻辑信道之分，物理信道是指用来传送信号或数据的物理通路，它由传输介质及有关通信设备组成。逻辑信道也是网络上的一种通路，在信号的接收和发送之间不仅存在一条物理上的传输介质，而且在此物理信道的基础上，还在结点内部实现了其他“连接”，通常把这些“连接”称为逻辑信道。因此，同一物理信道上可以提供多条逻辑信道，而每一条逻辑信道上只允许一路信号通过。
信息在信道中传输时可能会受到外界的干扰，通常把这种干扰叫做噪声。通信系统中若没有噪声则是一种理想模型，而实际上噪声是或多或少存在的，因此为了保证在信源和信宿之间能够实现正确的信息传输与交换，除了使用一些克服干扰以及差错的检测和控制方法外，还要借助于其他各种通信技术来解决这个问题，如调制、编码、复用等。数据通信系统的基本结构如图2-2所示。图2-2 数据通信系统的基本结构
数据通信系统是指以计算机为中心，用通信线路连接分布在远距离的数据终端设备而完成数据通信的系统。
数据通信系统也可以看成是由数据终端设备（DTE）、数据电路终端设备（DCE）和传输信道三个基本部分组成。
数据终端设备（DTE）是数据通信系统的输入和输出设备，其主要功能是完成数据的输入与输出、数据处理和存储以及通信控制等。
数据电路终端设备（DCE）是数据信号的变换设备，其作用是在通信传输网络能提供的信道特性和质量的基础上实现正确的数据传输，并实现收发之间的同步，如调制解调器设备。
传输信道可以按不同的方法分类，包括有线信道与无线信道、模拟信道与数字信道、专用信道和公用信道。
2.1.4 数据通信系统的主要技术指标
数据通信系统的技术指标主要从数据传输的质量和数量来体现。质量指标指信息传输的可靠性，一般用误码率来衡量。而数量指标包括两方面：一方面指信道的传输能力，用信道容量来衡量；另一方面指信道上传输信息的速度，相应的指标是数据传输速率。
1．数据传输速率
数据传输速率有两种度量单位，即“波特率”和“比特率”。
1）波特率
波特率又称为波形速率或码元速率，指数据通信系统中，每秒中传送的码元数，单位为波特／秒（Baud／s）。
2）比特率
比特率又称为信息速率，反映一个数据通信系统每秒所传输的二进制位数，单位是比特（位）／秒，以bit／s或bps表示。
打个比喻来说明两者之间的区别与联系。假设波特率是公路上单位时间经过的卡车数，那么比特率便是单位时间内经过的卡车所装运的货物箱数。如果一车装一箱货物，则单位时间经过的卡车数与单位时间内卡车所装运的货物箱数相等，如果一车装多箱货物，则单位时间经过的卡车数便少于单位时间里卡车所装运的货物箱数。
2．误码率
误码率是衡量通信系统线路质量的一个重要参数。误码率的定义为：二进制符号在传输系统中被传错的概率，它近似等于被传错的二进制符号数与所传输的二进制符号总数的比值。在计算机网络通信系-6统中，要求误码率低于10。
3．信道带宽
在模拟信道中，人们一般采用“带宽”表示信道传输信号的能力，信道带宽（Band width）即信道所能传送的信号的频率宽度，也就是可传送信号的最高频率与最低频率之差。通常称信道带宽为信道的通频带，单位用赫兹（Hz）表示。
例如，一条传输线可以接受从300Hz到3000Hz的频率，则在这条传输线上传送频率的带宽就是2700Hz。信道的带宽由传输介质、接口部件、传输协议及传输信息的特性等因素所决定。它在一定程度上体现了信道的传输性能，是衡量传输系统的一个重要指标。信道的容量、传输速率和抗干扰性等均与带宽有密切的联系。通常，信道的带宽越大，信道的容量也越大，其传输速率相应也较高。
4．信道容量
信道容量是衡量一个信道传输数字信号的重要参数，信道容量是指单位时间内信道上所能传输数据的最大容量，单位是bps。
信道容量与数据传输速率的区别在于，前者表示信道的最大数据传输速率，是信道传输数据能力的极限，而后者则表示实际的数据传输速率。这就像公路上的最大限速值与汽车实际速度之间的关系一样，它们虽然采用相同的单位，但表征的是不同的含义。
也就是说，信道容量和传输速率之间应满足以下关系：信道容量应大于数据传输速率，否则以较高的传输速率在低信道上传输，其传输速率受信道容量所限制，肯定难以达到原有的指标。2.2 数据的传输
2.2.1 串／并行通信
计算机内部各部件之间、计算机与外部设备之间、计算机与计算机之间都是以通信方式进行数据传输的，数据传输时涉及的两种基本的通信方式为并行通信和串行通信。图2-3所示为两种通信方式的示意图。图2-3 并行通信和串行通信示意图
1．并行通信
并行通信是指数字信号以成组的方式在多个并行信道上同时进行传输。
优点：传输速度快，收发双方不存在字符同步问题。
缺点：由于采用多条并行线路，增加了费用，并行线路间存在电平干扰。
适用范围：近距离和高速率的通信（是计算机内的主要传输方式）。
2．串行通信
串行通信是指数据以比特流逐位在一条信道上传输。
优点：费用低（一条线路）。
缺点：传输效率低（为并行通信速率的1／8），收发双方要保证同步。
适用范围：计算机之间通信和远程通信（它是通信线路的主要传输方式）。
2.2.2 数据通信的方向
通信线路可由一个或多个信道组成，根据信道在某一时间信息传输的方向，可将其分为单工、半双工和全双工三种通信方式。
1．单工通信
单工（simplex）通信是指信息始终是沿一个方向传输的通信，发送端只发不收而接收端只收不发。例如，听广播和看电视就是单工通信的例子，信息只能从广播电台和电视台发射并传输到各用户接收，而不能从用户传输到广播电台或电视台。
2．半双工通信
半双工（half duplex）通信是指信号可以沿两个方向传送（在不同的时刻），但同一时刻一个信道只允许单方向传送，即两个方向的传输只能交替进行。例如，对讲机的通信就是半双工通信。
3．全双工通信
全双工（full duplex）通信是指信息可以同时沿两个方向进行双向传输，即通信的一方在发送信息的同时也能接收信息。例如，电话机的通信就是全双工通信。
2.2.3 信号的传输方式
在数据通信系统中数据的传输方式包括基带传输、频带传输和宽带传输等。
1．基带传输
在数据通信中，表示计算机二进制的比特序列的数字数据信号是典型的矩形脉冲信号，矩形脉冲信号的固有频带称为基本频带，简称为基带，矩形脉冲信号就称为基带信号。
在数字通信信道上直接传送基带信号的方法，称为基带传输，又称为数字传输。基带传输中传输介质的整个带宽都被基带信号占用，双向传输信息。
传输线路的电容对传输信号的波形影响很大，因此传输距离应不长于2.5km，否则就要使用再生重发器增加功率来延长传输距离，所以电话通信线路一般是不能满足基带传输要求的。
2．频带传输
频带传输又称为模拟传输，是指将数字信号经过调制变换成模拟信号，以正弦波形式在模拟信道上传输，信号到达接收端时再把模拟信号解调成原来的数字信号的传输方式。
由此可见，频带传输首先要把信源端的数字信号调制成可长途传输的模拟信号，即进行数／模转换；而在信宿端则正好相反，即进行模／数转换。计算机网络系统的远程通信通常都为频带传输。
频带传输的特点是在发送端和接收端要安装调制解调器，频带传输的主要技术就是调制与解调。
3．宽带传输
宽带传输是指比音频带宽更宽的频带传输。常将音频信号、视频信号和数字信号这三个子频带通过75Ω的电视同轴电缆CATV或光纤传输媒介同时进行传输。宽带传输的传输距离比前两种更远。2.3 数据编码技术
计算机数据在网络上传输的过程中，数据编码的类型主要取决于它采用的通信信道。网络中的通信信道分为模拟信道和数字信道两种，而依赖于信道传输的数据也分为模拟数据与数字数据 ，因此数据的编码方法包括数字数据的编码与调制和模拟数据的编码与调制，如图2-4所示。图2-4 数据的编码和调制技术
2.3.1 数字数据的编码
对于传输数字信号来说，最简单的信号编码方法是用信号的两个不同电压值来表示两个二进制数据。例如，用无电压来表示0，用恒定的正电压表示1；也可用正电压表示1，而用负电压表示0。然而，为了提高信号的抗干扰能力，并且便于信号接收的同步，通常采用更为有效的信号编码方法。
数字数据编码是指将数字数据变为数字信号的编码过程。数字信号的基带传输就是指利用数字通信信道直接传输数字数据。常用的数字数据编码有不归零码、曼彻斯特编码、差分曼彻斯特编码等。
1．不归零编码
不归零编码（NRZ）是用信号的幅度来表示二进制数据的，通常用正电压表示数据“1”，用负电压表示数据“0”，并且在表示一个码元时，电压均无须回到零，故称不归零码，如图2-5（a）所示。NRZ码是一种全宽码，即一位码元占一个单位脉冲的宽度。图2-5 数字数据编码
NRZ码的主要缺点是：当数据流中连续出现0或1时，接收端很难分辨一个信号位的开始或结束，必须采用某种方法在发送端和接收端之间提供必要的信号定时同步，即发送和接收方不能保持同步。同时，这种编码还会产生直流分量的积累问题，这将导致信号的失真与畸变，使传输的可靠性降低，并且由于直流分量的存在，无法使用一些交流耦合的线路和设备。因此，一般的数据传输系统都不采用这种编码方式。
2．曼彻斯特编码
在曼彻斯特编码（Manchester）中，用一个信号码元中间电压跳变的相位不同来区分数据“1”和“0”。例如，若从低电平跳变到高电平，表示数字信号“1”；若从高电平跳变到低电平，表示数字信号“0”。由于电压跳变发生在每一个码元的中间，接收端可以方便地利用它作为位同步时钟，因此这种编码也称为自同步码，如图2-5（b）所示。10Mb／s以太网（Ethernet）采用的就是曼彻斯特码。
3．差分曼彻斯特编码
差分曼彻斯特编码（Difference Manchester）是曼彻斯特编码的一种改进形式，每个码元的中间电压跳变仍然提供收发端之间的同步，但每位二进制数据的取值，要根据其开始边界是否发生跳变来决定，若一个比特开始存在跳变则表示“0”，无跳变则表示“1”，如图2-5（c）所示。这种编码的特点是每一位均用不同电平的两个半位来表示，因而始终能保持直流的平衡。差分曼彻斯特编码也是一种自同步编码。
2.3.2 模拟数据的编码
当利用数字通信信道传输模拟信号时，就要对模拟数据进行数字信号编码。模拟数据数字化的主要方法是脉冲编码调制（pulse code modulation，PCM）。其基本过程如图2-6所示。它是由美国贝尔实验室于1939年研发的，PCM技术的典型应用是语音数字化，其处理信号的三个步骤为采样、量化和编码。图2-6 PCM编码的基本过程
1．采样
模拟信号是电平连续变化的信号。每隔一定的时间间隔，采集模拟信号的瞬时电平值作为样本表示模拟数据在某一区间随时间变化的值，一般采样频率为8000Hz。
2．量化
量化是指将采样样本的幅度按量化级决定取值的过程。量化级取决于系统的精度要求，可分为8级、16级或更多的量化级。
3．编码
编码是指用相应位数的二进制代码表示量化后的采样样本的量级。
PCM用于数字化语音系统时，将声音分为128个量化级，采用7位二进制编码表示，再使用1比特进行差错控制，采样频率为8000Hz，因此一路语音的数据传输速率为8×8000b／s＝64Kb／s。2.4 数据交换技术
广域网一般采用点到点通信。最初的数据通信是在物理上两端直接相连的设备之间进行的，随着通信设备的增多、设备间距离的增大，采取每个设备都直连的方式是不现实的。两个设备间的通信需要一些中间结点来过渡，我们称这些中间结点为交换设备。这些交换设备并不需要处理经过它的数据的内容，只是简单地把数据从一个交换设备传到下一个交换设备，直到数据到达目的地。这些交换设备以某种方式互相连接成一个通信网络，从某个交换设备进入通信网络的数据通过从交换设备到交换设备的转接、交换被送达目的地。
常用的三种交换技术包括电路交换、报文交换和分组交换。
2.4.1 电路交换
电路交换（circuit switching）也称为线路交换，该交换技术是在两个通信站点进行通信之前，通过通信网络中各个交换设备的线路连接，在通信源点和目的点之间建立起一条物理通路，然后在这条通路上进行信息传输。电路交换的通信过程分为电路建立、数据传输、拆除电路连接三个阶段。
1．电路建立
要发送信息的一方发出带有被呼方地址的呼叫请求，沿途经过交换设备逐点接通一条物理通路，如果被呼方同意进行通信，就沿着已建立的通路发回接受呼叫的信息。
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