5.1.5 计算机网络
本节主要介绍计算机网络的概念、组成和计算机网络的常见分类方法。
1．计算机通信网
随着计算机网络的出现和发展，电子商务、电子邮件等广泛应用。计算机网络已经进入社会的各个领域，正在深刻地改变着人们的工作和生活。
（1）计算机网络的定义
计算机网络，是指将地理位置不同的、具有独立功能的多台计算机及其外部设备，通过通信线路连接起来，在网络操作系统，网络管理软件及网络通信协议的管理和协调下，实现资源共享和信息传递的计算机系统。简单地说计算机网络是相互连接的、以共享资源为目的的、自治的计算机的集合。
（2）计算机网络的功能
从计算机网络的历史发展或是从目前乃至将来的应用，计算机网络的主要功能都是一样的，可以概括为如下几个方面。
1）数据通信
数据通信是计算机网络最基本的功能之一。该功能使地理位置分散的企业单位和业务部门可通过计算机网络连接在一起，进行集中控制和管理。也可以通过计算机网络传送电子邮件、发布新闻和进行电子数据交换，极大地提高工作效率。
2）资源共享
资源共享功能是组建计算机网络的目标之一。单个用户无法拥有许多资源（如大型数据库、专用服务器等），必须实行资源共享。计算机网络中资源包括硬件资源（CPU、磁盘、光盘和打印机等）和软件资源（语言编辑器、文本编辑器、各种软件工具和应用程序等）。
3）提高系统的可靠性和可用性
在计算机网络系统中，应通过结构化和模块化分析和加工，将大的、复杂的任务分别交给几台计算机处理，使用多台计算机提供冗余，以使其可靠性大大提高。可用性是指当网络中某台计算机负担过重时，网络可将新的任务转交给网络中空闲的计算机来完成。这样均衡各台计算机的负载，以提高每台计算机的工作效率。
4）综合信息服务功能
现代信息社会里，大到一个国家，小到一个企业或一个部门，每时每刻都产生着大量的信息。计算机网络支持文字、图像、声音、视频信息的采集、存储和处理。视频点播（VOD）、网络游戏、网络学校、网上购物、网上电视直播、网上医院和电子商务等正在走进大众的生活、学习和工作当中。
（3）计算机网络的组成
计算机网络系统是由通信子网和资源子网组成的。计算机网络首先是一个通信网络，各计算机之间通过传输媒体、传输设备进行数据通信。其次，在此基础上各计算机可以通过网络软件共享其他计算机上的硬件资源、软件资源和数据资源。通信子网的节点计算机和高速通信线路组成独立的数据系统，承担全网的数据传输、交换、加工和变换等通信处理工作，即将一个计算机的输出信息传送给另一个计算机。资源子网包括计算机、终端、通信子网接口设备、外部设备（如打印机、磁带机、绘图机等）和各种软件资源等，它负责全网的数据处理和向网络用户提供网络资源及网络服务，其构成如图5-3所示。
网络软件系统和网络硬件系统是计算机网络系统赖以存在的基础。在网络系统中，硬件对网络性能起着决定性的作用，是网络运行的载体。而网络软件则是支持网络运行、提高效益和开发网络资源的工具。
1）网络硬件
网络硬件是计算机网络系统的物质基础，负责数据处理和转发，它为数据的传输提供一条可靠的传输通道。网络硬件包括计算机系统、通信线路和通信设备。随着计算机技术和网络技术的发展，网络硬件日趋多样化，且功能更强、结构更复杂。常见的网络硬件有服务器、工作站、网卡、通信介质和各种网络互联设备，如交换机（Switch）和路由器（Router）等。
图5-3 计算机网络通信子网与资源子网
2）网络软件
组建一个完整的计算机网络，除需要一些必需的硬件设备外，网络软件也是必不可少的工具。如果没有网络软件，就不可能构成一个真正意义上的计算机网络。网络软件是实现网络功能所不可缺少的软环境。正因为网络软件能够实现丰富的功能，才使得网络应用如此广泛。通常的网络软件有网络协议和协议软件、网络通信软件、网络操作系统、网络管理和网络应用软件等。
2．计算机网络的分类
在实际应用中，计算机网络的表现形式是多种多样的。由于人们对网络的认识角度不同，即使对于同一个网络，也会出现各种各样的网络类型名称。比如，某一个网络，有人把它称为局域网，有人称之为以太网，还有人把它叫做校园网。计算机网络的分类方法众多，常用的分类方法主要有三种，分别为根据网络的覆盖范围分类、根据网络传输技术分类、根据网络拓扑结构分类。
（1）按网络的覆盖范围分类
按照计算机网络覆盖的地理范围对其进行分类，可以很好地反映不同类型网络的技术特征。按照覆盖范围的大小，可以把计算机网络分为局域网（Local Area Network，LAN）、城域网（Metropolitan Area Network，MAN）和广域网（Wide Area Network，WAN）。
1）局域网
局域网的分布范围一般在几千米以内，最大不超过10km，它是由一个部门或单位组建的网络。当今的计算机网络技术中，局域网技术已经占据了相当显著的地位。局域网通常具备以下特点。
·地理分布范围较小，一般为数百米至数千米的区域范围之内，可覆盖一幢大楼、一所校园或一个企业的办公室。
·数据传输速率高，早期的一般为10～100Mbit/s的传输速率，目前1000Mbit/s的局域网非常普遍，可适用于如语音、图像、视频等各种业务数据信息的高速交换。
·数据误码率低，这是因为局域网通常采用短距离基带传输，可以使用高质量的传输媒体，从而提高数据传输质量。
自1980年以来，许多国家和国际标准化机构都在积极进行局域网的标准化工作，其中最有影响力的是IEEE制定的局域网的802标准，包括CSMA/CD、令牌总线和令牌环等，它被ANSI吸收为美国国家标准，被ISO作为国际标准。
由于局域网只是一个短距离内的计算机通信网，它并不存在路由选择问题，因而它不涉及网络层，只需考虑最低的两层。然而由于局域网的种类繁多，其介质访问控制方式各不相同，为了使局域网的数据链路层不至于过分复杂，有必要将数据链路层分成介质访问控制子层MAC（Medium Access Control）和逻辑链路控制子层LLC（Logical Link Control）两个子层。由此来使得数据链路层更容易实现向上提供的服务与介质、拓扑等因素无关的统一特性。
2）广域网
广域网也叫远程网，其范围跨越城市、地区、国家甚至全球。它往往连接不同地域的大型主机系统或局域网为目的。在广域网中，网络之间的连接大多采用租用的专线，或者自行铺设的专线。所谓“专线”是指某条线路专门用于某一用户，而其他用户不能使用。广域网中物理设备分布的范围一般在10km以上。许多知名品牌和跨国大公司如SUN、DEC、IBM等都通过通信公司的通信网络，将分布在世界各地的子公司连接起来，建立自己的企业网。早期的广域网的典型代表是美国国防部的ARPANET。中国公网（CHINANET）、国家公用信息通信网（CHINAGBN，又称金桥网）、中国教育科研网（CERNET）等均属于广域网的范畴。
3）城域网
城域网MAN是适用于一个城市的信息通信基础设施，是国家信息高速公路与城市广大用户之间的中间环节。建造城域网的目的是，提供通用和公共的网络构架，以高速有效地传输数据、声音、图像和视频等信息，满足用户日新月异的互联网应用需求。由于各种原因，城域网的特有技术没能得到广泛的应用和普及。在实际应用中，使用广域网技术构建与城域网目标范围相当的网络，反而显得更加便捷实用。
（2）根据网络传输技术分类
在通信技术中，通信信道的类型有两类：广播通信信道与点到点通信信道。在广播通信信道中，多个节点共享一个物理通信信道，一个节点广播信息，其他节点都能够接收这个广播信息。而在点到点通信信道中，一条通信信道只能连接一对节点，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，因此网络所采用的传输技术也只可能有两类，即广播（Broadcast）方式和点到点（Point-to-Point）方式。这样，相应的计算机网络也可以分为两类：点到点式网络（Point-to-PointNetwork）和广播式网络（Broad Network）。
1）点到点式网络
点到点传播是指网络中每两台主机、两台节点交换机之间或主机与节点交换机之间都存在一条物理信道，即每条物理线路连接一对计算机。机器（包括主机和节点交换机）沿某信道发送的数据确定无疑地只有信道另一端的唯一一台机器收到。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的接收、存储、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达目的节点的路由需要有路由选择算法。采用分组存储转发是点到点式网络与广播式网络的重要区别之一。在这种点到点的拓扑结构中，没有信道竞争，几乎不存在介质访问控制问题。点到点信道无疑可能浪费一些带宽，因为在长距离信道上一旦发生信道访问冲突，控制起来是相当困难，所以广域网都采用点到点信道，而用带宽来换取信道访问控制的简化。
2）广播式网络
广播式网络中的广播是指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，所有其他计算机都会将会接收并处理这个分组。由于发送的分组中带有目的地址与源地址，网络中所有计算机接收到该分组的计算机将检查目的地址是否与本节点的地址相同。如果被接受报文分组的目的地址与本节点地址相同，则接受该分组，否则将收到的分组丢弃。在广播式网络中，若分组是发送给网络中的某些计算机，则被称为多点播送或组播；若分组只发送给网络中的某一台计算机，则称为单播。在广播式网络中，由于信道共享可能引起信道访问错误，因此信道访问控制是要解决的关键问题。
（3）根据网络拓扑结构分类
计算机网络的拓扑结构是指一个网络的通信线路和节点的几何排列或物理布局，主要反映网络中各实体之间的结构关系。显然，网络拓扑结构是针对通信子网而言的一个概念。计算机网络的拓扑结构主要可以分为总线型、环形、星形、树形、网型和复合型。按照网络的拓扑结构，可以把网络分成总线型网络、星形网络、环形网络、树形网络、网状网络和复合型网络等。其拓扑结构如图5-4所示。
图5-4 不同网络拓扑的网络类型
（4）其他网络分类方法
·根据网络环境划分，计算机网络可以分为企业网、部门网和校园网。
·根据网络控制方式的不同，可以把计算机网络分为分布式网络和集中式网络两种类型。
·按照信息交换方式来区分，计算机网络分为分组交换网、报文交换网、线路交换网和综合业务数字网等。
·根据网络连接的传输介质分类，计算机网络可以划分为有线网和无线网。传输介质采用双绞线、同轴电缆和光纤等有线介质连接的网络称为有线网；采用微波通信，红外线通信和激光通信等无线介质连接的网络称为无线网。
·如果按网络的通信速率来划分，计算机网络可以分为低速网、中速网和高速网。传输速率的单位是bit/s（每秒比特数）。
·计算机网络按照信号频带占用的方式可分为基带网和宽带网。信源（信息源）发出的没有经过调制（进行频谱搬移和变换）的原始电信号所固有的频带（频率带宽），称为基本频带，简称基带。这种原始的数字信号称为基带信号。数字信号直接用基带信号在信道中传输就是基带传输，使用这种传输方式的网络称为基带网络。基带信号占用的频带宽，往往独占整个通信线路，不利于信道的复用，抗干扰能力也较差，不利于远距离传输。把调制的不同频率的多种信号在同一传输线路中传输称为宽带传输。采用这种传输方式的网络就是宽带网。
·根据计算机网络所使用的网络操作系统的不同，计算机网络可以分为Netware网络、UNIX网络、Linux网络、WindowsNT/2000/2003网络、VINES网络等。
·计算机网络还可以按照所应用的网络协议分类，比如Ethernet（以太）网、TokenRing（令牌环）网、FDDI（光纤分布式数据接口）网络、X.25分组交换网络、TCP/IP网络、ATM（异步传输模式）网络及系统网络架构（System Network Architecture，SNA）网络等。