计算机网络

(连接分散计算机设备以实现信息传递的系统)

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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。 [1] 
中文名
计算机网络
使用领域
互联网
功    能
信息的传输与共享
类    别
网络操作系统

计算机网络定义分类

计算机网络按广义

计算机网络也称计算机通信网。关于计算机网络的最简单定义是:一些相互连接的、以共享资源为目的的、自治的计算机的集合。若按此定义,则早期的面向终端的网络都不能算是计算机网络,而只能称为联机系统(因为那时的许多终端不能算是自治的计算机)。但随着硬件价格的下降,许多终端都具有一定的智能,因而“终端”和“自治的计算机”逐渐失去了严格的界限。若用微型计算机作为终端使用,按上述定义,则早期的那种面向终端的网络也可称为计算机网络。 [2] 
另外,从逻辑功能上看,计算机网络是以传输信息为基础目的,用通信线路将多个计算机连接起来的计算机系统的集合,一个计算机网络组成包括传输介质通信设备 [2] 
从用户角度看,计算机网络是这样定义的:存在着一个能为用户自动管理的网络操作系统。由它调用完成用户所调用的资源,而整个网络像一个大的计算机系统一样,对用户是透明的。 [2] 
一个比较通用的定义是:利用通信线路将地理上分散的、具有独立功能的计算机系统和通信设备按不同的形式连接起来,以功能完善的网络软件及协议实现资源共享和信息传递的系统。 [2] 
从整体上来说计算机网络就是把分布在不同地理区域的计算机与专门的外部设备用通信线路互联成一个规模大、功能强的系统,从而使众多的计算机可以方便地互相传递信息,共享硬件、软件、数据信息等资源。简单来说,计算机网络就是由通信线路互相连接的许多自主工作的计算机构成的集合体。 [2] 
最简单的计算机网络就只有两台计算机和连接它们的一条链路,即两个节点和一条链路。 [2] 

计算机网络按连接

计算机网络就是通过线路互连起来的、自治的计算机集合,确切的说就是将分布在不同地理位置上的具有独立工作能力的计算机、终端及其附属设备用通信设备和通信线路连接起来,并配置网络软件,以实现计算机资源共享的系统。 [2] 

计算机网络按需求

计算机网络就是由大量独立的、但相互连接起来的计算机来共同完成计算机任务。这些系统称为计算机网络(computer networks)。 [3] 

计算机网络发展历程

自从计算机网络出现以后,它的发展速度与应用的广泛程度十分惊人。纵观计算机网络的发展,其大致经历了以下四个阶段: [2] 

计算机网络诞生阶段

20世纪60年代中期之前的第一代计算机网络是以单个计算机为中心的远程联机系统,典型应用是由一台计算机和全美范围内2000多个终端组成的飞机订票系统,终端是一台计算机的外围设备,包括显示器和键盘,无CPU和内存。随着远程终端的增多,在主机前增加了前端机(FEP)。当时,人们把计算机网络定义为“以传输信息为目的而连接起来,实现远程信息处理或进一步达到资源共享的系统”,这样的通信系统已具备网络的雏形。 [2] 

计算机网络形成阶段

20世纪60年代中期至70年代的第二代计算机网络是以多个主机通过通信线路互联起来,为用户提供服务,兴起于60年代后期,典型代表是美国国防部高级研究计划局协助开发的ARPANET。主机之间不是直接用线路相连,而是由接口报文处理机(IMP)转接后互联的。IMP和它们之间互联的通信线路一起负责主机间的通信任务,构成了通信子网。通信子网互联的主机负责运行程序,提供资源共享,组成资源子网。这个时期,网络概念为“以能够相互共享资源为目的互联起来的具有独立功能的计算机之集合体”,形成了计算机网络的基本概念。 [2] 

计算机网络互联互通阶段

20世纪70年代末至90年代的第三代计算机网络是具有统一的网络体系结构并遵守国际标准的开放式和标准化的网络。ARPANET兴起后,计算机网络发展迅猛,各大计算机公司相继推出自己的网络体系结构及实现这些结构的软硬件产品。由于没有统一的标准,不同厂商的产品之间互联很困难,人们迫切需要一种开放性的标准化实用网络环境,这样应运而生了两种国际通用的最重要的体系结构,即TCP/IP体系结构和国际标准化组织的OSI体系结构。 [2] 

计算机网络高速网络技术阶段

20世纪90年代至今的第四代计算机网络,由于局域网技术发展成熟,出现光纤及高速网络技术,整个网络就像一个对用户透明的大的计算机系统,发展为以因特网( Internet)为代表的互联网。 [2] 

计算机网络组成

计算机网络的分类与一般的事物分类方法一样,可以按事物所具有的不同性质特点(即事物的属性)分类。计算机网络通俗地讲就是由多台计算机(或其它计算机网络设备)通过传输介质和软件物理(或逻辑)连接在一起组成的。总的来说计算机网络的组成基本上包括:计算机、网络操作系统、传输介质(可以是有形的,也可以是无形的,如无线网络的传输介质就是空间)以及相应的应用软件四部分。 [3] 

计算机网络功能

计算机网络数据通信

数据通信是计算机网络的最主要的功能之一。数据通信是依照一定的通信协议,利用数据传输技术在两个终端之间传递数据信息的一种通信方式和通信业务。它可实现计算机和计算机、计算机和终端以及终端与终端之间的数据信息传递,是继电报、电话业务之后的第三种最大的通信业务。数据通信中传递的信息均以二进制数据形式来表现,数据通信的另一个特点是总是与远程信息处理相联系,是包括科学计算、过程控制、信息检索等内容的广义的信息处理。 [2] 

计算机网络资源共享

资源共享是人们建立计算机网络的主要目的之一。计算机资源包括硬件资源、软件资源和数据资源。硬件资源的共享可以提高设备的利用率,避免设备的重复投资,如利用计算机网络建立网络打印机;软件资源和数据资源的共享可以充分利用已有的信息资源,减少软件开发过程中的劳动,避免大型数据库的重复建设。 [2] 

计算机网络集中管理

计算机网络技术的发展和应用,已使得现代的办公手段、经营管理等发生了变化。目前,已经有了许多管理信息系统、办公自动化系统等,通过这些系统可以实现日常工作的集中管理,提高工作效率,增加经济效益。 [2] 

计算机网络实现分布式处理

网络技术的发展,使得分布式计算成为可能。对于大型的课题,可以分为许许多多小题目,由不同的计算机分别完成,然后再集中起来,解决问题。 [2] 

计算机网络负荷均衡

负荷均衡是指工作被均匀的分配给网络上的各台计算机系统。网络控制中心负责分配和检测,当某台计算机负荷过重时,系统会自动转移负荷到较轻的计算机系统去处理。 [2] 
由此可见,计算机网络可以大大扩展计算机系统的功能,扩大其应用范围,提高可靠性,为用户提供方便,同时也减少了费用,提高了性能价格比。 [2] 

计算机网络分类

虽然网络类型的划分标准各种各样,但是从地理范围划分是一种大家都认可的通用网络划分标准。按这种标准可以把各种网络类型划分为局域网、城域网、广域网和互联网四种。局域网一般来说只能是一个较小区域内,城域网是不同地区的网络互联,不过在此要说明的一点就是这里的网络划分并没有严格意义上地理范围的区分,只能是一个定性的概念。下面简要介绍这几种计算机网络。 [4] 

计算机网络局域网

局域网 局域网
(Local Area Network;LAN) 通常我们常见的“LAN”就是指局域网,这是我们最常见、应用最广的一种网络。局域网随着整个计算机网络技术的发展和提高得到充分的应用和普及,几乎每个单位都有自己的局域网,有的甚至家庭中都有自己的小型局域网。很明显,所谓局域网,那就是在局部地区范围内的网络,它所覆盖的地区范围较小。局域网在计算机数量配置上没有太多的限制,少的可以只有两台,多的可达几百台。一般来说在企业局域网中,工作站的数量在几十到两百台次左右。在网络所涉及的地理距离上一般来说可以是几米至10公里以内。局域网一般位于一个建筑物或一个单位内,不存在寻径问题,不包括网络层的应用。 [4] 
这种网络的特点就是:连接范围窄、用户数少、配置容易、连接速率高。目前局域网最快的速率要算现今的10G以太网了。IEEE的802标准委员会定义了多种主要的LAN网:以太网(Ethernet)、令牌环网(Token Ring)、光纤分布式接口网络(FDDI)、异步传输模式网(ATM)以及最新的无线局域网(WLAN)。这些都将在后面详细介绍。 [4] 

计算机网络城域网

城域网示意图 城域网示意图
(Metropolitan Area Network;MAN) 这种网络一般来说是在一个城市,但不在同一地理小区范围内的计算机互联。这种网络的连接距离可以在10 ̄100公里,它采用的是IEEE802.6标准。MAN与LAN相比扩展的距离更长,连接的计算机数量更多,在地理范围上可以说是LAN网络的延伸。在一个大型城市或都市地区,一个MAN网络通常连接着多个LAN网。如连接政府机构的LAN、医院的LAN、电信的LAN、公司企业的LAN等等。由于光纤连接的引入,使MAN中高速的LAN互连成为可能。 [4] 
城域网多采用ATM技术做骨干网。ATM是一个用于数据、语音、视频以及多媒体应用程序的高速网络传输方法。ATM包括一个接口和一个协议,该协议能够在一个常规的传输信道上,在比特率不变及变化的通信量之间进行切换。ATM也包括硬件、软件以及与ATM协议标准一致的介质。ATM提供一个可伸缩的主干基础设施,以便能够适应不同规模、速度以及寻址技术的网络。ATM的最大缺点就是成本太高,所以一般在政府城域网中应用,如邮政、银行、医院等。 [4] 

计算机网络广域网

广域示意图 广域示意图
(Wide Area Network,WAN) 这种网络也称为远程网,所覆盖的范围比城域网(MAN)更广,它一般是在不同城市之间的LAN或者MAN网络互联,地理范围可从几百公里到几千公里。因为距离较远,信息衰减比较严重,所以这种网络一般是要租用专线,通过IMP(接口信息处理)协议和线路连接起来,构成网状结构,解决循径问题。这种城域网因为所连接的用户多,总出口带宽有限,所以用户的终端连接速率一般较低,通常为9.6Kbps-45Mbps 如:邮电部的CHINANET,CHINAPAC,和CHINADDN网。 [4] 
上面讲了网络的几种分类,其实在现实生活中我们真正遇得最多的还要算是局域网,因为它可大可小,无论在单位还是在家庭实现起来都比较容易,应用也是最广泛的一种网络,所以在下面我们有必要对局域网及局域网中的接入设备作一个进一步的认识。 [4] 

计算机网络无线网

随着笔记本电脑(notebook computer)和个人数字助理
无线网 无线网
( Personal Digital Assistant,PDA)等便携式计算机的日益普及和发展,人们经常要在路途中接听电话、发送传真和电子邮件阅读网上信息以及登录到远程机器等。然而在汽车或飞机上是不可能通过有线介质与单位的网络相连接的,这时候可能会对无线网感兴趣了。虽然无线网与移动通信经常是联系在一起的,但这两个概念并不完全相同。例如当便携式计算机通过PCMCIA卡接入电话插口,它就变成有线网的一部分。另一方面,有些通过无线网连接起来的计算机的位置可能又是固定不变的,如在不便于通过有线电缆连接的大楼之间就可以通过无线网将两栋大楼内的计算机连接在一起。 [4] 
无线网特别是无线局域网有很多优点,如易于安装和使用。但无线局域网也有许多不足之处:如它的数据传输率一般比较低,远低于有线局域网;另外无线局域网的误码率也比较高,而且站点之间相互干扰比较厉害。用户无线网的实现有不同的方法。国外的某些大学在它们的校园内安装许多天线,允许学生们坐在树底下查看图书馆的资料。这种情况是通过两个计算机之间直接通过无线局域网以数字方式进行通信实现的。另一种可能的方式是利用传统的模拟调制解调器通过蜂窝电话系统进行通信。在国外的许多城市已能提供蜂窝式数字信息分组数据( Cellular Digital Packet Data,CDPD)的业务,因而可以通过CDPD系统直接建立无线局域网。无线网络是当前国内外的研究热点,无线网络的研究是由巨大的市场需求驱动的。无线网的特点是使用户可以在任何时间、任何地点接入计算机网络,而这一特性使其具有强大的应用前景。当前已经出现了许多基于无线网络的产品,如个人通信系统( Personal CommunicationSystem,PCS)电话、无线数据终端、便携式可视电话、个人数字助理( PDA)等。无线网络的发展依赖于无线通信技术的支持。无线通信系统主要有:低功率的无绳电话系统、模拟蜂窝系统、数字蜂窝系统、移动卫星系统、无线LAN和无线WAN等。 [4] 

计算机网络性能

计算机网络的性能一般是指它的几个重要的性能指标。但除了这些重要的性能指标外,还有一些非性能特征,它们对计算机网络的性能也有很大的影响。 [5] 
1.计算机网络的性能指标
性能指标从不同的方面来度量计算机网络的性能。 [5] 
(1)速率
计算机发送出的信号都是数字形式的。比特是计算机中数据量的单位,也是信息论中使用的信息量的单位。英文字bit来源于binary digit,意思是一个“二进制数字”,因此一个比特就是二进制数字中的一个1或0。网络技术中的速率指的是连接在计算机网络上的主机在数字信道上传送数据的速率,它也称为数据率(data rate)或比特率(bit rate)。速率是计算机网络中最重要的一个性能指标。速率的单位是bit/s(比特每秒)(即bit per second)。 [5] 
(2)带宽
“带宽”有以下两种不同的意义。 [5] 
① 带宽本来是指某个信号具有的频带宽度。信号的带宽是指该信号所包含的各种不同频率成分所占据的频率范围。例如,在传统的通信线路上传送的电话信号的标准带宽是3.1kHz(从300Hz到3.4kHz,即话音的主要成分的频率范围)。这种意义的带宽的单位是赫(或千赫,兆赫,吉赫等)。 [5] 
② 在计算机网络中,带宽用来表示网络的通信线路所能传送数据的能力,因此网络带宽表示在单位时间内从网络中的某一点到另一点所能通过的“最高数据率”。这里一般说到的“带宽”就是指这个意思。这种意义的带宽的单位是“比特每秒”,记为bit/s。 [5] 
(3)吞吐量
吞吐量表示在单位时间内通过某个网络(或信道、接口)的数据量。吞吐量更经常地用于对现实世界中的网络的一种测量,以便知道实际上到底有多少数据量能够通过网络。显然,吞吐量受网络的带宽或网络的额定速率的限制。例如,对于一个100Mbit/s的以太网,其额定速率是100Mbit/s,那么这个数值也是该以太网的吞吐量的绝对上限值。因此,对100Mbit/s的以太网,其典型的吞吐量可能也只有70Mbit/s。有时吞吐量还可用每秒传送的字节数或帧数来表示。 [5] 
(4)时延
时延是指数据(一个报文或分组,甚至比特)从网络(或链路)的一端传送到另一端所需的时间。时延是个很重要的性能指标,它有时也称为延迟或迟延。网络中的时延是由以下几个不同的部分组成的。 [5] 
① 发送时延。
发送时延是主机或路由器发送数据帧所需要的时间,也就是从发送数据帧的第一个比特算起,到该帧的最后一个比特发送完毕所需的时间。 [5] 
因此发送时延也叫做传输时延。发送时延的计算公式是: [5] 
发送时延=数据帧长度(bit/s)/信道带宽(bit/s) [5] 
由此可见,对于一定的网络,发送时延并非固定不变,而是与发送的帧长(单位是比特)成正比,与信道带宽成反比。 [5] 
② 传播时延。
传播时延是电磁波在信道中传播一定的距离需要花费的时间。传播时延的计算公式是: [5] 
传播时延=信道长度(m)/电磁波在信道上的传播速率(m/s) [5] 
电磁波在自由空间的传播速率是光速,即300000km/s。电磁波在网络传输媒体中的传播速率比在自由空间要略低一些。 [5] 
③ 处理时延。
主机或路由器在收到分组时要花费一定的时间进行处理,例如分析分组的首部,从分组中提取数据部分,进行差错检验或查找适当的路由等,这就产生了处理时延。 [5] 
④ 排队时延。
分组在经过网络传输时,要经过许多的路由器。但分组在进入路由器后要先在输入队列中排队等待处理。在路由器确定了转发接口后,还要在输出队列中排队等待转发。这就产生了排队时延。 [5] 
这样,数据在网络中经历的总时延就是以上四种时延之和: [5] 
总时延=发送时延+传播时延+处理时延+排队时延 [5] 
(5)时延带宽积
把以上讨论的网络性能的两个度量—传播时延和带宽相乘,就得到另一个很有用的度量:传播时延带宽积,即时延带宽积=传播时延×带宽。 [5] 
(6)往返时间(RTT)
在计算机网络中,往返时间也是一个重要的性能指标,它表示从发送方发送数据开始,到发送方收到来自接收方的确认(接受方收到数据后便立即发送确认)总共经历的时间。 [5] 
当使用卫星通信时,往返时间(RTT)相对较长。 [5] 
(7)利用率
利用率有信道利用率和网络利用率两种。信道利用率指某信道有百分之几的时间是被利用的(有数据通过),完全空闲的信道的利用率是零。网络利用率是全网络的信道利用率的加权平均值。 [5] 
2.计算机网络的非性能特征
这些非性能特征与前面介绍的性能指标有很大的关系。 [5] 
(1)费用
即网络的价格(包括设计和实现的费用)。网络的性能与其价格密切相关。一般说来,网络的速率越高,其价格也越高。 [5] 
(2)质量
网络的质量取决于网络中所有构件的质量,以及这些构件是怎样组成网络的。网络的质量影响到很多方面,如网络的可靠性、网络管理的简易性,以及网络的一些性能。但网络的性能与网络的质量并不是一回事,例如,有些性能也还可以的网络,运行一段时间后就出现了故障,变得无法再继续工作,说明其质量不好。高质量的网络往往价格也较高。 [5] 
(3)标准化
网络的硬件和软件的设计既可以按照通用的国际标准,也可以遵循特定的专用网络标准。最好采用国际标准的设计,这样可以得到更好的互操作性,更易于升级换代和维修,也更容易得到技术上的支持。 [5] 
(4)可靠性
可靠性与网络的质量和性能都有密切关系。速率更高的网络,其可靠性不一定会更差。但速率更高的网络要可靠地运行,则往往更加困难,同时所需的费用也会较高。 [5] 
(5)可扩展性和可升级性
网络在构造时就应当考虑到今后可能会需要扩展(即规模扩大)和升级(即性能和版本的提高)。网络的性能越高,其扩展费用往往也越高,难度也会相应增加。 [5] 
(6)易于管理和维护
网络如果没有良好的管理和维护,就很难达到和保持所设计的性能。 [5] 

计算机网络相关应用

21世纪人类将全面进入信息时代。信息时代的重要特征就是数字化、网络化和信息化。要实现信息化就必须依靠完善的网络,因为网络可以非常迅速地传递信息。因此网络现在已经成为信息社会的命脉和发展知识经济的重要基础。网络对社会生活的很多方面以及对社会经济的发展已经产生了不可估量的影响。 [3] 
这里所说的网络是指“三网”,即电信网络、有线电视网络和计算机网络。这三种网络向用户提供的服务不同。电信网络的用户可得到电话、电报以及传真等服务;有线电视网络的用户能够观看各种电视节目;计算机网络则可使用户能够迅速传送数据文件,以及从网络上查找并获取各种有用资料,包括图像和视频文件。这三种网络在信息化过程中都起到十分重要的作用,但其中发展最快的并起到核心作用的是计算机网络。随着技术的发展,电信网络和有线电视网络都逐渐融入了现代计算机网络(也称计算机通信网)的技术,这就产生了“网络融合”的概念。 [3] 
自从20世纪90年代以后,以因特网(Internet)为代表的计算机网络得到了飞速的发展,已从最初的教育科研网络逐步发展成为商业网络,并已成为仅次于全球电话网的世界第二大网络。因特网正在改变着我们工作和生活的各个方面,它已经给很多国家带来了巨大的好处,并加速了全球信息革命的进程。因特网是人类自印刷术发明以来在通信方面最大的变革。现在,人们的生活、工作、学习和交往都已离不开因特网了。 [3] 
计算机网络向用户提供的最重要的功能有两个,即连通性和共享。 [3] 
为什么会建立这么多的计算机网络,主要还是因为计算机网络的运用受到个人和公司的青睐。 [3] 
一、商业运用。
1、主要是实现资源共享(resource sharing)最终打破地理位置束缚(tyranny of geography),主要运用客户-服务器模型(client-server model)。 [3] 
2、提供强大的通信媒介(communication medium)。如:电子邮件(E-mail)、视频会议。 [3] 
3、电子商务活动。如:各种不同供应商购买子系统,然后在将这些部件组装起来。 [3] 
4、通过Internet与客户做各种交易。如:书店、音像在家里购买商品或者服务。 [3] 
二、家庭运用
1、访问远程信息。如:浏览Web页面获得艺术、商务、烹饪、政府、健康、历史、爱好、娱乐、科学、运动、旅游等等信息。 [3] 
2、个人之间的通信。如:即时消息(instant messaging)运用<QQMSN、YY>、聊天室、对等通信(peer-to-communication)<通过中心数据库共享,各大网盘,但是容易造成侵犯版权>。 [3] 
3、交互式娱乐。如:视频点播、即时评论及参加活动<电视直播网络互动>、网络游戏。 [3] 
4、广义的电子商务。如:电子方式支付账单、管理银行账户、处理投资。 [3] 
三、移动用户
以无线网络为基础。 [3] 
1、可移动的计算机:笔记本计算机、PDA、3G手机。 [3] 
2、军事:一场战争不可能靠局域网设备通信。 [3] 
3、运货车队、出租车、快递专车等应用。 [3] 
四、社会问题
网络的广泛运用已经导致了新的社会、伦理和政治问题。 [3] 
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参考资料
  • 1.    钟志永 姚珺.大学计算机应用基础.重庆:重庆大学出版社,2012:144-146
  • 2.    刘红冰主编. 计算机应用基础教程 Windows 7+Office 2010[M]. 北京:中国铁道出版社, 2015.09.第220页
  • 3.    Andrew S.Tanenbaum.computer network fourth edition:清华大学出版社,2005年:1
  • 4.    于玉海主编;辛慧杰,焉德军副主编.大学计算机应用基础:中国铁道出版社,2015.08:第137页
  • 5.    潘伟,曹浪财,费嘉,徐素霞编著.计算机网络:理论与实验:厦门大学出版社,2013.12:第12页
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