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计算机网络原理
第2版
王志文 陈 妍 夏 秦 何 晖 编著
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。不同的定义反映着当时网络技术发展的水平，以及人们对网络的认知程度。这些定义从三种不同的观点来看待计算机网络，即广义的观点、资源共享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连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）计算机网络建立的主要目的是实现计算机资源的共享。计算机资源主要是指计算机硬件、软件与数据。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，还可以调用网络中不同的计算机共同完成任务。
2）互连的计算机是分布在不同地理位置的独立 “自治计算机”。互连的计算机之间没有明确的主从关系，每台计算机既可以联网工作，也可以脱离网络独立工作。联网计算机可以为本地用户提供服务，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，每个节点都必须遵守一些事先约定好的通信规则。这就和人们之间的对话一样，要么大家都说中文，要么大家都说英文，如果一个说中文，一个说英文，那么就需要找一个翻译人员。如果一个人只能说中文，另一个人又不懂中文，而又没有翻译人员，那么这两个人就无法进行交流。
判断计算机是否互连成计算机网络，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，其中一台计算机能够强制另一台计算机开启与关闭，或者控制另一台计算机的自主运行，那么其中的受控计算机就不是 “自治”的计算机。根据资源共享观点的定义，由一个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。同样，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，只能称为联机系统（因为历史上的许多终端都不能算是 “自治计算机”）。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 “自治计算机”逐渐失去了严格的界限。因此，若把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计算机系统也可称为计算机网络。
“计算机通信”与 “数据通信”这两个名词在不同的领域经常混用。早期的数据通信与现代的计算机通信显然是有区别的。但随着技术的进步，数据通信的含义也在发生变化。因此，可以认为计算机通信与数据通信是可混用的名词，如美国的著名期刊《Data Communication》所刊登的文章现在也大多是计算机网络领域的文章。大多数情况下，数据通信网往往指的是计算机网络中的分组交换网络。
对用户而言，计算机网络就是一种透明的传输机构，用户在访问网络共享资源时，无须考虑这些资源所在的物理位置。为此，计算机网络通常以网络服务的形式来提供网络功能和透明性访问。
从上述计算机网络的定义中不难看出，它的核心功能就是资源共享，而我们经常提及的分布式系统也是为共享资源而提出的，二者究竟有何差异呢 计算机网络与分布式计算机系统虽然有相同之处，但二者并不等同。分布式计算机系统的主要特点是系统中的各计算机对用户是透明的。对用户而言，这种分布式计算机系统就好像是一台计算机一样，用户通过输入命令就可以运行程序，但用户并不知道是哪一台计算机在运行程序。实际上，是分布式系统在为用户选择最合适的计算机来运行其程序，并将运行的结果传送到合适的地方，而这些工作都不需要用户的干预。计算机网络则不同，用户必须事先明确登录要运行程序的计算机，然后按照该计算机的地址，将程序通过计算机网络传送到该目标计算机去运行。最后，根据用户的命令将结果传送到指定的计算机。由此可见，计算机网络不同于分布式计算机系统，二者的区别主要是软件的不同，尤其是应用软件方面表现得更为突出。一般说来，可以将分布式计算机系统看作计算机网络的一个特例。
计算机网络已经存在了半个多世纪，为信息共享和人类交互提供了极大的方便，尽管时代的变迁使得计算机技术和网络通信技术发生了许多重大变化和进步，但它们在特定的领域总是表现出相似的变化过程。为此，一些专业人士提出了一系列关于IT技术变迁的论断和预言，其中最为著名的有下述四个。
以上四个论断和预言被人们习惯性称为IT时代的四大定律，它们揭示了计算机和计算机网络技术惊人的发展速度和美好灿烂的前景。可以说，计算机和计算机网络技术已经改写了社会发展历程，它们的飞速发展必将创造出人类历史更加辉煌的篇章！
以单计算机为中心的联机系统通常被称为第一代计算机网络。20世纪60年代中期以前，计算机主机昂贵，而通信线路和通信设备的价格相对便宜，为了共享主机资源（强大的处理能力）和进行信息的采集及综合处理，通常采用以单计算机为中心的联机系统这一结构形式。
早在1951年，美国麻省理工学院林肯实验室就开始为美国空军设计称为SAGE的半自动化地面防空系统。该系统分为17个防区，每个防区的指挥中心装有两台IBM公司的AN/FSQ-7计算机，通过通信线路连接防区内各雷达观测站、机场、防空导弹和高射炮阵地，形成联机计算机系统。由计算机程序辅助指挥员决策，自动引导飞机和导弹进行拦截。SAGE系统最先采用了人机交互作用的显示器，研制了小型计算机形式的前端处理机，制定了1600bit/s的数据通信规程，并提供了高可靠性的多种路径选择算法。SAGE系统最终于1963年建成，被认为是计算机技术和通信技术结合的先驱。
最早应用计算机通信技术的民用系统是美国航空公司与IBM公司在20世纪50年代初开始联合研究、60年代初投入使用的飞机订票系统SABRE-1。这个系统由一台中央计算机与全美范围内的2000个终端组成，这些终端采用多点线路与中央计算机相连。美国通用电气公司的信息服务（GE Information Service）系统则是当时世界上最大的商用数据处理网络，其地理范围从美国本土延伸到欧洲、澳大利亚和日本，该系统于1968年投入运行，具有交互式处理和批处理能力。网络配置采用分层星形结构：各终端设备连接到分布在世界上23个地点的75个远程集中器，远程集中器分别连接到16个中央集中器；同时，各计算机也连接到中央集中器；最后，中央集中器经过50kbit/s线路连接到交换机。由于覆盖的地理范围很广，所以可以利用时差达到资源的充分利用。
以单计算机为中心的联机系统涉及多种通信技术和多种数据传输设备、数据交换设备等。从计算机技术角度来看，这是由单个用户独占一个系统发展到远距离的分时多用户系统。多终端联机系统主要有如下缺点：一是主机负荷较重，既要承担通信工作，又要承担数据业务处理工作，主机的效率低下；二是通信线路的利用率低，尤其在远距离时，每个分散的终端都要单独占用一条通信线路，费用昂贵；三是这种网络结构属于集中控制方式，可靠性低，中央主机的失效直接导致整个系统崩溃。
在早期的计算机通信网络中，为了提高通信线路的利用率并减轻主机的负担，人们开始使用多点通信线路、终端集中器以及前端处理机，这些技术对以后计算机网络的发展有着深刻的影响。
1）多点通信线路就是在一条通信线路上串接多个终端，如图1-1a所示。这样，多个终端可以共享同一条通信线路与主机进行通信。由于主机-终端间的通信具有突发性和高带宽的特点，所以各个终端与主机间的通信可以分时地使用同一高速通信线路。相对于每个终端与主机之间都设立专用通信线路的点对点通信配置方式，这种多点线路能极大地提高信道的利用率。
2）终端集中器和前端处理机（Front-End Processor，FEP）的作用是类似的，不过后者的功能要强一些。主机资源主要用于业务计算任务，如果由主机兼顾与终端的通信任务，那么一来会影响主机的计算任务，二来使主机的接口很多，配置过于庞大，系统灵活性不好。为了解决这一矛盾，可以把与终端通信的任务分配给专门的终端集中器。终端集中器的软硬件配置都是面向通信的，可以放置于终端相对集中的地点，它与各个终端以低速线路连接，收集终端的数据，然后用高速线路传送给主机的前端处理机。这种通信配置的结构如图1-1b所示。
图1-1 通信线路共享方式
终端集中器的硬件配置相对简单，它主要负责将数据从终端集中到主机，以及从主机分发到终端。显然，采用终端集中器可以提高远程高速通信线路的利用率。前端处理机除了具有以上功能外，还可以互相连接，并连接多个主机，具有路由选择功能，它能根据数据包的地址把数据发送到适当的主机。不过在早期的计算机网络中，前端处理机的功能还不是很强，互连规模也不是很大。
从20世纪60年代中期到70年代中期，随着计算机技术和通信技术的进步，能够将多个单计算机联机终端系统互相连接起来，形成了多计算机互连的网络。这种网络利用通信线路将多台计算机连接起来，利用分组交换技术传输网络数据，为用户提供服务。
第一种互连形式是通过通信线路将各计算机直接互连起来，主机既承担数据处理工作，又承担通信工作，如图1-2a所示。
第二种互连形式是把通信功能从主机中分离出来，设置专门的通信控制处理机（Communication Control Processor，CCP），主机间的通信通过CCP的中继功能间接进行。由多个CCP组成的传输网络称为通信子网，如图1-2b所示。
图1-2 主机互连方式
通信控制处理机负责网上各主机间的通信控制和通信处理，它们组成的通信子网是计算机网络的内层或骨架层。主机负责数据处理，是业务资源的拥有者，它们组成了计算机网络的资源子网，是网络的外层。通信子网为资源子网提供信息传输服务，资源子网上用户间的通信是建立在通信子网基础上的。没有通信子网，主机间无法交互；而没有资源子网，通信子网的数据传输也失去了意义。两者共同组成了统一的资源共享的两层网络。将通信子络的规模进一步扩大，可使之变成社会公用数据通信网，如图1-3所示。这种网络允许异种机入网，兼容性好、通信线路利用率高，是计算机网络概念最全、设备最多的一种形式。
图1-3 具有公用数据通信网的计算机网络
现代意义上的计算机网络是从1969年美国国防部高级研究计划署（DARPA）建成的ARPANET实验网开始的。该网络当时只有4个节点，以电话线路作为主干网络，两年后建成15个节点，进入工作阶段。此后ARPANET的规模不断扩大，到20世纪70年代后期，网络节点超过60个，主机有100多台，地域范围跨越了美洲大陆，连通了美国东部和西部的许多大学和研究机构，而且通过通信卫星与夏威夷和欧洲等地区的计算机网络相互连通。ARPANET的主要特点是：①资源共享；②分散控制；③分组交换；④采用专门的通信控制处理机；⑤分层的网络协议。这些特点往往被认为是现代计算机网络的一般特征。
早期的著名计算机网络还有以下几个：英国国家物理实验室NPL网络，20世纪70年代初连接主机12台，终端80多个；英国邮政局的EPSS公用分组交换网络（1973年）；法国信息与自动化研究所（IRIA）的CYCLADES分布式数据处理网络（1975年）；加拿大的DATAPAC公用分组交换网（1976年）；日本电报电话公司的DDX-3公用数据网（1979年）；等等。这些网络以远程大规模互连为其主要特点，称为第二代网络，根据应用目的可分为以下3种类型。
1）用户为在一定地域范围内共享专用资源而建立的网络，如OCTOPUS网络，它是由美国加州大学劳伦斯原子能研究所建立的网络。它由2台CDC-7600、2台CDC-6600和其他一些机器的近500个终端组成，可共享容量巨大的数据库。另一个例子是DCS网，由加州大学欧文分校研制，是一个面向进程通信的分布式异构机环形网络。
2）用户在一定的地域范围内以进行通信处理和通信服务为目的的通信网络，如欧洲情报网络（EIN）。
3）用于商用目的的公用分组交换数据通信网络，如TELENET是由美国远航网络公司创建的，能够向美国国内250个城市、国外37个国家的用户提供服务的全球性分组交换网。另外，加拿大的DATAPRC、法国的TRANSPAC等都属于这一类型的网络。
1.2.3 计算机网络体系结构标准化
计算机网络通常按功能分为若干层（layer）。网络中各计算机之间要进行正常有序的通信，就必须遵循一定的约定，如信息应按什么顺序进行交互、信息应该如何表示等，这就是所谓的协议（protocol）。协议是同等层次实体之间进行信息交互的规则。计算机网络的层次结构及各层协议的集合统称为计算机网络的体系结构（architecture）。
早在20世纪70年代到80年代，世界上出现了大量的计算机网络，它们大都由研究部门、大学或公司各自独立研制开发，没有统一的体系结构，难以实现互连。这种封闭性使它们变成一个个孤岛，不能适应更大范围的信息交互与资源共享。于是，开放（open）就成为计算机网络发展的主题。
1977年，国际标准化组织（International Standards Organization，ISO）下属的计算机与信息处理标准化技术委员会成立了一个专门研究计算机网络体系结构标准化问题的分委员会，经过多年艰苦的努力，于1983年制定出了称为开放系统互连参考模型（Open System Interconnection/Reference Model，OSI/RM）的国际标准ISO 7498。该模型分为7层，每层都规定了相应的服务和协议标准，这些标准总称为OSI标准。OSI标准的基本宗旨就是开放，遵循该标准的系统都必须是相互开放的，能够实现互连。
但是，OSI在实施时受到了诸多因素的制约，最终没有达到预期的效果。其原因是多方面的：首先，作为Internet基础的TCP/IP体系结构就是OSI的强大对手。因特网自诞生以来一直在迅猛发展，投资者（包括建网机构和用户）不会轻易放弃在TCP/IP上的巨额投资。其次，OSI虽然在学术上进行了大量的研究工作，但是它缺乏商业运作的驱动力。最后，OSI网络体系结构本身分层过多，有些功能（如流量控制和差错控制）在多个层次中重复出现，比较复杂。
虽然OSI没有发展成新一代的计算机网络体系结构，但它所提出的不少关于计算机网络的概念和技术已被广泛地接受和使用，正是在OSI的推动和影响下，计算机网络体系结构的标准化才得以不断发展。
在DARPA资助下，20世纪70年代末期鲍勃·卡恩和文特·瑟夫推出了TCP/IP协议规范。到1983年，DARPA将ARPANET上的所有计算机都转向TCP/IP协议，并以ARPANET为主干建立和发展了Internet，形成了TCP/IP体系结构。TCP/IP体系结构虽然不是国际标准，但它的发展和应用都远远超过了OSI，成为事实上的体系结构标准。20世纪90年代，世界上多数国家相继建立了本国的主干网并接入Internet。与此同时，Internet则以惊人的速度发展，覆盖了全世界，使计算机网络迈入一个崭新的时代，这就是以TCP/IP体系结构为基础的Internet时代。
局域网（Local Area Network，LAN）是计算机网络发展史上的一个重要而又活跃的领域。LAN的发展始于20世纪70年代，1972年美国加州大学研制了Newhall loop网，1975年施乐（Xerox）公司Palo Alto研究中心研制了第一个总线结构的实验性的以太网（Ethernet），1974年英国剑桥大学计算机实验室建立了剑桥环（Cambridge Ring）网。20世纪80年代，不同类型的LAN纷纷出现，并投入了市场。
超大规模集成电路（VLSI）技术的发展大大促进了微型计算机技术的发展，使得微型计算机的价格大幅度下降；同时，连接LAN的网络接口卡和其他联网设备的价格也不断下降，这些因素共同推动了微型机局域网PC-LAN的发展，其中以Microsoft公司的Windows NT、Windows 2000和Novell公司的NetWare PC-LAN最为著名和活跃。
目前，LAN技术中发展最迅速的是以太网，历经30年的发展，其速度已由原来的1Mbit/s提高到今天的10Gbit/s。以太网是LAN的主流网络，全世界大部分的LAN都是以太网，它保持了统治性的市场地位。
Internet自诞生以来也经历了几个阶段的变迁，包括Internet、NGI以及Intranet等。
1.Internet
20世纪90年代以后，计算机网络进入一个崭新的历史时代，这就是因特网（Internet）时代。Internet的应用发展从科研、教育到商用，逐步深入人类社会活动的各个角落。它改变了人们的生产、工作、生活和思维方式，对人类信息社会的发展有着巨大而深远的影响。
Internet的形成和发展始于20世纪60年代后期，是由ARPANET发展演化而逐步形成的。70年代末期，DARPA又资助网络专家开发了著名的TCP/IP协议簇，并于80年代初期在ARPANET上正式使用。TCP/IP协议簇为Internet的发展注入了新的活力，使网络互连成为现实。到1983年，ARPANET网已连入300多台计算机，由美国政府部门和研究机构使用。1984年，ARPANET分成两个部分：一个用于军事，称为MILNET；另一个用于民用科研和教育，仍称ARPANET。它们都由多个网络互连而成。ARPANET成为Internet的主干网。
美国国家科学基金会（National Science Foundation，NSF）继DARPA之后也对因特网的发展做出了卓越的贡献。1986年，NSF建立了国家科学基金网NSFNET，连接美国范围内100所左右的大学和研究机构。NSFNET为三级网络结构，分为主干网、区域网和校园网。主干网的速率开始为56kbit/s，后来提高到1.544Mbit/s，NSFNET后来和ARPANET相连，成为Internet的主要部分。
20世纪90年代初，许多公司纷纷接入Internet，网络通信量大幅度增长，每日传送的分组数达10亿个，NSFNET不堪重负。为了解决这一问题，美国政府决定将因特网主干网交给私人公司来经营。IBM、MCI和Merit三家公司共同组建了一个高级网络服务（Advanced Network and Services，ANS）公司，专门经营和管理NSFNET。ANS于1993年构建了一个速率为44.746Mbit/s的主干网ANSNET，取代了旧的NSFNET。
与此同时，世界上许多国家相继建立了本国的主干网并接入Internet。欧洲的主干网EBONE、加拿大的Canet、英国的PIPEX和JANET以及日本的WIDE都接入了Internet，Internet从此逐渐成为全球性互联网。目前，Internet已经覆盖全世界。
2.下一代Internet（NGI）
Internet已经有40多年的发展历史，随着信息社会大步向前迈进，网络经济时代已经到来，尤其是融文本、语音、图形、图像等于一身的多媒体传输业务的大量涌现，对网络的带宽要求越来越高。另外，Internet上的各种新应用不断增加，接入的计算机数量与日俱增，原来设计的32位IP地址空间已经用尽。时代的发展对Internet提出了新的挑战，不断地发展Internet是人类共同的任务。
下一代Internet（Next-Generation Internet，NGI）的特点是更快、更大、更安全，以及服务质量更高和使用更方便。
1996年美国政府出台NGI计划，进行NGI关键技术的研究，美国国家科学基金会支持大学和科研单位建立了高速网络试验床（very high speed Backbone Network Service，vBNS）。vBNS采用IP over ATM over SDH/SONET方式，速率达到622Mbit/s。由于千兆以太网的日益成熟和高速吉比特交换路由器和太比特交换路由器（1Tbit/s?=?1000Gbit/s?=?1?000?000Mbit/s）的出现，又产生了IP over SDH/SONET传输方式，vBNS+就采用这种方式。
1998年，美国100多所大学联合成立了UCAID（University Corporation for Advanced Internet Development），从事Internet 2研究计划，有206所院校参加。UCAID建立了另一个高速网络试验床Abilene，于1999年1月开始提供服务，为美国的教育和科研提供世界最先进的信息基础设施，保持美国在高速计算机网络及其应用领域的技术优势。
除美国外，其他国家和地区也相继开展了下一代高速互连网络研究，包括加拿大的CA-3NET、英国的JANET 2以及亚太地区的APAN等。
我国下一代互联网示范工程（China Next Generation Internet，CNGI）是实施我国下一代互联网发展战略的重大工程，由国家发展和改革委员会、科学技术部、国务院信息办、中国科学院、中国工程院、国家自然科学基金委员会、信息产业部、教育部8部委联合领导。我国的第一个下一代互联网试验网络NSFCNET于1999年12月开始建设，2001年7月通过了验收。NSFCNET使用密集波分多路复用DWDM的光传输技术，采用IPv6与国际IPv6网络连接，第一次实现了与下一代互联网Internet 2的互连。国家863项目中的中国高速信息示范网CAINONet、中科院的中国先进互联网CAINet，也都是宽带IP网络技术、设备与先进应用的研究试验平台。
2001年，中国教育科研网CERNET提出建设全国性的下一代中国教育科研网CERNET2计划。2003年8月，CERNET2计划被纳入CNGI。2004年3月19日，CERNET2试验网开通。CERNET2建成后将是世界上规模最大的纯IPv6国家级主干网。CERNET2主干网的传输速率为2.5Gbit/s～10Gbit/s，连接北京、上海、广州等20个城市的CERNET2核心节点，将实现全国200余所高校的IPv6接入，并与国内其他下一代互联网及国际下一代互联网实现高速互连。CERNET2将支持更高速、更丰富的下一代互联网应用，包括网格计算、视频语音综合通信、高清晰度电视、智能交通、远程教育和远程医疗、环境和地震监测，等等。
3.内联网（Intranet）
Internet的发展大大促进了企业的信息化和经济的全球化。Intranet是Internet技术的发展与建造企业/事业单位内部的计算机网络和信息系统的需要相融合的产物，是将Internet的构造技术应用于企业内部网络。Intranet的特点可以简要地归纳如下。
Intranet对企业的经营产生了积极的影响。企业可以充分地利用内联网提高工作效率，节省时间，使企业经营管理更加现代化。
Intranet之后出现了外联网（Extranet）。Extranet将Intranet的作用范围延伸扩大到企业的外部，如合作伙伴、供应商、交易伙伴、销售商店等，它们都作为Extranet的用户，形成企业外部网络。现在，虚拟专用网（Virtual Private Network，VPN）技术常用于构建Intranet和Extranet，即Intranet VPN和Extranet VPN。
所谓“三网”合一就是指原先独立设计和运营的传统电信网、计算机互联网和有线电视网将趋于相互渗透和相互融合。顾名思义，就是把三网的物理层或业务层融合为一个网络来运营。相应地，三类不同的业务、市场和产业也将相互渗透和相互融合，以传统三大业务来分割三大市场和行业的界限将逐渐变得模糊，从而形成一个统一的网络系统。该系统以全数字化的网络设施来支持包括数据、话音和视频在内的所有业务的通信，即全业务网络。
根据三网融合的功能要求和目标，融合后的新网络体系应该具有以下几个特征。
1）网络在物理层上是互通的，即一个网络的信号可以直接传递或者经过组织、变换后传送到另外一个网络中，并且在通过其他网络传送到用户终端时，不改变信息的内容，也就是说，网络之间要互相透明。
2）用户只需一个物理网络连接，就可以使用其他网络上的所有共享资源或者能够与其他网络上的用户通信。
3）在应用层上，各网络之间的业务是相互渗透和交叉的，又是相互独立的，互不妨碍，并且在各自的网络上可以像以往那样独立发展自己的新业务。
4）网络之间的协议要么兼容，要么可以进行无缝转换。这是因为各个网络都有自己的内部协议，因此，信息从一个网络传送到另一个网络时，它应该满足所转向网络的协议要求。
通过以上分析可以发现：“三网”合一并不只是三个通信网络物理设施的简单互连，这一工作所涉及的不仅是技术上的问题，更多的则是政治、经济、文化和社会等方面的因素。一方面，融合将推动信息产业的发展；另一方面，融合的过程也会导致信息产业结构的重新组合和管理体制及政策法规的相应变革。比如，“三网”合一需要统一管理原先分散建设的各种网络，同时开放电信市场，以充分利用现有的通信设备和资源，实现面向用户的自由、透明而无缝的信息网络，为用户提供真正的宽带信息高速公路服务。在“三网”合一过程中，既要在各方面保持原有的市场，又要开拓更大的市场，使用户也同步受益。
尽管“三网”合一在目前的实现过程中存在不少困难，但它正在成为势不可挡的历史大潮，可以说“三网”合一是迎接未来信息社会的根本性网络变革。
1.宽带网络
宽带网络可分为宽带骨干网和宽带接入网两个部分，因此建设宽带网络的两个关键技术是骨干网技术和接入网技术。人们对可视电话、可视图文、图像通信和多媒体等宽带业务的需求，大大地推动了宽带网络技术的发展和应用。
骨干网又被称为核心交换网，它是基于光纤通信系统的，能实现大范围（在城市之间和国家之间）的数据流传送。这些网络通常采用高速传输网络、高速交换设备（如大型ATM交换机和交换路由器）。电信业一般把传输速率达到2Gbit/s的骨干网称为宽带骨干网，这一速率随着时代的变迁有着不同的定义。
随着通信技术的迅猛发展，运营商和用户对电信网提出了更高的要求。1988年ITU-T在美国同步光纤网络（Synchronous Optical NETwork，SONET）标准的基础上形成了一套完整的同步数字系列SDH标准，使这种适用于光纤传输的体系成为世界通用的光接口标准。在SDH的基础上，可以建成一个灵活、可靠，能够进行远程监控管理的国家级电信传输网与全世界的电信传输网。这个传输网可以很方便地扩展新业务，使不同厂家生产的设备互通使用。
近些年来，国际电信联盟标准部（ITU-T）已正式采用了用户接入网（简称接入网）这一概念。接入网需要覆盖所有类型的用户。接入网技术可根据所用传输介质的不同分为光纤接入、铜线接入、光纤同轴电缆混合接入和无线接入等多种类型。为了提高接入网的接入带宽和改善接入网的传输性能，世界上各电信设备制造厂商已经研究并开发了利用各种传输介质和先进数字信号处理技术的多种高速接入技术。宽带接入技术基本上分为有线接入和无线接入两种，随着无线技术的发展，宽带无线接入技术逐渐成为一种新的不可忽视的发展趋势，随着5G时代的到来，无线接入技术将会变得更加普遍；对有线接入技术而言，根据传输介质的不同，宽带有线接入技术可以分为铜线接入技术和光纤接入技术两大类。目前，接入技术主要有以下几种。
2.全光网络
随着人们对信息的需求与日俱增，Internet业务正在按指数规律逐年增长。一些与人们视觉有关的图像信息，如电视点播（VOD）、可视电话、数字图像（DVD）、高清晰度电视（HDTV）等宽带业务迅速扩大，远程教育、远程医疗、家庭购物、家庭办公等正在蓬勃发展，这些都必须依靠完善的网络。但是，如果完全依靠现有的网络结构，必然会造成业务拥挤和带宽 “枯竭”。人们普遍认为，未来的Internet将构建于以波分多路复用（WDM）技术为核心的光通信基础之上。WDM充分利用了光纤的巨大带宽资源，一根光纤上可以同时传输100多路光波。WDM技术和高速交换式路由器的IP转发结合起来称为IP over WDM。
光纤传输线路速率的提高也带来了新的问题。如果网络节点处仍以电信号处理的速度进行交换，则网络的各个节点要完成光-电-光转换，电子器件在适应高速度、大容量的需求上，存在着带宽限制、时钟偏移、高功率损耗等问题，成为通信网中的“电子瓶颈”。为此，人们提出了全光网（All Optical Network，AON）的概念，信息流始终以光的形式在网络中传输和交换。基于WDM技术的传输系统和以光交叉连接（OXC）、光分插复用（OADM）设备为主体的光交换系统开始用于构筑今天的光网络，并向3T（Tbit/s传输、Tbit/s交换和Tbit/s路由）光网络发展演进。可以相信，2l世纪光子在通信领域的地位将毫不逊色于20世纪中的电子。
1998年由著名的网络设备公司Cisco、ATSLT、3Com、Bellcore和Sprint等发起成立了光互联网论坛（Optical Internetworking Forum，OIF），它和ATM Forum、ITU-T等合作进行研究。面向IP业务的全光网络研究已经成为各国研究计划的重点。
全光网将以光节点取代现有网络的电节点，并用光纤将光节点互连成网，利用光波完成信号的传输、交换等，克服了现有网络在传送和交换时的瓶颈，减少了信息传输的拥塞，提高了网络的吞吐量。全光网已经引起人们极大的兴趣，世界上一些发达国家都在对全光网的关键技术和设备、部件、器件以及材料开展研究，加速推进产业化和应用的进程。如美国的光网络计划ARPA，欧洲与美国一起进行的光网络计划RACE和ACTS。
拓扑（topology）是从图论演变而来的，是一种研究与大小形状无关的点、线、面的特点的方法。在计算机网络中抛开具体设备，把工作站、服务器等网络单元抽象为 “点”，把网络中的电缆等通信介质抽象为 “线”，这样从拓扑学的观点看计算机和网络系统，就形成了点和线组成的几何图形，从而抽象出了网络系统的具体结构。我们把这种采用拓扑学方法抽象出来的网络结构称为计算机网络的拓扑结构。
计算机网络系统的拓扑结构主要有总线型、星形、环形、树形、不规则型和全连接型几种，如图1-4所示。网络拓扑结构在网络的设计、功能、可靠性、费用等方面有着重要的影响。
1.星形结构
星形结构由一个功能较强的中心节点以及一些通过点到点链路连接到中心节点的从节点组成。各从节点间不能直接通信，从节点间的通信必须经过中心节点，如图1-4a所示。如果节点A要向节点B发送数据，则节点A必须先将数据发送给中心节点S，再由中心节点S发送给节点B。
图1-4 网络拓扑结构
星形结构有两类：一类是中心节点仅完成各从节点的连通；另一类是中心节点具有很强的处理能力，而从节点是一般的计算机或终端，这时中心节点有转接和数据处理的双重功能。此时，中心节点不仅可成为各从节点共享的资源，而且还可以按存储转发方式工作。
星形结构的优点是建网容易，易于扩充，控制相对简单；其缺点是采用集中控制，对中心节点依赖性过大。
2.树形结构
树形结构（也称层次结构）的特点是联网的各计算机按树形组织，树的每个节点都为计算机，如图1-4b所示。一般来说，越靠近树根，节点的处理能力就越强，最低层的节点命名为0级，次低层的为1级，树根的级别最高。低层计算机的功能和应用有关，一般具有明确定义的和非常专门化的任务，树的顶部则有更通用的功能，以便控制协调系统的工作。低层的节点通常仅带有限数量的外围设备，而顶部的节点常为可带有前端机的中型甚至大型计算机。烦琐的、重复性的功能和算法，像数据收集和变换都在底层处理；而数据处理、命令执行（控制）、综合处理等都由顶部节点完成，如共享的数据库放在顶部节点而不是分散在各个低层节点。信息在不同层次上垂直进行传输，这些信息可以是程序、数据、命令或以上三者的组合。树形结构如果仅有两级，就演变为星形结构，一般来说，树形结构的层数也不宜过多，以免转接开销过大。芝加哥大学的Miss系统就是一个典型的树形结构网络。
树形结构适用于相邻层通信较多的情况，典型的应用是低层节点解决不了的问题请求中层节点解决，中层节点解决不了的问题请求顶部节点解决。
3.总线型结构
总线型结构是由一条高速公用总线连接若干个节点所形成的网络，如图1-4c所示，其中一个节点是网络服务器，由它提供网络通信及资源共享服务，其他节点是网络工作站（即用户计算机）。总线型结构网络采用广播通信方式，即由一个节点发出的信息可被网络上的所有节点接收。由于多个节点连接到一条公用总线上，因此必须采取某种介质访问控制规程来分配总线的使用权，以保证在一段时间内只允许一个节点传送信息。目前最常用的且已列入国际标准的规程有：①CSMA/CD访问控制规程；②令牌传送访问控制规程。
在总线型结构网络中，作为数据通信必经之路的总线的负载能力是有限的，这是由通信介质本身的物理特性所决定的。所以，总线型结构网络中工作站节点的个数是有限制的，如果工作站节点的个数超出总线负载能力，就需要采用分段等方法，并加入相当数量的附加部件，使总线负载达到容量要求。
总线型网络结构简单灵活、可扩充、设备投入量少、成本低、安装使用方便。但当某个工作站出现故障时，对整个网络系统影响较大。特别是由于所有的工作站通信均通过一条共用的总线，因此实时性较差，当节点通信量增加到一定程度时，性能会急剧下降。
4.环形结构
环形网是一种首尾相连的总线型拓扑结构，它由通信线路将各节点连接成一个闭合的环。数据在环上单向流动，每个节点按位转发所经过的信息，常用令牌控制来协调各节点的数据发送，如图1-4d所示。环形结构的特点与总线型结构类似，但网络的可靠性对环路的依赖性更强。
5.不规则型结构（网状结构）
在广域网中，互连的计算机一般都安装在不同的城市，各节点间距离很长，某些节点间是否能够采用点到点线路专线连接，要依据其间的信息流量以及网络所处的地理位置而定。如果节点间的通信可由其他中继节点转发且不影响网络性能，则可不必直接互连。因此在地域范围很大且节点数较多时，多采用部分节点连接的任意拓扑结构，如图1-4e所示。部分节点连接的网络必然带来经由中继节点转发而相互通信的现象，称为交换。
不规则型结构网络通常会设置若干冗余通信线路以保证任意节点间的连通性，尤其在出现通信线路故障时，冗余线路的作用表现得更加明显。
6.全连接型结构
在全连接型结构中，每个节点和网上其他所有节点都有通信线路连接，这种网络的复杂性随节点数目的增加而迅速增加，如图1-4f所示。例如，将6个节点用点到点方式全连接起来，每个节点要连接5条通信线路，必须有5个通信端口，全网共需15（即N×(N-1)/2）条线路，30个通信端口。全连接型结构网络的优点是无需路由选择，通信方便，实时性强。但这种网络连接复杂，只适合节点数量少、距离很近（如一个房间）的特殊环境下使用。
由于计算机网络的广泛使用，目前在世界上出现了多种形式的计算机网络。网络的分类方法也很多，从不同角度观察和区分网络，有利于全面了解计算机网络的各种特性。
1.按距离划分
按作用距离及范围可将计算机网络划分为以下三种。
2.按通信传播方式划分
根据通信传播方式的不同，计算机网络可划分为以下两种。
3.按通信介质划分
根据通信介质的不同，计算机网络可划分为以下两种。
4.按通信速率划分
根据通信速率的不同，计算机网络可划分为以下三种。
5.按使用用户划分
根据使用用户的不同，计算机网络可划分为以下两种。
6.按网络控制方式划分
根据网络所采用的控制方式，计算机网络可划分为以下两种。
7.按网络环境划分
根据应用环境的不同，计算机网络可划分为以下三种。
从20世纪70年代到80年代，计算机网络的应用仅局限于一些大型企业、公司、校园与研究部门，在微型计算机普及之后，人们才看到微型计算机联网后所产生的重大影响，由此计算机网络开始普及。到了20世纪90年代，计算机网络作为个人信息服务的一种重要手段进入家庭。进入21世纪后，计算机网络开始进入个人移动领域。当前，计算机网络的应用已经深入社会的各个领域，在这里仅给出几种典型的应用服务。
1.企业信息化
现在机关、企业、校园内都使用着很多计算机，它们通常分布在整幢办公大楼、工厂与校园内。同时，有一些公司拥有多家工厂，这些工厂与公司的一些分支机构与部门可能分布在世界各地。为了实现对全公司的生产、经营以及客户资料等信息的收集、分析、管理工作，很多公司将分布在公司大楼、厂区内，以及世界各地各分支机构办公室内的计算机先连接到各自的局域网内，然后再将这些位置分散的多个局域网互连起来，构成支持整个公司的大型信息系统的网络环境，以超越地理位置的限制，实现分布在世界各地的计算机资源的共享。人们可以通过计算机网络方便地收集各种信息，利用不同的计算机软件对信息进行处理，将各种管理信息发布到各地机构中，完成信息资源的收集、分析、使用与管理，实现从产品设计、生产、销售到财务的全面管理。
2.电子商务
现代计算机技术为信息的传输和处理提供了强大的工具，特别是Internet在世界范围的普及和应用，改变了产品的生产过程和服务过程，商业空间拓展到全球性规模，传统意义上的服务、商品流通、产品生产等概念和内涵正在发生理念上的变化。面对全球激烈的市场竞争，企业的产品目录查询、订单收受、送货通知、网络营销、账务管理、库存管理、股票及期货的分析与交易等，从不同视角给企业提供了更多商机，同时也要求企业必须做出实时反应，充分利用现有技术和资源，对企业内部进行必要的改造和重组，以谋求更为广阔的市场。事实上，电子商务正在将计算机技术，特别是WWW技术广泛应用于企业的业务流程，形成崭新的业务构架和交易模式。
从企业角度出发，电子商务是基于计算机的软硬件、网络通信等基础上的经济活动。它以最新的Internet、Intranet和Extranet作为载体，使企业有效完成自身内部的各项经营管理活动（包括市场、生产、制造、产品服务等），并解决企业之间的商业贸易和合作关系，发展和挖掘个体消费者与企业之间的联系，最终降低产、供、销的成本，增加企业利润，开辟新的市场。在这里，电子技术、网络手段、新的市场等汇合起来，形成一种崭新的商业机制，并逐步发展成为与未来数字社会相适应的贸易形式。
针对个人而言，电子商务正逐渐渗透到每个人的生活环境，影响人们的生活、工作、学习及消费等行为。网上购物、远程医疗、远程教学、网上炒股等，这些崭新的技术名词不仅越来越多地出现在新闻媒体上，同时逐渐成为每个人生活的一部分，电子商务原来就在身边。
电子商务对人类的生活方式产生了深远影响。可以足不出户进行网上购物，搜索功能可方便地让顾客货比多家。同时，消费者能以十分轻松自由的自我服务方式来完成交易，从而使用户对服务的满意度大幅度提高。
3.信息发布与检索
随着新闻走向在线与个人化，人们可以通过网络向公共传媒服务商订阅感兴趣的新闻（或报纸），而服务商可将用户订阅的新闻传送到其计算机或手机上。这种服务也可以应用在杂志和学术论文的在线数字图书馆，但这取决于它的造价、规模和使用的费用。
另一类应用就是以WWW方式访问各类信息系统，信息涵盖政府、教育、艺术、保健、娱乐、科学、体育、旅游等各个方面，甚至各类商业广告。
在信息浩如烟海的互联网上，搜索引擎（如Baidu、Yahoo、Google等）为人们快速检索所需信息提供了强有力的帮助，但是信息爆炸仍是阻碍人们获取有用信息的一大难题。
4.个人通信
19世纪、20世纪个人之间通信的基本工具是电话，21世纪个人之间通信的基本工具则是计算机网络，而计算机网络与个人移动通信业务的融合更加速了这方面的应用。电子邮件（Email）目前已广泛应用，不仅用于传送文本文件，还可用于传送语音与图像文件。实时Email还允许远程用户之间无延时地进行通信，且通信双方可以看到对方的图像，听到对方的声音。这种技术可以用于电视会议（video conference），而电视会议可应用于远程教学、远程医疗以及其他很多方面。
现在Internet上存在很多新闻组（news group），参加不同新闻组的人可以在网上对某个感兴趣的问题相互进行讨论，阅读有关这方面的资料，这也是个人通信在计算机网络应用中颇受欢迎的一种方式。
5.家庭娱乐
家庭娱乐正在对信息服务业产生巨大的影响，它可以让人们在家里点播电影和电视节目。新的电影可能成为交互式的，观众可以在看电影时不时地参与到电影情节中。家庭电视也可以成为交互式的，观众可以参与到猜谜等活动之中。
家庭娱乐中最重要的应用可能是游戏方面。现在已经有很多人喜欢上实时仿真游戏，使用虚拟现实的头盔和三维实时、高清晰度的图像，就可以共享虚拟现实的很多游戏和训练。
总之，基于计算机网络的各种应用、信息服务、个人通信与家庭娱乐都正在促进信息产品制造业、软件产业与信息服务业的高速发展，也正在引起社会产业结构和从业人员结构的变化，将来会有更多的人从事信息产业与信息服务业的工作。
计算机网络的广泛应用已经对经济、文化、教育、科学的发展与人类生活质量的提高产生了重要影响，同时也不可避免地带来一些新的社会、道德、政治与法律问题。
随着社会信息化的发展，发达国家的银行正在经历着结构、职能和性质的转化，正在向金融服务的综合化、网络化方向发展。目前向客户提供的金融服务种类极其丰富，其服务网络遍布全世界，直接面向客户的网络银行已经营业。人们已经不习惯随身携带大量现金的购物方式，利用信用卡、支票、移动支付已成为常见方式。大批商业活动与大笔资金通过计算机网络在世界各地快速流通已经对世界经济的发展产生了重要和积极的影响，但同时也面临着严峻的挑战。
计算机犯罪正在引起社会的普遍关注，而计算机网络一直是受攻击的重点。计算机犯罪是一种高技术型犯罪，由于其犯罪的隐蔽性，对计算机网络安全构成了巨大的威胁。国际上计算机犯罪案件正在以120%的速度增长，在Internet上的 “黑客”（hacker）攻击事件则以每年10倍的速度在增长，计算机病毒从1986年发现首例以来，30年来以几何级数增长，现已有几万种病毒，对计算机网络构成了极大的威胁。国防网络和金融网络则成了计算机犯罪案犯的主攻目标，美国国防部的计算机系统经常发现非法闯入者，美国金融界每年为此损失金额近百亿美元。网络安全问题引起了人们的普遍重视。
Internet可以为科学研究人员、学生、公司职员提供很多宝贵的信息，使得人们可以不受地理位置与时间的限制，相互交换信息，广泛开展合作研究，不断学习新的知识，以及了解各国科学、文化发展。同时人们也对Internet上一些不健康的、违背道德规范的信息表示了极大的担忧。一些不道德的Internet用户利用网络发表不负责任或损害他人利益的消息，窃取商业、科研机密，侵犯个人隐私，这类事件常常发生，其中有一些已诉诸法律。人们将分布在世界各地的Internet用户称为 “Internet公民”，将网络用户的活动称为 “Internet社会”的活动，这说明Internet的应用已经在人类生活中产生了前所未有的影响。社会是靠道德和法律来维系的。我们必须意识到，对于大到整个Internet、小到各个公司的企业内部网与各个大学的校园网，都存在来自网络内部与外部的各种威胁。要使网络有序、安全地运行，必须加强网络使用规则、网络安全与道德教育，完善网络管理，研究和开发各种网络安全技术与产品，同时也要重视 “网络社会”中的 “道德”与 “法律”，这对于人类又是一个新的课题。
标准化是推动计算机网络发展的至关重要的因素，本节介绍几个与计算机网络技术相关的影响力较大的标准化组织。
1.国际标准化组织（ISO）
国际标准化组织（International Standards Organization，ISO）是1946年成立的一个自愿的全球性非政府组织。ISO负责目前绝大部分领域（包括军工、石油、船舶等垄断行业）的标准化活动。ISO现有117个成员，包括117个国家和地区。代表中国参加ISO的国家机构是中国国家技术监督局（CSBTS），代表美国参加ISO的国家机构是美国国家标准协会（American National Standards Institute，ANSI）。ISO有大约200个技术委员会（TC），按建立的顺序编号，每个委员会处理专门的主题，如TC97负责计算机和信息处理。每个技术委员会下设分委员会（SC），而分委员会又下设工作组（WG）。
ISO已经制定了5000多种不同领域的标准，其中既包括OSI计算机网络这样复杂的标准，也有螺钉、螺帽之类的简单标准。
2.电气电子工程师协会（IEEE）
电气电子工程师协会（Institute of Electrical and Electronics Engineers，IEEE）是一个国际性电子技术与信息科学工程师协会，是目前全球最大的非营利性专业技术学会，拥有全球近175个国家超过40万名会员，在国际计算机、电信、生物医学、电力及消费性电子产品等领域都是主要的权威机构，在电气及电子工程、计算机及控制技术领域，IEEE发表的文献占了全球近30%。IEEE每年还会主办或协办300多场技术会议。
IEEE一直致力于推动电工技术在理论方面的发展和应用方面的进步。作为科技革新的催化剂，IEEE通过在广泛领域的活动规划和服务支持其成员的需要。
因特网（Internet）最具权威的国际组织是因特网协会（Internet SOCiety，ISOC），它于1992年成立，由选举的理事会管理，目标是推动Internet的发展和全球化。
早于因特网协会成立的因特网体系结构研究委员会（Internet Architecture Board，IAB）也并入了因特网协会，并由因特网协会理事会指定IAB成员。IAB下有两个重要附属机构，一个是因特网工程任务部（Internet Engineering Task Force，IETF），另一个是因特网研究任务部（Internet Research Task Force，IRTF）。
IETF注重处理短期的工程问题。IETF下辖若干工作组（Working Group，WG），每个工作组解决专门的问题，涉及的主题包括新的应用、用户信息、路由和寻址、安全、网络管理和标准等。现有工作组已超过80个，分布在不同领域，各个领域的组长组成因特网工程指导组（Internet Engineering Steering Group，IESG）。与IETF不同，IRTF注重长期的研究。IRTF由一些研究组（Research Group，RG）组成，具体工作由因特网研究指导组（Internet Research Steering Group，IRSG）管理。
除IETF和IRTF外，IAB下还有一个Internet编号管理局（Internet Assigned Numbers Authority，IANA），它负责协调IP地址和顶层域名的管理和注册，后来这项工作由Internet名称和号码分配公司（Internet Corporation for Assigned Names and Numbers，ICANN）负责。另外，IAB下还有Internet标准RFC（Request for Comments）编辑部，它负责编辑和管理RFC文档。
所有的Internet协议标准都是以RFC文档形式提交和发布的，但并不是所有的RFC文档都会成为Internet协议标准。任何机构和个人都可通过RFC发表对Internet某些技术的建议，但只有其中的一小部分最终成为真正的标准。RFC按编写的时间顺序编号，新的编号较大的RFC文档可以更新和替代旧文档。
RFC文档总体上可以分为3类：标准化进程中的（Standards Track）、最好的当前实践（Best Current Practice，BCP）和非标准的（Non-Standards）。
标准化进程中的RFC描述正在标准化的协议。一个Internet协议标准由Internet草案开始，然后历经3个阶段—建议标准（proposed standard）、草案标准（draft standard）和最终的因特网标准（Internet standard），这3个阶段有相应的RFC文档。一旦最终成为因特网标准，就被分配一个STD序号。
为了成为建议标准，提交人必须在RFC中详细阐述技术方案的基本思想，并且能在团体中引起足够的兴趣。为了能到达草案标准阶段，必须在至少两个独立的地点进行4个月的完全测试。如果IAB认为其思路可行并且软件能正常工作，才能宣布该RFC为因特网标准。
需要声明的是：RFC文档可从因特网免费下载，其官方网址是https://www.rfc-editor.org。
电信界与计算机网络技术标准化相关的最有影响的组织是国际电信联盟（International Telecommunication Union，ITU），更具体地说，是它下属的电信标准化部门（ITU Telecommunication，ITU-T）。ITU-T负责电信标准化工作，其前身即国际电报电话咨询委员会（Consultative Committee International Telegraph and Telephone，CCITT）。CCITT和ITU-T都在电话和数据通信领域提出过多项建议，如CCITT X.25，但自1993年起，这些建议都打上了ITU-T标记。
ITU-T标准称为 “建议”，即政府可以按自己的意愿决定是否采用。
一、填空题
1.按照覆盖的地理范围不同，计算机网络可以分为 、 和 。
2.计算机网络的拓扑结构主要有 、 、 、 和 等。
3.“三网”合一指的是 、 和 的融合。
4.所有的Internet标准都是以 形式发表的。
5.利用计算机网络可以共享的资源包括 、 和 。
二、简答题
1.计算机网络由哪几个部分组成 ？
2.计算机网络与分布式计算机系统的主要区别是什么？
3.从一个普通的RFC文档上升到Internet的正式标准要经过哪些阶段 ？
4.计算机网络的发展经历了哪些阶段 ？各有什么特点 ？
5.5个路由器连接成一个点到点的通信子网，在每对路由器之间可以使用一条高速线路、中速线路、低速线路或不设置线路。如果生成和检查每一种拓扑结构需要100ms的计算时间，则需要多少时间才能检查完所有可能的拓扑结构 ？
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