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第2章 认识计算机网络(2)

ARPANET的成功研究,对于推动计算机网络的发展具有深远的意义。在它的基础上,70、80年代计算机网络得到了迅猛的发展,出现了大量的广域网和局域网。广域网如美国的Telnet、加拿大的DATAPAC、日本的Dox等。局域网如Ethernet,剑桥环等都是70年代研制出来的。与此同时,一些大的计算机公司纷纷开展了计算机网络研究工作,提出各种网络体系结构及网络协议。总之,计算机网络从一出现,就以迅猛不可阻挡之势得到了飞速发展。而70年代发展起来的很多网络系统,经过适当修改与补充后目前仍在使用。

到70年代末,发展迅速的计算机网络出现了危机,这是由于各个国家、各个公司都按照自己制定的网络体系结构和协议标准发展自己的网络。彼此之间不统一,彼此之间要想进行通信变得很难,而且给用户的选择带来很大的难度,用户一经选用某一公司的产品,就被限定了所有的部件只能选用该公司的产品,否则寸步难行。现实使大家认识到,网络体系结构及网络协议只有走国际标准化的道路,才能进一步发展。因此,80年代,ISO和CCITT等国际标准化组织制定了一系列网络协议标准,加速了网络体系结构与协议国际标准化的研究与应用。衡量一个网络能否生存下去的首要条件是符合国际标准。

计算机网络逻辑结构图

90年代,计算机网络进入了空前繁荣的阶段,网络已进入寻常百姓家,成为信息社会的支撑框架。网络的普及已对我们的经济、教育、科技的发展,甚至我们的日常生活带来了重要影响。

(二)计算机网络的定义与组成

计算机网络的缔造者是计算机技术与通信技术的紧密相结合,是计算机应用到一定程度的必然产物。

关于定义计算机网络,之前有多个版本。目前网络界基本上倾向于资源共享的观点。根据资源共享的观点,计算机网络是通过通信介质,把各个具有独立功能的计算机连接起来建立的系统,他实现了计算机与计算机之间的资源共享。这个定义中最重要的有两点:一是连网的计算机具有独立功能,其意思是联网计算机在不入网时仍可作为一台独立的机器使用。这一点与联机系统有本质的区别,在联机系统中终端依附于主机而存在,不能独立工作。该定义的第二个核心是:建立计算机网络的主要目的是实现资源共享。

网络用户可以实现共享本地资源,也可以通过网络访问远程连网计算机资源。既然计算机网络的主要目的是资源共享,那么计算机网络就应提供数据处理和数据通信两大基本功能。为了完成这两个功能,它的组成从结构可以分成两部分:负责数据处理的计算机以及负责数据通信的通信处理机。典型的计算机网络组成如图所示,从逻辑上可分为两个子网:通信子网和资源子网。

用户子网是资源子网的另一称呼,因为它直接面向广大上网用户。资源子网主要负责全网的数据处理任务,向网络用户提供各种网络资源与网络服务。资源子网主要由计算机,终端,各种连网外设及各种数据资源组成。

计算机网络的组成

连网系统中,主机可以同时是大、中、小及微型计算机,通过通信线路与通信子网的通信处理机直接相连。用户可以通过主机的终端入网,也可以直接通过主机入网。随着微机的广泛应用,入网微机数已大大超过了大中型机。微机可以作为主机直接通过通信处理机连入网内,也可以通过连网到大、中型机,间接进入网内。

通信子网主要任务是:完成全网数据的存储、转发等通信处理工作。主要由通信处理机(CCP)通信线路及其他通信设备组成。

计算机网络中,通信处理机是完成通信控制功能的专用计算机,一般由小型机或微型机配置通信控制硬件和软件构成。在不同的应用场合,通信处理机有不同的名字,存储转发处理机、集中器、网络协议转换器等均属于通信处理机。通信处理机一方面作为资源子网与通信网的接口节点,将资源子网的主机,终端等连入网内,另一方面作为通信子网中的报文分组存储转发节点,完成分组的转发、存储、校验等功能,使没有直接相连的节点之间的信息交换成为可能。

通信线路主要为各个部件之间提供通信信道。用于计算机网络的通信线路种类很多,常见的有双绞线、同轴电缆、光导纤维及微波与卫星通信等。

(第四节)计算机网络的功能、分类、组件

如今,计算机网络的用处之多是众所周知的,其中最重要的三个功能是:数据通信、资源共享、分布处理。

计算机网络的功能

(一)数据通信

在计算机网络里,数据通信最基本的功能。它用来快速传送计算机与终端、计算机与计算机之间的各种信息,包括文字信件、新闻消息、咨询信息、图片资料、报纸版面等。利用这一特点,可实现将分散在各个地区的单位或部门用计算机网络联系起来,进行统一的调配、控制和管理。

在如今的信息化社会里,无论是商业、金融、文化、教育,还是科技领域,每时每刻都在产生大量的信息并在大量地处理信息。将分散在各地的计算机中的数据资料适时集中或分级管理,并经综合处理后形成各种各样的统计资料,提供给管理者或决策者分析和参考。如政府部门的计划统计系统,金融财政系统,地质资料的采集与处理系统以及自动订票系统等等。

(二)资源共享

这里所谓的“资源”,是指网络中所有的软件、硬件和数据资源。“共享”指的是网络中的用户都能够部分或全部地享受这些资源。例如,某些地区或单位的数据库(如飞机机票、饭店客房等)可供全网使用;某些单位设计的软件可供需要的地方有偿调用或办理一定手续后调用;一些外部设备如打印机,可面向用户,使不具有这些设备的地方也能使用这些硬件设备。如果不能实现资源共享,各地区都需要有完整的一套软、硬件及数据资源,则将大大地增加全系统的投资费用。

用户所在站点的单独计算机里,无论是硬件还是软件,性能总是有限的。但只要这台计算机联入网络,用户就可以像使用自己所在地的机器一样,使用网中的某一台高性能计算机来处理自己提交的某个大型复杂问题,也可以使用网上的高速打印机、绘图仪,更重要的是可以享用网上大量的软件资源。用户可以使用网上已有的软件(有些大型软件根本不是用户机器能够运行的)解决某个问题,可以读取大量的文件和数据,各种各样的数据库更是取之不尽。随着计算机网络覆盖地域的扩大,信息交流越来越不受地理范围及工作时间的限制,使得人类对所拥有的资源能够互通有无,大大提高了资源的利用率,提高了信息的处理能力。

(三)分布处理

这犹如团体里的分工协作,当某台计算机负担过重时,或该计算机正在处理某项工作时,网络可将新任务转交给空闲的计算机来完成,这样处理能均衡各计算机的负载,提高处理问题的实时性;对大型综合性问题,可将问题各部分交给不同的计算机分头处理,充分利用网络资源,扩大计算机的处理能力,即增强实用性。对解决复杂问题来讲,多台计算机联合使用并构成高性能的计算机体系,这种协同工作、并行处理要比单独购置高性能的大型计算机便宜得多。

在计算机的网络任务调度中,地球上不同地区的时差现象帮了很大的忙,它为计算机网络的任务调配带来很大的灵活性,一般计算机白天的任务较多,晚上的任务较少。时差正好为计算机网络提供了半个地球的调度余地。另外,对于综合性的大型问题还可以采用适当的算法,将任务分散到网中的不同计算机上进行分布式处理。

(四)实现信息的快速传输

计算机网络的缔造者,是现代通信技术与计算机技术的紧密结合。分布在不同地区的计算机系统可以及时、高速地传递各类信息。

计算机网络的分类

一、拓扑分类法

“拓扑”是图伦(几何学的一个分支)中的定义。网络拓扑就是指网络节点通过通信线路连接所形成的几何构形;或者说是通信子网的拓扑构形。其可分为:星型拓扑、环型拓扑、树型拓扑、网状型拓扑、总线型拓扑。

二、地理范围分类法

这种分类法是按照网络覆盖地理范围的大小而划分。可分为局域网、域域网和广域网。

计算机网络的组件

一、硬件

硬件一般由服务器、工作站、网卡、调制解调器(Modem)、中继器和集线器、网桥、路由器和网关、传输媒体等组成。

二、软件

软件由网络操作系统、网络协议和应用服务软等组成。

三、通信子网和资源子网

计算机网络中实现网络通信功能的设备及其软件的集合称为网络的通信子网,而把网络中实现资源共享功能的设备及其软件的集合称为资源子网。

(第五节)网络关系

一、总线网络

计算机连接的方式叫做“网络拓扑结构”(Topology)。其中有一种叫总线拓扑。总线结构是使用同一媒体或电缆连接所有端用户的一种方式,也就是说,连接端用户的物理媒体由所有设备共享,如下图所示。

总线拓朴

总线拓扑总线形网络使用电缆,将高速通信链路设备(比如计算机和打印机)连接在一起。设备可以在不影响系统中其他设备工作的情况下从总线中取下。总线形网络中最主要的实现就是以太网,它目前已经成为局域网的标准。连接在总线上的设备都通过监察总线上传送的信息来检查发给自己的数据,只有与地址相符的设备才能接受信息,其它设备即使收到,也只是简单地忽略了事。当两个设备想在同一时间内发送数据时,以太网上将发生碰撞现象,但是使用一种叫作“带有碰撞检测的载波侦听多路访问”(CSMA/CD)的协议可以将碰撞的负面影响降到最低。

二、环形网络

环形网是使用一个连续的环,将每台设备连接在一起。它能够保证一台设备上发送的信号可以被环上其他所有的设备都看到。在简单的环形网中,网络中任何部件的损坏都将导致系统出现故障,这样将阻碍整个系统进行正常工作。而具有高级结构的环形网则在很大程度上改善了这一缺陷。

环型结构在LAN中使用较多。这种结构中的传输媒体从一个端用户到另一个端用户,直到将所有端用户连成环型如下图所示。这种结构显而易见消除了端用户通信时对中心系统的依赖性。

环行结构的特点是,每个端用户都与两个相临的端用户相连,因而存在着点到点链路,但总是以单向方式操作,于是便有上游端用户和下游端用户之称。例如用户N是用户N+1的上游端用户,N+1是N的下游端用户。如果N+1端需将数据发送到N端,则几乎要绕环一周才能到达N端。

环型拓朴

环上传输的任何信息都必须穿过所有端点,因此,如果环的某一点断开,环上所有端间的通信便会终止。为克服这种网络拓扑结构的脆弱,每个端点除与一个环相连外,还连接到备用环上,当主环故障时,自动转到备用环上。

三、星形网络

我们每天都在用的电话就是星形网络。如下图所示,是目前使用最普遍的以太网(Ethernet)星型结构,处于中心位置的网络设备称为集线器,英文名为Hub。

这种结构便于集中控制,因为端用户之间的通信必须经过中心站。由于这一特点,也带来了易于维护和安全等优点。端用户设备因为故障而停机时也不会影响其它端用户间的通信。但这种结构非常不利的一点是,中心系统必须具有极高的可靠性,因为中心系统一旦损坏,整个系统便趋于瘫痪。对此中心系统通常采用双机热备份,以提高系统的可靠性。

星形拓扑

还应指出,以Hub构成的网络结构,虽然呈星型布局,但它使用的访问媒体的机制却仍是共享媒体的总线方式。

星形网的组成通过中心设备将许多点到点连接。在电话网络中,这种中心结构是PABX(就是分机系统里的总机)。在数据网络中,这种设备是主机或集线器。在星形网中,可以在不影响系统其他设备工作的情况下,非常容易地增加和减少设备。

四、网状网络

几台计算机互相间点对点的连接起来形成一个简单的网络。用这种方式形成的网络称为全互连网络,也就是网状网络,如上图所示。图中有6个设备,在全互连情况下,

需要15条传输线路。如果要连的设备有n个,所需线路将达到n(n-1)/2个!显而易见,网状拓朴这种方式只有在涉及地理范围不大,设备数很少的条件下才有使用的可能。即使属于这种环境,在LAN技术中也不常使用。这里所以给出这种拓扑结构,是因为当需要通过互连设备(如路由器)互连多个LAN时,将有可能遇到这种广域网(WAN)的互连技术。

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