计算机网络-计算机网络 (功能，组成，定义，分类)概述

计算机网络的功能

计算机网络的主要功能概括为以下几个方面：资源共享、数据通信、集中管理、增加可靠性、提高系统处理能力和提供安全功能。

资源共享

在计算机网络世界中，可以共享的资源很多，从大型的数据库、巨型计算机，到一部打印机、一个U盘。这些资源并非为每一个用户本地计算机独自拥有，也可为他人所用，实行资源共享。网络资源包括以下几类。

表 网络资源类型

名称

内涵

例子

数据

保存在数据库中、磁盘阵列磁带、光盘等介质上的原始数据。

卫星云图数据、人体数据、海洋数据、地质数据等。

信息

使用语言、文字、数字、符号、图像、声音、情景、表情、状态等方式传递的内容，它来源于对数据的处理。

气象信息、各类数据库信息等。

软件

在正规渠道的共享下，可允许网络上的多个用户同时使用，不必担心侵犯版权和数据完整性，能达到节省投资的目的。

动漫制作软件、网络杀毒软件、大型数据库软件等。

硬件设备

网络共享的硬件通常是指那些价格不菲或利用率不高的设备，还包括通信线路和设备。

打印机、超级计算机、图形工作站、磁盘阵列、绘图仪、DDN专线、路由器、网关、访问服务器，主干线路（光纤）、配线架、交换机等。

资源共享的结果是避免重复投资和劳动，从而提高了资源的利用率，使系统的整体性能价格比得到改善。

数据通信

数据通信是计算机网络最基本的功能，它为资源共享提供了一个基础平台，所有的资源共享都是建立在数据通信的基础上的。数据通信包括数据传输交换时的格式、传输差错时的控制、传输速度的匹配约定等。同时较之资源共享功能不同，计算机网络为人们提供了丰富多彩的通信业务模式，归纳起来有以下几类：

（1）信息查询与检索，如基于WWW的Google、Yahoo等。

（2）文件传输与交换，例如FTP等。

（3）电子数据交换技术（EDI，Electronic Data Interchange）。

（4）电子邮件（E-mail）。

（5）远程登录（Telnet）。

（6）信息点播，如视频点播（VOD，Video on Demand）。

（7）远程教学。

（8）可视会议。

（9）虚拟现实。

（10）办公自动化（OA，Office Automation）。

（11）电子公告牌，BBS，QQ聊天等。

（12）交互式网络游戏。

集中管理

计算机网络技术的发展和应用，已使得现代办公、经营管理等发生了很大的变化。目前，已经有了许多管理信息系统（MIS，Management Information System）、办公自动化（OA）系统等，通过这些系统可以将地理位置分散的生产单位或业务部门连接起来进行集中的控制和管理，提高工作效率，增加经济效益。同时一些贵重的设备也可以不受地域的限制，进行集中管理，共享运行环境，节省运营和管理成本，提高设备利用率。

增加可靠性

在一个系统内，单个部件或计算机的暂时失效必须通过替换资源的办法来维持系统的继续运行。但在计算机网络中，每种资源（尤其程序和数据）可以存放在多个地点，而用户可以通过多种途径来访问网内的某个资源，从而避免了单点失效对用户产生的影响。例如数据的异地备份、计算机集群工作、计算机网格等。

提高系统处理能力

单机的处理能力是有限的，且由于种种原因（例如时差），计算机之间的忙闲程度是不均匀的。从理论上讲，在同一网内的多台计算机可通过协同操作和并行处理来提高整个系统的处理能力，并使网内各计算机负载均衡。

由于计算机网络具备上述功能，因此可以得到广泛应用。在银行利用计算机网络进行业务处理时，可使用户在异地实现通存通兑，还可以利用地理位置的差异增加资金的流通速度。例如，地处美国的银行晚上停止营业后将资金通过网络转借给新加坡的银行，而此刻新加坡正是白天，新加坡银行就可在白天利用这些资金，到晚上再归还给美国的银行，从而提高了资金的利用率。

使用网络的另一个主要领域是访问远程分布数据库。人们可以坐在家里向世界上任何地方预订飞机票、火车票、汽车票、轮船票，向饭店、餐馆和剧院订座，并且可以立即得到答复。

所以SUN公司提出网络就是计算机的理念，网络使得计算机可以在任何地方、任何时间为任何人服务。

安全功能

计算机网络从诞生之日就交织着资源共享和资源安全的这一对“矛盾”，计算机网络安全也随着计算机网络的普及越来越显得重要和不可或缺。它也是计算机网络本身必须具备的基本功能，没有它就不能称之为网络。从早期的用户权限密码确认到认证中心的用户认证、网络杀毒、防火墙的设置、VPN（虚拟专网）限制，都体现了计算机网络所必须具备的安全功能。也正是计算机网络具有这种安全功能，人们可以放心地进行网上购物、交易，才可以进行远程医疗、远程协同作业。

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，各计算机之间通过通信媒体、通信设备进行数据通信；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。

为了简化计算机网络的分析与设计，有利于网络的硬件和软件配置，按照计算机网络的系统功能，将一个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。其构成如图所示。

图 计算机网络通信子网与资源子网

表 资源子网和通信子网的区别

名称

主要负责

主要包括

资源子网

全网的信息处理，为网络用户提供网络服务和资源共享等功能。

网络中所有的主计算机、I/O设备和终端，各种网络协议、网络软件和数据库等。

通信子网

全网的数据通信，为网络用户提供数据传输、转接、加工和转换等通信处理工作。

通信线路（即传输介质）、网络连接设备（如网络接口设备、通信控制处理机、网桥、路由器、交换机、网关、调制解调器和卫星地面接收站等）、网络通信协议和通信控制软件等。

计算机网络的定义

关于计算机网络的最简单理解是：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。

计算机网络就是利用通信设备和线路将地理位置不同，且功能独立的多个计算机系统互联起来，以功能完善的网络软件（即网络通信协议、信息交换方式、网络操作系统等）实现网络中资源共享和信息传递的系统。

从定义中可以看出此概念涉及以下4个方面的问题。

（1）至少两台计算机及其他设备（如打印机、外接硬盘等）互联。

（2）通信设备与线路介质。

（3）网络软件，通信协议和网络操作系统。

（4）联网计算机的“独立自治”性，主要是为了将计算机网络与主机加终端构成的分时系统，以及与主机加从属计算机构成的主从式系统区分开。如果一台计算机带多台终端和打印机，这种系统通常被称为多用户系统，而不是计算机网络；而由一台主控机带多台从控机构成的系统，是主从式系统，也不是计算机网络。

计算机网络的分类

计算机网络的分类标准很多，比如按网络覆盖的地理范围、网络的传输介质、网络的拓扑结构、网络的通信方式、网络的使用目的、网络的服务方式等，但这些分类标准仅给出了网络某一方面的特征，并不能反映网络技术的本质。

按网络覆盖的地理范围分类

计算机网络按网络覆盖的地理范围进行分类可以分为局域网、城域网和广域网3种。

表 网络分类对比

名称

内容

覆盖范围

传输速率

局域网

一般是在较小的范围内，通常采用有线的方式将多台计算机及外部设备连接起来形成的计算机网络，实现资源共享。

覆盖的地理范围从几十米至数公里，一般不超过十公里。例如，一个实验室、一栋大楼、一个单位或一所大学的校园。

传输速率较高，通常从几百Kb/s到1 000 Mb/s。

城域网

局域网的延伸，像一个大型的局域网，用于局域网之间的连接，其规模限定在一座城市的范围内。

覆盖的地理范围从几十公里至数百公里，例如，在一个城市的范围内，将政府部门、大型企业、机关以及社会服务部门的计算机联网，以形成大量用户的多种信息（语音、动画、图像、视频、电子邮件及超文本网页等）传输和资源共享的综合信息网络。

传输速率通常从几百Kb/s到100 Mb/s

广域网

在采用技术、应用范围和协议标准方面与局域网和城域网均有所不同。广域网通常是利用电信部门提供的各种公用交换数据网，将分布在不同地域的计算机系统连接起来，达到资源共享。

覆盖的地理范围从数百公里至数千公里，甚至上万公里。该范围可以是一个地区或一个国家，甚至是世界几大洲。

传输速率与通信介质有关，通常为几Kb/s到几十Mb/s。

按网络的传输介质分类

传输介质又称为通信介质或媒体，它是计算机网络数据传输的通道。传输介质决定了网络的数据传输速度、网络段的最大长度、传输的可靠性及网卡的复杂性。

计算机网络按网络的传输介质可以分为有线网和无线网两种。

（1）有线网

有线网是指选用双绞线、同轴电缆或光纤作为传输介质的计算机网络。

① 双绞线（Twist Pair）：双绞线是直接采用标准的电话线传递信息的媒体。由于电话线采用了一对互相绝缘的金属导线以互相绞和的方式来抵御一部分外界电磁波的干扰，故称“双绞线”。

双绞线只适合短距离传输。双绞线内的导线越粗，线路的衰减越小。双绞线按其导线的粗细可分为3类线、5类线和超5类线。一般双绞线应用于10Mbps～1000Mbps的数据传输速率之间，直接传输距离通常控制在100m以内，也可以经过中继放大后延长传输距离。

② 同轴电缆（Coaxial Cable）：同轴电缆是内、外两层导体之间用绝缘材料互相隔离。内导体是单股实芯线或多股绞合线；外导体是一圈导体编织层，并与内导体在同一个轴心上，所以称为同轴电缆。同轴电缆的设计是为了防止外部电磁波的干扰，同轴电缆越粗，其所传递的信号衰减越小。同轴电缆的无中继传输距离要比双绞线略长一些。

目前有的地区使用有线电视电缆通过电缆调制解调器上网，利用有线电视网进行数据传输，可以达到高速访问因特网的目的。

③ 光纤（Optic Fiber）：光纤全称为光导纤维，它是用纯石英以特别的工艺拉成的细丝。光纤的直径约为10～100μm，比头发丝还细，但它可以在很短的时间内传递巨大数量的信息。应用光纤传输大量数据是采用了光波的波分复用技术（Wavelength Division Multiplexing，WDM），WDM技术把不同的光谱作为每路数据传输信道的载波，分别携带多路信号，再分别通过不同的入射角把多路光线合到一起成为一束混合光，在光纤里传输；当到达传输对方时，再用相反的方法把混合光分解开，分别送到各路信道里。

由于光纤有频带较宽、传输的误码率低、不受外界干扰等优点，所以光纤被广泛应用于网络的传输中。

（2）无线网

采用无线方式是使用无线电波作为载体通过自由空间来传输数据，这种方式可以省去线路的架设，允许数字终端设备在一定范围内移动，为边远山区和沿海岛屿的PC机入网及便携式计算机入网提供了可能。

无线方式可分为两类。第一类是使用微波信道，把微波信号作为载波信号，用被传输的模拟信号或数字信号来调制它。所用微波的频率范围在1GHz～20GHz，可以同时传输大量信息，由于微波能穿透电离层而不反射到地面，所以只能沿地球表面直接发射；由于微波传输损耗大，所以传输中需要中继。

第二类是红外线通信，可通过小型红外线收、发装置在计算机之间进行数据传输。

① 无线电话网：通过手机上网，目前已经成为上网热点。这种上网方式虽然速率较低、费用偏高，但由于联网方式灵活方便，仍是一种很有发展前途的联网方式。

② 无线电视网：普及率较高，但无法在一个频道上和用户进行实时交互。

③ 卫星通信网：为了增加微波的传输距离，可将微波中继站放到人造卫星上，从而形成卫星通信系统。卫星通信系统是一种特殊的微波中继系统。

卫星通信有两类，一类是同步地球通信卫星，另一类是近地轨道通信卫星。

同步地球通信卫星距离地球较远，信号较弱，地面需要较大口径的接收天线，但这种通信卫星比较稳定；近地轨道通信卫星天线发射功率和接收灵敏度要低于同步地球通信卫星，只是它不与地球同步，通信不稳定，常需要多个卫星接力才能做到通信连续不断。

卫星通信网可以进行环球的远距离通信，只是价格昂贵。

按网络的拓扑结构分类

拓扑学是几何学的一个分支，它是由图论演变而来。拓扑学首先把实体抽象成与其大小、形状无关的点，将连接实体的线路抽象成线，进而研究点、线、面之间的关系，使人们对网络整体有一个明确的印象。 计算机网络的拓扑结构就是指网络中通信线路和站点（计算机或设备）的几何排列形式。这种几何排列形式通常有星型拓扑结构、树型拓扑结构、总线拓扑结构、环型拓扑结构、网状型拓扑结构等5种，如下图所示。从而计算机网络按拓扑结构可分为：星型网络、树型网络、总线型网络、环型网络和网状型网络5种。

星型网络

星型网络是以一个中心站点和若干个外围站点相连的计算机网络。

星型网络的优点是网络协议简单，容易控制数据的安全性和优先级，容易增加新站点，容易检测和隔离错误。

星型网络的缺点是中心站点负荷较重，容易出现网络瓶颈，并且一旦中心站点发生故障，将导致整个网络瘫痪。客户机和主机的联机系统就是星型拓扑结构。

总线型网络

总线型网络是用一条公共线（总线）作为数据通道，所有站点都连接在这条总线上。总线型网络中一个站点发出的信息可以被网络上的各个站点接收。

总线型网络的优点是布线简单、维护方便、建设成本低，网络上某个站点出现故障一般不会影响整个网络。

总线型网络的缺点是网上监控、检测比较困难，安全性较差。

局域网中的以太网就是总线拓扑结构的网络。

网状型网络

网状型网络是网络上各个站点之间的连接是任意、无规则的连接，其中某个站点可能与其他几个站点相连。

网状型网络的优点是可靠性高、容错性好，由于每个传输链路都相互独立，故易于维护。

网状型网络的缺点是相对其他类型的网络来说，网状型网络安装困难，并难于增加新站点；由于网状型网络结构复杂，必须采用路由选择算法和流量控制方法。

以上介绍的网络拓扑结构是网络的基本结构，在实际组网时，往往不是单一结构，而是由几种基本类型混合而成，如局域网常采用总线型、星型、环型和树型结构，广域网则常采用树型和网状型结构。

树型网络

树型网络又称为分级的集中式网络。树型网络是星型网络的扩展，它采用分层结构，具有一个站点和多层分支站点。

树型网络的优点是网络结构简单、成本低，站点扩充方便灵活；在网络中任意两个站点间不产生回路，每个链路都支持双向传输。

树型网络的缺点是除叶站点及与其相连的链路外，任何一个工作站及其链路产生故障都可能影响网络系统的正常运行。

环型网络

环型网络是网络上的所有站点通过点对点通信线路连接成一个闭合环路，网络中的数据将按照相同的方向逐站传送。

环型网络的优点是结构简单，网上传输延时固定，容易维护。

环型网络的缺点是环路中某个站点出现故障都可能造成整个网络瘫痪，网络建成后不易增加新站点。

按网络的通信方式分类

计算机网络按网络的通信方式可以分为点对点传输网络和广播式传输网络两种。

表 网络通信方式对比

名称

连接方式

传输条件

典型代表

点对点传输网络

点对点。

点到点的方式在计算机或通信设备中进行传输。这种传输方式没有信道竞争，几乎不存在信道访问控制问题。

星型网络、环型网络

广播式传输网络

利用一个共同的传输介质把各个站点连接起来，使网上站点共享一条信道，其中任一个站点输出的数据，其他站点均可以接收。

适用于地域范围较小或保密性要求不高的网络。

总线型网络、无线网

按网络的使用目的分类

计算机网络按网络的使用目的可以分为共享资源网、数据处理网和数据传输网3种。

（1）共享资源网

共享资源网中的使用者可以共享网络中的各种资源，包括硬件资源，例如：打印机、扫描仪、绘图仪等，软件资源以及各种服务。因特网就是典型的国际共享资源网。

（2）数据处理网

数据处理网是专用于数据处理的网络，如研究机构的科学计算网络和企业内部的经营管理网络等。

（3）数据传输网

数据传输网络专用于收集、交换、传输数据的网络，如情报检索网络等。

目前，网络的使用目的都不是单一的，多是综合性的网络。

按网络的服务方式分类

计算机网络按网络的服务方式可以分为客户机/服务器模式、浏览器/服务器模式和对等网3种。

（1）客户机/服务器模式

在客户机/服务器（C/S，Client/Server）模式中，服务器指的是在网络上可以提供服务的任何程序（计算机），客户机指的是向服务器发起请求并等待响应的程序（计算机）。服务器一般以并发服务器的方式随系统启动而启动，当无请求时，服务器处于等待状态；当请求到达时，服务器为其产生一个子进程，处理这个请求并做出响应；当下一个请求到达时，服务器为其再产生一个新的子进程。在这种模式下，服务器可以很好地处理网络上客户机随机、并发的请求。

（2）浏览器/服务器（browser/server B/S）模式

浏览器/服务器（B/S，Browser/Server）模式是因特网上使用的模式。这种模式最主要的特点是与软硬件平台无关，它是把应用逻辑和业务处理规则放在服务器一侧。

（3）对等网

对等网（Peer to Peer）是指系统内每台计算机的“地位”均是平等的，在对等网内允许每台计算机共享其他计算机内部的信息资源和硬件资源。对等网内的计算机一般类型均相同，甚至操作系统也相同。所以，对等网较难实现集中管理与控制，其安全性较差，较适合于机关内部协同工作的小型网络。