计算机网络技术

网络的基本概念

定义

计算机网络(Computer Network)是指实现计算机之间通讯的软件和硬件系统的统称,从广义上讲,利用磁盘在两台微机之间拷贝数据也可以认为是一种特殊的网络。它的更加具体的定义是“以共享资源为目的,通过数据通讯线路将多台计算机互联而组成的系统”,共享的资源包括计算机网络中的硬件设备、软件或者数据。

网络拓扑结构和分类

计算机网络中,网络结点(Node)计算机或者终端的连接方式称为网络的拓扑结构,它影响着网络的设计、功能、可靠性以及通讯费用等方面,常见的拓扑结构有以下类型:(图13-1)

  • 星形拓扑结构;

  • 总线拓扑结构;

  • 环形拓扑结构;

  • 树形拓扑;

  • 完全连接结构;

  • 相交环形;

  • 不规则拓扑结构等等。

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图13-1:网络拓扑结构(A. S. Tanenbaum)

(1)总线结构,(2)环形结构,(3)星形结构,(4)树形结构,

(5)完全连接,(6)相交环形,(7)不规则拓扑结构

计算机网络的种类繁多,性能各异,按照不同的原则可以有不同的分类方式,最常见的是根据其空间分布范围的大小,区分为局域网(LAN-Local Area Network)、城域网(MAN-Metropolitan Area Network)和广域网(WAN-Wide Area Network)。

1)局域网

是指在比较小的区域——如一座办公大楼,一个校园,一个公司等内建立的计算机网络,其通讯距离较短,传输速率较快,误码率低。对于局域网而言,主要采用的拓扑结构是总线结构和环形结构,前者如IEEE 802.3,通常称为EthernetTM(以太网),后者如IEEE 802.5,即IBM的令牌环网(Token Ring)。

2)城域网

基本上是一个大的局域网,采用类似的拓扑结构,它可以覆盖一个城市,实现信息共享。

3)广域网

广域网最根本的特点是其机器分布范围广,可以实现大范围的信息共享,笼统地讲,因特网(Internet)就属于广域网范畴。广域网可以采用多种拓扑结构,如星形,环形,树型,完全连接,相交环形,甚至是不规则的拓扑结构。

上述的网络类型,结点之间都是通过电缆进行连接,近年来无线网(Wireless Network)得到较快的发展,利用无线网,可以实现移动计算。

因特网(Internet)

因特网是指全球最大的、开放的、由众多网络相互连接而成的计算机网络,其形成和发展无疑是信息技术发展过程中最为激动人心的事情,目前大专院校,大学,政府部门,图书馆,企业以及个人都已经连接到因特网,它允许网络使用者在任何时间、任何地点查阅任何网络上的信息,它给信息传播带来了巨大便利,它正在改变着整个人类社会的生活方式。

因特网发展历史

因特网的前身是1965年开始由美国国防部设计的ARPA(Advanced Research Project Agency)net。经过周密的策划,1969年,分布于美国四所大学(UCLA,UCSB,SRI,UTAH)的计算机开始进行互相数据交换,标志着ARPAnet的诞生,后来,特别是1983年TCP/IP协议被正式应用于ARPAnet之后,其接入用户飞速增长。

由于ARPAnet的军方背景,给更加便捷的连入和访问造成不便,于是NSF(National Science Foundation)建立了NSFnet,其管理和速度都优越于ARPAnet,到1990年,很多用户从ARPAnet转到NSFnet,后来NSFnet与ARPAnet互连,其用户成指数增长。许多地区性(包括加拿大、欧洲、大洋州等)的网络联入后,标志着Internet的最终形成。

因特网提供的应用服务

在传统上,因特网主要有以下四种应用:

  • 电子邮件(Electronic Mail);

  • 新闻组(News);

  • 远程登录;

  • 文件传输。

直到八十年代初期,因特网还只是局限于学院、政府等等,但是WWW(World Wide Web)的出现改变了这一切,WWW使得一个站点可以建立一些包括文本、图片、声音甚至录象的页面,这些页面用超文本标志语言(HTML-Hyper Text Markup Language)写成,内嵌指向其它页面的链接。WWW为用户查询、检索、浏览在因特网上发布的各种信息提供了极大的便利,为因特网带来了大量的非学院用户。实际上因特网的迅猛发展,与WWW应用是密不可分的,以至于今天提到Internet时常常就是特指WWW服务。后面将对WWW以及相关技术进行更为详细的说明。

其它一些因特网应用包括Gopher,WAIS等等。

网络协议(Protocol)和TCP/IP

在计算机网络中,为了使得相连的计算机或终端之间能够正确的传输信息,必须有一整套关于信息传输顺序、信息格式以及内容的约定,称为计算机网络通讯协议。

在网络协议中,由国际标准化组织(ISO)发展和制定开放系统互连参考模型(OSI,Open System Interconnect Reference Model)制订了数据通讯协议的标准,尽管OSI模型并没有真正地在实际中被应用,但是其提供的概念和词汇被计算机网络界广泛地使用和认可。OSI参考模型包括七个协议层来定义数据通讯的协议功能,每一层是相对独立的,完成数据传输过程中的部分功能。

目前,由于因特网的发展,TCP/IP作为其基础协议,应用越来越广泛。TCP/IP狭义特指两个协议及传输控制协议(TCP,Transformation Control Protocol)和网际协议(IP,Internet Protocol),广义指由多个与因特网相关的协议组成的TCP/IP参考模型,或者称为TCP/IP协议栈(Protocol Stack),TCP/IP模型类似于OSI参考模型,但是较为简单,没有表示层和会话层。TCP及IP是其中重要的两个协议,IP是网络层协议,而TCP位于传输层。

TCP/IP应用层包括所有高层应用协议,如虚拟终端(TELNET)、文件传输(FTP,File Transfer Protocol)、电子邮件(SMTP,Simple Mail Transfer Protocol和POP3-PostOffice Protocol)、域名服务(DNS,Domain Name Service)以及Web上用来传递页面的超文本传输协议(HTTP,Hyper Text Transfer Protocol)。

OSI参考模型结构及其和TCP/IP参考模型的对应关系如图13-2:

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图13-2:OSI参考模型和TCP/IP参考模型

因特网的地址、域名

为了能够在因特网上传输信息,必须有一种方法能够识别计算机,其方案是为因特网上的每一台计算机都赋予了一个独一无二的32位地址,称为IP地址,该32位地址通采用用点号分割的十进制数表示,每个字节为一个十进制数值,其数值范围从0到255,这样,IP地址就表现为如下的形式:202.112.7.12(北京大学WWW服务器IP地址)。在因特网上,计算机之间的通讯是通过IP地址来进行的。由于因特网的迅速发展,有越来越多的计算机连入,现有的32位IP地址已经不太能够满足其进一步发展的需要,因此,ITEF(Internet Engineering Task Force, 因特网工程任务组)开始制订更新的IP协议标准,称为Ipv6,根据该标准,IP地址将采用16个字节来标识。

虽然计算机之间的通讯是利用其各自的IP地址来实现的,但是人们在使用过程中,不愿意总是使用难以记忆的数字,而是希望使用更为方便的文字名称。这样网络上的各个主机除了IP地址之外,通常还有一个名称来表示。该名称称为域名(Domail Name),与IP地址一样,也是唯一的。这种在因特网上使用的名称系统称为域名系统(DNS,Domain Name System)。DNS是一个层次状的命名系统,通过一个数据库对连接因特网的所有主机进行名称和地址的管理。域名是以点号分割的字符串,如PKU.EDU.CN和OPENGIS.ORG等等。通常最右边的字串称为顶级域名,顶级域名有两类,即类顶级域名和国家顶级域名,前者有com(商业),edu(教育界),gov(政府机构),int(特定的国际组织),mil(军队系统),net(网络提供者),org(非赢利机构)等,类顶级域名应用于美国的站点;后者用两个英文字母表示一个国家和地区,如cn(中国),ca(加拿大),jp(日本)等等。

WWW、HTML和URL

正如前面描述的,万维网(WWW)的出现对于因特网来说具有划时代的意义,使得因特网的应用走出专业化。WWW,通常又称为Web或3W,是存储在全世界的Internet计算机中、彼此关联、数以百万计的文档集合,它是世界上最大的电子信息仓库。在WWW应用中,Web文档存放于一台或者多台计算机上,称为Web服务器(Web Server),用户利用浏览器(Browser)来访问Web站点。

Web的第一个版本于1992年1月在瑞士的日内瓦首先开始运行,研究人员可以从CERN(欧洲粒子物理研究所)的站点上访问Web信息。Web真正流行应该归功于Mosaic,第一个基于图形的浏览器,该浏览器是由NCSA(美国国家超级计算应用中心)设计编写的,其操作简便、界面友好的特点,使得人们可以方便的访问Web信息。目前广为流行的浏览器是Microsoft Internet Explorer 和Netscape Navigator。

在Web站点上,采用HTML编写文档,通常称为超文本(Hyper Text),“超”的意思是指在文档中包含对其它文档的超链接(Hyper Link),使用户阅读时可以通过关键字跳转到其它的文档。由于允许在超文本中加入音乐以及图像等多媒体数据,又诞生了超媒体(Hyper Media)这个概念。HTML是一种标记语言,与系统平台和应用程序无关,它通过特殊的标记和参考字符来设定Web文档的结构或者格式,并且有特殊的HTML元素(如定位元素Anchor)来定义超链接,同时可以利用HTML表单元素从用户那里获取有关信息。在用户访问Web站点时,浏览器和Web服务器之间通过超文本传输协议(HTTP)来发送请求和信息。

在浏览Web时,首先会碰到URL(Uniform Resource Locator,统一资源定位器)这一概念,它是Web文档的因特网地址,它与文档的关系就如同于书籍中目录和正文的关系。URL的语法相当简单,由两部分组成,形如:

<方法>:<方法指定部分>(<scheme>:<scheme-specific-part>)

一个HTTP URL如下:

其中host部分由服务器的地址(IP地址或者域名)、文件路径、文件名组成;port部分是HTTP端口号,其缺省为80,通常可以忽略;而search_part部分往往是浏览器向服务器发出的请求参数。下面是一个HTTP URL的例子:

除了Web以外,FTP、Gopher等也采用URL进行资源定位。

企业内部互连网

在九十年代后半段,随着因特网的发展,出现了企业内部互连网(Intranet)这个崭新的概念,简而言之,Intranet是企业自己的内部网络,不过这个网络同样采用了基于Internet的工具,如Email,Web浏览器和文件传输等等,因而使得一个企业内部充分享用因特网的各种优势,如信息的共享和管理,实时通讯和协作,使用分布式的数据库等等。