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计算机网

简介

利用通信线路将分置在各地区的多个独立计算机系统连结构成的网络系统。计算机网能实现信息传输与处理,使远距离用户能够共享网络中的资源(硬件、软件和数据等),能够提高网络中计算机的可靠性、可用性、资源利用率和信息处理能力,并能将综合性的大型问题分散到各个计算机上,从而实现分布处理。计算机网已广泛应用于数据收集与交换、经营管理、过程控制、情报检索、电子邮政、办公室自动化等方面。计算机网的通信范围已从一座办公楼、一个城市、一个国家扩展到洲际。它标志着计算机应用进入到一个新阶段。

发展概况 随着计算机技术、通信技术和信息处理技术的发展,单机系统已逐步发展成计算机网络。网络化发展经历了三个阶段: 第一阶段(20世纪50~60年代)出现面向终端的计算机网。其主要特点是将计算机、终端和数据传输线路(利用电话线传输数据)连接起来,统一地传输和处理数据,是面向终端的集中型结构和联机数据通信。第二阶段(20世纪60~70年代中期)出现资源共享网络。其主要特点是形成了网络体系结构,具有远程交互和批处理功能,资源共享。1969年美国国防部高级研究计划局的计算机网(ARPA网)是第一个完善地实现了分布式的资源共享网,为计算机网的发展奠定了基础。第三阶段(从20世纪70年代中期起)出现开放系统互连网络。其主要特点是开放系统互连结构、分布处理、资源共享和综合业务。一些计算机公司提出了各自的计算机网络体系结构,把计算机网作为产品来生产和销售,如: 美国IBM公司推出了“系统网络体系结构”的SNA网;美国XEROX公司研制成功以太网(Ethernet),是一种广播式的局域地区通信网。国际标准化组织(ISO)加速了标准化的制定。20世纪80年代到90年代,综合数字技术在网络中得到极大的发展。

分类 按网络的通信距离可分为局部区域网(简称局域网,下同)和远程计算机网(广域网)。局域网的范围在几千米以内,适用于一群近距离建筑物内的多个计算机系统的连网,一般采用高的传输速率和低的传输成本。广域网的范围由几千米到几千千米,已越过一个城市、一个国家;通过卫星通信线路的洲际计算机网需要大的投资和高额的运行费用。

拓扑结构 从网络拓扑的观点来看,计算机网是由一组结点和连接结点的链路组成的。结点分为交换结点和访问结点。链路指两个结点之间的通信线路。计算机网的拓扑结构是指网络中结点互连的结构形状,通常分为五类: 星型、树型、环型、总线型和网状型结构。①星型结构是以中央结点为处理和交换中心,其他结点以一条条单独的链路分别与中心结点相连,易管理、易实现、时延平均,但成本较高,可靠性及资源共享能力较差。②树型结构是在同一链路上可联有多个终端设备,成本较低,但结构复杂、可靠性较差。③环型结构是主机或终端设备经环路接口处理机连成环形,具有分布处理能力,控制软件较简单,路径是固定的,能简化路径选择的控制,但不便于扩充、不适用于信息量较大的场合。④总线型结构是将网中所有的结点排列在公用母线的周围组成计算机网,结构简单、可扩充性好、使用设备简单、可靠性高,但受到母线长度限制,网络结点连接范围不可能很大,常在局域网中采用。⑤网状型结构是由分布在不同地点并具有独立处理功能的多个计算机系统经通信处理机以不规则形状互连而成的,采用分散控制,具有较高的可靠性,可采用最短路径算法减少时延,传输效率高,便于全网范围内资源共享,但控制软件较复杂、成本较高。确定合适的网络拓扑结构,是计算机网设计中的一个重要问题,需分析比较应答时间、可靠性、信息交换量、费用等才能确定。

硬件组成 计算机网的硬件组成包括主计算机、终端设备、通信处理机、通信线路等。主机、终端设备属于资源子网,是计算机网的访问结点;通信处理机和通信线路属于通讯子网,通信处理机结点是交换结点。计算机网中的计算机系统具有完成批处理、实时处理和交互式分时处理的能力。主机的硬件除应具有一般的计算机硬件组成外,特别要有完备的通道部件及其相关的接口。终端设备是计算机网中用量最大、分布最广的外围设备。用户通过终端设备与计算机网发生关系,实现人机对话或共享资源等功能。有简单终端、智能终端、虚拟终端等。通信处理机是为了减轻主机的负担,在主机与网络之间设置的小型计算机或微型计算机,处理有关网络通信的工作。其功能主要是字符组合和处理控制、报文处理、差错检测和恢复、代码转换等。通信线路有架空明线、电缆、微波线路、卫星通信线路(包括中继通信设备)、光缆等。

体系结构 计算机网络体系结构是网络分层和网络协议的集合,即整个网络系统中的逻辑构造和功能分配。计算机网可按分层结构的方法来描述任意两个结点之间的逻辑连接和信息传输。20世纪70年代,国际上各大计算机公司提出了不同体系结构的计算机网,实现方法也不尽相同。为了使各系统彼此开放交换信息、共享资源、分布处理,国际标准化组织(ISO)承担制定计算机网开放系统互连标准。开放系统互连(ISO/OSI)参考模型,是定义将异种计算机连接在一起的一个标准的框架,提供了将开放系统互连,以进行分布处理应用的基础。ISO/OSI参考模型规定,内核是物理信道,由内向外(或由低到高)可分为七个功能层:物理层、数据链路层、网络层、转送层、会晤层、表示层和应用层。各层的功能相对独立,下层的功能是上层的基础,相邻层间仅有接口关系,便于网络结点和整个网络的设计、实现和修改。

各个网络结点具有上述七个功能层或其中一部分。各结点同等功能层之间的通信规则和约定称为协议,相邻层间通信的规则和约定称为接口。

网络结点的物理层控制网络结点与物理信道的物理连接。物理层协议规定了建立、维持和断开物理信道的物理、电气、功能和过程四个方面的特性,保证在相邻结点间能够正确地进行数据单位的发送和接收。数据链路层是在物理信道上建立的、具有一定信息传输格式和传输控制功能的信道。数据链路层协议保证把数据分成数据块(帧),依次传递各帧,并处理由接收端发回的应答帧。结点的网络层是通信子网的最高层,它控制数据块(报文分组)穿越通信子网的活动。网络层协议规定报文分组格式、路径选择、流量控制、拥挤控制、差错控制等方法。以上三层实现信息传输功能,是一切网络结点都应具备的。

转送层和会晤层与访问结点有关。在两个访问结点之间逻辑信道上传送的数据块(报文),穿越通信子网后由转送层进入信息处理部分。报送层使用户能够可靠、经济地传送进程之间的交换数据。会晤层侧重面向用户的功能的实现,如确定用户可使用的权限,是否有权参加会晤,以及对进程间的对话进行控制和管理。表示层实现与数据表示有关的控制功能,完成数据转换、格式化和文本压缩。应用层实现对用户进程提供系统管理、应用管理,以及与信息传送有关的服务,如将信息处理作业自动分配到网上若干台计算机去执行、对分布式数据库自动进行存取等。以上四层完成信息处理功能。

在网络协议中较低层的协议通常用硬件实现,或由硬件和软件共同实现,而较高层协议则用软件实现。随着超大规模集成电路技术的发展,用硬件实现网络功能的比重正在增加。凡是实现各层网络协议的软件均称为网络软件。

设计 整个网络的设计包括以下几大部分:①设计目标的分析与主要性能指标的确定。②传输设备的选择及交换方式的确定。③网络拓扑结构设计,主要任务是根据信息特性和终端位置,确定中间结点的位置及它们之间的连接方式。④网络硬件的选择与配置。⑤网络协议。⑥流量控制及路径选择方案的确定。流量分配问题主要是根据给定的网络需求量和链路容量,分配各链路的流量,使得网络平均时延为最小。网络设计的主要评价指标是费用、时延、吞吐量和可靠性。

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computer network