计算机网络中的通信线路

计算机网络是一种极为复杂的计算机通信系统，是计算机技术、通信技术和网络技术相结合的产物，是现代社会重要的基础设施，为人类获取和传播信息发挥了巨大的作用。因此，在学习计算机网络知识之前，需要首先对计算机网络的概念、组成、发展过程和分类等基本知识进行简单了解。

一、计算机网络的概念

从不同角度可以为计算机网络下不同的概念:

关于计算机网络的最简单定义是: 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。

从逻辑功能上看，计算机网络是以传输信息为基础目的，用通信线路将多个计算机连接起来的计算机系统的集合。一个计算机网络组成包括传输介质和通信设备。

从用户角度看，计算机网络是这样定义的: 存在着一个能为用户自动管理的网络操作系统。有它调用完成用户所调用的资源，而整个网络像一个大的计算机系统一样，对用户是透明的。

从整体上来说计算机网络就是把分布在不同地理区域的计算机与专门的外部设备用通信线路互联成一个规模大、功能强的系统，从而使众多的计算机可以方便地互相传递信息，共享硬件、软件、数据信息等资源。简单来说，计算机网络就是由通信线路互相连接的许多自主工作的计算机构成的集合体。

结合相关概念，我们认为计算机网络的概念为:

计算机网络是指将地理位置不同的具有独立功能的多台计算机及其外部设备，通过通信线路连接起来，在网络操作系统，网络管理软件及网络通信协议的管理和协调下，实现资源共享和信息传递的计算机系统。

不难看出，计算机网络具备以下3个基本要素，且三者缺一不可。

1. 不同地理位置、独立功能的计算机

在计算机网络中，每一台计算机都具有独立完成工作的能力，并且计算机之间可以不在同一个区域。

2. 计算机网络具有交互通信、资源共享及协同工作等功能

资源共享是计算机网络的主要目的，而交互通信则是计算机网络实现资源共享的重要前提。例如，以Internet为代表的计算机网络，用户可以传递文件、发布信息、查阅/获取资料信息等。

3. 必须遵循通信规则

在计算机网络中，计算机需要互相通信时，它们之间必须使用相同的语言。而这种语言既是通信的规则，也是一种通信协议。

二、计算机网络的产生与发展

1. 计算机网络的产生

在计算机产生之前，人们就已经开始使用电报、电话来通信了。而世界上第一台电子计算机问世后，计算机和通信并没有什么关系，计算机一直以“计算中心”服务模式工作。

到1954年制造出了终端，人们用这种终端将穿孔卡片上的数据从电话线路上发送到远地的计算机。此后，又有了电传打字机，用户可在远地的电传打字机上输入程序，而计算出来的结果又可以从计算机传送到电传打字机打印出来。计算机与通信的结合展开了新的一页。

同时，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的自动化地面防空系统，该系统最终于1963年建成，被认为是计算机和通信技术结合的先驱。

1966年，罗伯茨开始全面负责ARPA网的筹建。经过近一年的研究，罗伯茨选择了一种名为IMP (Interface Message Processor，接口报文处理机，是路由器的前身) 技术，来解决网络间计算机的兼容问题，并首次使用了“分组交换”(Packet Switching) 作为网间数据传输的标准。这两项关键技术的结合为ARPA网奠定了重要的技术基础，创造了一种更高效、更安全的数据传递模式。

1968年，一套完整的设计方案正式启用，同年，首套ARPA网的硬件设备问世。1969年10月，罗伯茨完成了首个数据包通过ARPA网由UCLA (加州大学洛杉矶分校) 出发，经过漫长的海岸线，完整无误地抵达斯坦福大学的实验。

在这之后，罗伯茨还不断地完善ARPA网技术，从网络协议、操作系统再到电子邮件。1969年12月，Internet的前身——美国的ARPA网投入运行，它标志着计算机网络的兴起。该计算机网络系统是一种分组交换网。分组交换技术使计算机网络的概念、结构和网络设计方面都发生了根本性的变化，并为后来的计算机网络打下了坚实的基础。

20世纪80年代初，随着个人计算机的推广，各种基于个人计算机的局域网纷纷出台。这个时期计算机局域网系统的典型结构是在共享介质通信网平台上的共享文件服务器结构，即为所有联网个人计算机设置一台专用的可共享的网络文件服务器。每台个人计算机用户的主要任务仍在自己的计算机上运行，仅在需要访问共享磁盘文件时才通过网络访问文件服务器，体现了计算机网络中各计算机之间的协同工作。由于使用比PSTN (Public Switched Tel-ephone Network，公共交换电话网络) 速率高得多的同轴电缆、光纤等高速传输介质，个人计算机网上访问共享资源的速率和效率大大提高。这种基于文件服务器的计算机网络对网内计算机进行了分工，个人计算机面向用户，计算机服务器专用于提供共享文件资源。所以它就形成了客户机/服务器模式。

计算机网络系统是非常复杂的系统，计算机之间相互通信涉及许多复杂的技术问题，为实现计算机网络通信，计算机网络采用的是分层解决网络技术问题的方法。但是，由于存在不同的分层网络系统体系结构，它们的产品之间很难实现互联。为此，在20世纪80年代早期，国际标准化组织ISO正式颁布了“开放系统互联基本参考模型”OSI国际标准，使计算机网络体系结构实现了标准化。

20世纪90年代，计算机技术、通信技术以及建立在计算机和网络技术基础上的计算机网络技术得到了迅猛的发展。特别是1993年美国宣布建立国家信息基础设施NII (National Information Infrastructure，国家信息基础设施) 后，全世界许多国家纷纷制定和建立本国的NII，从而极大地推动了计算机网络技术的发展，使计算机网络进入了一个崭新的阶段。目前，全球以美国为核心的高速计算机互联网络即Internet已经形成，Internet已经成为人类最重要的、最大的知识宝库。

2. 计算机网络的发展过程

随着计算机网络技术的蓬勃发展，计算机网络的发展大致可划分为4个阶段。

(1) 第一阶段: 计算机技术与通信技术相结合 (诞生阶段)。

20世纪60年代末，是计算机网络发展的萌芽阶段。该系统又称终端—计算机网络，是早期计算机网络的主要形式，它将一台计算机经通信线路与若干终端直接相连。终端是一台计算机的外部设备包括显示器和键盘，无CPU和内存。其示意图如图4－1所示。其主要特征是: 为了增加系统的计算能力和资源共享，把小型计算机连成实验性的网络。

图4－1 第一阶段计算机网络

第一个远程分组交换网叫ARPA NET，第一次实现了由通信网络和资源网络复合构成计算机网络系统，标志计算机网络的真正产生，ARPA NET是这一阶段的典型代表。

(2) 第二阶段: 计算机网络具有通信功能 (形成阶段)。

第二代计算机网络是以多个主机通过通信线路互联起来，为用户提供服务，主机之间不是直接用线路相连，而是由接口报文处理机 (IMP) 转接后互联的。IMP和它们之间互联的通信线路一起负责主机间的通信任务，构成了通信子网。通信子网互联的主机负责运行程序，提供资源共享，组成了资源子网。这个时期，网络概念为“以能够相互共享资源为目的互联起来的具有独立功能的计算机之集合体”，形成了计算机网络的基本概念，如图4－2所示。

图4－2 第二阶段计算机网络

为了保证两个主机间通信时对传送信息内容的理解，信息表示形式以及各种情况下的应答信号都必须遵守一个共同的约定，称为“协议”。

(3) 第三阶段: 计算机网络互联标准化 (互联互通阶段)。

计算机网络互联标准化是指具有统一的网络体系结构并遵循国际标准的开放式和标准化的网络。ARPA NET兴起后，计算机网络发展迅猛，各大计算机公司相继推出自己的网络体系结构及实现这些结构的软硬件产品。由于没有统一的标准，不同厂商的产品之间互联很困难，人们迫切需要一种开放性的标准化实用网络环境，这样应运而生了两种国际通用的最重要的体系结构，即TCP/IP体系结构和国际标准化组织的OSI体系结构。

(4) 第四阶段: 计算机网络高速和智能化发展 (高速网络技术阶段)。

20世纪90年代初至现在是计算机网络飞速发展的阶段，其主要特征是: 计算机网络化，协同计算能力发展以及全球互联网络 (Internet) 的盛行。计算机的发展已经完全与网络融为一体。目前，计算机网络已经真正进入社会各行各业。

三、计算机网络的组成

人们组建计算机网络的目的是实现不同位置计算机间的相互通信和资源共享，如果从计算机网络各组成部件所完成的功能来划分的话，可以将计算机网络分为通信子网和资源子网两大部分，如图4－3所示。

图4－3 通信子网与资源子网

1. 通信子网

多台计算机间的相互联通是组成计算机网络的前提，通信子网的目的在于实现网络内多台计算机间的数据传输。通常情况下，通信子网由以下几部分组成。

(1) 传输介质。

传输介质是数据在传输过程中的载体，计算机网络内常见的传输介质分为有线传输介质和无线传输介质两种类型。

有线传输介质是指能够使两个通信设备实现互联的物理连接部分。计算机网络发展至今，共使用过同轴电缆、双绞线和光纤三种不同的有线传输介质。

无线传输是一种不使用任何物理连接，而是通过空间进行数据传输，以实现多个通信设备互联的技术，其传输介质主要有红外线、激光、微波等。

(2) 中继器。

中继器安装于传输介质之间，其作用是再生放大数字信号，以扩大网络的覆盖范围。

(3) 集线器和交换机。

集线器也叫集中器，在网络内主要用于连接多台计算机。随着网络技术的发展和应用需求的不断变化，具有更多功能及更高工作效率的交换机已经逐渐取代了集线器。

(4) 网络互联设备。

随着计算机网络数量的增多，人们开始利用网桥、网关和路由器等网络互联设备来连接位于不同地理位置的计算机网络，以扩大计算机网络的规模，提高网络资源的利用率。

网桥用于连接相同结构的局域网，以扩大网络的覆盖范围，并通过降低网络内冗余信息的通信流量，来提高计算机网络的运行效率。

网关通常位于不同类型的网络之间，以实现不同网络内计算机之间的相互通信。

路由器一般用于连接较大范围的计算机网络，其作用是在复杂的网络环境中，为数据选择传输路径。

(5) Modem。

Modem (调制解调器) 的功能是实现数字信号与模拟信号之间的相互转换，主要用于传统的拨号上网方式。

2. 资源子网

对于计算机网络用户而言，资源子网实现了面向用户提供和管理共享资源的目的，是计算机网络的重要组成部分，通常由以下几部分组成。

(1) 服务器。

服务器是计算机网络中向其他计算机或网络设备提供服务的计算机，通常会按照所提供服务的类型被冠以不同的名称，如数据库服务器、邮件服务器等。

(2) 客户机。

客户机是一种与服务器相对应的概念。在计算机网络中，享受其他计算机所提供服务的计算机就称为客户机。

(3) 打印机、传真机等共享设备。

共享设备是计算机网络共享硬件资源的一种常见方式，而打印机、传真机等设备则是较为常见的共享设备。

(4) 网络软件。

网络软件主要分为服务软件和网络操作系统两种类型。其中，网络操作系统管理着网络内的软、硬件资源，并在服务软件的支持下为用户提供各种服务项目。

四、计算机网络的分类

根据计算机网络所采用的网络技术、传输介质和通信方式的不同，计算机网络可以划分为不同的类型。因此了解计算机网络的分类方法、类型特征和应用范围便成为掌握网络技术，进而掌握基于网络的管理信息系统知识的基础。

1. 根据网络的覆盖范围分类

根据网络所覆盖地理范围的不同，可以将计算机网络分为局域网 (LAN，Local Area Network)、城域网 (MAN，Metropolitan Area Network) 和广域网 (WAN，Wide Area Net-work) 3种类型，如图4－4所示。由于该分类方式能够从数据传输方式、传输介质及技术等多方面反映网络特征，因此已经成为目前较为流行的计算机网络分类方式。

(1) 局域网。

局域网是一种在有限的地理范围内构成的规模相对较小的计算机网络，其覆盖范围通常小于20km。例如，将一座大楼或一个校园内分散的计算机连接起来的网络都属于局域网。

局域网的特点是网络内不同计算机间的分布距离近、连接费用低、数据传输可靠性高等，并且组网较为方便，是目前计算机网络中发展最为活跃的分支。

(2) 城域网。

城域网的网络覆盖范围通常为一个城市或地区，距离从几十千米到上百千米，通常包含有若干个彼此互联的局域网。城域网通常由不同的系统硬件、软件和通信传输介质构成，从而使不同类型的局域网能够有效地共享资源。

图4－4 按照网络覆盖范围分类

城域网的特点是传输介质相对复杂、数据传输距离相对局域网要长、信号容易受到外界因素的干扰、组网较为复杂、成本较高。

(3) 广域网。

广域网是指能够将众多的城域网、局域网连接起来，实现计算机远距离连接的超大规模计算机网络。广域网的联网范围极大，通常从几百千米到几万千米，其范围可以是市、地区、省、国家，乃至整个世界。

广域网的特点是传输介质极为复杂，并且由于传输距离较长，使得数据的传输速率较低、容易出现错误，所以采用的技术最为复杂。

2. 根据网络的传输介质分类

根据网络所采用的传输介质，可以将计算机网络分为有线网、光纤网和无线网三种类型。

(1) 有线网。

有线网主要是指采用双绞线来连接的计算机网络。双绞线的价格便宜、安装方便且较为灵活，是目前局域网内最常见的传输介质。双绞线的缺点是容易受到干扰，且传输距离比同轴电缆要短。

(2) 光纤网。

光纤网采用光导纤维作为传输介质，其特点是传输距离长、传输速率高、抗干扰能力强，且不会受到电子监听设备的监听，是高安全性网络的理想选择。但由于光纤的成本较高，且需要高水平的安装技术，因而常用于网络的主干部分。

(3) 无线网。

这是一种采用电磁波作为载体来实现数据传输的网络类型。目前，无线联网的费用较高，因此还不太普及。但由于无线网能够将信号传播至很多有线传输介质无法到达的位置，且联网方式较为灵活，因此是一种很有前途的网络类型。

3. 根据网络的交换方式分类

按照计算机网络的交换方式，可以将计算机网络分为电路交换网、报文交换网和分组交换网3种类型。

(1) 电路交换网。

电路交换网最早出现在电话系统中，是早期计算机网络经常采用的数据传输方式。在电路交换网中，数字信号必须转换为模拟信号后才能进行联机传输。

(2) 报文交换网。

报文交换网是一种数字化网络。当通信开始时，数据发送者会将包含有数据及目的地址的报文发送至交换机内，而交换机则根据报文的目的地址选择合适的路径以完成报文的发送。

(3) 分组交换网。

分组交换在报文交换的基础上，将不定长的报文划分为定长的报文分组，以分组作为传输的基本单位。这不仅简化了对计算机存储器的管理，也加快了信息在网络内的传播速度。与上面的两种交换方式相比，由于分组交换具有许多优点。已经成为目前计算机网络内主要的数据传输方式。

4. 根据网络的通信方式分类

根据网络通信方式的不同，可以将计算机网络分为广播式传输网络和点到点传输网络2种类型。

(1) 广播式传输网络。

广播式传输网络的特点是网络内的所有计算机共享一个通信信道，即数据在公用介质内进行传输，因此所有计算机都能够接收到网络内的数据，大大降低了网络的安全性能。此外，共享公用介质还使得同一时间内只能有一台计算机发送信息，因此该类型网络的数据传输效率较低。

(2) 点到点传输网络。

点到点传输网络是指数据以点到点的方式在计算机或通信设备内进行传输。与广播式传输网络不同的是，点到点传输网络内的每条物理线路连接一对计算机 (或通信设备)，极大地提高了网络的数据传输效率。

5. 按照网络的服务方式分类

按照计算机在网络内所扮演角色的不同，可以将计算机网络分为客户机/服务器网络和对等网两种类型。

(1) 客户机/服务器网络。

这是一种由客户机向服务器发出请求并以此获得服务的网络形式，是一种较为常用且比较重要的网络类型，不仅适合于同类型的计算机进行联网，也适合于不同类型的计算机联网(如IBM兼容机和Mac机的混合联网等)，其结构如图4－5所示。客户机/服务器网络的特点是网络内至少要有一台专用服务器，且所有的客户机都必须以服务器为中心，由服务器统一进行管理。

在客户机/服务器网络中，由于不同计算机的权限和优先级已经确定，因此比较容易实现网络的规范化管理，且安全性能够得到保证。客户机/服务器网络的缺点是网络的安装和维护较为困难; 并且网络的性能受到服务器性能和客户机数量的影响，当服务器性能较差或客户机数量较多时，网络性能将严重下降。

图4－5 客户机/服务器网络示意图

(2) 对等网。

对等网的特征是网络内不需要专用的服务器，相互间是一种平等关系。在对等网中，每台接入网络的计算机既是服务器也是客户机，拥有绝对的自主权。例如，不同计算机之间实现互访、进行文件交换或使用其他计算机上的共享打印机等，如图4－6所示。

图4－6 对等网示意图

对等网的特点是网络组建和维护都较为容易、使用简单、可灵活扩展，并且由于不需要价格昂贵的专用服务器，因而可以实现低成本组网。但是，对等网的灵活性使得数据的保密性差、文件的存储较为分散，并且很难实现资源的集中管理。

五、计算机网络的功能与应用

1. 计算机网络的功能

由计算机网络的定义可以得知，计算机网络的主要目的在于实现“资源共享”，即所有用户均能享受网络内其他计算机所提供的软、硬件资源和数据信息。除此之外，随着计算机网络规模的增大，网络内各具特色的计算机系统越来越多，从而极大地丰富了网络的功能。目前，计算机网络所具备的基本功能主要包括以下几个方面。

(1) 计算机系统的资源共享。

资源是指构成系统的所有要素，包括计算机系统内的各种软、硬件资源。由于受经济和其他因素的制约，并不是 (也不可能) 所有用户都能够独立拥有这些资源。而计算机网络的资源共享功能，则使得普通用户也可以借助大型计算机或数据库系统等高成本资源来解决自己的问题，极大地提高了计算机软、硬件的利用率，使系统的性能价格比得到改善。

(2) 实现数据信息的快速传输。

作为现代通信技术和计算机技术相结合的产物，计算机网络能够使分布在不同地区的计算机系统通过通信线路及时、迅速地传递各种信息。

(3) 进行数据信息的集中和综合处理。

利用计算机网络的数据传输功能，可以将分散在各地计算机内的数据资源进行集中或分级管理，并在需要的时候对其进行综合处理，以报表的形式提供给管理者或分析者进行分析和参考。

(4) 计算机之间相互协作，进行分布式处理。

当计算机遇到难以解决的复杂问题时，可以采用合适的算法，将计算任务分散到网络内不同的计算机上进行分布式处理，以减少解决问题所要花费的时间。而这种利用网络技术将计算机连成高性能分布式系统，以此来扩展计算机的处理能力，提高计算机解决复杂问题的方式，便成为计算机网络的一项重要功能。

(5) 提高系统的可靠性和可用性。

在计算机网络中，当网络内的某一部分 (通信线路或计算机等) 发生故障时，可利用其他的路径来完成数据传输或将数据转至其他系统内代为处理，以保证用户的正常操作。例如，当数据库内的信息丢失或遭到破坏时，还可调用另一台计算机内的备份数据库来完成数据处理工作，并恢复遭到破坏的数据库，从而提高系统的可靠性和可用性。

在这里，只是简单地列举了计算机网络的部分常见功能。随着计算机技术的不断发展，计算机网络的功能和所能提供的服务将会不断地增加。

2. 计算机网络的应用

计算机网络是目前计算机应用的热点，随着信息时代的到来和未来需求的变化，计算机的普及和价格的不断降低，更能够促进计算机网络应用的迅速发展。目前，可以将较为常见的网络应用归纳为以下几个方面。

(1) 办公自动化。

办公自动化系统是一种集计算机技术、数据库、远距离通信技术，以及人工智能、声音、图像、文字处理等综合技术于一体的新型信息处理系统。办公自动化系统的主要目的是实现信息共享和公文传输，其功能包括公文处理、日程安排、会议管理、信息发布等，是实现无纸化办公的重要工具，具有简单、可靠、安全和易学易用等特点。

(2) 电子数据交换。

电子数据交换是一种新型的电子贸易工具，是计算机、通信和现代管理技术相结合的产物。它能够通过计算机网络实现各企业和单位之间的贸易、运输、保险、银行和海关等多种行业信息的数据交换，并在以贸易为中心的基础上完成整个交易过程。由于使用电子数据交换可以减少贸易过程中的纸质文件，因此又被形象地称为“无纸贸易”。

(3) 管理信息系统。

对于部门分支众多、业务活动复杂的大型企业来说，管理信息系统能够通过收集、分析和处理数据，并在多媒体技术的帮助下，以生动形象的方式为企业决策者提供企业的综合信息或决策指挥信息。

(4) 远程教育。

远程教育是一种利用在线服务系统，开展学历或非学历教育的全新教学模式。在远程教育系统中，学生可以通过电子邮件、论坛和聊天工具等多种形式与教师或同学进行相互交流或交互，从而促进知识的学习。通过计算机网络技术与教育资源的相结合，远程教育将有限的教育资源变为无限的、不受空间和资金限制、任何人都可以使用的教育资源，实现了教育资源的共享。

(5) 证券和期货交易。

证券和期货交易是一种高利润、高风险的投资方式。由于行情变化很快，所以投资者必须使用一种迅速、准确的方式来发送交易信息。借助于各个机构之间的互联网络，证券和期货市场可以向投资者提供行情分析和预测、资金管理和投资计划等服务。而管理员、经纪人和投资者也可以利用计算机或手持通信设备直接进行交易，降低了由于手势、传话器、人工录入等方式产生的时间延误，避免了由此造成的经济损失。

(6) 电子银行。

电子银行是一种基于计算机和计算机网络的新型金融服务系统，能够以Internet为媒介，为客户提供银行账户信息查询、转账付款、在线支付代理业务等自助金融服务。

(7) 提供现代化的通信方式。

现如今，通过计算机网络传递电子邮件已经成为一件极为平常的事情。随着多媒体技术的广泛应用，计算机网络已经不仅仅能够传送文字，还能够传送声音、图像、视频或动画等。

此外，计算机网络技术的发展对现代通信技术和通信方式也产生了极大的影响，目前的程控交换、公共信道信号与集中监控系统也都通过计算机构成了智能化的通信网络。