1.1 计算机网络的基本概念
1.1.1 计算机网络的定义与功能
1.计算机网络的定义
计算机网络是计算机技术和通信技术共同发展的产物。从一般意义来讲，计算机网络是利用通信设备和通信线路，将分布在不同地理位置上的具有独立工作能力的计算机互相连接起来，按照网络协议进行通信，实现信息交换和资源共享的计算机系统。
图1.1所示为一个简单的计算机网络。其中，服务器和客户机就是分布在不同地点的具有独立工作能力的计算机，交换机是一种网络通信设备，整个网络依据网络协议进行工作。
图1.1 简单的计算机网络
2.计算机网络的功能
计算机网络的功能主要体现在以下几个方面。
（1）信息交换。
利用计算机网络提供信息交换，用户可以在网上传送电子邮件，发布新闻消息，进行远程电子购货、电子金融贸易、远程电子教育等。
（2）资源共享。
借助计算机网络能够实现资源共享，也就是共享网络中的所有硬件和软件，包括计算机处理能力、数据、应用程序、硬盘、打印机等。
（3）协同处理。
协同处理是指计算机网络在网上各主机间均衡负荷，把在某时刻负荷较重的主机的任务传送给空闲的主机，利用多个主机协同工作来完成靠单一主机难以完成的大型任务。
1.1.2 局域网与广域网
计算机网络有多种分类标准，最常用的也最能反映网络技术本质的分类标准，是根据网络范围和计算机之间互联的距离，将计算机网络分为局域网和广域网。
1.局域网
局域网是指在一个有限的局部范围内连接的计算机、网络设备及外部设备的计算机网络。局域网的范围一般在数千米以内，以一个单位或一个部门的小范围为限，由这些单位或部门单独组建。企业、公司、学校等使用的网络就是典型的局域网。
根据网络中用户的多少，通常可将局域网划分为小型局域网（用户少于100）、中小型局域网（用户在100～254）和大中型局域网（用户多于254）。图1.2所示为小型局域网示意图。
图1.2 小型局域网示意图
局域网中往往由一台（或多台）计算机作为服务器，提供资源共享、文件传输、网络安全与管理等服务。局域网具有比较严谨的网络管理结构，它组网比较便利，传输效率高，而且扩充成本较低。
局域网的主要特点如下。
（1）数据传输速度高，局域网上计算机之间的数据传输速度非常快，一般带宽不小于10Mbps，最快可以达到10Gbps；
（2）距离较短，通常各计算机之间的距离不超过25km，这是由通信线路所允许的最大传输距离决定的；
（3）误码率很低，局域网上的数据传输误码率很低，一般在10-11～10-8；
（4）协议简单，结构灵活，建网成本低，周期短，便于管理和扩充。
2.广域网
广域网是在一个广泛的地理范围内所建立的计算机通信网，其范围可以超越城市、国家，甚至全球，能实现大范围内的资源共享。图1.3所示为广域网示意图。
图1.3 广域网示意图
广域网由通信子网与资源子网两部分组成。通信子网实际上是一个数据网，可以是一个专用网或公用网；资源子系统是联在网上的各种计算机、终端、数据库等，这不仅指硬件，也包括软件和数据资源。
在实际应用中，局域网可与广域网互联，这时局域网就成为了广域网上的资源子系统。
广域网的通信子网主要包括公共传输网络和专用传输网络。公共传输网络一般由政府电信部门组建、管理和控制，网络内的传输和交换装置可以提供（或租用）给任何部门和单位使用；专用传输网络主要是由组织或团体自己建立、使用、控制和维护的私有通信网络。
为了实现不同系统的互联和相互协同工作，广域网的运行必须遵循一定参考模型及相应的一系列国际标准协议。这些参考模型及相应的标准协议对于建立开放系统互联具有重要的指导作用。
广域网的主要特点如下。
（1）覆盖范围广，可达数千千米甚至全球；
（2）主干带宽大，但提供给单个终端用户的带宽小；
（3）数据传输距离远，往往要经过多个广域网设备转发，延时较长；
（4）管理、维护困难。
Internet是世界上最大的广域网，它连接着全球数百万个局域网，容纳了数以亿计的计算机，是信息社会的重要支柱。
1.1.3 局域网的拓扑结构
通常，我们把网络中的计算机作为一个节点来对待，网络中各节点的相互连接形式就称为网络的拓扑结构。
局域网的拓扑结构主要有星型、总线型和混合型拓扑结构等。
1.星型拓扑结构
星型拓扑结构以一台设备作为中央节点，该中央节点与各从节点（服务器、客户机等）采用点到点的方式进行连接。
图1.4所示即为星型拓扑结构。中央节点可以直接与各从节点通信，而各从节点只能通过中央节点才能相互通信。中央节点执行集中式通信控制策略，通常由集线器或交换机来充当。
图1.4 星型拓扑结构
在一个星型拓扑局域网中，网络上的所有信息必须通过中央节点。中央节点负责接收从节点的信息，再转发给相应的从节点，所以它有中继和数据处理功能。任何一个从节点与中央节点都是点对点连接，故访问控制比较简单。星型结构采用相同的方法来发送和接收信息，类似于一个电话系统。当某节点提出访问网络的请求时，只要线路空闲，就可在这两个节点之间建立连接。
星型拓扑结构的优点如下。
（1）网络故障容易诊断。集线器位于网络中央，利用附加在集线器中的网络诊断设备，可以比较准确地诊断与定位网络故障。
（2）系统易于扩充。通过集线器的端口可以容易地增加与删除节点，当节点增加太多时，可以通过添加集线器的方法，使网络不断延伸。
（3）故障易于隔离。网络上任何节点的故障都不会影响其他站点。
但星型拓扑结构也有缺点。由于每个节点与中央节点之间都需要一条连线，所以费用较高，当计算机数量较多时，网络布线就变得非常复杂；另外，中央节点是网络的关键性设备，若它发生故障，将导致整个网络瘫痪。
2.总线型拓扑结构
总线型拓扑结构中，网络上所有节点都通过网卡直接连接到一条主干线缆上，如图1.5所示，这条主干线缆称为总线（Bus）。
图1.5 总线型拓扑结构
称做总线的主干电缆通常为一条同轴电缆或光纤。当网络上某个节点传送一条报文时，就发出一个电信号，该电信号从源节点出发，同时沿着两个方向传送，直到抵达电缆的尽头，并在那里被终端发射器吸收。当总线上有信号传送时，总线上的每个节点都可以检测到该信号，并做出应答与否的选择。
总线型拓扑结构的优点如下。
（1）费用较低。所有节点都连接到一根数据总线上，因此，只需要较小长度的线缆，而不需要另外的互联设备。
（2）安装简易。布线简便，只要将计算机插上网卡，再连接到总线即可。
（3）运行可靠。总线结构简单，而且使用无源组件，因此硬件系统的可靠性高。
（4）便于扩充。需要增加新的节点时，可以在总线的任何一点接入，如果总线长度不够，可以使用中继器来增加一个附加段。
总线型拓扑结构也有缺点，由于缺乏集中控制机制，因此很难准确定位故障地点，因而故障诊断困难；总线型结构中，每个部件上的故障，都有可能导致整个网络瘫痪；另外，总线型网络由于主干线公用，如果传输的信息量很大，就会产生“瓶颈”问题。所以，单纯的总线型拓扑结构在实际应用中很少采用。
3.混合型拓扑结构
混合型拓扑结构是由星型结构和总线型结构的网络结合在一起的网络结构，这样的拓扑结构更能满足较大网络的拓展，解决星型网络在传输距离上的局限，而同时又解决了总线型网络在连接用户数量上的限制。这种网络拓扑结构同时兼顾了星型网络与总线型网络的优点，在两者缺点方面得到了一定的弥补。
上述三种网络拓扑结构中，星型结构和混合型结构在局域网中得到了广泛的应用。总体上看，混合型结构的可扩展性能最好，适用于各节点分布在不同楼层，甚至不同建筑物之间的中大型局域网；星型结构次之，适用于各节点分布在同一楼层的小型局域网。