计算机网-科普123

计算机网

生物科学2023-02-03 10:49:39百科

计算机网

[拼音]：jisuanjiwang

[外文]：computer network

在地理上分散布置的多台独立计算机通过通信线路互连构成的系统。计算机网能实现信息传输与信息处理功能的结合，使远距离用户能够共享网络中的硬件、程序和数据等资源，提高网络的资源利用率、可靠性和信息处理能力等。

60～70年代中期，有些国家建成一些研究实验性计算机网，如美国的ARPA网；若干商用计算机网也在这个时期开始向社会提供服务。从70年代中期起，一些计算机公司宣布完成了各自的计算机网体系结构，开始把计算机网作为产品生产。一些国际组织开展了有关计算机网标准化研究，提出了若干重要建议，如“开放式系统互连参考模式”(OSI-RM)和CCITTX25建议等。

适应计算机网的发展，一些国家的通信公司除了向用户提供数据通信线路服务外，70年代以后还开始向用户提供公用数据网络服务，使用户组建和运用计算机网的通信费用降低、管理简单、使用方便。

计算机网已广泛应用于数据收集与交换、经营管理、武器控制、过程控制、信息服务（如情报检索）、电子邮政、计算机辅助教育、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、一个国家扩展至洲际。计算机应用系统从包含单一计算机系统发展到计算机网，标志着计算机应用进入到一个新阶段。

结构

计算机网是网络结点和物理信道的集合，一般由两部分组成（图1），即通信子网和用户资源。通信子网中的通信处理机结点是中继结点。用户资源包括主（体）计算机和终端设备，它们是网络访问结点，是信源或信宿。

计算机网的功能用分层结构来表示，内核是物理信道，由内向外（或由低到高）各层次按典型分法可分为物理层、数据链路层、网络层、转送层、会晤层、表示层和应用层（图2）。各层的功能相对独立，下层的功能是上一层的基础，且一般仅相邻层间有接口关系，以便于网络结点和整个网络的设计、实现和修改。

物理信道是传输电信号的媒质或通路。根据传输电信号是脉冲信号还是经调制的正弦波信号，物理信道分为数字信道和模拟信道；按传输媒质可分为有线信道和无线信道；按使用情况还可分为专用信道（包括租用信道）和公用信道(如拨号线路)，或者分为电报线路、音频（电话）线路、视频（电视）线路等。

各个网络结点具有上述 7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。由于存在多层次，相应地就有多层协议和多种层间接口。

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有关的特性，包括规定物理、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比特的发送和接收。数据链路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数据块（称为帧）从数据链路的一端正确地传送至另一端。为此，这一层协议包含帧的形成和识别、差错控制、流量控制等通信控制方法。结点的网络层（也称通信子网层）控制数据块（称为报文分组）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。

转送层和会晤层是访问结点才具有的功能。在有些计算机网中把这两层合并为一层。在两个访问结点之间的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。转送层的功能侧重于用户进程之间交换的数据能够可靠、经济地传送；会晤层侧重面向用户的功能的实现，如核实对方是否有权参加会晤，以及对进程间的对话进行控制和管理。结点的表示层控制许多与数据表示有关的功能，包括字符集转换、数据压缩与恢复、数据加密与解密、实终端与虚终端间转换等网络服务功能。结点的应用层对用户进程提供不限于与信息传送有关的服务，还可涉及系统管理和应用管理，如屏蔽网络资源的实际分布，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。以上四层完成与信息处理有关的服务功能。

网络分层和网络协议的集合称为网络体系结构。在各层网络协议中较低层的协议通常用硬件实现，或由硬件与软件共同实现；而较高层协议则用软件实现。凡是实现各层网络协议的软件均称网络软件，并按网络分层相应分级。随着超大规模集成电路技术的发展，用硬件实现的网络功能的比重正在增加。

计算机网有五种拓扑结构，它们是总线形、环形、星形或树形、全连通形和网状形。其中总线形和环形为局部区域网所常用，广域计算机网最一般的拓扑结构为网状形，即结点与物理信道连接为不规则形状。全连通形指任意两结点间均有物理信道相连的情况，适于高可靠性环境。

通信控制方法

计算机网的主要目标是资源共享，其本质活动是实现分布式进程通信。两个访问结点A和B的应用层中，进程之间的通信通路(逻辑信道，或称连结)是建立在结点A、B会晤层间的逻辑信道（会晤连结）上，会晤连结又建立在网络连结上，网络连结再建立在一连串穿过通信子网的数据链路上，各条数据链路最终建立在物理信道上。各种逻辑信道和物理信道的通信原理相似，涉及一些共同的通信控制方法，包括连结的建立和拆除、数据传送控制、差错控制、数据块的装拆控制、流量控制、路径控制、复用控制、拥挤控制等。

在计算机网环境中，各台计算机是独立工作的，即位于各计算机内的进程状态。至于各计算机内的进程何时参与网络活动，以及参与网络活动时希望与网上哪一进程通信等也都是独立进行的。因此，在实现进程通信之前，首先要建立起两者的联系，即建立连结；在完成进程通信之后，则须拆除连结。为了解决网络环境中进程通信这一新问题，必须制定全网统一的进程命名和寻址方法、连结建立与拆除的控制方法等。

通信双方建立连结后，数据传送阶段涉及到的控制问题包括规定数据的发送方式、应答方式和出现异常事件时的处置方法等。例如，发信方每发送一个数据块(报文、报文分组或帧) 后须等待收信方的应答，如果回答是确认已正确接收，则发信方可发送新数据块；如果回答是否认正确接收，则发信方重发原数据块，这就是等待发送方式。另一种方式为连续发送方式：发信方不必等待对前一数据块的应答到来就继续发送下一数据块，但通常事先规定允许连续发送数据块的最大个数。

物理信道和各种逻辑信道不可能不发生传输差错，因此结点的有关功能层都需要有差错控制能力。

在不同连结上传输的数据块的大小和格式是不相同的，网络结点有关功能层需要相应地进行装、拆控制。这种数据块之间转换的数量关系有三种情况：

（1）从大到小进行分解，如将长报文分解为若干个报文分组；

（2）从小到大进行装配，如将若干个短报文装入同一报文分组；

（3）两种数据块保持一对一关系，但要进行数据块格式转换。为了保证数据块装拆不发生紊乱，通常在发信方为数据块编序号，在收信方校验序号的顺序性和正确性，从而发现数据块是否丢失或重复。

各种连结的通信双方的传输速度必须匹配。为此需要让发信方了解收信方当前接收数据的能力，双方协同进行流量控制。例如，让收信方将当前空闲可用的缓冲器数动态地通知给发信方；或者每次由发信方向收信方申请缓冲器，得知已分配后再发送。

如果通信双方之间存在多条可用的逻辑或物理信道，便出现路径选择问题。常用的路径选择方法有固定式和适应式。假定每一结点存有一张路径选择表，表的入口为目的结点地址，出口为本结点所连接的数据链路号。按固定式路径选择方法，各结点中的路径选择表是根据网络布局、已知的通信业务量分布等因素预先计算确定的。如果路径选择表能动态地反映网络当前通信业务量分布情况，即为适应式路径选择方法。为此，可以用每个结点各条数据链路排队队列长度分别孤立地反映网内通信业务量状况（即孤立适应式）；或者在相邻结点之间周期性地交换各条数据链路当前传输延迟时间表（即分布适应式）；或者由各结点周期性地向一中心控制结点报告状态，由它计算好每个结点的路径选择表后再分发给各结点（即集中适应式）；还可以将分布式与集中式综合为混合适应式。

在各种逻辑或物理信道上普遍采用复用方法，可提高信道利用率。复用方法有两种：一是频分复用；二是时分复用（见多路通信）。

通信子网中正在传输的通信业务量过量会引起网络性能下降。这种通信拥挤现象可能发生在局部，也可能发生在全网范围内，甚至使通信业务量传输停顿（即死锁现象）。可以采取控制通信子网中总通信业务量、避免通信子网中存在“瓶颈口”等方法进行通信拥挤控制。还可以由网络操作员干预，或者由发信结点采取超时重传等方法使网络由拥挤恢复正常。

通信子网向网络访问结点提供的服务有虚电路和数据报两种方式。按虚电路方式，通信子网为访问结点的每次呼叫建立一条贯穿通信子网的逻辑信道（称为虚电路）。按数据报方式，通信子网中各中继结点以报文分组为单位进行路径选择。

参考书目

A.S. Tanenbaum，Computer Networks，Prentice Hall Englewood Cliffs，New Jersey，1982.
D. W. Davies， D. L. A. Barber， W. L. Price and C. M. Solomonides， Computer　Networks　and Their Protocols，John Wiley & Sons，New York，1979.