计算机网络系统

定义

计算机网络系统指将分布在多地、各自能够独立运行的计算机及其外部设备，借助通信线路和通信设备连接起来，并在网络操作系统、网络管理软件和网络协议协调下完成资源共享、信息传递的系统。一些教材把这一概念简化为“相互连接、以共享资源为目的的自治计算机集合”，其中“自治”强调入网主机可以脱离网络单独工作。

从构成看，该系统分为硬件与软件两大部分：硬件包括工作站、服务器、交换机、传输介质等，软件包括网络操作系统、管理软件与协议实现，两者缺一不可^[4]。也有文献按功能把系统划为负责数据传送的通信子网和负责运行程序、提供资源的资源子网，这一划分方式在分组交换网络研究中较早被提出^[5]。

原理

系统运行的基础是统一的通信规则。全网共同遵守的网络协议规定了数据格式、交换方式和差错处理办法，每台主机配置相应的协议软件，不同厂商、不同体系结构的设备才能可靠互通^[4]。协议通常按层次组织：国际标准化组织提出的开放系统互连参考模型把通信功能分为物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层与应用层 7 层，TCP/IP 体系则采用 4 层结构^[6]。

数据在链路上的传送方式主要有两类。电路交换需要在通信双方之间建立独占通路；分组交换则把报文拆成带地址信息的小块，由结点以存储转发的方式逐段投递，线路可以被动共享。分组交换特别适合计算机数据突发、间歇的传输特点，成为计算机网络的主流交换技术^[7]。

结点之间的连接形式即拓扑结构，常见的有星型、总线型、环型、树型与网状。星型结构所有主机经独立线路连到中心结点，便于管理，但中心结点失效会导致全网瘫痪；总线型结构共用一条中心传输线，布线简单而难以承受总线故障；网状结构中结点之间存在多条路径，容错能力较强，代价是线路投资和控制机制更复杂^[8]。实际的大型系统多由不同拓扑的子网混合而成^[9]。

按覆盖范围，系统通常分为局域网、城域网与广域网。局域网覆盖一栋建筑、一个校园等局部区域，速率高、误码率低；城域网围绕一座城市展开，可看作局域网的扩展；广域网的跨度可达数百至数千公里，当代互联网即属于广域网范畴^[10][11]。

发展历程

20 世纪 50 年代，计算机与通信技术开始结合，出现了以单台主机连接多个远程终端、用于收集和处理远程数据的联机系统，这类系统被视为计算机网络的技术前身^[5]。为提高主机效率、改善线路利用，人们在主机与线路之间加入前端处理机，并在终端密集处设置集中器，形成具有通信功能的多机系统^[12]。

1969 年，美国国防部高级研究计划局主导的 ARPANET 投入运行，最初只连接少数几个节点，采用存储转发的分组交换方式，被视为现代计算机网络形成的标志^[7][3]。1974 年，文顿·瑟夫与罗伯特·卡恩提出传输控制协议与网际协议的核心构想，为异构网络互联提供了统一规则^[13]。1983 年 1 月 1 日，ARPANET 将核心协议切换为 TCP/IP，这一事件常被视为互联网诞生的时点^[13][3]。

20 世纪 70 年代中期起，局域网技术迅速成熟，各厂商自有的网络体系结构互不兼容，标准化的需求随之突出。1984 年，国际标准化组织正式发布开放系统互连参考模型，把网络功能划分为 7 层^[6]。由于该模型设计偏复杂、产品化滞后，已在 ARPANET 上成功运行的 TCP/IP 最终成为事实标准，其规范主要由互联网工程任务组通过一系列 RFC 文件推动^[14]。1990 年，ARPANET 正式关闭，网络技术进入以互联网为核心的互联、高速阶段^[14]。

中国于 1991 年 6 月建成第一条与互联网连接的专线，1994 年实现基于 TCP/IP 的全功能连接，并通过中国科技网、中国教育和科研计算机网、中国公用计算机互联网等主干网接入^[6]。

应用

共享资源是系统最直接的价值。网络使用户能够共用打印机、存储设备、数据库与应用程序，文件共享、邮件转发、打印服务等都属于这类应用^[1]。当某台主机负担过重时，任务可转交空闲主机处理，多台机器互为备份也能在单机故障时维持业务^[15]。

在建筑与工业环境中，网络系统是楼宇设备自动化、办公自动化与通信网络的基础设施，可按用途分别采用局域网、广域网或工业控制网络^[15]。科研与教育领域则依托校园网和学术主干网开展远程计算、信息检索与协同研究^[6]。

从服务模式看，网络系统早期多采用客户机/服务器结构，由高性能服务器集中承担计算与管理任务、客户机负责交互；浏览器/服务器模式随万维网兴起，把功能集中到服务器、客户端只需浏览器；对等网络则让各设备地位平等、自行共享资源，适合规模较小的环境^[9]。

局限

系统规模扩大后，接入设备的种类和数量激增，硬件、软件环境十分繁杂，配置与运维难度随之上升^[16]。协议分层虽然降低了复杂性，但跨厂商设备之间的互通仍依赖标准的落实程度，早期各自为政的网络体系结构就曾造成互联障碍^[6]。

可靠性受拓扑与单点制约。星型网络中中心结点一旦故障，整个网络随之瘫痪；总线型网络对总线故障敏感；环型网络中环本身的故障可能带来严重后果^[8]。网状结构容错性较好，却需要更多线路与更复杂的路径控制^[8]。

共享也带来安全与信任边界问题，网络上非法访问一直威胁系统安全，资源备份因而成为运行维护的常规环节^[17][1]。对等网络缺少集中管理与统一安全措施，计算机数量增加后管理复杂度明显上升^[9]。此外，计算机网络的划分并无严格的地理界限，分类更多是定性概念。

参见

• 互联网 —— 由众多计算机网络互联而成、覆盖全球的最大网络系统。

• 网络协议 —— 规定数据格式与交换规则、支撑系统互通的基础约定。

• 局域网 —— 覆盖局部区域、速率较高的一类计算机网络系统。

• 广域网 —— 跨城市乃至跨国传输、以远程线路连接的一类网络系统。

• 分组交换 —— 现代计算机网络普遍采用的数据交换方式。

• 开放系统互连参考模型 —— 把网络通信功能分为 7 层的标准化体系结构。