计算机网络概述

第1章概述,1.1计算机网络在信息时代的作用1.2计算机网络的发展过程1.3计算机网络的分类1.4计算机网络的主要性能指标,1.1计算机网络在信息时代的作用,你遇到过这样的问题吗？（1）到银行取款被告知，网络坏了，不能取款（2）到图书馆借书被告知，网络坏了，不能借书（3）去交手机费，被告知，系统升级，明天再来网络已经渗透到生活的各个方面网络是知识经济时代的基础,（2）知识的处理,（1）知识的获取,（3）知识的分发,（4）知识的挖掘,1.1计算机网络在信息时代的作用,网络的含义（1）电信网络（2）有线电视网络（3）计算机网络网络发展的趋势三网合一，统一到计算机网络是发展的趋势因特网（Internet）（1）信息高速公路的产物（2）1993年9月15日，美国政府提出“国家信息基础结构（NII）行动计划”（3）NII，NationalInformationInfrastructure（4）1994年9月，美国政府又提出建立“全球信息基础结构GII”，建议将各国的NII互联，形成了Internet的雏形,1.2计算机网络的发展过程,1.2.1计算机网络的产生1.2.2因特网时代1.2.3关于因特网的标准化工作1.2.4计算机网络在我国的发展,1.2.1计算机网络的产生,计算机网络涉及到计算机和通信两个领域（1）通信技术为在计算机之间的数据传输提供了必要的手段（2）计算机也为提高通信系统的性能做出了贡献计算机网络经历了以下几个阶段（1）以电路交换为基础的面向终端的计算机通信网（2）以分组交换为基础的基于交换的计算机通信网（3）计算机网络体系结构的形成（4）局域网的形成（5）局域网互联（6）Internet时代,预备知识,数据通讯系统的模型（1）信息：可以理解为具有确切含义的消息（2）数据：是运送信息的实体（3）信号：数据的电气或电磁的表现（4）数据是信息的表达方式，信息是数据的内容（5）信息通过编码形成数据，数据通过转化成信号传播,实体A,信息,数据,信号,信号,数据,信息,实体B,张三,手机话筒,手机天线,消息,数据,信号,手机天线,手机话筒,李四,数据,消息,预备知识,模拟信号和数字信号（1）电磁信号可以分为模拟信号和数字信号（2）数字信号：可以理解为用离散的量表示的电磁信号，取值有限（3）模拟信号：可以理解为用连续的量表示的电磁信号，取值无限,数字信号,模拟信号,传送信号的介质支持模拟传输和数字传输而产生的信号可以是模拟的也可以是数字的，因此需要转换数字信号和模拟信号的转换（1）数字转换成模拟称为调制（2）模拟转换成数字称为解调（3）实现转换的设备称为异步调制解调器,1.以电路交换为基础的面向终端的计算机通信网,服务器：提供服务和资源供使用的计算机终端：使用服务器资源和服务的计算机,什么是电路交换呢？,电路交换利用交换机和物理线路，在进行数据交换的计算机之间建立一条物理链路（1）交换机：一个具有n个输入,m个输出的物理设备，该设备可以在一条输入线路和一条输出线路之间创建一个临时连接，实现动态分配资源（2）因为资源紧缺，所以要实现动态分配电路交换是面向连接的（1）在参与通信的双方之间有一条独占的物理链路（2）传输的信息有上下文关系（3）通过建立-通信-释放建立链路（4）电路交换是面向连接的，但面向连接的不一定是电路交换,电路交换的特点,采用模拟信号传输（1）要实现计算机之间的通信，需要模拟和数字信号之间的转换（2）需要异步调制解调器面向连接（1）维护链路（2）独占链路线路的传输效率低（1）计算机之间的数据传输是突发式的（2）大量时间内线路空闲可靠性差（1）通信链路中一个节点出现了问题，网络失效（2）无冗余路由,电路交换示意图,以电路交换为基础的面向终端的计算机通信网的应用,2.以分组交换为基础的基于交换的计算机通信网,问题的提出（1）20世纪80年代冷战期间，美国为抵御以前苏联为首的华约组织的核攻击，计划建立一个专用于计算机之间通讯的网络，利用该网络快速、可靠的传递命令，以期进行反击（2）该网络要求具有如下特点.与传统的电信网不同，用于计算机之间的通信.能够连接不同类型的计算机.所有的网络节点都同样重要.必须有冗余的路由.网络结构尽可能简单，能非常可靠的传送数据（3）很显然，以电路交换为基础的面向终端的计算机网络不符合要求（4）于是，产生了以分组交换为基础的基于交换的计算机通信网,分组交换的基本思想,将较长的报文划分成等长的分组分组交换采用存储转发的技术在每个分组中添加标记每个分组可独立传送可采用面向连接和面向非连接进行传输,为什么要将较长的报文划分成等长的分组,将要发送的信息整体看成报文为保证信息准确的传送，提高可靠性，信息的接收方，对收到的信息进行校验，如果出错，通知发送方重发困境：报文成功发送了99%，仅在最后的1%出现了错误，也必须重发，极大浪费解决方案：将报文划分成等长的分组（packet）又称包，将包作为发送单位，即使出错，仅重发出错的包，提高性能。另外，将报文划分成分组，也提高的线路的利用率，这一点，稍后讨论。,什么是存储转发,交换机,1.在交换机的不同端口之间建立连接2.利用连接发送数据报文3.拆除连接,1.将数据包通过交换机的一个端口输入到交换机的缓存中2.交换机确定将数据包转发到哪个端口3.将数据包直接转发到确定的端口,为什么在每个分组中添加标记,由于分组交换采用分组作为数据传输的单位（1）各个分组独立传输（2）每个分组需要携带源地址和目的地址以及序号（3）源地址和目的地址以及其他控制信息既为标记，这些信息组成分组的头,交换机一,交换机二,交换机三,交换机四,主机A,主机B,报文(消息),分组1,分组2,分组3,分组4,分组1,分组2,分组3,分组4,分组1,分组3,分组2,分组4,报文(消息),分组1,分组2,分组3,分组4,为什么在每个分组中添加标记,由于采用了存储转发,获得的了较高的交换速率由于采用了存储转发的分组交换,因此可以动态分配链路的使用，极大的提高了线路的利用率分组交换网采用了路由选择协议支持自动寻找路由，保证传输的可靠性，这要求网络使用网状拓扑,首部,数据,首部,数据,首部,数据,首部,数据,报文,分组交换的优点,动态分配链路的使用，逐段占用链路（高效）每个节点都可以为每个分组独立的选择转发路由（灵活）以分组作为单位，可以不必预先建立连接（迅速）采用路由选择协议，提高网络的可靠性（可靠）,分组交换示意图,报文交换示意图,1.2.2因特网时代,互联网的产生背景（1）Internet（因特网或国际互联网）在冷战初期初见端倪。（2）建立的目的是保证美国本土防卫力量和海外防御武装的通信系统在受到打击破坏后仍然具有一定的生存能力，因此，该系统注定是一种分布式系统。（3）1969年美国国防部高级研究计划署（DoD/DARPA)资助建立了一个名为ARPANET（阿帕网）的网络。（4）该网络将位于洛衫矶的加利福尼亚大学、位于圣芭芭拉的加利福尼亚大学分校、斯坦福大学和位于盐湖城的犹他州州立大学的计算机主机联结在一起。（5）位于各个结点的大型计算机采用分组交换技术，通过专门的通信交换机（IMP）和专门的通信线路相互连接。这个阿帕网就是Internet的雏形,1.2.2因特网时代,（6）到了1972年，ARPANET网上的结点数已经达到40个。（7）这40个网点之间彼此可以发送小文本文件（电子邮件的雏形），也可以采用文件传输协议发送大文件。（8）同时也开发了通过把一台电脑模拟成另外一台远程电脑的终端的技术，既Telnet。TCP/IP协议的产生（1）1972年，在美国华盛顿举行了第一届国际计算机通信会议，会议就在不同的计算机网络之间进行通讯达成协议。（2）1973年，美国国防部也开始研究实现不同网络之间的互联的问题。（3）1974年IP（InternetProtocol）和TCP（TransmissionControlProtocol）协议问世，合称TCP/IP协议,TCP/IP协议的问世导致了Internet的迅速发展。（4）到了1980年，世界上既有使用TCP/IP协议的美国军方的ARPANET网，也有很多使用其他通信协议的各种网络。美国人温顿.瑟夫（VintonCerf)提出一个想法。这个想法导致了Internet的诞生，并确定了TCP/IP协议在网络互联方面不可动摇的地位。这个想法就是：（1）在每个网络内部各自使用自己的通信协议（2）网络之间通讯采用TCP/IP,1.2.2因特网时代,Internet的基础NSFNET（1）80年代中期，美国国家科学基金会（NationalScienceFoundation,NSF)出资，利用ARPANET发展出来的TCP/IP协议建立了名为NSFNET的广域网。（2）NSFNET将美国普林斯顿大学、匹兹堡大学、加州大学圣地亚哥分校、依利诺斯大学和康纳尔大学的5个超级计算机中心，通过56Kbit/s的线路连接起来。（3）1987年NSF公开招标，将NSFNET进行升级，1989年7月通讯线路改为T1（1.5Mbit/s)，并且连接了13个骨干结点。（4）从1986年到19991年，NSFNET从100个子网发展到3000多个子网，形成了Internet的基础。,1.2.3关于因特网的标准化工作,为什么要做标准化工作因特网的标准化工作由一个国际组织因特网协会（ISOC）中的因特网体系结构研究委员会（IAB）负责所有的因特网标准都是以RFC文档的形式发布的（RFCxxxx）通过阅读这些文档来了解因特网的标准例如：RFC2068HypertextTransferProtocol-HTTP/1.1RFC1945HypertextTransferProtocol-HTTP/1.0,1.2.4计算机网络在中国的发展,1989年11月，我国第一个公用分组交换网CNPAC建成运行。1993年9月建成新的中国公用分组交换网CHINAPAC1987年9月20日，钱天白教授发出我国第一封电子邮件，揭开了中国人使用互联网的序幕。目前，在中国境内存在四大骨干网络（1）中国科学技术网络（CSTNET）（2）中国教育和科研计算机网（CERNET）（3）中国公用计算机互联网（CHINANET）（4）中国金桥信息网（CHINAGBN）,1.3计算机网络的分类,1.3.1计算机网络的不同定义1.3.2计算机网络的几种不同分类方法,1.3.1计算机网络的不同定义,由于计算机网络技术的快速发展，目前没有对计算机网络的严格定义。计算机网络不同的定义（1）从计算机技术与通信技术相结合的观点出发的定义：计算机技术与通信相结合，实现远程信息处理和进一步达到资源共享的系统。（2）美国信息处理学会联合会在1970年从资源共享的角度出发给出的定义为：以能够相互共享资源的方式连接起来并各自具备独立功能的计算机系统的集合。（3）从物理上看，计算机网络定义为：在协议的控制下，由若干计算机、终端设备、数据传输设备和通信控制处理机等组成的系统。（4）目前最简单的定义：一些相互连接的、自治的计算机的集合。（5）常用的定义为：利用通信线路将具有独立功能的计算机连接起来而形成的计算机集合。,1.3.1计算机网络的不同定义,计算机网络的特征（1）资源共享（2）具有独立功能的计算机（3）计算机网络内的计算机必须遵循全网统一的网络协议计算机的共享资源包括：（1）硬件资源（2）软件资源（3）数据资源利用资源共享可以提高资源的利用率，降低网络成本区别计算机网络和分布式系统,1.3.1计算机网络的不同定义,计算机网络的主要功能（1）通信（2）资源共享（3）提高系统的可靠性和可用性（4）易于进行分布式处理（提高系统的处理能力和可靠性）,1.3.2计算机网络的几种不同分类方法,从不同的角度看，可以有不同的计算机网络分类方法主要的几种分类方法（1）按网络的交换功能分类电路交换报文交换分组交换混合交换（同时采用电路交换和分组交换）（2）按网络的拓扑结构分类集中式网络（星型网）分散式网络分布式网络（3）按网络的作用范围分类广域网（WideAreaNetwork,WAN）局域网(LocalAreaNetwork,LAN)城域网(MetropolitanAreaNetwork）（4）从网络的使用范围进行分类.公用网.专用网,1.4计算机网络的主要性能指标,1.4.1带宽1.4.2时延1.4.2时延带宽积和往返时延,1.4.1带宽,带宽的概念来源于模拟线路的信号传输一个模拟信号是由具有不同频率的多个信号组成的(傅立叶变换证明了这一点)一个介质所能传输信号的所有频率可以用频域图表示出来,频率（HZ）,振幅,f1,f2,介质频谱图的宽度称为带宽(f2-f1)当通信线路用来传输数字信号时，主要使用比特率来衡量线路的传输能力一个通信线路带宽越大，当用于传输数字信号时，比特率越大因此，在传输数字信号时，也将比特率称为带宽，单位为比特/秒，也称数据率和吞吐量,频谱图,1.4.1带宽,比特间隙和比特率（1）所谓的比特间隙是指发送一比特所需的时间（2）比特率是一秒钟内的比特间隙数，既每秒发送的比特数。常用的单位为KB、M