第1章 计算机网络基础3

1、1计算机网络与通信第 1 章计算机网络基础本章要点q知识要点o 计算机网络的功能和分类o 计算机网络的拓扑结构q知识拓展：o 计算机网络的性能指标o 国际化标准组织o 发展趋势23第 1 章：内容提纲1.1 计算机网络概述1.2 计算机网络的组成和分类1.3 计算机网络的功能和应用1.4 计算机网络的拓扑1.5 计算机网络的性能指标1.6 国际化标准组织1.7 发展趋势知识回顾q计算机网络定义 硬件 ：用户端设备（主机 终端 处理机等） 组成 通信控制处理设备 通信线路 软件：系统程序 应用程序 数据信息资源等 功能：数据通信 资源共享p逻辑组成功能划分p资源子网p通信子网p拓扑结构：总线型

2、星型 环型 树型 网型451.5 计算机网络的性能指标q计算机网络的主要性能指标，包括速率、带宽、吞吐量、时延、时延带宽积和利用率。q除主要性能指标外，还有一些非性能特征，如费用、质量、标准化、可靠性、可扩性、可升级性和可维性等 ，也对计算机网络的性能有很大的影响。61.5 计算机网络的性能指标(续1)1、速率q指计算机网络中的主机在信道上单位时间内传送数据量，又称数据率(data rate)或比特率(bit rate)。q单位是b/s(bit/s或bps，即bit per second)。有时也用kb/s，Mb/s，Gb/s和Tb/s。q比特(bit)是计算机中数据量的单位，也是信息论中使用

3、的信息量的单位。Bit 来源于binary digit，意思是一个“二进制数字”，因此一个比特就是二进制数字中的一个 1 或 0。q速率指的是额定速率或标称速率。网络的实际速率往往比额定速率要低，因为它与许多因素(如主机的处理能力、信道容量、信道的拥塞状况等)有关。71.5 计算机网络的性能指标(续2)2、带宽 带宽(bandwidth)有两种不同的意义：q 在通信领域，带宽指某个信号具有的频带宽度。单位是赫(或千赫、兆赫、吉赫等)。如话音信号的带宽是3.1kHz (300Hz 3400Hz)。q 在计算机领域，带宽指计算机网络的通信线路所能传送数据的能力，即在单位时间内从网络中的某一点到另一

4、点所能达到的“最高数据速率”。单位是b/s (bit/s) 。q 当速率较高时，可在单位b/s前加上千(K=103)、兆(M=106)、吉(G=109)和太(T=1012)。81.5 计算机网络的性能指标(续3)数字信号流随着时间的变化关系q在时间轴上信号的宽度随带宽的增大而变窄。每秒 106 个比特时间1 0 1 0 1 11 s带宽为1 Mb/s 时间每秒 4 106 个比特0.25 s带宽为4 Mb/s 91.5 计算机网络的性能指标(续4)3、吞吐量q指单位时间内通过某个网络(或信道、接口)的数据量。单位是b/s(bit/s或bps，即bit per second)。有时也用kb/s，

5、Mb/s，Gb/s和Tb/s。q吞吐量常用于对某个网络的性能测试。q吞吐量受网络的带宽或网络的额定速率的限制。如100Mb/s的以太网，带宽是100Mb/s，典型的吞吐量可能只有70Mb/s。1.5 计算机网络的性能指标(续5)4、时延q指数据(一个报文或分组或比特)从网络(或链路)的一端传送到另一端所需的时间。时延由四个部分组成：(1)传输时延指主机或路由器发送数据帧所需要的时间，也就是从发送数据帧的第一个比特算起，到该帧的最后一个比特发送完毕所需的时间。10传输时延 = 数据帧长度（比特）信道带宽（比特/秒）111.5 计算机网络的性能指标(续6)(2)传播时延 指电磁波在信道中传播一定距

6、离所花费的时间。q例：自由空间中电磁波的传播速率为3.0105km/s 铜线电缆中电磁波的传播速率为2.3105km/s 光缆中电磁波的传播速率为2.0105km/sq注意：信息的发送速率和信号在信道上的传播速率是完全不同的两个概念。虽然它们只有一字之差，但不能将传输时延和传播时延混为一谈。传播时延 = 信道长度（m）电磁波在信道上的传播速率（m/s）121.5 计算机网络的性能指标(续7)(3)处理时延 指主机或网络结点(路由器或交换机) 处理分组所花费的时间。包括对分组的首部分析、从分组中提取数据部分、进行差错检验或查找适当的路由等 。 (4)排队时延指分组进入网络结点后，需先在输入队列中

7、排队等待处理，以及处理完毕后在输出队列中排队等待转发的时间。排队时延的长短往往取决于网络中当时的通信量。当网络的通信量很大时，会发生队列溢出，使分组丢失，这相当于处理时延为无穷大。注意：上述哪一种时延在总时延中占主导地位，必须具体分析。131.5 计算机网络的性能指标(续8)q数据在网络中的总时延是上述4种时延之和：q例：一个100MB(M表示220=1048576 )的数据块在带宽为1Mb/s(M表示106 )的光纤信道上传输时的各种时延： 发送时延 100 1048576 8/106 =838.9s 传播时延 1000km为5ms，1km为5s 处理时延视计算机处理速度而定。总时延 = 传

8、输时延 + 传播时延 + 处理时延+ 排队时延141.5 计算机网络的性能指标(续9)四种时延产生的地方发送器发送时延传播时延处理时延结点B100110101101010010 输入队列结点A输出队列处理器排队时延151.5 计算机网络的性能指标(续10)发送时延传输时延处理和排队时延时间 tA站B站161.5 计算机网络的性能指标(续11)往返时延q往返时延 RTT (Round-Trip Time) 表示从发送端发送数据开始，到发送端收到来自接收端的确认应答所经历的时延。如果接收端收到数据后立即发送确认，这相当于传播时延的两倍。例：设某段链路的传播时延为20ms，则它的往返时延RTT40m

9、s。q在复杂的互联网中，往返时延应包括各中间结点的处理时延和转发数据的发送时延。171.5 计算机网络的性能指标(续12)5、时延带宽积q时延带宽积是指传播时延与带宽之乘积。时延带宽积 = 传播时延 带宽(传播)时延链 路带宽q链路的时延带宽积又称为以比特为单位的链路长度。例：设某段链路的传播时延为20ms，带宽为10Mb/s。则时延带宽积为2010-310106=20105 bit 。181.5 计算机网络的性能指标(续13)6、利用率q利用率分为信道利用率和网络利用率。q信道利用率 指在规定时间内信道上用于传输数据的时间比例。完全空闲的信道的利用率是零。q网络利用率 指全网络的信道利用率的

10、加权平均值。q信道利用率力求高些，但并非越高越好。因为信道的利用率增大时，该信道引起的时延也就迅速增加。191.5 计算机网络的性能指标(续14)网络利用率的表示式q式中，D0 表示网络空闲时的时延，D 表示网络当前的时延。U 的数值在 0 到 1 之间。UDD10201.5 计算机网络的性能指标(续15)时延 D利用率 U10D0时延急剧增大时延与利用率的关系此图表明，当U达到1/2时，当前时延就要加倍。而当U接近最大值1时，当前时延就会趋近于无穷大。这说明信道利用率或网络利用率的提高都会加大时延。因此，拥有较大主干网的ISP都把信道利用率控制在50%以内，否则就采取扩容措施。21第 1 章

11、：内容提纲1.1 计算机网络概述1.2 计算机网络的组成和分类1.3 计算机网络的功能和应用1.4 计算机网络的拓扑1.5 计算机网络的性能指标1.6 国际化标准组织1.7 发展趋势221.6 标准及其制定机构1.6.1 标准q标准是衡量事物的准则。或者本身合于准则，可供同类事物比较核对的事物。q标准是由标准化组织、论坛以及政府管理机构共同合作制订的。q标准可分为两大类：法定标准和事实标准。q法定标准是指由官方认可的某个权威的标准化组织制定、采纳、正式、合法的标准。q事实标准是指未被官方认可的标准化组织确认，但却在实际使用中被广泛采用的标准。事实标准又可分为两类：私有事实标准和非私有事实标准。

12、231.6.2 国际性标准化组织q国际性标准化组织有两类：一类是由各国政府之间通过条约建立起来的标准化组织；另一类是自愿的、非条约组织。 最具影响的有q国际标准化组织ISOq国际电信联盟电信标准部ITU-T(其前身是CCITT)q美国国家标准化协会ANSIq电气电子工程师协会IEEEq电子工业委员会IEC241.6.2 国际性标准化组织(续1)因特网协会 ISOC因特网研究指导小组IRSG 因特网研究部 IRTF 因特网工程部 IETF 因特网工程指导小组IESG RGWGRG领域领域因特网体系结构研究委员会 IAB WGWGWG对因特网进行全面管理及在世界范围内促进其发展和使用负责管理因特网

13、有关协议的开发研究特定的短期和中期的工程问题，主要针对协议的开发和标准化进行理论方面的研究和开发一些需要长期考虑的问题q因特网的管理机构251.6.3 国际性标准化组织(续2)q因特网标准化工作的最大特点是面向公众。所有技术文档均可从因特网免费下载。q所有的因特网标准都是以请求评论RFC(Request For Comments)形式在因特网上发表的。q制订因特网的正式标准要经历四个阶段： (1)因特网草案(Internet Draft) 在这个阶段 还不是 RFC 文档，有效期只有6个月。 (2)建议标准(Proposed Standard) 从这个 阶段开始就成为 RFC 文档。 (3)草

14、案标准(Draft Standard) (4)因特网标准(Internet Standard) 261.6.3 国际性标准化组织(续3)各种RFC之间的关系因特网草案建议标准草案标准因特网标准历史的 RFC实验的 RFC提供信息的 RFC6 种 RFC4 个月或两次使用6 个月或两次使用27第 1 章：内容提纲1.1 计算机网络概述1.2 计算机网络的组成和分类1.3 计算机网络的功能和应用1.4 计算机网络的拓扑1.5 计算机网络的性能指标1.6 国际化标准组织1.7 发展趋势1.7 发展趋势q进入21世纪，数据通信将会得到更快的发展，而且会比计算机处理更为重要。它们的未来发展趋势，可以归纳

15、为5个方面： 泛在网络和泛在计算 新信息服务 云计算 下一代网络 网络融合281.7.1 泛在网络和泛在计算q“泛在”源自拉丁语，意为普遍存在、无所不在。q泛在计算UC(ubiquitous Computing)是1991年施乐技术首席官Mark Weiser提出的一种超越传统桌面计算的人机交互新模式，它将信息处理嵌入到用户生活周边空间的计算设备中，协同、透明地为用户提供信息通信服务。q对此，日韩又衍生出泛在网络、欧盟提出环境感知智能AI(Ambient Intelligence)、北美提出普适计算PC(Pervasive Computing)等概念。这些概念的描述不尽相同，核心内涵基本一致，

16、目标都是要“建立一个充满计算和通信能力的环境，同时使这个环境与人们逐渐地融合地一起”。291.7.1 泛在网络和泛在计算(续1)q泛在网络的定义(ITU-T)：在预订服务的情况下，个人和/或设备无论何时、何地、何种方式以最少的技术限制接入到服务和通信的能力。q泛网的关键特征“5C+5Any”，5C分别是融合、内容、计算、通信和连接，5Any分别是任意时间、任意地点、任意服务、任意网络和任意对象。q泛网通过对物理世界的透彻感知、构建无所不在的连接及提供无处不在的个人智能服务，并扩展对环保、城建、物流、医疗监护、能源管理等重点行业的支撑，为人们提供更高效的服务；让人们享受信息通信的便利，让信息通信

17、更好地服务于人们的日常生活中。301.7.1 泛在网络和泛在计算(续2)q泛网的体系结构(三个层次、三个平面)31应用层公众服务应用农业工业应急医疗物流环保行业专用应用网络层个域网家庭网车域网办公网传感网射频识别终端及感知延伸层有线接入泛在网络业务支撑及运营管理电信网互联网行业专用网广播电视网无线宽带3G/4G/5G移动接入数字电视广播卫星1.7.1 泛在网络和泛在计算(续3)q 泛网的关键技术 智能终端系统 基础网络技术 应用层技术q 泛网与传感器网、物联网的关系32泛在网络（物与物、物与人、人与人）物联网（物与物、物与人）传感器网（物与物）1.7.2 新信息服务q网络提供的新信息服务是网络

18、发展的又一趋势。qWeb技术使得人们成为消息的发布者，同时也成为消息的获取者，关键是访问的正确性和信息的价值问题。q应用服务提供商ASP(Application Service Provider)是一个很新的概念。ASP通常是一些服务公司，他们在远程的主机上部署、治理、维护应用程序，然后通过广域网向远端的客户提供软件的计算能力。ASP的客户租用ASP的硬件和软件系统，只提供自己的业务数据（含租金）。qASP将会发展成信息工具，如同电信公司。331.7.3 云计算q云计算(cloud computing)是一种基于互联网的计算方式，通过这种计算方式，供共享的软硬件资源和信息可以按需提供给计算机和

19、其他设备。q云计算的定义q狭义云计算是指IT基础设施通过网络以按需、易扩展的方式进行交付获得所需资源的使用模式。q广义云计算是指通过网络以按需、易扩展的方式进行服务的交付以获得所需服务的使用模式。q云计算的核心思想是，将大量用网络连接的计算资源统一管理和调度，构成一个计算资源池向用户提供按需服务。341.7.3 云计算(续1)q云是网络、互联网的一种比喻说法。提供资源的网络被称为“云”，“云”中的资源在使用者看来是可以无限扩展的，并且可以随时获取，随时扩展，按需使用并付费。q用户不需要了解“云”中基础设施的细节，不必具有相应的专业知识，也无需直接进行控制。典型的云计算提供商往往提供通用的网络业

20、务应用，可以通过浏览器等软件或者其他Web服务来访问，而软件和数据都存储在服务器上。351.7.3 云计算(续2)q云计算的服务层次 基础设施即服务IaaS(Infrastructure-as-a Service)，指用户通过因特网从完善的计算机基础设施获得的服务； 平台即服务PaaS(Platform-as-a Service)，指将软件研发平台作为一种服务，以SaaS软件服务提供底层支撑； 软件即服务SaaS(Software-as-a Service)，又称软件运营(或软营)，是一种基于因特网提供软件服务的软件应用模式。361.7.3 云计算(续3)q云计算服务的特征 基于虚拟化技术快速

21、部署资源或获得服务； 实现动态的、可伸缩的扩展； 按需求提供资源、按使用量付费； 通过互联网提供、面向海量信息处理； 用户可以方便地参与； 形态灵活，聚散自如； 减少用户终端的处理负担； 降低了用户对于IT专业知识的依赖。371.7.4 下一代网络q“下一代”现在有两种说法，一种是下一代因特网NGI(Next Generation Internet)，另一种是下一代电信网NGN(Next Generation Network)。至今都没有统一的精确定义。qNGI的概念源于计算机界的IETF等组织。他们认为NGI就是“下一代因特网”，是一个“高可信网络”,NGN只是未来互联网的一个组成部分。38

22、1.7.4 下一代网络(续1)1、下一代因特网NGIq因特网的变化并未改变因特网的基本结构。其变革慢的原因在于因特网的核心技术(TCP/IP) 很难改变。q自1996年起，美国开始了下一代互联网研究与建设。当时主要有两个项目：一个是由美国34所大学联合发起建设Internet2(简称I2)；另一个是美国国家科学基金会NSF提供资助的下一代因特网NGI。目前，许多国家都在致力于下一代因特网NGI的开发。391.7.4 下一代网络(续2)Internet2q针对现有的因特网存在着技术上和功能上的不足，美国一些大学申请了国家科学基金，以建立一个全新的、独立的仅供这些大学内部使用的、可以连接到现有因特

23、网上的、初始运行速率可达10Gb/s的专用网络，这个想法在1996年10月以Internet2的形式付诸实施。Internet2已经成为全球下一代互联网建设的代名词。401.7.4 下一代网络(续3)qInternet2的目的是为美国的大学和科研群体建立并维持一个技术领先的网络，充分实现宽带网的媒体集成、交互性以及实时合作的功能，推进全球范围内高层次的教育和信息服务，开发下一代互联网高级网络应用项目(诸如数字图书馆、虚拟实验室、网络教学和远程医疗等) ，以及大量的交互式图形/多媒体应用(包括科研可视化、虚拟现实(VR) 和3D虚拟环境)的研究课题。I2 也为各种不同服务政策提供了试验场所，以及

24、建设了一个独立的高速网络试验床Abilene。qInternet2 的核心技术主要包括：下一代网际协议IPv6，组播，区域性网络连接节点Gigapop，ATM层的路径信息、服务质量(QoS) 和网络安全。411.7.4 下一代网络(续4)下一代因特网NGIq现有因特网的不足表现在：上网用户数激增，多媒体应用日趋通信主流，网络带宽已显不足；缺乏管理，造成信息泛滥的混乱局面；网络安全性已是不容忽视的重大问题。q目前对下一代因特网还没有统一的定义，但对其主要特征已有共识：下一代因特网NGI是指比现行的因特网具有传输速率更快，网址更多，功能更强，安全更好，服务更及时，应用更方便，管理更容易，能基本达到

25、信息高速公路计划目标的新一代因特网。421.7.4 下一代网络(续5)q下一代因特网的基本计划，包括：下一代因特网计划、超宽带网络服务VBNS和 I2。q1997年10月，美国政府提出“下一代因特网计划NGI”。下一代因特网计划(NGI)目标q开发下一代网络结构，以比现有的因特网高100倍的速率连接至少100个研究机构，以比现在的因特网高1000倍的速率连接10个类似的网点。端到端的传输速率要超过100 Mb/s至10 Gb/s。43441.7.4 下一代网络(续6) 下一代因特网计划(NGI)目标(续)q使用更加先进的网络服务技术和开发许多带有革命性的应用，如远程医疗、远程教育、有关能源和地

26、球系统的研究、高性能的全球通信、环境监测和预报、紧急情况处理等。q NGI计划使用超高速全光网络，能实现更快速的交换和路由选择，同时具有为一些实时(real time)应用保留带宽的能力。q在整个因特网的管理和保证信息的可靠性和安全性方面也会有很大的改进。1.7.4 下一代网络(续7)q下一代因特网涉及许多新的技术，其中包括IPv6协议、光纤高速传输技术、光交换与智能光网、宽带接入、城域网、软交换、3G和后3G移动通信系统、IP终端和网络安全技术。超高带宽网络服务VBNSq1995年，美国国家科学基金会就VBNS与MCI公司签订5年合作协议，VBNS于1995年4月起投入运行，连接5个超级计算机中心和100所大学及研究机构。从2000年起，VBNS主干速率将逐渐升级到2.5Gb/s，10Gb/s和100Gb/s。451.7.4 下一代网络(续8)我国对下一代因特网的研究与建设q2003年，中国下一代互联网CNGI示范工程是由国家发革委主导，中科院等8部委联合酝酿启动的。q2004年12月底，初步建成CERNET2，连接20个城市的25个核心节点，为数百所高校和科研单位提供下一代互联网的高速接入，并与