计算机网络与通信(第1章)

1、 计算机网络与通信吴润泽 许晨通信技术教研室参考书目n计算机网络与通信计算机网络与通信张曾科编著， 机械工业出版社n计算机网络（第 4 版），谢希仁编著， 电子工业出版社n计算机及网络技术与应用，刘冰主编，机械工业出版社，2008年3月第一版第1章 概 述n1.1 计算机网络及其分类n1.2 计算机网络的发展n1.3 计算机网络的标准化工作1.1 计算机网络及其分类1.1.1 什么是计算机网络n计算机网络是计算机技术和通信技术相结合的产物世界上第一台电子世界上第一台电子 数字计算机数字计算机ENIAC 第二次世界大战期间，美国军方要求宾州大学莫奇来（Mauchly）博士和他的学生爱克特（Eck

2、ert） 设计以真空管取代继电器的电子化电脑-埃尼阿克 ENIACENIAC（Electronic Numerical Integrator and Electronic Numerical Integrator and CalculatorCalculator）， 电子数字积分器与计算器），目的是用来计算炮弹弹道。这部机器使用了18800个真空管，长50英尺，宽30英尺，占地1500平方英尺，重达30吨（大约是一间半的教室大，六只大象重）。它的计算速度快，每秒可从事5000次的加法运算，运作了九年之久。由於吃电很凶，据传ENIAC每次一开机，整个费城西区的电灯都为之黯然失色。运算器、控制器、

3、存储器、输入器和输出器。运算器和控制器采用电子管，主存储器采用汞延迟线或磁鼓，外存储器采用磁鼓和磁带。第二代晶体管计算机(1956-1963） 1954年，美国贝尔实验室研制成功第一台使用晶体管线路的计算机，取名“催迪克”（TRADIC）装有800个晶体管1.1.1 什么是计算机网络摩尔定律当价格不变时，集成电路上可容纳的元器件的数目，约每隔18-24个月便会增加一倍，性能也将提升一倍。（1）集成电路芯片上所集成的电路数目，每隔18个月翻一番；（2）微处理器的性能每隔）微处理器的性能每隔18个月提高一倍，而价格下降个月提高一倍，而价格下降50%（3）用一个美元所能买到的电脑性能，每隔）用一个美

4、元所能买到的电脑性能，每隔18个月翻两番个月翻两番。 便携式移动电话之父便携式移动电话之父Martin Cooper电讯技术的兴起为远距离传递和交流信息提供了条件Jack Kilby集成电路之父集成电路之父1838年摩尔斯发明了有线电报Guglielmo Marconi1896年无线电报年无线电报18761876年贝尔在演示使用电话年贝尔在演示使用电话高锟提出光纤理论高锟提出光纤理论n通信技术的发展：1838年莫尔斯发明电报，1876年电话，1896年马可尼无线电报，1927年AT&T夸大西洋电话，1972年商用光纤通信系统；n通信与计算机技术的结合1.1.1 什么是计算机网络n荷兰阿

5、姆斯特丹Vrije大学计算机科学系教授、皇家艺术与科学院院士Andrew S. Tanenbaum：计算机网络是自治的计算机互连起来的集合(An Interconnected Collection of Autonomous Computers)。n计算机网络有硬件和软件两部分组成：(1) 硬件(Hardware)n计算机，即所谓的主机(Host)或端系统(End Systems, ES)。n通信设备，即中间系统(Intermediate Systems, IS)。n接口设备，网卡、调制解调器等。n传输媒体或称传输介质(Medium)，双绞线、同轴电缆、光纤等。1.1.1 什么是计算机网络(2

6、) 软件(Software)n通信协议。n应用软件。n计算机网络提供各种各样的应用服务：(1) 共享资源访问 访问网络、远程登录服务、网络文件访问等。(2) 远程用户通信 Email、IP电话、网络会议等。(3) 网上事务处理 电子商务、电子金融、远程教育、远程医疗等。nIT时代四大定律n摩尔定律n贝尔定律：计算能力不变，处理器价格和体积每18个月缩减一半。n以太网发明人Bob Metcalfe：网络价值同网络用户数量的平方成正比。n数字时代三大思想家George Gilder：主干网带宽每6个月增加1倍，增长速率超过摩尔定律，是芯片增长速率的3倍。1.1.1 什么是计算机网络1.1.2 计算

7、机网络的分类n计算机网络的分类可以从不同的角度和特征进行划分:n根据网络覆盖的地域范围（跨越的距离）n根据网络的拓扑结构n根据使用的网络的通信协议n根据数据的交换方式n根据网络的传输媒体n根据网络使用单位的性质n根据网络服务的对象（专用/公共）n根据网络的应用性质局域网+城域网+广域网=互联网（internet）因特网（Internet）：全世界绝大多数网络互连在一起1.1.2 计算机网络的分类n局域网（LAN）n一般地理范围在10km以内。n主要特点：n数据传输速率高，一般为10100Mbit/s。n数据传输可靠，误码率低，通常为10-1210-7。n大多数LAN采用总线(Bus)、环形(R

8、ing)及星形(Star)拓扑，结构简单。n一般为广播网络(Broadcast Network)，共享信道，产生冲突。n通常是由单一组织所拥有和使用。nLAN有以太网(Ethernet)、令牌环网(Token Ring Network)、令牌总线 网(Token Bus Network)和无线局域网(Wireless LAN, WLAN)等。1.1.2 计算机网络的分类n广域网(WAN)n覆盖地域可达100km以上。nWAN一般由主机和通信子网组成。nWAN网络拓扑结构一般比LAN复杂，多为网形(Mesh)、树形(Tree) 或它们的混合。nWAN大多是交换式网络(Switched Netwo

9、rk)。nWAN常常采用信道复用技术。n典型的WAN有ARPANET和X.25分组交换网,帧中继(Frame Relay, FR)， 异步传输模式(Asynchronous Transfer Mode, ATM)。WAN(网形拓扑、交换式网络)的网络结构1.1.2 计算机网络的分类n城域网(MAN)n一般在10100km的区域。nIEEE 802.6分布式队列双总(Distributed Queue Dual Bus, DQDB)。nLAN和WAN都广泛应用到MAN领域中：千兆和万兆以太 网，ATM，同步数字系列/同步光纤网SDH/SONET，波分多路复用WDM技术。n弹性分组环(Resili

10、ent Packet Ring, RPR)。1.1.2 计算机网络的分类n互联网和Internetn若干个网络由称为路由器(Router)的网络设备连接在一起便成了互联网，是网络的集合，是网络的网络。nInternet是使用TCP/IP协议族的、覆盖全球范围的、开放的互联网。nTCP/IP技术的核心是实现网络的互联(Internetworking)，其关键的思想是在底层网络与高层应用程序和用户之间加入中间层次，屏蔽底层细节，向用户提供通用一致的网络服务。nInternet拓扑结构是松散分层的，不受某个权威部门的控制，在商业利益驱动下扩展演进。nInternet 各个层次的网络干线由不同级别的I

11、nternet服务提供商(Internet Service Provider, ISP)来建立经营并向社会提供网络服务。1.1.2 计算机网络的分类Internet网络结构互联网 1.2 计算机网络的发展n是 20 世纪 60 年代美苏冷战时期的产物。n60 年代初，美国国防部领导的远景研究规划局ARPA (Advanced Research Project Agency) 提出要研制一种生存性(survivability)很强的网络。n传统的电路交换(circuit switching)的电信网有一个缺点：正在通信的电路中有一个交换机或有一条链路被炸毁，则整个通信电路就要中断。n如要改用其他

12、迂回电路，必须重新拨号建立连接。这将要延误一些时间。1.2.1 早期的计算机网络n20世纪50年代中期n美国地面防空系统(SAGE)最早的计算机网络雷达等检测装置的信号通过通信线路送入IBM计算机n美国航空公司的飞机票预订系统(SABER)第一个商用的计算机网络系统中心计算机连接2000个终端n以单台计算机为中心的远程联机系统。 1.2.2 分组交换网的产生n20世纪60年代n多台具有自主处理能力的计算机通过通信线路连接起来，使用分组交换方式进行通信。nARPANET，IMP(Interface Message Processor)接口报文处理机。存储转发的计算机网络IMP1.2.2 分组交换

13、网的产生n存储转发(Store And Forward)。n分组交换或包交换，分组交换网。n通信子网(Communication Subnet) n资源子网(Re-source Subnet)n公共数据网(Public Data Network-, PDN)。1.2.3 计算机网络体系结构的形成n计算机网络的层次结构及各层协议的集合统称计算机网络的体系结构(Architecture)。 只有具有同样体系结构的计算机网络才能无缝地互连。n开放系统互连参考模型(Open System Interconnection /Reference Model, OSI/RM)， 1977年ISO成立分委员会

14、开展研究，1983年制定nTCP/IP体系结构，事实上的标准 DARPA资助推出，1983年将所有计算机转向TCP/IP1.2.4 局域网的产生与发展n20世纪70年代产生： 1972年美国加州大学研制了Newhall loop网； 1974年英国剑桥大学计算机实验室建立了剑桥环（Cambridge ring）。 1975年Xerox公司Palo Alto研究中心研制了第一个总线结构的实验性的以太网（Ethernet）；n80年代，PC-LAN，多种LAN纷纷出现n90年代后，以太网成为LAN的主流网络，保持了支配性的市场地位。nIEEE对LAN的发展做出了卓越的贡献。 1.2.5 Inter

15、net时代n20世纪90年代，计算机网络进入了Internet时代。n1996年美国政府NGI (Next-Generation Internet)计划。n1998年美国100多所大学成立UCAID (University Corporation for Advanced Internet Development)，从事Internet2研究计划。n加拿大、英国以及亚太地区n光通信：“电子瓶颈”n全光网(All Optical Network, AON)光互联网论坛(OpticalInternetworking Forum, OIF)。Abilene主干n21 世纪的一些重要特征就是数字化、网

16、络化和信息化，它是一个以网络为核心的信息时代。n网络现已成为信息社会的命脉和发展知识经济的重要基础。n网络是指“三网”，即电信网络、有线电视网络和计算机网络。n发展最快的并起到核心作用的是计算机网络1.2.6 计算机网络在我国的发展n1989年11月，第一个分组交换网CNPAC建成。n1993年中国公用分组交换网，CHINAPAC。n20世纪80年代后，LAN迅速发展。n1994年，正式接入Internet。n目前我国有9大互联网。n我国国民经济和社会信息化的三大工程：政府上网工程、企业上网工程和家庭上网工程。n中国下一代互联网示范工程(China Next Generation Intern

17、et, CNGI)。nCNGI第一个实验网络NSFCNET于1999年建设，2001年验收。2001年CERNET(CERNET2)。IPv6网络因特网发展的第一阶段n第一个分组交换网 ARPANET 最初只是一个单个的分组交换网。 nARPA 研究多种网络互连的技术。n1983 年 TCP/IP 协议成为标准协议。n同年，ARPANET分解成两个网络：nARPANET进行实验研究用的科研网nMILNET军用计算机网络n19831984 年，形成了因特网 Internet。n1990 年 ARPANET 正式宣布关闭。 因特网发展的第二阶段n1986 年，NSF 建立了国家科学基金网。 NSF

18、NET。它是一个三级计算机网络： n主干网n地区网n校园网n1991 年，美国政府决定将因特网的主干网转交给私人公司来经营，并开始对接入因特网的单位收费。n1993 年因特网主干网的速率提高到 45 Mb/s（T3 速率）。 三级结构的因特网n各网络之间需要使用路由器来连接。n有时在结构图中可不画出路由器。校园网校园网校园网校园网校园网校园网国家主干网地区网地区网地区网路由器三级结构的因特网n主机到主机的通信可能要经过多种网络。校园网校园网校园网校园网校园网校园网国家主干网地区网地区网地区网因特网发展的第三阶段n从1993年开始，由美国政府资助的 NSFNET逐渐被若干个商用的 ISP 网络所

19、代替。 n1994 年开始创建了 4 个网络接入点 NAP (Network Access Point)，分别由 4 个电信公司经营。nNAP 就是用来交换因特网上流量的结点。在NAP 中安装有性能很好的交换设施。到本世纪初，美国的 NAP 的数量已达到十几个。n从 1994 年到现在，因特网逐渐演变成多级结构网络。 多级结构的因特网大公司地区 ISP网络接入点NAP（对等点）公司校园网主干服务提供者校园网校园网校园网校园网本地 ISP地区 ISP地区 ISP地区 ISP本地 ISP本地 ISP大公司大公司网络接入点NAP（对等点）n主机到主机的通信可能经过多种 ISP。1.3 计算机网络的标

20、准化工作1.3.1 标准化组织n国际标准化领域相关组织n国际标准化组织(International Standards Organization, ISO)。n电气电子工程师协会(Institute of Electrical and Electronics Engineers, IEEE)。n因特网标准化机构n因特网协会(Internet Society, ISOC)。n因特网体系结构委员会(Internet Architecture Board, IAB)。n因特网工程部(Internet Engineering Task Force, IETF)。n因特网研究部(Internet Res

21、earch Task Force, IRTF)。 1.3.1 标准化组织n因特网编号管理局(Internet Assigned Numbers Authority, IANA)，Internet名字和号码分配公司(ICANN)。nRFC 编辑部(RFC Editor)，RFC (Request For Comments, 请求评注)文档。n电信界标准化组织n国际电信联盟(International Telecommunication Union, ITU)。下属的电信标准化部门ITU-T，前身为国际电报电话咨询委员会(CCITT)，其标准称为“建议”，政府可以按自己的意愿决定是否采用。1.3.

22、2 RFC文档n标准化进程中(Standards Track)。 Internet草案、建议标准、草案标准、因特网标准n最好的当前实践(Best Current Practice)。 某些操作规则或IETF处理工作方式的标准n非标准的(Non-Standards)。 实验的、提供信息的、历史的文档关于因特网的标准化工作因特网协会 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