第01章-网络概论

第1章计算机网络概论本章学习要求：了解：计算机网络的形成与发展掌握：计算机网络的定义掌握：计算机网络的拓扑构型掌握：计算机网络的分类了解：典型的计算机网络了解：公共数据网的发展了解：计算机网络的应用领域了解：计算机网络应用带来的社会问题1.1计算机网络的形成与发展

（学习要求：了解）1.1.1计算机网络发展阶段的划分（1）

第一阶段：20世纪50年代数据通信技术的研究与发展这一阶段的特点与标志性成果主要表现在：

—数据通信的研究与技术的日趋成熟，为计算机网络的形成奠定了技术基础；

—分组交换概念的提出为计算机网络的研究奠定了理论基础。1.1.1计算机网络发展阶段的划分（2）

第二阶段：20世纪60年代

ARPANET与分组交换技术的研

究与发展这个阶段的特点与标志性成果主要表现在：

—

ARPANET的成功运行证明分组交换理论的正确性；

—

TCP/IP协议的广泛应用为更大规模的网络互联奠定坚实的基础。

—DNS、E-mail、FTP、TELNET、BBS等应用展现了网络技术应用的广阔前景。1.1.1计算机网络发展阶段的划分（3）

第三阶段：20世纪70年代网络体系结构与协议标准化的研究

广域网、局域网与公用分组交换网

的研究与应用这个阶段的特点与标志性成果主要表现在：

—

OSI参考模型的研究对网络理论体系的形成与发展，以及在推进网络协议标准化方面起到了重要的推动作用；

—

TCP/IP协议经受了市场和用户的检验，吸引了大量的投资，推动了互联网应用的发展，成为业界事实上的标准。1.1.1计算机网络发展阶段的划分（4）

第四阶段：20世纪90年代Internet技术的广泛应用网络计算技术的研究与发展宽带城域网与接入网技术的研究与发展网络与信息安全技术的研究与发展

这个阶段的特点与标志性成果主要表现在：

—互联网作为全球性的网际网与信息系统，在当今政治、经济、文化、科研、教育与社会生活等方面发挥了越来越重要的作用；

—计算机网络与电信网络、有线电视网络“三网融合”促进了宽带城域网概念、技术的演变。

—无线局域网与无线城域网技术日益成熟，已经进入应用阶段，无线自组网、无线传感器网络的研究与应用受到了高度重视；

—对等（P2P）网络的研究使新的网络应用不断涌现，成为现代信息服务业新的产业增长点；

—随着网络应用的快速增长，新的网络安全问题不断出现，促使网络安全技术的研究与应用进入高速发展阶段。881.1.2计算机网络的形成

1946年世界上第一台电子数字计算机ENIAC诞生时，计算机技术与通信技术并没有直接的联系；20世纪50年代初，由于美国军方的需要，美国半自动地面防空系统（SAGE）的研究开始了计算机技术与通信技术相结合的尝试；随着计算机应用的发展，出现多台计算机互连的需求，网络用户希望通过网络实现计算机资源共享的目的；典型的研究成果是ARPA（美国远景规划局）网。

ARPANET的主要贡献开展了对计算机网络定义与分类方法的研究。提出了资源子网与通信子网的二级网络结构概念。研究了分组交换的协议与实现技术。研究了层次型网络体系结构的模型与协议体系。开展了TCP/IP协议与网络互联技术的研究。1010ARPANET的成功使

计算机网络的概念发生根本变化早期的面向终端的计算机网络是以单个主机为中心的星形网各终端通过通信线路共享昂贵的中心主机的硬件和软件资源。

分组交换网则是以网络为中心，主机处在网络的外围。用户通过分组交换网可共享连接在网络上的许多硬件和各种丰富的软件资源。

课件制作人：谢希仁从主机为中心到以网络为中心主机终端以主机为中心以分组交换网为中心主机分组交换网课件制作人：谢希仁1.1.3网络体系结构与协议标准化的研究（1）一些大的计算机公司提出了各种网络体系结构与网络协议；例如：—IBM公司的SNA（SystemNetworkArchitecture）—DEC公司的DNA（DigitalNetworkArchitecture）—UNIVAC公司的DCA（DistributedComputerArchitecture）等1.1.3网络体系结构与协议标准化的研究（2）国际标准化组织（ISO）成立专门委员会研究网络体系结构与网络协议国际标准化问题；ISO正式制订开放系统互连参考模型（OSI），并制订了一系列的协议标准；—只要遵循OSI标准，一个系统就可以和位于世界上任何地方的、也遵循这同一标准的其他任何系统进行通信—在市场化方面OSI却失败了：

实现复杂，运行效率低，制定周期长，层次划分不合理，功能重复1.1.3网络体系结构与协议标准化的研究（3）在1969年ARPANET的实验性阶段，研究人员就开始了TCP/IP协议雏形的研究；非国际标准TCP/IP现在获得了最广泛的应用。TCP/IP常被称为事实上的国际标准TCP/IP协议的成功促进了Internet的发展，Internet的发展又进一步扩大了TCP/IP协议的影响。。1.1.4

Internet的应用与高速网络技术发展Internet覆盖了商业、金融、政府、医疗、科研、教育、信息服务、休闲娱乐等众多领域。1993年9月，美国公布国家信息基础设施NII建设计划，NII被形象地称为信息高速公路。1995年2月全球信息基础设施委员会GIIC成立，推动与协调各国信息技术与信息服务的发展与应用。基于Web的电子商务、电子政务、远程医疗、远程教育，以及基于对等结构P2P网络应用使得互联网以超常规的速度发展。16161.1.5宽带网络与全光网络技术发展（1）

很多国家的政府与企业投入巨额资金，把宽带网络作为战略产业来发展；

宽带网络在基础设施、网络产品、信息服务等多个层面上提供了巨大的市场机会，为新的网络服务运营商提供了发展的空间，从而也带动了网络产业的结构调整；1.1.5宽带网络与全光网络技术发展（2）宽带网络建设的两个关键是宽带骨干网技术和宽带接入网技术的发展；—宽带骨干网（核心网）：高速传输网络，高速交换设备—宽带接入网（目前）：数字用户环路、光纤同轴电缆混合、光纤接入、无线、局域网接入全光网会给未来通信网的宽带、容量带来更大地发展空间。—光结点取代电结点，并用光纤互连1.2计算机网络的定义

（学习要求：熟练掌握）1.2.1计算机网络定义的基本内容计算机网络资源共享观点的定义：

以能够相互共享资源的方式互连起来的自治计算机系统的集合。计算机网络的基本特征：计算机网络建立的目的是实现计算机资源的共享。互连的计算机是分布在不同地理位置的多台独立的“自治计算机系统”。

—自治：没有明确的主从关系联网计算机之间的通信必须遵循共同的网络协议。21211.2.2计算机网络与分布式计算机系统的区别分布式计算机系统中“存在着一个能为用户自动管理资源的网络操作系统，由它调用完成用户任务所需要的资源，而整个网络像一个大的计算机系统一样对用户是透明的。”

计算机网络为分布式系统的研究提供了技术基础（物理结构），而分布式系统是计算机网络技术发展的高级阶段（高层软件）。—基于志愿者计算的分布式系统的应用（高能物理、分子生物学、医学、天体物理学、气象学等等）

1.2.3现代网络结构的特点早期计算机网络结构：资源子网和通信子网主机、终端、各种软件与信息资源；提供各种网络资源与网络服务CCP、网线、其他通信设备；完成数据传输、转发等通信处理任务现代网络结构的变化随着微型计算机的广泛应用，大量的微型计算机是通过局域网连入广域网，而局域网与广域网、广域网与广域网的互连是通过路由器实现的；在Internet中，用户计算机需要通过校园网、企业网或ISP（InternerServiceProvider）联入地区主干网，地区主干网通过国家主干网联入国家间的高速主干网，这样就形成一种由路由器互联的大型、层次结构的互联网络。

Internet结构示意图

1.3计算机网络的拓扑构型

（学习要求：熟练掌握）1.3.1计算机网络拓扑的定义拓扑学是几何学的一个分支，是从图论演变而来。拓扑学首先把实体抽象成与其大小、形状无关的点，将连接实体的线路抽象成线，进而研究了点、线、面之间的关系;计算机网络拓扑是通过网中结点与通信线路之间的几何关系表示网络结构，反映出网络中各实体间的结构关系;计算机网络拓扑主要是指通信子网的拓扑构型;拓扑设计要求：网络性能好、系统可靠性高与通信费用低。1.3.2计算机网络拓扑的分类（1）网络拓扑方法：根据通信子网中通信信道类型分类；通信信道类型：广播信道与点-点线路；—广播信道，一对多的广播通信方式，一个公共的通信信道被多个网络结点共享；—点-点信道，一对一的点对点通信方式；广播信道通信子网的基本拓扑构型：总线型、树型、环型、无线通信与卫星通信型（第4章局域网）点-点线路的通信子网基本拓扑构型：星型、环型、树型、网状型1.3.2计算机网络拓扑的分类（2）星型拓扑在星形拓扑结构中，结点通过点-点通信线路与中心结点连接；中心结点控制全网的通信，任何两结点之间的通信都要通过中心结点；星形拓扑构型的特点是：结构简单，易于实现，便于管理。缺点：网络的中心结点是全网性能与可靠性的瓶颈。30星型拓扑30环型拓扑在环形拓扑结构中，结点通过点-点通信线路连接成闭合环路；环中数据将沿一个方向逐站传送；环形拓扑结构简单，传输延时确定；但是环中每个结点与连接结点之间的通信线路都会成为网络可靠性的瓶颈；环网需要设计复杂的环维护协议。31环型拓扑31树型拓扑树形拓扑结构中结点按层次进行连接，信息交换主要在上、下结点之间进行，相邻及同层结点之间通常不进行数据交换，或数据交换量比较小；树形拓扑可以看成星形拓扑的扩展；树形拓扑网络适用于汇集信息的应用要求。32树型拓扑32网状拓扑在网状拓扑结构中，结点之间的连接是任意的，没有规律；网状拓扑的优点是系统可靠性高；网状拓扑结构复杂，必须采用路由选择算法、流量控制与拥塞控制方法；广域网一般都采用网状拓扑。33网状拓扑331.4计算机网络的分类

（学习要求：熟练掌握）1.4.1根据网络传输技术进行分类通信信道的类型有两类：广播通信信道点-点通信信道相应的计算机网络也可以分为两类：广播式网络（BroadcastNetworks）点-点式网络（Point-to-PointNetworks）

广播式网络（BroadcastNetworks）所有联网计算机共享一个公共通信信道；一台计算机发送报文分组时，其他计算机都会接受到这个分组；分组地址与本地地址相同，接受；不同，丢弃；三类地址：单节点、多节点、广播地址。

点-点式网络（Point-to-PointNetworks）一条线路一对计算机；中间节点转发；多条路由，路由选择分组转发路径；分组储存转发与路由选择机制是点-点式网络与广播式网络的重要区别之一。

1.4.2根据网络覆盖范围进行分类按覆盖的地理范围分类，计算机网络可以分为三类：局域网（LAN，LocalAreaNetwork）城域网（MAN，MetropolitanAreaNetwork）广域网（WAN，WideAreaNetwork）局域网（LAN）的基本特征局域网用于将有限范围内（例如一个实验室、一幢大楼、一个校园）的各种计算机、终端与外部设备互联成网；局域网可以分为共享介质局域网与交换式局域网；局域网技术发展迅速，应用日益广泛，是计算机网络中最活跃的领域之一。3939城域网（MAN）的基本特征城域网的设计目标是要满足几十公里范围内的大量企业、机关、公司的多个局域网互联的需求，以实现大量用户之间的数据、语音、图形与视频等多种信息的传输。宽带城域网的概念逐渐取代传统意义上的城域网。宽带城域网已经成为目前研究、应用与产业发展的一个重要领域。4040广域网（WAN）的基本特征广域网覆盖的地理范围从几十公里到几千公里；广域网可以是覆盖一个国家、地区，或横跨几个洲；广域网将分布在不同地区的宽带城域网或计算机系统互联起来，提供各种网络服务，实现信息资源共享。41411.5典型计算机网络

（学习要求：了解）分组交换的产生三种交换技术：—电路交换：“建立连接通信释放连接”

传送计算机数据效率低，可靠性低；—报文交换：“存储转发”时延长；—分组交换：“存储转发”高效，灵活，迅速，可靠。电路交换举例A和B通话经过四个交换机通话在A到B的连接上进行((((交换机交换机交换机交换机用户线用户线中继线中继线BDCA课件制作人：谢希仁电路交换举例C和D通话只经过一个本地交换机通话在C到D的连接上进行((((交换机交换机交换机交换机用户线用户线中继线中继线BDCA课件制作人：谢希仁分组交换网的示意图H1A互联网BDECH5H6H4H2H3H1向H5

发送分组H2向H6

发送分组注意分组路径的变化！路由器主机课件制作人：谢希仁分组交换的优点高效

动态分配传输带宽，对通信链路是逐段占用。

灵活

以分组为传送单位和查找路由。迅速

不必先建立连接就能向其他主机发送分组。可靠

保证可靠性的网络协议；分布式的路由选择协议使网络有很好的生存性。

课件制作人：谢希仁三种交换的比较P1P2P3P4P1P2P3P4P3P4报文报文报文ABCDABCDABCD报文交换电路交换分组交换t连接建立数据传送报文P2P1连接释放数据传送的特点比特流直达终点报文报文报文分组分组分组存储转发存储转发存储转发存储转发课件制作人：谢希仁因特网发展的三个阶段第一阶段是从单个网络ARPANET向互联网发展的过程；第二阶段的特点是建成了三级结构的因特网；第三阶段的特点是逐渐形成了多层次ISP（InternetServiceProvider因特网服务提供者）结构的因特网(Internet)。

1.5.1ARPANET1969年11月，实验性的ARPANET开通；1975年，ARPANET已经连入了100多台主机，并且结束了网络实验阶段，移交美国国防部国防通信局正式运行；1983年1月，ARPANET向TCP/IP的转换结束；80年代中期，ARPANET成为Internet的主干网；1990年，ARPANET退役。ARPANET对网络的产生与发展起了重要的影响。

1.5.2NSFNET1984年，NSF决定组建NSFNET；NSFNET采取的是一种层次型结构，分为主干网、地区网与校园网；1990年，NSFNET主干网的传输速率为44.746Mbps；1995年4月1日，NSF和MCI合作创建了NvBS（veryhigh-speedbackboneservice）；vBNS主干网运行的速率范围是从622Mbps（OC12）到4.8Gbps（OC48）。

比特（bit）—数据量的单位，一个“二进制数字”，1bit=二进制数字中的一个“1”或“0”，bps=b/s。k(千)=103,M(兆)=106,G(吉)=109，T(太)=10121.5.3Internet80年代中期人们开始认识到Internet的重要作用；90年代是Internet历史上发展的最快的时期；Internet应用主要有E-mail、WWW、Telnet、FTP与Usenet等，随着Internet规模和用户的不断增长，Internet上的应用领域也进一步得到开拓；从用户的角度来看，Internet是一个全球范围的信息资源网；从网络结构角度看，Internet是一个由路由器互联起来的大型网际网。1.5.4Internet2由于Internet的商业化与业务量增多，导致网络整体性能降低；1996年10月，一些大学申请建立Internet2，为其成员组织服务，初始运行速率可达10Gbps；Internet2可以用于多媒体虚拟图书馆、远程医疗、远程教学、视频会议、视频点播、天气预报等领域；Internet2在网络层运行的是IPv4，同时也支持IPv6业务，希望形成下一代Internet的技术与标准。

1.6公共数据网的发展

（学习要求：了解）1.6.1X.25网X.25网是一种典型的公用分组交换网，它是CCITT为广域网制定的一个公用分组交换网；制定X.25标准的基础是传输速率低、误码率高的通信线路，为了克服通信线路数据传输质量较差的缺点，X.25标准采用了复杂的差错控制、流量控制与拥塞控制机制，协议复杂，工作效率不高；X.25网的传输速率一般为64Kbps；X.25标准主要是针对大型机与终端连网。1.6.2帧中继帧中继主要考虑如何减少数据帧在通信子网中的开销，没有采用流量控制与差错控制机制，通信子网中的差错控制由主机的高层来保证；数据帧通过帧中继网的处理时间可以比通过X.25网降低一个数量级，而吞吐量要比X.25网络提高一个数量级以上；目前帧中继网的数据传输速率一般为1.5Mbps；帧中继网主要用于局域网之间的互连。

1.6.3综合业务数据网CCITT提出将语音、数据、图像等业务综合在ISDN一个网络之中；B-ISDN的目标是将语音、数据、静态与动态图像传输，以及N-ISDN提供的所有服务综合在一个通信网中，覆盖从低传输速率、非实时传输要求，到高传输速率、实时突发性等各类传输要求；B-ISDN采用异步传输模式ATM技术。从传统的电信网

向ISDN的发展

1.6.4异