第1章计算机网络概述

第1章计算机网络概述【本章内容简介】本章概述了计算机网络的发展、功能、特点、组成、分类以及拓扑结构等基础知识，为后续内容的展开做了铺垫。

【本章重点难点】掌握计算机网络的基本概念、基本组成、分类方法和网络的拓扑结构，了解计算机网络发展的几个阶段和将来发展趋势。1通信网与计算机网络通信网分类电话网：交换方式一般采用电路交换方式电报网广播电视网数据通信网：交换方式一般采用存储转发交换方式计算机网络通信网硬件组成：终端设备传输设备与链路交换设备电路交换方式：在两个终端互相通信之前。预先建立起一条实际的物理链路，在通信中始终用该链路进行信息传输，不允许其他终端同时共享该链路，通信结束再拆除该链路。2计算机网络

在信息时代的作用21世纪的一些重要特征就是数字化、网络化和信息化，它是一个以网络为核心的信息时代。信息高速公路：1992年克林顿信息技术：第三次科技革命（蒸汽技术革命和电力技术革命）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。网络是指“三网”，即电信网络、有线电视网络和计算机网络。三网融合发展最快的并起到核心作用的是计算机网络。3因特网(Internet)的发展进入20世纪90年代以后，以因特网为代表的计算机网络得到了飞速的发展。已从最初的教育科研网络逐步发展成为商业网络。E.g.

ARPAnet是一个军用研究系统，后来又成为连接大学及高等院校计算机的学术系统1989年，在欧洲粒子物理研究所工作的蒂姆出于高能物理研究的文档查询与共享访问需要发明了万维网BBS：校园内的公告板已成为仅次于全球电话网的世界第二大网络。4因特网的意义因特网是自印刷术以来人类通信方面最大的变革。“开放、共享”思想的传播知识产权问题现在人们的生活、工作、学习和交往都已离不开因特网。51.1计算机网络的形成与发展1.1.1计算机网络的发展历程1．面向终端的计算机网络（20世纪50年代初～60年代中期）

单主机+终端图1-1面向终端的计算机网络61.1计算机网络的形成与发展1.1.1计算机网络的发展历程1．面向终端的计算机网络（20世纪50年代初～60年代中期）单主机+前端处理机/通信控制处理机+终端典型例子：早期图书馆远程查询系统图1-2面向终端的计算机网络71.1计算机网络的形成与发展1.1.1计算机网络的发展历程2．多主机互联的网络阶段（20世纪60年代中期～70年代中期）

主机与主机间的信息交换与资源共享图1-3多主机互联的计算机网络8计算机网络标志之一ARPANet，第一个分组交换网是20世纪60年代美苏冷战时期的产物。60年代初，美国国防部领导的远景研究规划局ARPA(AdvancedResearchProjectAgency)提出要研制一种生存性(survivability)很强的网络。传统的电路交换(circuitswitching)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。如要改用其他迂回电路，必须重新拨号建立连接。这将要延误一些时间。9ARPANet的成功使计算机网络的概念发生根本变化

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10ARPANet对网络技术发展的贡献：完成了对计算机网络的定义、分类提出资源子网、通信子网的两级网络结构的概念研究报文分组交换的数据交换方法采用层次结构的网络体系结构模型与协议体系促进TCP/IP协议的发展113．开放式标准化计算机网络阶段

（20世纪70年末～90年代中期）1983年ISO形成正式文件

ISO7498国际标准：开放系统互连基本参考模型OSI/RM：七层协议的结构TCP/IP参考模型1974年Kahn定义了最早的TCP/IP参考模型；20世纪80年代Leiner、Clark等人对TCP/IP进一步研究；局域网1981年6月，IEEE802工程决定组成802.3分委员会1983年IEEE802.3草稿标准形成IEEE10BASE5以太网1989年ISO采纳802.3以太网标准，IEEE标准8O2.3正式得到国际上的认可124．网络互连与高速网络阶段（20世纪90年代末～至今）Internet网络标准化TCP/IP

新兴网络技术NGN/NGI：国际电信联盟电信标准化部门（ITU-T）归纳NGN主要特征：基于分组传输控制功能与承载能力、呼叫与会晤、应用与服务分离业务提供与网络分离，并提供开放接口支持广泛的业务。包括实时/流/非实时和多媒体业务具有端到端透明传递的宽带能力与现有传统网络互通具有通用移动性10G以太网全光网络：光纤到户软交换技术：将传统的交换设备部件化，用纯软件将呼叫控制与媒体处理分离。13Internet因特网1网络的网络起源于美国的因特网现已发展成为世界上最大的国际性计算机互联网网络(network)由若干结点(node)和连接这些结点的链路(link)组成。互联网是“网络的网络”(networkofnetworks)。连接在因特网上的计算机都称为主机(host)。14请注意名词“结点”“结点”的英文名词是node。虽然node有时也可译为“节点”，但这是指像天线上的驻波的节点，这种节点很像竹竿上的“节”。在网络中的node的标准译名是“结点”而不是“节点”。但数据结构的树(tree)中的node应当译为“节点”。15网络与因特网网络把许多计算机连接在一起。因特网则把许多网络连接在一起。16(a)(b)网络互联网（网络的网络）结点链路17主机因特网182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。1983年TCP/IP协议成为ARPANET上的标准协议。人们把1983年作为因特网的诞生时间。19Internet和internet的区别以小写字母i

开始的internet（互联网或互连网）是一个通用名词，它泛指由多个计算机网络互连而成的网络。以大写字母I开始的的Internet（因特网）则是一个专用名词，它指当前全球最大的、开放的、由众多网络相互连接而成的特定计算机网络，它采用TCP/IP协议族作为通信的规则，且其前身是美国的ARPANET。20三级结构的因特网第二阶段的特点是建成了三级结构的因特网。三级计算机网络，分为主干网、地区网和校园网（或企业网）。21多层次ISP结构的因特网第三阶段的特点是逐渐形成了多层次ISP结构的因特网。出现了因特网服务提供者ISP(InternetServiceProvider)。22用户因特网ISP1ISP2因特网服务提供者用户通过ISP上网根据提供服务的覆盖面积大小以及所拥有的IP地址数目的不同，ISP也分成为不同的层次。23一级ISP一级ISP第一层

ISP大公司本地

ISP大公司大公司公司本地

ISP本地

ISP校园网校园网校园网校园网第二层

ISP第二层

ISPNAPNAPAB主机A→本地ISP→第二层ISP→NAP→第一层ISP→NAP→第二层ISP→本地ISP→主机B第一层

ISP第二层

ISP本地

ISP本地

ISP本地

ISP本地

ISP第一层

ISP第一层第二层第三层本地

ISP第二层

ISP本地

ISP本地

ISP本地

ISP本地

ISP第二层

ISP本地

ISP本地

ISP第二层

ISP24万维网WWW的问世因特网已经成为世界上规模最大和增长速率最快的计算机网络，没有人能够准确说出因特网究竟有多大。因特网的迅猛发展始于20世纪90年代。由欧洲原子核研究组织CERN开发的万维网WWW(WorldWideWeb)被广泛使用在因特网上，大大方便了广大非网络专业人员对网络的使用，成为因特网的这种指数级增长的主要驱动力。25因特网的发展情况概况

网络数主机数用户数管理机构数1980101021021001990103105106101

2000105107108102

2005106108109103263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…RGWG……RG…领域领域因特网体系结构研究委员会IABWGWGWG27制订因特网的正式标准要经过以下的四个阶段因特网草案(InternetDraft)——在这个阶段还不是

RFC文档。建议标准(ProposedStandard)——从这个阶段开始就成为RFC文档。草案标准(DraftStandard)因特网标准(InternetStandard)28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RFC293因特网的组成从因特网的工作方式上看，可以划分为以下的两大块：(1)边缘部分由所有连接在因特网上的主机组成。这部分是用户直接使用的，用来进行通信（传送数据、音频或视频）和资源共享。(2)核心部分由大量网络和连接这些网络的路由器组成。这部分是为边缘部分提供服务的（提供连通性和交换）。30因特网的核心部分因特网的边缘部分主机网络路由器因特网的边缘部分与核心部分31（1）

因特网的边缘部分处在因特网边缘的部分就是连接在因特网上的所有的主机。这些主机又称为端系统(endsystem)。“主机A和主机B进行通信”，实际上是指：“运行在主机A上的某个程序和运行在主机B上的另一个程序进行通信”。即“主机A的某个进程和主机B上的另一个进程进行通信”。或简称为“计算机之间通信”32两种通信方式在网络边缘的端系统中运行的程序之间的通信方式通常可划分为两大类：客户服务器方式（C/S方式）即Client/Server方式对等方式（P2P方式）即Peer-to-Peer方式331.客户服务器方式客户(client)和服务器(server)都是指通信中所涉及的两个应用进程。客户服务器方式所描述的是进程之间服务和被服务的关系。客户是服务的请求方，服务器是服务的提供方。34运行客户程序网络边缘网络核心运行服务器程序AB①请求服务②得到服务客户服务器客户A向服务器B发出请求服务，而服务器B向客户A提供服务。35客户软件的特点被用户调用后运行，在打算通信时主动向远地服务器发起通信（请求服务）。因此，客户程序必须知道服务器程序的地址。不需要特殊的硬件和很复杂的操作系统。36服务器软件的特点一种专门用来提供某种服务的程序，可同时处理多个远地或本地客户的请求。系统启动后即自动调用并一直不断地运行着，被动地等待并接受来自各地的客户的通信请求。因此，服务器程序不需要知道客户程序的地址。一般需要强大的硬件和高级的操作系统支持。372.对等连接方式对等连接(peer-to-peer，简写为P2P)是指两个主机在通信时并不区分哪一个是服务请求方还是服务提供方。只要两个主机都运行了对等连接软件（P2P软件），它们就可以进行平等的、对等连接通信。双方都可以下载对方已经存储在硬盘中的共享文档。38对等连接方式的特点对等连接方式从本质上看仍然是使用客户服务器方式，只是对等连接中的每一个主机既是客户又同时是服务器。例如主机C请求D的服务时，C是客户，D是服务器。但如果C又同时向F提供服务，那么C又同时起着服务器的作用。39网络边缘网络核心运行P2P程序运行P2P程序DCEF运行P2P程序运行P2P程序40（2）因特网的核心部分网络核心部分是因特网中最复杂的部分。网络中的核心部分要向网络边缘中的大量主机提供连通性，使边缘部分中的任何一个主机都能够向其他主机通信（即传送或接收各种形式的数据）。在网络核心部分起特殊作用的是路由器(router)。路由器是实现分组交换(packetswitching)的关键构件，其任务是转发收到的分组，这是网络核心部分最重要的功能。41计算机网络在我国的发展(1)中国公用计算机互联网CHINANET(2)中国教育和科研计算机网CERNET(4)中国联通互联网UNINET(5)中国网通公用互联网CNCNET(7)中国移动互联网CMNET（包含铁通）(8)中国长城互联网CGWNET（长城宽带）(9)中国卫星集团互联网CSNET

421.1.2计算机网络的定义

计算机网络是利用通信设备和线路把地理上分散的多台具有独立功能的计算机系统连接起来，在功能完善的网络软件支持下，进行数据通信，实现资源共享、互操作和协同工作的系统。所谓“具有独立功能“的计算机系统是指在网络中每台计算机的地位是相等的，具有自己的软硬件系统，能够独立运行，没有谁控制谁的问题。最简单的定义：计算机网络是一些互相连接的、自治的计算机的集合。因特网(Internet)是“网络的网络”。431．数据通信：信息传输与链路连通2．资源共享（1）硬件共享：仪器远程操作（2）软件共享：计算服务（3）数据共享：3．分布式处理和均衡负荷

e.g.超级计算、海量存储与服务4．提高安全可靠性 e.g.数据异地备份1.1.3计算机网络的功能441．可靠性：

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2．独立性3．高效性：

动态分配传输带宽，对通信链路是逐段占用4．扩充性5．透明性6．可控性7．廉价性1.1.4计算机网络的特点451.2.1计算机网络系统的逻辑组成

计算机网络在逻辑上可分为两个子网，如图，一个计算机网络是由资源子网(虚框外部)和通信子网(虚框内部)构成的，资源子网负责信息处理，通信子网负责全网中的信息传递。1.2计算机网络的组成与分类图1-5计算机网络结构图461.2.1计算机网络系统的逻辑组成资源子网负责数据处理，向用户提供以及使用网络资源与服务，包括：主机：主要组成单元用户终端：I/O设备、智能终端软硬件资源信息资源471.2.1计算机网络系统的逻辑组成通信子网负责网络数据传输：网络节点：交换机、路由器通信链路：光纤、无线信道（微波、卫星）、铜线信号变换设备：调制解调器、光路复用器、光电转换器48

计算机通信网硬件组成主要包括：主体设备：主机、服务器、防火墙网络设备：路由器、交换机传输介质：光纤、双绞线、无线1.2计算机网络的组成与分类1.2.2计算机网络的硬件组成HP刀片服务器cisco路由器CRS-1JuniperNetScreen防火墙cisco交换机DELL机架服务器室外铠装光纤光跳线吸顶无线AP普通AP491.2.3计算机网络的软件组成1．网络协议和通信软件 TCP/IP NetBEUI：即NetBiosEnhancedUserInterface。是NetBIOS协议的增强版本，曾被许多操作系统采用，例如WindowsforWorkgroup、Win9x系列、WindowsNT等。NETBEUI协议在许多情形下很有用，是WINDOWS98之前的操作系统的缺省协议。NetBEUI协议是一种通信效率高的广播型协议，安装后不需要进行设置，特别适合于在“网络邻居”传送数据。IPX/SPX：Novell开发的专用于NetWare网络中的协议，大部分可以联机的游戏都支持IPX/SPX协议，比如星际争霸，反恐精英501.2.3计算机网络的软件组成2．网络操作系统UNIX常用的UNIX系统版本主要有：UnixSUR4.0、HP-UX11.0，Oracle(SUN)的Solaris10等。支持网络文件系统服务，提供数据等应用，功能强大。桌面UNIX：Linux、FreeBSD，小型服务器操作系统Windows类：在局域网中，微软的网络操作系统主要有：WindowsNT4.0、Windows2000、及Windows2003。NetWare类NetWare操作系统仍以对网络硬件的要求较低，在无盘工作站组建方面具有优势，且兼容DOS命令，应用环境与DOS相似。常用的版本有3.11、3.12和4.10、V4.11，V5.0等中英文版本。NetWare服务器对无盘站和游戏的支持较好，常用于教学网和游戏厅。511.2.3计算机网络的软件组成3．网络管理软件能够完成网络管理功能的网络管理软件系统。几乎所有的网络公司的产品都支持SNMP标准，具有代表性的网络管理系统有HPOpenView,IBM公司的Cisco公司的CiscoWorks,SUN公司的SUNManager。网络应用：电子商务网银云计算网络游戏物联网521．按照网络的覆盖范围划分，可分为局域网、城域网和广域网。1.2.4计算机网络的分类局域网教育城域网金融行业广域网532．按网络的拓扑结构划分，可分为总线型网络、环形型网络、星型网络、树型网络和网状型网络等。3．按照网络的数据交换方式划分，可分为电路交换网、报文交换、分组交换、帧中继交换网、ATM交换网和混合交换网。电路交换网：电路交换是指按照需求建立连接并允许专用这些连接直至它们被释放这样一个过程。电路交换网络包含一条物理路径，并支持网络连接过程中两个终点间的单连接方式。公众电话网（PSTN网）和移动网（包括GSM网和CDMA网）采用的都是电路交换技术。传统的语音电话服务通过公共交换电话网PSTN（而不是IP语音）实现电路交换过程。在用户呼叫期间为用户呼叫号码设定一条特定的物理路径。1.2.4计算机网络的分类54报文交换messageswitching：结点把要发送的信息组织成一个数据包——报文，该报文中含有目标结点的地址，完整的报文在网络中一站一站地向前传送。报文交换是以报文为数据交换的单位，报文携带有目标地址、源地址等信息，在交换结点采用存储转发的传输方式。报文交换只适用于数字信号。在实际应用中报文交换主要用于传输报文较短、实时性要求较低的通信业务，如公用电报网。在20世纪40年代，电报通信采用了基于存储转发原理的报文交换(messageswitching)。由于报文长度没有限制，而每个中间结点都要完整地接收传来的整个报文，当输出线路不空闲时，还可能要存储几个完整报文等待转发，要求网络中每个结点有较大的缓冲区。为了降低成本，减少结点的缓冲存储器的容量，有时要把等待转发的报文存在磁盘上，进一步增加了传送时延。1.2.4计算机网络的分类55分组交换packetswitching：分组交换是以分组为单位进行传输和交换的，它是一种存储-转发交换方式，即将到达交换机的分组先送到存储器暂时存储和处理，等到相应的输出电路有空闲时再送出分组交换仍采用存储转发传输方式，但将一个长报文先分割为若干个较短的分组，因此分组交换具有报文的优点。尽管分组交换比报文交换的传输时延少，但仍存在存储转发时延，而且其结点交换机必须具有更强的处理能力。从提高整个网络的信道利用率上看，报文交换和分组交换优于电路交换，其中分组交换比报文交换的时延小，尤其适合于计算机之间的突发式的数据通信。1.2.4计算机网络的分类56分组交换packetswitching：分组交换有两种方式：数据报方式、虚电路方式数据报方式：网络只是尽力地将分组交付给目的主机，但不保证所传送的分组不丢失，也不保证分组能够按发送的顺序到达接收端。所以网络提供的服务是不可靠的，也不保证服务质量。虚电路方式：是在信息交换之前，需要在发送端和接收端之间先建立一个逻辑连接，然后才开始传送分组，所有分组沿相同的路径进行交换转发，通信结束后再拆除该逻辑连接。网络保证所传送的分组按发送的顺序到达接收端。所以网络提供的服务是可靠的，也保证服务质量。1.2.4计算机网络的分类57BestEffort分组交换packetswitching：分组交换网与电路交换网相比有许多优点：线路利用率更高结点到结点的单个链路可以由很多分组动态共享。分组被排队，并被尽可能快速地在链路上传输。

数据率转换一个分组交换网络可以实行数据率的转换：两个不同数据率的站之间能够交换分组，每一个站以它的自己的数据率连接到这个结点上。排队制当电路交换网络上负载很大时，一些呼叫就被阻塞了。在分组交换网络上，分组仍然被接受，只是其交付时延会增加。支持优先级在使用优先级时，如果一个结点有大量的分组在排队等待传送，它可以先传送高优先级的分组。这些分组因此将比低优先级的分组经历更少的时延。1.2.4计算机网络的分类58分组交换packetswitching：分组交换网与电路交换网相比缺点：时延抖动给定的源站和目的站之间的各分组可能具有不同的长度，可以走不同的路径，也可以在沿途的交换机中经历不同的时延，所以分组的总时延就可能变化很大。这种现象被称为抖动。抖动对一些应用来讲是不希望有的（例如：电话话音和实时图像等实时应用中）。额外开销大要将分组通过网络传送，包括目的地址在内的额外开销信息和分组排序信息必须加在每一个分组里。这些信息降低了可用来运输用户数据的通信容量。在电路交换中，一旦电路建立，这些开销就不再需要。

分组交换网络是分布的分组交换结点的集合，在网络一部分状态的改变与网络其他部分得知这个改变之间总是有一个时延。

传递状态信息需要一定的费用，因此一个分组交换网络从来不会“完全理想地”运行。1.2.4计算机网络的分类59帧中继framerelay：主要用在公共或专用网上的局域网互联以及广域网连接。大多数公共电信局都提供帧中继服务，作为建立高性能的虚拟广域连接的一种途径。帧中继带宽范围从56Kbps到1．544Mbps。光纤网比早期的电话网误码率低得多，因此可以减少X.25的某些差错控制过程，减少结点的处理时间。帧中继就是在这种环境下产生的。帧中继提供的是数据链路层和物理层的协议规范，任何高层协议都独立于帧中继协议。目前帧中继的主要应用是局域网互联,特别是局域网通过广域网进行互联时，使用帧中继有低网络时延、低设备费用、高带宽利用率优点。帧中继是一种先进的广域网技术，实质上也是分组通信的一种形式，只不过它将X.25分组网中分组交换机之间的恢复差错、防止阻塞的处理过程进行了简化。1.2.4计算机网络的分类60异步传送模式(ATM)交换：ATM真正具有电路交换和分组交换的双重性ATM是从快速分组交换技术演变而来的，用于信息传输的基本的ATM数据单元是ATM信元。这种ATM信元的长度是固定的，并由53个8位字节组成。ATM典型的数据速率为155Mb/s。短的、固定长度的信元为使用硬件进行高速交换创造条了件。ATM是一种面向连接的技术，即通信信道建立阶段必须处理实时信息交换。ATM支持两级连接，即虚通路（virtualpath）和虚信道（virtualchannal）。虚信道相当于X.25的虚电路，一组虚信道捆绑在一起形成虚通路，这样的两级连接提供了更好的调度信能。1.2.4计算机网络的分类614．按照网络的物理信道媒体划分，可分为双绞线网络、同轴电缆网络、光纤网络、微波网络、卫星网络等。

大网络主要是：光纤网络、卫星网络5．按照网络应用范围和管理性质划分，可分为公用网和专用网两大类。 ISP提供的公用网：中国电信、长城宽带

专用网：政府公务网、银行专用网1.2.4计算机网络的分类621.3计算机网络的拓扑结构计算机网络常用的几种拓扑结构如图1-6所示。a．总线型拓扑结构b．环形拓扑结构c．星型拓扑结构d．树型拓扑结构e．网状型拓