计算机网络及通讯-201409-第1章 概论

1计算机网络与通讯电气学院2第1章

概论1.1计算机通信与网络的发展过程1.2计算机网络基本概念1.3网络的类型及其特征1.4计算机通信协议与网络体系结构3当今社会的三大资源：信息、物质、能源信息具有非消耗性——可以被无数次传递和复制信息具有增值性——如广告、新闻计算机网络作为传递信息的强有力载体工具在飞速发展，是通信技术与计算机技术的融合第1章概论41.1计算机网络的产生和发展1.1.1计算机网络的产生：1.1.2计算机网络的发展：1.1.3小结：计算机网络的定义和组成1.1.4计算机网络在我国的发展51.1计算机网络的产生和发展1.1.1计算机网络的产生：早期的计算机应用模式——单机61.1计算机网络的产生和发展1.1.1计算机网络的产生：早期的计算机应用模式——单机大、中、小型机——庞大，昂贵，资源无法共享分散的计算机构成了一个个的信息“孤岛”计算机网络产生始于20世纪50年代，通信技术与计算机技术相结合，产生的原因：资源共享的需求（计算能力、外设、软件、数据）大型项目的合作（进行工程项目协作）人与人之间的信息沟通（数据通信）71.1计算机网络的产生和发展1.1.2计算机网络的发展：第一代：面向终端的计算机网络第二代：计算机与计算机互连的网络第三代：开放式标准化网络第四代：计算机网络新时代1.2计算机网络的定义和组成1.1.3计算机网络在我国的发展8第一代：面向终端的计算机网络——SAGE集中式防空系统特点：只有一台中心主机，有数据处理和存储功能，其他都是输入输出终端。集中式网络应用广泛：订票系统SABRE、结算系统、银行上世纪50年代中期，首次将通信技术与计算机技术相结合9以主机为中心的联机终端系统特征：终端(Terminal)共享主机(Host)的软硬件资源单台主机：执行计算和通信任务多台终端：执行用户交互连接方式：本地或远程TTTTHOST通信线路T10以单个计算机为中心的远程联机系统，称为面向终端的计算机通信网络其他例子：飞机订票系统HOST(航空公司总部)Terminals(订票点)通信线路(电话线路)

缺点：主机负荷重——数据处理＋通信线路利用率低集中控制方式，可靠性低改进：前端处理机，将通信任务从主机中分离出来终端控制器，提高线路利用率11改进：加入前端处理机FEP（Front-EndProcessor,FEP）分担中心计算机的通信任务。加入终端控制器TC，提高线路利用率。TCMMFEP高速线路低速线路<<BACK12第二代：计算机与计算机互连的网络——ARPANet(60年代后期)特征：多个终端主机系统互联，形成了多主机互联网络网络结构从“主机－终端”转变为“主机－主机”HOSTHOSTHOSTTTTTTTTTTT通信线路13ARPANET(60年代后期)因特网的前身——ARPANET苏美冷战产物：美苏冷战时期由美国军方建立的实验性网络“蜘蛛网”式结构最初1969年4个节点→20世纪70年代的60多个节点地域跨越美洲、欧洲具有现代网络的许多特征，例如：分组交换分层次的网络体系较为完善的通信协议14ARPANET(60年代后期)苏美冷战产物“蜘蛛网”式结构50K专用线路内达华州洛杉矶每台主机均有数据的自主处理能力分组交换(PacketSwitching）15ARPA网中加入接口报文处理机IMP

（其他网络或文献中也称：分组交换节点）IMP功能：实现存储转发信息基本单位：分组

分组交换网双子网结构：资源子网：用户共享通信子网：中心协议、体系结构ARPA网分层的网络体系结构资源子网IMP1IMP2IMP3IMP4IMP5H1H5H4H2H6H3通信子网H1与H5通信：IMP1—>IMP2—>IMP516第二代计算机网络的发展先驱：ARPA网，NPL网研究实验性网络：TSS网，DCS网个别用户为特定目的而自行研制和使用的网络：DCTOPUS网，CYCLADES网由用户联营为一定范围内应用而建立的网络：WWWN网，EIN网公用分组交换网：TELNET网，DATAPAC网，EURONET网商用的提供增值通信服务的网络：TYMNET网，GE信息服务网<<BACK17第三代：开放式标准化网络(70年代后期)第二代计算机网络奠定了网络技术的基础。但第二代计算机网络存在严重缺陷：没有统一的网络体系结构没有统一的网络通信协议18网络体系结构标准化过程的演变厂商标准：IBM-SNA，DEC-DNA等缺点：适用范围：兼容性？技术垄断：竞争？标准不统一：用户利益？国际标准（ISOOSI/RM）：1984年颁布OpenSystemInterconnection/RecommendedModel(OSI/RM，开放系统互联基本参考模型，简称OSI参考模型，OSI七层模型)OSI参考模型规定了网络体系结构的框架，分为7个层次将多台位于不同地点的计算机设备通过各种通信信道和设备互连起来，使其能协同工作，以便于计算机的用户应用进程交换信息和共享资源是一个复杂的工程设计问题。将一个比较复杂的问题分解成若干个容易处理的子问题，尔后“分而治之”逐个加以解决，这种结构化设计方法是工程设计中常用的一种手段。分层就是系统分解的最好方法之一。19网络体系结构标准化过程的演变厂商标准：IBM-SNA，DEC-DNA等国际标准（ISOOSI/RM）：1984年颁布OpenSystemInterconnection/RecommendedModel(OSI/RM，开放系统互联基本参考模型，简称OSI参考模型，OSI七层模型)OSI参考模型规定了网络体系结构的框架，分为7个层次为国际社会普遍公认为计算机网络的体现结构的基础太复杂，几乎没有与之完全符合的网络事实上的标准：TCP/IP(因特网的骨干协议)1980研制成功，1982年ARPANET采用，1986年基于TCP/IP协议的NSFNET建立从体系结构上看，它是OSI参考模型的简化(4层)20与计算机网络相关的国际标准化组织国际标准化组织国际标准化组织（ISO）

电气电子工程师协会（IEEE）

Internet标准化组织因特网协会（InternetSociety，ISOC）因特网体系结构研究委员会（InternetArchitectureBoard，IAB）因特网工程任务部（InternetEngineeringTaskForce，IETF）因特网工程指导组（InternetEngineeringSteeringGroup，IESG）因特网研究指导组（InternetResearchSteeringGroup，IRSG）因特网编号管理机构（InternetAssignedNumbersAuthority，IANA）电信标准化组织国际电信联盟ITU（InternationalTelecommunicationUnion）国际电报电话咨询委员会CCITT（ConsultativeCommitteeInternationalTelegraphandTelephone）（现在为ITU中3个主要部门sector中的一个ITU-TSS，电信标准化部，简称ITU-T，负责在电话和数据通信领域提出称为建议的标准）21第三代：开放式标准化网络(70年代后期)第三代——体系结构的标准化开放系统互连基本参考模型——OSI参考模型TCP/IP协议CCITT制定的一系列公用数据网的建议RecommendationX.200等价ISO7498X.25数据终端设备DTE与公用数据网DCE的接口X.3分组组装/拆卸器PAD的功能和参数；X.28普通终端和PAD之间的协议；X.29PAD和用分组工作方式的DTE见的规程ProcedureX.75两个公用数据网互连时STE间的接口IEEE和ISO标准化的以太网Ethernet22回顾前三代网络计算机网络的发展：第一代：面向终端的计算机网络以主机为中心的联机终端系统：“计算机－终端”系统第二代：计算机与计算机互连的网络以通信子网为中心的主机互联：分组交换网络第三代：开放式标准化网络体系结构标准化网络:层次化结构,并对每层进行了精确定义第四代：计算机网络新时代<<BACK23第四代：计算机网络的新时代前面三个阶段已经奠定了网络的技术基础当前网络的发展：网络计算向高速宽带化发展网络多媒体技术的迅速发展网络应用更为广泛多网融合24第四代：计算机网络的新时代5w的发展目标：WhoeverWheneverWhereverWhomeverWhatever6A的发展目标：AnytimeAnywhereAnyconnectionleadingtoAnyinformationAnyserviceforAnybody<<BACK251.2计算机网络的定义和组成计算机网络是由各自具有自主功能而又通过各种通信手段相互连接起来，以便进行信息交换、资源共享或协同工作的计算机组成的复合系统。自主/自治：具有独立的数据处理和存储能力，即使脱离网络，仍可独立运行，不依赖于其他计算机“主控-从属”类型的系统是计算机网络吗？“主机-终端”系统（第一代网络）呢？互相连接/互连：以任何可能的通信连接方式有线方式：双绞线、同轴电缆、光纤无线方式：红外、无线电（微波）、卫星互连的目的：通信网络计算机系统计算机系统261.2计算机网络的定义和组成通信子网中除了包括传输信息的物理媒体外，还包括如中继器（repeater）、交换机(switch)等各种通信设备。

通过通信子网互连在一起的计算机则负责运行对信息进行处理的应用程序，它们是网络中信息流动的源与宿，向网络用户提供可共享的硬件、软件和信息资源，构成资源子网。资源子网IMP1IMP2IMP3IMP4IMP5H1H5H4H2H6H3通信子网由通信子网和资源子网两部分构成。27计算机网络的组成网络节点+通信链路+通信协议硬件网络节点端节点：计算机中间节点：交换机、集中器、复用器、路由器、中继器通信链路：信息传输的通道物理：传输介质逻辑：信道类比——CATV的电缆和频道之间的关系软件通信软件（网络协议软件）网络操作系统网络管理/安全控制软件、网络应用软件<<BACK281.1.3计算机网络在我国的发展第一阶段从1987—1993年，也是研究试验阶段。在此期间我国一些科研部门和高等院校开始研究因特网技术，并开展了相关的科研课题和科技合作，但这个阶段的网络应用仅限于小范围内的电子邮件等简单应用。第二阶段从1994年至1996年，为起步阶段。1994年4月，中关村地区教育与科研示范网络（NCFC）联入因特网，标志着我国正式接入世界互联网，之后，CHINANET、CERNET、CSTNET、CHINAGBNET等多个因特网项目在全国范围相继启动，因特网开始进入公众生活，并在我国得到了迅速的发展。至1996年底，我国因特网用户数已达20万，利用因特网开展的业务与应用逐步增多。第三阶段从1997年至今，是因特网在我国发展最为快速的阶段。我国因特网用户数在1997年以后基本保持每半年翻一番的增长速度，因特网使用迅速普及、网络应用也日渐丰富。1997年6月3日，根据国务院信息化工作领导小组的决定，中国科学院网络信息中心组建了中国互联网信息中心（CNNIC），负责我国因特网的规划和发展的管理工作。

291.1.3计算机网络在我国的发展我国已建成的四大网络：中国公用计算机互联网（CHINANET）是原邮电部组织建设和管理的。目前，在北京、上海分别有两条专线，作为国际出口。CHINANET由骨干网和接入网组成。骨干网是CHINANET的主要信息通路，连接各直辖市和省会网络节点。骨干网已覆盖全国各省市、自治区，包括8个大区网络中心和31个省市网络分中心。接入网是由各省内建设的网络节点形成的网络。中国教育科研网（CERNET）是全国最大的公益性互联网络。CERNET已建成由全国骨干网、地区网和校园网在内的三级层次结构网络。CERNET分四级管理，分别是全国网络中心、地区网络中心和地区主节点、省教育科研网和校园网。骨干网传输速率已达到2.5Gb/s，地区网的传输速率达到155Mb/s，联网的大学、中小学等教育和科研机构已近千所。中国科学技术网（CSTNET）是利用公共数据通信网建立的信息增值服务网，在地理上覆盖全国各省市，逻辑上连接各部、委和各省、市科技信息机构，是国家科技信息系统骨干网。国家公用经济信息通信网络（CHINAGBNET）是为金桥工程建设的业务网络，支持金关、金税、金卡等“金”字工程的应用。它是覆盖全国，实施国际互联，为用户提供专用信道、网络服务和信息服务的骨干网络。

301.1.3计算机网络在我国的发展网络名称运行管理单位国际联网完成时间业务性质CSTNet中国科学院1994.4科技CHINANET邮电部1995.5商业CERNET国家教委1995.11教育CHINAGBN

电子部1996.9金融2010年，我国网民总数达到4.57亿，占全球网民总数23.2%，亚洲网民总数55.4%规模。网民规模、宽带网民数、国家顶级域名注册量居世界第一，互联网普及率稳步提升。截止2010年12月，手机网民已达3.03亿，在总体网民中的比例进一步提高，占66.2%。311.3网络的类型及特征分类标准网络名称拓扑不规则网型、总线型网络、星型网络、环型网络等

地理范围

局域网、校园网、城域网、广域网、全球网传输媒体光纤网、同轴电缆网、双绞线网，无线介质有卫星、无线电通信、红外通信、激光通信、微波通信等使用范围公用网、专用网

业务范围军事指挥网、政务信息网、气象监测网、情报检索网、航空订票网、教育科研网、金融清算网、铁路调度网、医疗卫生网等从不同的角度，网络有多种分类方法。32按地理范围分类局域网(LocalAreaNetwork，LAN)范围：约0.1KM传输技术：基带，10-1000Mbps，延迟低，出错率低拓扑结构：总线，环城域网(MetropolitanAreaNetwork，MAN)范围：中等，约10KM传输技术：宽带/基带拓扑结构：总线广域网(WideAreaNetwork，WAN)范围：大，约>100KM传输技术：宽带，延迟大，出错率高拓扑结构：不规则，点到点33按地理范围分类网络分类缩写分布距离（大约）网络中的物理设备传输速率范围局域网LAN10m房间10Mb/s—xGb/s100m建筑物几千米校园CAN城域网MAN数百km城市64kb/s—xGb/s广域网WAN10~数千km城市、国家、洲或全球GAN10Mb/s—100Mb/s34网络的拓扑结构——即为网络中传输介质和通信节点相互连接而组成的几何形状常见的网络拓扑类型：（1）星型网络（2）环型网络（3）总线型网络（4）树型网络（5）不规则网状型网络按拓扑结构分类35按拓扑结构分类（续）星形有一个中心节点，其它节点与其构成点到点连接环形所有节点连接成一个闭合的环，结点之间为点到点连接星形拓扑环形拓扑36按拓扑结构分类（续）总线所有节点挂接到一条总线上，广播式信道需要有介质访问控制规程以防止冲突树形一个根结点、多个中间分支节点和叶子节点构成总线形拓扑树形拓扑37按拓扑结构分类（续）全连接点到点全连接，连接数随节点数的增长迅速增长（N(N-1)/2），使建造成本大大提高，只适用于节点数很少的广域网中不规则（网状）点到点部分连接，多用于广域网，由于连接的不完全性，需要有交换节点不规则拓扑全连接拓扑38按通信介质分类：有线网

采用如同轴电缆、双绞线、光纤等物理介质来传输数据的网络。

无线网

采用卫星、微波等无线形式来传输数据的网络。39按使用用户范围分类：公用网

公用网又称公众网。对所有的人来说，只要符合网络拥有者的要求就能使用这个网，也就是说它是为全社会所有的人提供服务的网络。专用网

专用网为一个或几个部门所拥有，它只为拥有者提供服务，这种网络不向拥有者以外的人提供服务。按业务工作的范围分类…

401.4计算机通信协议与网络体系结构1.4.1层次模型1.4.2开放系统互连基本参考模型1.4.3因特网的体系结构1.4.4OSI与因特网参考模型的比较411.4计算机网络体系结构1.4.1层次模型N层向N+1层提供服务接口，将服务实现的细节向N+1层屏蔽层次模型的好处：各层的功能可独立设计系统易于实现和维护，灵活性大，易于交流、理解、标准化计算机网络采用了层次化体系结构哲学家通话的例子42语言不同的哲学家进行远程通信哲学家1用英语表达对兔子的感情翻译使用荷兰语为中间语言秘书使用传真将消息发出43层次体系结构的通信除物理介质上为实通信外，其他层次的通信都是虚通信对等层的虚通信必须遵循相同的协议哲学家之间的协议是共同的话题翻译之间的协议是相同的第三方语言秘书之间的协议是相同传输工具下层实体通过SAP(服务访问点)向上层实体提供服务，并对服务细节向上层屏蔽。信息由上至下，每经过一层需要增加头部内容。441.4.2OSI模型七层体系结构

OSI模型中定义了各层的功能，而没有定义各层的协议。应用层表示层会话层运输层网络层数据链路层物理层45各层功能1.物理层：主要功能是在物理传输介质上传输数据比特串。物理传输介质的特性、接口、信号线的作用，涉及到二进制的编码方式、同步信号等。2.数据链路层：差错控制、流量控制、成帧。3.网络层：主要功能是路径选择和网际互连，为数据分组寻找一条合适的路径，从源端沿此路径传送到目的端。若传输路径跨越多个不同的网络，需要进行协议转换。起始源地址目标地址控制信息用户数据差错检验信息结束一个简化的数据帧46各层功能4.运输层：确保数据可靠、顺序、无错地从源端到目的端，为上层提供优化的端对端服务，主要功能包括差错控制、流量控制、网络复用或分流等。5.会话层：控制进程与进程之间的连接、连接管理和释放连接。比如文件下载的断点重传功能。6.表示层：负责数据的表示方式，如加密、压缩、转换编码方式等。比如，winzip和WinRar7.应用层：OSI模型的最高层，是其他层次的最终服务目标，主要任务是为应用程序提供网络服务的接口，直接面向用户。47各层功能OSI参考模型网络应用接口数据格式管理进程之间的通信根据用户要求，优化网络层功能路径选择及协议转换成帧、流量差错控制信号和介质关键词应用层表示层会话层传输层数据链路层物理层网络层较高层，端对端较低层，与数据传输有关48通信主机中包括7层功能，通信子网中的网络互连设备一般只有1～3层功能，甚至1～2层。APSTNDLPHNDLPHNDLPHAPSTNDLPHA层协议DLPHP层协议S层协议T层协议主机主机通信子网IMPIMPIMP49OSI参考模型中的数据传输封装拆装501.4.3因特网使用的TCP/IP参考模型四个层次：(4)应用层

该层向用务提供一组常用的应用程序，为不同主机上的进程或应用之间提供通信。(3)传输层

该层提供端对端系统的数据传送服务。(2)互联网层

该层使用网际协议IP协议实现穿越多个网络的路由选择功能。(1)网络接入层

该层是端系统和通信子网之间的接口，实现端系统与其相连的网络进行数据交换。应用层传输层

互联网层网络接口层1234511.4.4OSI与因特网参考模型的比较FTP、SMTP、TELNET…TCP、

UDPIPEthernet、

SATNET、

分组无线网…Internet

使用的协议教材P14图1.12521.4.4OSI与因特网参考模型的比较(续1)根据上图的层次比对，总结相同点：都是层次结构的模型；最低层都是面向通信子网的；都有运输层，且都是第一个提供端到端数据传输服务的层次，都能提供面向连接和无连接的两种服务；最高层都是向各种用户应用进程提供服务的应用层。531.4.4OSI与因特网参考模型的比较(续2)根据上图的层次比对，总结不同点：所划分的层次数不同；Internet中没有表示层和会话层；Internet没有明确规定通信子网的协议，也不再区分通信子网中的物理层、数据链路层和网络层；Internet中特别强调了互联网层，其中运行的IP是其核心协议，且互联网层向上只提供无连接的服务，而OSI的网络层同时支持面向连接和无连接服务。OSI是模型在先、协议在后，模型