第一章 导言-计算机网络的历史和体系结构

第一章导言--计算机网络的历史和体系结构1.1计算机网络的概念1.2计算机网络的历史1.3

ISO/OSI参考模型与TCP/IP协议族教学目的教学目的

本章主要学习计算机网络的概念，计算机网络发展历史过程中的重大事件，以及我国计算机网络发展的历史。本章还将学习计算机网络的两个紧密联系的体系结构—ISO/OSI参考模型和TCP/IP协议族。1.1计算机网络的概念计算机网络使连接在其上的用户可以共享网络上的软、硬件资源，并利用计算机网络进行高效通信和协同。计算机网络就是利用通信设备和线路将地理位置分散、功能独立的多个计算机互连起来，以功能完善的网络软件（即网络通信协议、信息交换方式和网络操作系统等）实现网络中资源共享和信息传递的系统。计算机网络是由资源子网和通信子网构成的，如图1-1所示图1-1通信子网和资源子网示意图资源子网由提供资源的主机HOST和请求资源的终端T组成，负责全网的数据处理和向用户提供网络资源及服务,它主要包括网络中所有的主计算机、I/O设备和终端，各种网络协议、网络软件和网络数据库等。通信子网主要由通信控制处理机C和通信链路组成，承担全网数据传输、交换、加工和变换等通信处理工作，它是计算机网络的内层，它主要包括通信线路（即传输介质）、网络连接设备（如网络接口设备、通信控制处理机、网桥、路由器、交换机、网关、调制解调器和卫星地面接收站等）、网络通信协议和通信控制软件等。通常通信子网不关心数据的内容。1.2计算机网络的历史计算机网络来源于冷战时期的美国军方通信需求，该网络的设计基于这样一种主导思想：网络必须能够经受住故障的考验而维持正常工作，一旦发生战争，当网络的某一部分因遭受攻击而失去工作能力时，网络的其它部分应当能够维持正常通信。▪1964年巴兰提出分组交换技术，即包交换(packetswitching)技术，这是Internet的重要基石之一。数据包交换不同于传统的电话交换，电话交换将数据完整的通过电路传送，而数据包交换将数据打散成一个个独立的包，每个包都都包含自己的寻址信息，这些数据包到底目的地之后，再重新组装成原来的数据。▪1969年12月美国国防部高级研究计划局建成阿帕网(ARPANET-ARPA--AdvancedResearchProjectsAgencyNet)的第一期工程。开始只有4个节点，到1972年3月也仅仅只有23个结点，后来发展到100多台宿主机和60多个节点的大型分组交换网，并利用通信卫星与夏威夷州及挪威等欧洲国家连接，成为国际性的计算机网。阿帕网把美国各大学、研究所和公司的计算机系统互连成网络，实现了由通信网络和资源网络构成计算机网的目的，首次采用分组交换技术（包交换技术）和层次体系结构，规定不同级别的互连协议，这些技术成为计算机网络工程的基本技术。阿帕网（互联网的前身）采用了"分布式控制"。网络上的电脑处于平等的地位，没有哪一个部分特别重要，不可缺少的。这样，当网络中某一部分在特殊情况下受到损坏时，不会影响其余部分的正常工作。1970年，ARPANET主机开始使用网络控制协议(NCP-NetworkControlProtocol)，这就是后来的传输控制协议(TCP-TransmissionControlProtocol)的雏形。1973年，文件传输协议(FTP-FileTransferProtocol)推出。FTP用于在相异的系统之间交换文件。1974年，传输控制协议(TCP)被详细规定下来。TCP取代NCP，它为人们提供了更可靠的通信服务。▪十九世纪70年代中期美国施乐公司帕洛·阿尔托研究中心推出第一个局域网，即总线型以太网(Ethernet)，为办公自动化和工厂自动化创造条件，该网采用无源电缆作为总线来传送数据帧，故以传播电磁波的“以太(Ether)”命名。

1979年国国防部通信局和高级研究计划管理局研究制定了网络通信协议―"TCP/IP"协议，解决了不同电脑之间相互通信的难题，使众多不同型号的电脑可以连接在一起，相互通信。"TCP/IP"协议应用于阿帕网，标志着真正的互联网出现了。1981年，Internet协议(IP-InternetProtocol，又称IP版本4[IPv4])被详细规定下来。IP为端到端传递提供寻址和路由功能。1982年，美国国防通信署和ARPA建立了传输控制协议(TCP)和Internet协议(IP)作为TCP/IP协议套件。1983年，ARPANET将NCP替换为TCP/IP。1983年，ARPANET分裂为两部分：ARPANET和纯军事用的MILNET。该年1月，ARPA把TCP/IP协议作为ARPANET的标准协议，其后，人们称呼这个以ARPANET为主干网的网际互联网为Internet(在英语中“Inter”的含义是“交互的”，“net”是指“网络”)。TCP/IP协议族便在Internet中进行研究，试验，并改进成为使用方便，效率极好的协议族。1983年，国际标准化组织(ISO-InternationalOrganizationforStandardization)发布了著名的ISO/IEC7498标准，它定义了网络互联的7层框架，也就是开放式系统互连参考模型(OSI-OpenSystemInterconnectionReferenceModel),该参考模型就是ISO/OSI参考模型。1984年，域名系统(DNS-DomainNameSystem)推出。DNS可将域名(如)解析为IP地址(如8)。▪1985年美国国家科学基金会（NFS-NationalScienceFoundation）开始建立NSFNET，NSF规划建立了15个超级计算中心及国家教育科研网，用于支持科研和教育的全国性规模的计算机网络NSFNET，并以此作为基础，实现同其他网络的连接。NSFNET成为Internet上主要用于科研和教育的主干部分，代替了ARPANET的骨干地位。NSFNET对Internet的最大贡献是使Internet向全社会开放，而不像以前那样仅仅借计算机研究人员、政府职员和政府承包商使用。

1989年MILNET（由ARPANET分离出来）实现和NSFNET连接，自此以后，其他部门的计算机网相继并入Internet，ARPANET就宣告解散。十九世纪90年代初，商业机构开始进入Internet，使Internet开始了商业化的新进程，也成为Internet大发展的强大推动力。1995年，NSFNET停止运作，Internet已彻底商业化了，Internet服务提供商(ISP-InternetServiceProvider)开始向企业和个人提供Internet接入。1996年，超文本传送协议(HTTP-HypertextTransferProtocol)推出。万维网使用HTTP。第一套IP版本6(IPv6)标准发布。1.2.1计算机网络在我国的发展1987年9月14日，北京计算机应用技术研究所发出了中国第一封电子邮件：“AcrosstheGreatWallwecanreacheverycornerintheworld.”（越过长城，走向世界），揭开了中国人使用互联网的序幕。1988年，中国科学院高能物理研究所采用X.25协议使该单位的DECnet成为西欧中心DECnet的延伸，实现了计算机国际远程连网以及与欧洲和北美地区的电子邮件通信。▪1990年11月28日，钱天白教授代表中国正式在SRI-NIC（StanfordResearchInstitute’sNetworkInformationCenter）注册登记了中国的顶级域名CN，从此中国的网络有了自己的身份标识。

1993年3月2日，中国科学院高能物理研究所接入美国斯坦福线性加速器中心的64K专线正式开通。这条专线是中国部分连入Internet的第一根专线。1994年4月20日，“教育与科研示范网络”(NCFC)工程连入Internet的64K国际专线开通，实现了与Internet的全功能连接。从此中国被国际上正式承认为真正拥有全功能Internet的第77个国家。1994年5月21日，中国科学院计算机网络信息中心完成了中国国家顶级域名(CN)服务器的设置，改变了中国的CN顶级域名服务器一直放在国外的历史。1995年12月，“中国教育和科研计算机网”（CERNET）示范工程建设完成。1996年1月，“中国公用计算机互联网”（CHINANET）全国骨干网正式开通提供服务。1996年2月

中国科学院决定将以“教育与科研示范网络”为基础发展起来的中国科学院互联网络正式命名为“中国科技网”(CSTNET)。▪1996年9月6日，中国金桥信息网（CHINAGBN）连入美国的256K专线正式开通。中国金桥信息网宣布开始提供Internet服务，主要提供专线集团用户的接入和个人用户的单点上网服务。

1997年10月，中国公用计算机互联网（CHINANET）实现了与中国科技网（CSTNET）、中国教育和科研计算机网（CERNET）、中国金桥信息网（CHINAGBN）的互联互通。2000年5月17日，中国移动互联网（CMNET）投入运行。2001年12月22日，中国联通CDMA移动通信网一期工程如期建成。截至2009年6月的统计数字(数据来源-CNNIC)：中国网民规模达到3.38亿人，普及率达到25.5%。宽带网民规模达到3.2亿人，占网民总体的94.3%。中国手机网民规模为1.55亿人，占整体网民的45.9%。1.3ISO/OSI参考模型与TCP/IP协议族两台通信设备之间进行数据交换必须遵循一套相互约定的规则，这样的规则就称为协议(Protocol)。任何一种通信协议都包括三个组成部分：语法、语义和定时关系。语义：

是对协议元素的含义进行解释，不同类型的协议元素所规定的语义是不同的。例如需要发出何种控制信息、完成何种动作及得到的响应等。语法：

将若干个协议元素和数据组合在一起用来表达一个完整的内容所应遵循的格式，也就是对信息的数据结构做一种规定。例如用户数据与控制信息的结构与格式等。定时关系：

对事件实现顺序的详细说明。例如在双方进行通信时，发送点发出一个数据报文，如果目标点正确收到，则回答源点接收正确；若接收到错误的信息，则要求源点重发一次。单独的一套协议无法解决所有的网络通信涉及的方方面面，即使能够设计出这样的协议，这样的协议也是非常复杂而且不便于未来的更新换代。所以必须采用将复杂事物进行细分的方法，即将一个计算机网络分为若干层次，处在高层次的系统仅是利用较低层次的系统提供的接口和功能，不需了解低层实现该功能所采用的算法和协议；较低层次也仅是使用从高层系统传送来的参数，每个层次向上一层提供服务，向下一层请求服务，这就是层次间的无关性。因为有了这种无关性，层次间的每个模块可以用一个新的模块取代，只要新的模块与旧的模块具有相同的功能和接口，即使它们使用的算法和协议都不一样。1.3.1ISO/OSI参考模型十九世纪70年代以来，国外一些主要计算机生产厂家先后推出了各自的网络体系结构，但它们都属于专用的。为了使不同计算机厂家的计算机能够互相通信，以便在更大的范围内建立计算机网络，有必要建立一个国际范围的网络体系结构标准。国际标准化组织ISO正式推荐了一个网络系统结构----七层参考模型，叫做开放系统互连模型(OpenSystemInterconnection，OSI)。由于这个标准模型的建立,使得各种计算机网络向它靠拢,大大推动了网络通信的发展。OSI参考模型将整个网络通信的功能划分为七个层次，如图1-2所示：图1-2ISO/OSI参考模型它们由低到高分别是物理层(PH)、链路层(DL)、网络层(N)、传输层(T)、会议层(S)、表示层(P)、应用层(A)。每层完成一定的功能，每层都直接为其上层提供服务，并且所有层次都互相支持。第四层到第七层主要负责互操作性，而一层到三层则用于创造两个网络设备间的物理连接。各层完成的主要功能如下：1、物理层（physicallayer）

物理层涉及到通信在信道上传输的原始二进制比特流，它的任务就是为上层（数据链路层）提供一个物理连接，以便在相邻节点之间无差错地传送二进制位流。设计上必须保证通信的一方发出"1"时，通信的另一方接收到的是"1"而不是"0"。在物理层，设计的问题主要是处理机械的、电气的和过程的接口，以及物理层下的物理传输介质等。该层传输的数据单位是“位”(bit)。

有一点应该注意的是，传送二进制位流的传输介质，如双绞线、同轴电缆以及光纤等并不属于物理层要考虑的问题。实际上传输介质并不在OSI的7个层次之内。2、数据链路层（datalinklayer）

数据链路层的主要任务是两个相邻节点之间，无差错地传