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计算机网络教程

第1章概述

1.1计算机网络在信息时代中的作用

1.2因特网概述

1.3因特网的组成

1.4计算机网络的分类

1.6计算机网类的主要性能指标

重点:分组交换的概念

主要性能指标

1.1计算机网络在信息时代的

I作用

■我们已经进入了21世纪。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。

-知识经济中的两个重要特点就是信息化

和全球化。

-这里所说的网络是指电信网络(主要的业

务是电话,但也有其他业务,如传真、

数据等)、有线电视网络(即单向电视节

目的传送网络,但现已开始逐渐向双向

传输网络改造)和计算机网络。这三种网

络通常简称为“三网”。

-进入20世纪90年代以来,以因特网

(Internet)为代表的计算机网络的发展

速度十分迅猛,已从最初的教育科研网

络逐步发展成为商业网络,并已成为仅

次于全球电话网的世界第二大网络。

『2因特网概述

■1.2.1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①。这就使得20世纪90

年代成为公认的因特网时代,或简称为网络时

代。

■连接到计算机网络上的计算机通常都称为

主机(host)o

(a)表示因特网的方法(b)因特网是“网络的网络”

图因特网

■因特网是网络的网络(networkof

networks)o

-计算机网络把许多计算机连接在一起,

而因特网则把许多计算机网络连接在一

起。

1.2.2因特网发展的三个阶段

■因特网的基础结构大体上经历了三个阶

段的演进。但这三个阶段在时间划分上

并非截然分开而是有部分重叠的,这是

因为网络的演进是逐渐的而不是突然的。

-第一阶段是从单个网络ARPANET向互联网发展

的过程。

■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族作为通信的规则,且其前

身是美国的ARPANET。

■第二阶段的特点是建成了三级结构的因

特网。分为主干网、地区网和校园网

(或企业网)。

三级结构的因特网

各网络之间需要使用路由器来连接。

■有时在结构图中可不因出路由布。

■第三阶段的特点是逐渐形成了多级ISP结

构的因特网。因特网服务提供者ISP

(InternetServiceProvider)。又常称

为因特网服务提供商。

因特网

服务提供者

图「2用户通过ISP接入因特网

■主机到主机的通信可能经过多种ISPo

大公司大公司地区ISP

网络接入点网络接入点

NAP主干服务NAP

(对等点)提供者(对等点)

地区ISP地区

大公司

本地ISP公司本地4P

校园网

校园网W的校园网

■网络接入点NAP(NetworkAccess

Point),NAP又称为对等点(peering

point),表示接入到NAP的设备不存在从

属关系而都是平等的。

■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。

LT因特网的发展情况概况

网络数主机数用户数管理机构数

19801010210210°

1990103105106101

2000105107108102

2005106108109103

■由于因特网存在着技术上和功能上的不

足,加上用户数量猛增,使得现有的因

特网不堪重负。“下一代因特网计划”,

即“NGI计划"(NextGeneration

InternetInitiative)。

■NGI计划要实现的一个目标是开发下一代

网络结构,以比现有的因特网高100倍的

速率连接至少100个研究机构,以比现有

的因特网高1000倍的速率连接10个类似

的网点。

■NGI计划将使用超高速全光网络,能实现

更快速的交换和路由选择,同时具有为

一些实时(realtime)应用保留带宽的

能力。在整个因特网的管理和保证信息

的可靠性与安全性方面也会有很大的改

进。

.2.3关于因特网的标准化工作

■1992年,因特网不再归美国政府管辖,

因此成立了一个国际性组织叫做因特网

协会ISOC(InternetSociety),以便对

因特网进行全面管理以及在世界范围内

促进其发展和使用。

・ISOC下面有一个技术组织叫做因特网体系结构

研究委员会IAB(InternetArchitecture

Board),负责管理因特网有关协议的开发。

IAB下面又设有两个工程部。

■因特网工程部IETF(InternetEngineeringTask

Force)

■因特网研究部IRTF(InternetResearchTask

Force)

厂从一个普通文档上升到因特网的正式标准

要经过四个阶段。

(1)因特网草案(InternetDraft)o

(2)建议标准(ProposedStandard)o

(3)草案标准(DraftStandard)□

(4)因特网标准(InternetStandard)o

还有三种RFC,即历史的、实验的和

提供信息的。图1-8所示的是各种RFC之

间的关系。

1.3因特网的组成

■因特网虽然在地理上覆盖了全球,但从

其工作方式上看,可以把整个因特网的

组成划分为两大块,即由所有连接在因

特网上的主机组成的因特网的边缘部分

和由大量网络和连接这些网络的路由器

组成的因特网核心部分。

图『4因特网的边缘部分与核心部分

1.3.1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),“端”就是“末端”

的意思。

■因特网的端系统就是前面提到的主机。

边缘部分的功能就是利用核心部分所提

供的服务,使这样多的主机之间能够互

相通信并交换或共享信息。

■主机A和主机B进行通信,主机A的某个

进程和主机B上的另一个进程进行通信。

这种比较准确的说法通常可以简称为

“计算机之间通信”。

■在网络边缘的端系统中运行的程序之间

的通信方式可划分为两大类:客户服务

器方式和对等方式。

■1.客户服务器方式

■这种方式在因特网上是最常用的,也是

传统的方式。

■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。

■这里最主要的特征就是:

■客户是服务请求方,服务器是服务提供

方。

■服务请求方和服务提供方都要使用网络

核心部分所提供的服务。

--------------'、''、、、

,网络边缘;、'、、、、

运行客户程序

XA〜1」、

/占::::::::…廖芭走瞿务B\运行服务器程序

:客户7②得毓?……,::;唯一

1

1___________-;

t\

\\网络核心/

服务器,/

\上

'、、—/―

'、、、、

、、、、、I、.-1..

图『5客户服务器工作方式

■在实际应用中,客户程序和服务器程序

通常还具有以下一些主要特点。

■客户程序:

(1)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)。

(2)可与多个服务器进行通信。

(3)不需要特殊的硬件和很复杂的操作系

统。

h服务器程序:

(1)是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。

(2)当系统启动时即自动调用并一直不断地

运行着,被动地等待并接受来自多个客户

的通信请求。

(3)一般需要强大的硬件和高级的操作系统

支持。

■客户和服务器本来都指的是计算机进程

(软件)。运行客户程序的机器称为

client,把运行服务器程序的机器称为

servero

■N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。也称为

P2P文件共享。

图1-6对等连接工作方式

1.3.2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。

网络核心部分向网络边缘中的主机提供

服务,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,网络和网络的连接要

依靠路由器(router),路由器的具体任

务是转发收到的分组,但从通信的角度

看,路由器是实现分组交换(packet

switching),这是网络核心部分最重要

的功能。

Z.电路交换的主要特点

■从通信资源的分配角度来看,“交换

(switching)"就是按照某种方式动态地

分配传输线路的资源。

(a)两部电话直接相连(b)5部电话两两直接相连(c)用父换机连接许多部电话

图「7电话机的不同连接方法

■这种必须经过“建立连接(占用通信资

源)一通话(一直占用通信资源)-释

放连接(归还通信资源)”三个步骤的

交换方式称为电路交换。

■而在通话的全部时间内,通话的两个用

户始终占用端到端的通信资源。

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

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

电路交换的特点

■电路交换是面向连接的,即必须经过以

下三个步骤的联网方式:

.建立连接

■通信

■释放连接

■采用电路交换时,通信过程中一直占有

一条物理通路。

电路交换传送计算机数据效率低

原因:

-计算机数据具有突发性。

■导致通信线路的利用率很低。

所以,在计算机网络中采用“分组交换”

分组交换的原理(一)

-在发送端,先把较长的报文划分成较短

的、固定长度的数据段。

-------------------报文------------------

1101000110101010110101011100010011010010

假定这个报文较长

不便于传输

分组交换的原理(二)

每一个数据段前面添加上首部构成分组。

-------------------报文------------------

请注意:现在左边是“前面”

分组交换的原理(三)

-今组交换网以“分组”作为数据传输单

JLo

-依次把各分组发送到接收端

於且1

首部数据

-分组2

________________________A._________

首部数据

一分组3;____

首部数据

分组交换的原理(四)

-接收端收到分组后剥去首部还原成报文。

九组[

广

---------------分组2

__________________________入__________________________

------------__-_-_-____分__组___3_____

r_______________

¥3~i~i-

收到的数据

分组交换的原理(五)

-最后,在接收端把收到的数据恢复成为

原来的报文。

-------------------报文------------------

1101000110101010110101011100010011010010I

■这里我们假定分组在传输过程中没有出

现差错,在转发时也没有被丢弃。

分组首部

■Question:分组是怎样被转发到目的地的?

■答:每一个分组的首部都含有源/目的地

址等控制信息。

■分组交换网中的结点交换机根据收到的

分组的首部中的地址信息,把分组转发

到下一个结点交换机。

■用这样的存储转发方式,最后分组就能

到达最终目的地。

分组交换网的示意图

»H4A

注意分组路径的变化!

D

结点交换机

B

主机口咦

EH向H发送分组

A26

H向H发送分组

c15

分组交换网

分组的存储转发过程

最后到达目的主机H5

食我转友表

结点交换机有多个端口,但在输入和输出

端口之间没有直接连线

结点交换机的存储转发过程

■结点交换机处理分组的过程是:

■把收到的分组先放入缓存(暂时存储);

■查找转发表,找出到某个目的地址应从哪个

端口转发;

■把分组送到适当的端口转发出去。

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;充分使用链路的带宽。

■可靠完善的网络协议;自适应的路由

选择协议使网络有很好的生存性。

分组交换带来的问题

■分组在各结点存储转发时需要排队,这

就会造成一定的时延。

■分组必须携带的首部(里面有必不可少

的控制信息)也造成了一定的开销。

1.4计算机网络在我国的发展

-JI-----------------------

(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

(3)中国科学技术网CSTNET

(4)中国联通互联网UNINET

(5)中国网通公用互联网CNCNET

(6)中国国际经济贸易互联网CIETNET

(7)中国移动互联网CMNET

(8)中国长城互联网CGWNET(建设中)

(9)中国卫星集团互联网CSNET(建设中)

1.5计算机网络的分类

■1.5.1计算机网络的不同定义

・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”。

-1.5.2几种不同的分类方法

■分别从网络的交换功能、拓扑结构、作用范

围、使用者进行分类

匾]

几种不同的分类方法

(―)

■从网络的交换功能分类

■电路交换

■报文交换

■分组交换

■混合交换

几种不同的分类方法(二)

-从网络的作用范围进行分类

■广域网WAN(WideAreaNetwork)

■局域网LAN(LocalAreaNetwork)

■城域网MAN(MetropolitanAreaNetwork)

■接入网AN(AccessNetwork)

广域网、城域网、接入网以及

局域网的关系

广域网

城域网一一城域网

一//)、.

接入网接入网接入网接入网接入网接入网

・・・I'II-

一LL

局域网校园网企业网局域网

《几种不同的分类方法(三)

-从网络的使用者进行分类

■公用网(publicnetwork)

■专用网(privatenetwork)

1.6计算机网络的主要性能指标

■1.4.1

■1.4.2时延

-1.4.3时延带宽积和往返时延

■14.4带宽与宽带

匾]

1.6.1带宽

■“带宽”(bandwidth)的本意:

■信号具有的频带宽度,单位是赫(或千赫、

兆赫、吉赫等)。

-数字信道中的“带宽”含义:

■数字信道所能传送的“最高数据率”,即

吞吐量,单位是“比特每秒",或b/s

(bit/s)o

■也就是数据在信道上的发送速率。

常用的带宽单位

■更常用的带宽单位是

■千比每秒,即kb/s(103b/s)

■兆比每秒,即Mb/s(106b/s)

■吉比每秒,即Gb/s(109b/s)

■太比每秒,即Tb/s(1012b/s)

■请注意:K=210=1024

M=220,G=23°,T=240o

数字信号流随时间的变化

-在时间轴上信号的宽度随带宽的增大而

711K

工乍。

1|LlS

带宽为||1|0|1|0|1||1|时间

1MJS|ILZlI_ICZZJ”

k---------------------每秒106个比特------------------►

0.25jus

■+H-rijpM时间

rf?范为

4Mb/s

-------每秒4x106个比特

1.6.2时延(delay或latency)

■发送时延(传输时延)发送数据时,

数据块从结点进入到传输媒体所需要的

时间。

发送时延二数据块长度(比更

信道带宽(比特/秒)

时延(delay或latency)

■传播时延电磁波在信道中需要传播一

定的距离而花费的时间。

■信号传输速率(即发送速率)和信号在

信道上的传播速率是完全不同的概念。

信道长度(米)

传播时延=

信号在信道上的传播速率(米/秒)

时延(delay或latency)

■处理时延交换结点为存储转发而进行

一些必要的处理所花费的时间。

-结点缓存队列中分组排队所经历的时延

是处理时延中的重要组成部分。

-处理时延的长短往往取决于网络中当时

的通信量。

■有时可用排队时延作为处理时延。

时延(delay或latency)

■数据经历的总时延就是发送时延、

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