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文档简介
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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