計算機網(wǎng)絡與通信(第1章)

1、 計算機網(wǎng)絡與通信吳潤澤 許晨通信技術教研室參考書目n計算機網(wǎng)絡與通信計算機網(wǎng)絡與通信張曾科編著， 機械工業(yè)出版社n計算機網(wǎng)絡（第 4 版），謝希仁編著， 電子工業(yè)出版社n計算機及網(wǎng)絡技術與應用，劉冰主編，機械工業(yè)出版社，2008年3月第一版第1章 概 述n1.1 計算機網(wǎng)絡及其分類n1.2 計算機網(wǎng)絡的發(fā)展n1.3 計算機網(wǎng)絡的標準化工作1.1 計算機網(wǎng)絡及其分類1.1.1 什么是計算機網(wǎng)絡n計算機網(wǎng)絡是計算機技術和通信技術相結合的產(chǎn)物世界上第一臺電子世界上第一臺電子 數(shù)字計算機數(shù)字計算機ENIAC 第二次世界大戰(zhàn)期間，美國軍方要求賓州大學莫奇來（Mauchly）博士和他的學生愛克特（Eck

2、ert） 設計以真空管取代繼電器的電子化電腦-埃尼阿克 ENIACENIAC（Electronic Numerical Integrator and Electronic Numerical Integrator and CalculatorCalculator）， 電子數(shù)字積分器與計算器），目的是用來計算炮彈彈道。這部機器使用了18800個真空管，長50英尺，寬30英尺，占地1500平方英尺，重達30噸（大約是一間半的教室大，六只大象重）。它的計算速度快，每秒可從事5000次的加法運算，運作了九年之久。由於吃電很兇，據(jù)傳ENIAC每次一開機，整個費城西區(qū)的電燈都為之黯然失色。運算器、控制器、

3、存儲器、輸入器和輸出器。運算器和控制器采用電子管，主存儲器采用汞延遲線或磁鼓，外存儲器采用磁鼓和磁帶。第二代晶體管計算機(1956-1963） 1954年，美國貝爾實驗室研制成功第一臺使用晶體管線路的計算機，取名“催迪克”（TRADIC）裝有800個晶體管1.1.1 什么是計算機網(wǎng)絡摩爾定律當價格不變時，集成電路上可容納的元器件的數(shù)目，約每隔18-24個月便會增加一倍，性能也將提升一倍。（1）集成電路芯片上所集成的電路數(shù)目，每隔18個月翻一番；（2）微處理器的性能每隔）微處理器的性能每隔18個月提高一倍，而價格下降個月提高一倍，而價格下降50%（3）用一個美元所能買到的電腦性能，每隔）用一個美

4、元所能買到的電腦性能，每隔18個月翻兩番個月翻兩番。 便攜式移動電話之父便攜式移動電話之父Martin Cooper電訊技術的興起為遠距離傳遞和交流信息提供了條件Jack Kilby集成電路之父集成電路之父1838年摩爾斯發(fā)明了有線電報Guglielmo Marconi1896年無線電報年無線電報18761876年貝爾在演示使用電話年貝爾在演示使用電話高錕提出光纖理論高錕提出光纖理論n通信技術的發(fā)展：1838年莫爾斯發(fā)明電報，1876年電話，1896年馬可尼無線電報，1927年AT&T夸大西洋電話，1972年商用光纖通信系統(tǒng)；n通信與計算機技術的結合1.1.1 什么是計算機網(wǎng)絡n荷蘭阿

5、姆斯特丹Vrije大學計算機科學系教授、皇家藝術與科學院院士Andrew S. Tanenbaum：計算機網(wǎng)絡是自治的計算機互連起來的集合(An Interconnected Collection of Autonomous Computers)。n計算機網(wǎng)絡有硬件和軟件兩部分組成：(1) 硬件(Hardware)n計算機，即所謂的主機(Host)或端系統(tǒng)(End Systems, ES)。n通信設備，即中間系統(tǒng)(Intermediate Systems, IS)。n接口設備，網(wǎng)卡、調(diào)制解調(diào)器等。n傳輸媒體或稱傳輸介質(zhì)(Medium)，雙絞線、同軸電纜、光纖等。1.1.1 什么是計算機網(wǎng)絡(2

6、) 軟件(Software)n通信協(xié)議。n應用軟件。n計算機網(wǎng)絡提供各種各樣的應用服務：(1) 共享資源訪問 訪問網(wǎng)絡、遠程登錄服務、網(wǎng)絡文件訪問等。(2) 遠程用戶通信 Email、IP電話、網(wǎng)絡會議等。(3) 網(wǎng)上事務處理 電子商務、電子金融、遠程教育、遠程醫(yī)療等。nIT時代四大定律n摩爾定律n貝爾定律：計算能力不變，處理器價格和體積每18個月縮減一半。n以太網(wǎng)發(fā)明人Bob Metcalfe：網(wǎng)絡價值同網(wǎng)絡用戶數(shù)量的平方成正比。n數(shù)字時代三大思想家George Gilder：主干網(wǎng)帶寬每6個月增加1倍，增長速率超過摩爾定律，是芯片增長速率的3倍。1.1.1 什么是計算機網(wǎng)絡1.1.2 計算

7、機網(wǎng)絡的分類n計算機網(wǎng)絡的分類可以從不同的角度和特征進行劃分:n根據(jù)網(wǎng)絡覆蓋的地域范圍（跨越的距離）n根據(jù)網(wǎng)絡的拓撲結構n根據(jù)使用的網(wǎng)絡的通信協(xié)議n根據(jù)數(shù)據(jù)的交換方式n根據(jù)網(wǎng)絡的傳輸媒體n根據(jù)網(wǎng)絡使用單位的性質(zhì)n根據(jù)網(wǎng)絡服務的對象（專用/公共）n根據(jù)網(wǎng)絡的應用性質(zhì)局域網(wǎng)+城域網(wǎng)+廣域網(wǎng)=互聯(lián)網(wǎng)（internet）因特網(wǎng)（Internet）：全世界絕大多數(shù)網(wǎng)絡互連在一起1.1.2 計算機網(wǎng)絡的分類n局域網(wǎng)（LAN）n一般地理范圍在10km以內(nèi)。n主要特點：n數(shù)據(jù)傳輸速率高，一般為10100Mbit/s。n數(shù)據(jù)傳輸可靠，誤碼率低，通常為10-1210-7。n大多數(shù)LAN采用總線(Bus)、環(huán)形(R

8、ing)及星形(Star)拓撲，結構簡單。n一般為廣播網(wǎng)絡(Broadcast Network)，共享信道，產(chǎn)生沖突。n通常是由單一組織所擁有和使用。nLAN有以太網(wǎng)(Ethernet)、令牌環(huán)網(wǎng)(Token Ring Network)、令牌總線 網(wǎng)(Token Bus Network)和無線局域網(wǎng)(Wireless LAN, WLAN)等。1.1.2 計算機網(wǎng)絡的分類n廣域網(wǎng)(WAN)n覆蓋地域可達100km以上。nWAN一般由主機和通信子網(wǎng)組成。nWAN網(wǎng)絡拓撲結構一般比LAN復雜，多為網(wǎng)形(Mesh)、樹形(Tree) 或它們的混合。nWAN大多是交換式網(wǎng)絡(Switched Netwo

9、rk)。nWAN常常采用信道復用技術。n典型的WAN有ARPANET和X.25分組交換網(wǎng),幀中繼(Frame Relay, FR)， 異步傳輸模式(Asynchronous Transfer Mode, ATM)。WAN(網(wǎng)形拓撲、交換式網(wǎng)絡)的網(wǎng)絡結構1.1.2 計算機網(wǎng)絡的分類n城域網(wǎng)(MAN)n一般在10100km的區(qū)域。nIEEE 802.6分布式隊列雙總(Distributed Queue Dual Bus, DQDB)。nLAN和WAN都廣泛應用到MAN領域中：千兆和萬兆以太 網(wǎng)，ATM，同步數(shù)字系列/同步光纖網(wǎng)SDH/SONET，波分多路復用WDM技術。n彈性分組環(huán)(Resili

10、ent Packet Ring, RPR)。1.1.2 計算機網(wǎng)絡的分類n互聯(lián)網(wǎng)和Internetn若干個網(wǎng)絡由稱為路由器(Router)的網(wǎng)絡設備連接在一起便成了互聯(lián)網(wǎng)，是網(wǎng)絡的集合，是網(wǎng)絡的網(wǎng)絡。nInternet是使用TCP/IP協(xié)議族的、覆蓋全球范圍的、開放的互聯(lián)網(wǎng)。nTCP/IP技術的核心是實現(xiàn)網(wǎng)絡的互聯(lián)(Internetworking)，其關鍵的思想是在底層網(wǎng)絡與高層應用程序和用戶之間加入中間層次，屏蔽底層細節(jié)，向用戶提供通用一致的網(wǎng)絡服務。nInternet拓撲結構是松散分層的，不受某個權威部門的控制，在商業(yè)利益驅(qū)動下擴展演進。nInternet 各個層次的網(wǎng)絡干線由不同級別的I

11、nternet服務提供商(Internet Service Provider, ISP)來建立經(jīng)營并向社會提供網(wǎng)絡服務。1.1.2 計算機網(wǎng)絡的分類Internet網(wǎng)絡結構互聯(lián)網(wǎng) 1.2 計算機網(wǎng)絡的發(fā)展n是 20 世紀 60 年代美蘇冷戰(zhàn)時期的產(chǎn)物。n60 年代初，美國國防部領導的遠景研究規(guī)劃局ARPA (Advanced Research Project Agency) 提出要研制一種生存性(survivability)很強的網(wǎng)絡。n傳統(tǒng)的電路交換(circuit switching)的電信網(wǎng)有一個缺點：正在通信的電路中有一個交換機或有一條鏈路被炸毀，則整個通信電路就要中斷。n如要改用其他

12、迂回電路，必須重新?lián)芴柦⑦B接。這將要延誤一些時間。1.2.1 早期的計算機網(wǎng)絡n20世紀50年代中期n美國地面防空系統(tǒng)(SAGE)最早的計算機網(wǎng)絡雷達等檢測裝置的信號通過通信線路送入IBM計算機n美國航空公司的飛機票預訂系統(tǒng)(SABER)第一個商用的計算機網(wǎng)絡系統(tǒng)中心計算機連接2000個終端n以單臺計算機為中心的遠程聯(lián)機系統(tǒng)。 1.2.2 分組交換網(wǎng)的產(chǎn)生n20世紀60年代n多臺具有自主處理能力的計算機通過通信線路連接起來，使用分組交換方式進行通信。nARPANET，IMP(Interface Message Processor)接口報文處理機。存儲轉發(fā)的計算機網(wǎng)絡IMP1.2.2 分組交換

13、網(wǎng)的產(chǎn)生n存儲轉發(fā)(Store And Forward)。n分組交換或包交換，分組交換網(wǎng)。n通信子網(wǎng)(Communication Subnet) n資源子網(wǎng)(Re-source Subnet)n公共數(shù)據(jù)網(wǎng)(Public Data Network-, PDN)。1.2.3 計算機網(wǎng)絡體系結構的形成n計算機網(wǎng)絡的層次結構及各層協(xié)議的集合統(tǒng)稱計算機網(wǎng)絡的體系結構(Architecture)。 只有具有同樣體系結構的計算機網(wǎng)絡才能無縫地互連。n開放系統(tǒng)互連參考模型(Open System Interconnection /Reference Model, OSI/RM)， 1977年ISO成立分委員會

14、開展研究，1983年制定nTCP/IP體系結構，事實上的標準 DARPA資助推出，1983年將所有計算機轉向TCP/IP1.2.4 局域網(wǎng)的產(chǎn)生與發(fā)展n20世紀70年代產(chǎn)生： 1972年美國加州大學研制了Newhall loop網(wǎng)； 1974年英國劍橋大學計算機實驗室建立了劍橋環(huán)（Cambridge ring）。 1975年Xerox公司Palo Alto研究中心研制了第一個總線結構的實驗性的以太網(wǎng)（Ethernet）；n80年代，PC-LAN，多種LAN紛紛出現(xiàn)n90年代后，以太網(wǎng)成為LAN的主流網(wǎng)絡，保持了支配性的市場地位。nIEEE對LAN的發(fā)展做出了卓越的貢獻。 1.2.5 Inter

15、net時代n20世紀90年代，計算機網(wǎng)絡進入了Internet時代。n1996年美國政府NGI (Next-Generation Internet)計劃。n1998年美國100多所大學成立UCAID (University Corporation for Advanced Internet Development)，從事Internet2研究計劃。n加拿大、英國以及亞太地區(qū)n光通信：“電子瓶頸”n全光網(wǎng)(All Optical Network, AON)光互聯(lián)網(wǎng)論壇(OpticalInternetworking Forum, OIF)。Abilene主干n21 世紀的一些重要特征就是數(shù)字化、網(wǎng)

16、絡化和信息化，它是一個以網(wǎng)絡為核心的信息時代。n網(wǎng)絡現(xiàn)已成為信息社會的命脈和發(fā)展知識經(jīng)濟的重要基礎。n網(wǎng)絡是指“三網(wǎng)”，即電信網(wǎng)絡、有線電視網(wǎng)絡和計算機網(wǎng)絡。n發(fā)展最快的并起到核心作用的是計算機網(wǎng)絡1.2.6 計算機網(wǎng)絡在我國的發(fā)展n1989年11月，第一個分組交換網(wǎng)CNPAC建成。n1993年中國公用分組交換網(wǎng)，CHINAPAC。n20世紀80年代后，LAN迅速發(fā)展。n1994年，正式接入Internet。n目前我國有9大互聯(lián)網(wǎng)。n我國國民經(jīng)濟和社會信息化的三大工程：政府上網(wǎng)工程、企業(yè)上網(wǎng)工程和家庭上網(wǎng)工程。n中國下一代互聯(lián)網(wǎng)示范工程(China Next Generation Intern

17、et, CNGI)。nCNGI第一個實驗網(wǎng)絡NSFCNET于1999年建設，2001年驗收。2001年CERNET(CERNET2)。IPv6網(wǎng)絡因特網(wǎng)發(fā)展的第一階段n第一個分組交換網(wǎng) ARPANET 最初只是一個單個的分組交換網(wǎng)。 nARPA 研究多種網(wǎng)絡互連的技術。n1983 年 TCP/IP 協(xié)議成為標準協(xié)議。n同年，ARPANET分解成兩個網(wǎng)絡：nARPANET進行實驗研究用的科研網(wǎng)nMILNET軍用計算機網(wǎng)絡n19831984 年，形成了因特網(wǎng) Internet。n1990 年 ARPANET 正式宣布關閉。 因特網(wǎng)發(fā)展的第二階段n1986 年，NSF 建立了國家科學基金網(wǎng)。 NSF

18、NET。它是一個三級計算機網(wǎng)絡： n主干網(wǎng)n地區(qū)網(wǎng)n校園網(wǎng)n1991 年，美國政府決定將因特網(wǎng)的主干網(wǎng)轉交給私人公司來經(jīng)營，并開始對接入因特網(wǎng)的單位收費。n1993 年因特網(wǎng)主干網(wǎng)的速率提高到 45 Mb/s（T3 速率）。 三級結構的因特網(wǎng)n各網(wǎng)絡之間需要使用路由器來連接。n有時在結構圖中可不畫出路由器。校園網(wǎng)校園網(wǎng)校園網(wǎng)校園網(wǎng)校園網(wǎng)校園網(wǎng)國家主干網(wǎng)地區(qū)網(wǎng)地區(qū)網(wǎng)地區(qū)網(wǎng)路由器三級結構的因特網(wǎng)n主機到主機的通信可能要經(jīng)過多種網(wǎng)絡。校園網(wǎng)校園網(wǎng)校園網(wǎng)校園網(wǎng)校園網(wǎng)校園網(wǎng)國家主干網(wǎng)地區(qū)網(wǎng)地區(qū)網(wǎng)地區(qū)網(wǎng)因特網(wǎng)發(fā)展的第三階段n從1993年開始，由美國政府資助的 NSFNET逐漸被若干個商用的 ISP 網(wǎng)絡所

19、代替。 n1994 年開始創(chuàng)建了 4 個網(wǎng)絡接入點 NAP (Network Access Point)，分別由 4 個電信公司經(jīng)營。nNAP 就是用來交換因特網(wǎng)上流量的結點。在NAP 中安裝有性能很好的交換設施。到本世紀初，美國的 NAP 的數(shù)量已達到十幾個。n從 1994 年到現(xiàn)在，因特網(wǎng)逐漸演變成多級結構網(wǎng)絡。 多級結構的因特網(wǎng)大公司地區(qū) ISP網(wǎng)絡接入點NAP（對等點）公司校園網(wǎng)主干服務提供者校園網(wǎng)校園網(wǎng)校園網(wǎng)校園網(wǎng)本地 ISP地區(qū) ISP地區(qū) ISP地區(qū) ISP本地 ISP本地 ISP大公司大公司網(wǎng)絡接入點NAP（對等點）n主機到主機的通信可能經(jīng)過多種 ISP。1.3 計算機網(wǎng)絡的標

20、準化工作1.3.1 標準化組織n國際標準化領域相關組織n國際標準化組織(International Standards Organization, ISO)。n電氣電子工程師協(xié)會(Institute of Electrical and Electronics Engineers, IEEE)。n因特網(wǎng)標準化機構n因特網(wǎng)協(xié)會(Internet Society, ISOC)。n因特網(wǎng)體系結構委員會(Internet Architecture Board, IAB)。n因特網(wǎng)工程部(Internet Engineering Task Force, IETF)。n因特網(wǎng)研究部(Internet Res

21、earch Task Force, IRTF)。 1.3.1 標準化組織n因特網(wǎng)編號管理局(Internet Assigned Numbers Authority, IANA)，Internet名字和號碼分配公司(ICANN)。nRFC 編輯部(RFC Editor)，RFC (Request For Comments, 請求評注)文檔。n電信界標準化組織n國際電信聯(lián)盟(International Telecommunication Union, ITU)。下屬的電信標準化部門ITU-T，前身為國際電報電話咨詢委員會(CCITT)，其標準稱為“建議”，政府可以按自己的意愿決定是否采用。1.3.

22、2 RFC文檔n標準化進程中(Standards Track)。 Internet草案、建議標準、草案標準、因特網(wǎng)標準n最好的當前實踐(Best Current Practice)。 某些操作規(guī)則或IETF處理工作方式的標準n非標準的(Non-Standards)。 實驗的、提供信息的、歷史的文檔關于因特網(wǎng)的標準化工作因特網(wǎng)協(xié)會 ISOC因特網(wǎng)研究指導小組IRSG 因特網(wǎng)研究部 IRTF 因特網(wǎng)工程部 IETF 因特網(wǎng)工程指導小組IESG RGWGRG領域領域因特網(wǎng)體系結構研究委員會 IAB WGWGWG各種RFC之間的關系 因特網(wǎng)草案建議標準草案標準因特網(wǎng)標準歷史的 RFC實驗的 RFC提供信息