計算機網(wǎng)絡：CH1 計算機網(wǎng)絡概述1

1、計算機網(wǎng)絡計算機網(wǎng)絡1課程注意事項n教材特點與參考書目n計算機網(wǎng)絡計算機網(wǎng)絡 V5，謝希仁著，電子工業(yè)出版社，謝希仁著，電子工業(yè)出版社n計算機網(wǎng)絡計算機網(wǎng)絡 V4，Andrew Tanenbaum著，潘愛著，潘愛民譯，清華大學出版社民譯，清華大學出版社n作業(yè)與實驗報告n靈活的課后作業(yè)靈活的課后作業(yè)+固定的實驗報告固定的實驗報告n學習方法n課堂聽課課堂聽課+課后自學課后自學n考試n70%+30%學習方法建議學習方法建議：n反復閱讀教材反復閱讀教材思考思考n結合生活實例學會聯(lián)想、類比結合生活實例學會聯(lián)想、類比 n模擬實驗環(huán)境與真實實踐操作結合模擬實驗環(huán)境與真實實踐操作結合 n適當做題、練習適當做題

2、、練習 n不拘泥于一本教材、不受限于前人的觀點、學習沒不拘泥于一本教材、不受限于前人的觀點、學習沒必要太注重技術細節(jié)，主要是設計思想、基本概念必要太注重技術細節(jié)，主要是設計思想、基本概念和基礎理論。和基礎理論。4教育教育就是當一個人把在學校所學的全部忘光之后剩就是當一個人把在學校所學的全部忘光之后剩下的東西。下的東西。-愛因斯坦愛因斯坦1.1 網(wǎng)絡概述 計算機網(wǎng)絡的定義計算機網(wǎng)絡的定義：利用網(wǎng)絡設備和線纜將位置不同、功能獨立的多個計算機互連起來，通過網(wǎng)絡軟件實現(xiàn)網(wǎng)絡中資源共享和信息交換的系統(tǒng)。什么叫計算機網(wǎng)絡？什么叫計算機網(wǎng)絡？計算機網(wǎng)絡的功能n資源共享n信息傳遞與集中處理n分布式處理n尋找外

3、星人活動尋找外星人活動SETIhomen綜合信息服務n電子郵件電子郵件n電子商務電子商務n視頻點播（視頻點播（VOD）n視頻會議視頻會議1.2 計算機網(wǎng)絡的發(fā)展過程 1.2.1 分組交換的產(chǎn)生n是 20 世紀 60 年代美蘇冷戰(zhàn)時期的產(chǎn)物。n60 年代初，美國國防部領導的高級計劃研究署ARPA 提出要研制一種生存性很強的網(wǎng)絡。n傳統(tǒng)的電路交換的電信網(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如要改用其他迂回電路，必須重新?lián)芴柦⑦B接。這將要延誤一些時間。 計算機網(wǎng)絡的產(chǎn)生背景新型網(wǎng)絡的基本特點n網(wǎng)絡用于計算機之間的數(shù)據(jù)傳送，而不是為了打電話。n網(wǎng)絡能

4、夠連接不同類型的計算機，不局限于單一類型的計算機。n所有的網(wǎng)絡結點都同等重要，因而大大提高網(wǎng)絡的生存性。n計算機在進行通信時，必須有冗余的路由。n網(wǎng)絡的結構應當盡可能地簡單，同時還能夠非?？煽康貍魉蛿?shù)據(jù)。 回顧一下電路交換的特點 n兩部電話機只需要用一對電線就能夠互相連接起來。 更多的電話機互相連通n5 部電話機兩兩相連，需 10 對電線。nN 部電話機兩兩相連，需 N(N 1)/2對電線。n當電話機的數(shù)量很大時，這種連接方法需要的電線對的數(shù)量與電話機數(shù)的平方成正比。 使用交換機n當電話機的數(shù)量增多時，就要使用交換機來完成全網(wǎng)的交換任務。 交換機“交換”的含義n在這里，“交換”(switchi

5、ng)的含義是：n轉接轉接把一條電話線轉接到另一條電話線，把一條電話線轉接到另一條電話線，使它們連通起來。使它們連通起來。n從通信資源的分配角度來看，“交換”就是按照某種方式動態(tài)地分配傳輸線路的資源。 電路交換的特點n電路交換必定是面向連接的。 n電路交換的三個階段：n建立連接建立連接n通信通信n釋放連接釋放連接電路交換舉例nA 和 B 通話經(jīng)過四個交換機n通話在 A 到 B 的連接上進行交換機交換機交換機交換機用戶線用戶線中繼線中繼線BDCA電路交換舉例nC 和 D 通話只經(jīng)過一個本地交換機n通話在 C 到 D 的連接上進行交換機交換機交換機交換機用戶線用戶線中繼線中繼線BDCA電路交換傳送

6、計算機數(shù)據(jù)效率低n計算機數(shù)據(jù)具有突發(fā)性。n這導致通信線路的利用率很低。報文分組交換的原理（一）n在發(fā)送端，先把較長的報文劃分成較短的、固定長度的數(shù)據(jù)段。 1101000110101010110101011100010011010010假定這個報文較長不便于傳輸數(shù) 據(jù)數(shù) 據(jù)數(shù) 據(jù)報文分組交換的原理（二）n每一個數(shù)據(jù)段前面添加上首部構成分組。首部首部首部分組 1分組 2分組 3請注意：現(xiàn)在左邊是“前面”分組交換的原理（三）n分組交換網(wǎng)以“分組”作為數(shù)據(jù)傳輸單元。n依次把各分組發(fā)送到接收端（假定接收端在左邊）。數(shù) 據(jù)首部分組 1數(shù) 據(jù)首部分組 2數(shù) 據(jù)首部分組 3分組首部的重要性n每一個分組的首部都

7、含有地址等控制信息。n分組交換網(wǎng)中的結點交換機根據(jù)收到的分組的首部中的地址信息，把分組轉發(fā)到下一個結點交換機。n用這樣的存儲轉發(fā)方式，最后分組就能到達最終目的地。分組交換的原理（四）n接收端收到分組后剝?nèi)ナ撞窟€原成報文。數(shù) 據(jù)首部分組 1數(shù) 據(jù)首部分組 2數(shù) 據(jù)首部分組 3收到的數(shù)據(jù)數(shù) 據(jù)數(shù) 據(jù)數(shù) 據(jù)分組交換的原理（五）n最后，在接收端把收到的數(shù)據(jù)恢復成為原來的報文。n這里我們假定分組在傳輸過程中沒有出現(xiàn)差錯，在轉發(fā)時也沒有被丟棄。報文1101000110101010110101011100010011010010分組交換網(wǎng)的示意圖H1A分組交換網(wǎng)BDECH5H6H4H2H3H1 向 H5 發(fā)

8、送分組H2 向 H6 發(fā)送分組注意分組路徑的變化！結點交換機主機注意分組的存儲轉發(fā)過程H1A分組交換網(wǎng)BDECH5H6H4H2H3H1 向 H5 發(fā)送分組結點交換機主機在結點交換機 A 暫存查找轉發(fā)表找到轉發(fā)的端口在結點交換機 C 暫存查找轉發(fā)表找到轉發(fā)的端口在結點交換機 E 暫存查找轉發(fā)表找到轉發(fā)的端口最后到達目的主機 H5注意結點交換機有多個端口ABCDEH1H5H2H4H3H6高速鏈路 結點交換機123412341 2 3 41 2 3 41 2 3 4結點交換機n在結點交換機中的輸入和輸出端口之間沒有直接連線。n結點交換機處理分組的過程是：n把收到的分組先放入把收到的分組先放入緩存（暫

9、時存儲）緩存（暫時存儲）；n查找查找轉發(fā)表轉發(fā)表，找出到某個目的地址應從哪個，找出到某個目的地址應從哪個端口轉發(fā)；端口轉發(fā)；n把分組送到適當?shù)陌逊纸M送到適當?shù)亩丝诙丝谵D發(fā)出去。轉發(fā)出去。 主機和結點交換機的作用不同n主機是為用戶進行信息處理的，并向網(wǎng)絡發(fā)送分組，從網(wǎng)絡接收分組。n結點交換機對分組進行存儲轉發(fā)，最后把分組交付給目的主機。分組交換的優(yōu)點n高效 動態(tài)分配傳輸帶寬，對通信鏈路是逐段占用。 n靈活 以分組為傳送單位和查找路由。n迅速 不必先建立連接就能向其他主機發(fā)送分組；充分使用鏈路的帶寬。n可靠 完善的網(wǎng)絡協(xié)議；自適應的路由選擇協(xié)議使網(wǎng)絡有很好的生存性。 分組交換帶來的問題n分組在各結

10、點存儲轉發(fā)時需要排隊，這就會造成一定的時延。 n分組必須攜帶的首部（里面有必不可少的控制信息）也造成了一定的開銷。 存儲轉發(fā)原理并非完全新的概念 n在 20 世紀 40 年代，電報通信也采用了基于存儲轉發(fā)原理的報文交換(message switching)。 n報文交換的時延較長，從幾分鐘到幾小時不等?，F(xiàn)在報文交換已經(jīng)很少有人使用了。 三種交換的比較 P1P2P3P4P1P2P3P4P3P4報文報文報文A B C D A B C DA B C D報文交換電路交換分組交換t連接建立數(shù)據(jù)傳送報文P2P1連接釋放ARPANET的成功使計算機網(wǎng)絡的概念發(fā)生根本變化 n早期的面向終端的計算機網(wǎng)絡是以單個

11、主機為中心的星形網(wǎng)n各終端通過通信線路共享昂貴的中心主機的各終端通過通信線路共享昂貴的中心主機的硬件和軟件資源。硬件和軟件資源。 n分組交換網(wǎng)則是以網(wǎng)絡為中心，主機都處在網(wǎng)絡的外圍。n用戶通過分組交換網(wǎng)可共享連接在網(wǎng)絡上的用戶通過分組交換網(wǎng)可共享連接在網(wǎng)絡上的許多硬件和各種豐富的軟件資源。許多硬件和各種豐富的軟件資源。 從主機為中心到以網(wǎng)絡為中心主機終端以主機為中心以分組交換網(wǎng)為中心主機分組交換網(wǎng)1.2.2 因特網(wǎng)時代n因特網(wǎng)的基礎結構大體上經(jīng)歷了三個階段的演進。n但這三個階段在時間劃分上并非截然分開而是有部分重疊的，這是因為網(wǎng)絡的演進是逐漸的而不是突然的。因特網(wǎng)發(fā)展的第一階段n第一階段：單個

12、ARPANET網(wǎng)向互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的過程nARPANET 最初只是一個單個的分組交換網(wǎng)，后來開始研究多種網(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)進行實驗研究用的科研網(wǎng)nMILNET軍用計算機網(wǎng)絡軍用計算機網(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) NSFNET。它是一個三級計算機網(wǎng)絡： n主干網(wǎng)主干網(wǎng)n地區(qū)網(wǎng)地區(qū)網(wǎng)n校園網(wǎng)校園網(wǎng)n1991 年，美國政府決定將因特網(wǎng)的主干網(wǎng)轉

13、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)絡所代替。 n1994 年開始創(chuàng)建了 4 個網(wǎng)絡接入點 NAP (Network Access Point)

14、，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。今日的多級結構的因特網(wǎng)n大致上可將因特網(wǎng)分為以下五個接入級 n網(wǎng)絡接入點網(wǎng)絡接入點 NAPn國家主干網(wǎng)（主干國家主干網(wǎng)（主干

15、ISP）n地區(qū)地區(qū) ISPn本地本地 ISPn校園網(wǎng)、企業(yè)網(wǎng)或校園網(wǎng)、企業(yè)網(wǎng)或 PC 機上網(wǎng)用戶機上網(wǎng)用戶1.2.3 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制訂因特網(wǎng)的正式標準要經(jīng)過以下的四個階段 n因特網(wǎng)草案(Internet Draft) 在這個階段還不是 RFC 文檔。n標準提案(Proposed Standard) 從這個階段開始就成為 RFC 文檔。n標準草案(Draft Standard)n因特網(wǎng)標準(Inte

16、rnet Standard) 各種RFC之間的關系 因特網(wǎng)草案標準提案標準草案因特網(wǎng)標準歷史的 RFC實驗的 RFC提供信息的 RFC6 種 RFC因特網(wǎng)的組成 從因特網(wǎng)的工作方式上看，可以劃分為以下的兩大塊：(1) 邊緣部分 由所有連接在因特網(wǎng)上的主機組成。這部分是用戶直接使用的，用來進行通信和資源共享。(2) 核心部分 由大量網(wǎng)絡和連接這些網(wǎng)絡的路由器組成。這部分是為邊緣部分提供服務的。因特網(wǎng)的核心部分因特網(wǎng)的邊緣部分主機網(wǎng)絡路由器因特網(wǎng)的邊緣部分與核心部分1.3.1 因特網(wǎng)的邊緣部分n處在因特網(wǎng)邊緣的部分就是連接在因特網(wǎng)上的所有的主機。這些主機又稱為端系統(tǒng)(end system)。n “

17、主機 A 和主機 B 進行通信”，實際上是指：“運行在主機 A 上的某個程序和運行在主機 B 上的另一個程序進行通信”?；蚝喎Q為“計算機之間通信” 兩種通信方式在網(wǎng)絡邊緣的端系統(tǒng)中運行的程序之間的通信方式通?？蓜澐譃閮纱箢悾簄客戶服務器方式（C/S 方式） 即Client/Server方式 n對等連接方式（P2P 方式） 即 Peer-to-Peer方式 運行客戶程序網(wǎng)絡邊緣網(wǎng)絡核心運行服務器程序AB 請求服務 得到服務客戶服務器客戶 A 向服務器 B 發(fā)出請求服務，而服務器 B 向客戶 A 提供服務。網(wǎng)絡邊緣網(wǎng)絡核心運行P2P 程序運行P2P 程序DCEF運行P2P 程序運行P2P 程序1.

18、3.2 因特網(wǎng)的核心部分n網(wǎng)絡核心部分是因特網(wǎng)中最復雜的部分。n網(wǎng)絡中的核心部分要向網(wǎng)絡邊緣中的大量主機提供連通性，使邊緣部分中的任何一個主機都能夠向其他主機通信。n在網(wǎng)絡核心部分起特殊作用的是路由器(router)。路由器的重要任務n路由器是實現(xiàn)分組交換的關鍵構件，其任務是轉發(fā)收到的分組，這是網(wǎng)絡核心部分最重要的功能。 1.3 計算機網(wǎng)絡的分類n 1.3.2 幾種不同的分類方法n從網(wǎng)絡的交換功能進行分類從網(wǎng)絡的交換功能進行分類n從網(wǎng)絡的作用范圍進行分類從網(wǎng)絡的作用范圍進行分類n從網(wǎng)絡的使用者進行分類從網(wǎng)絡的使用者進行分類 1.3.2 幾種不同的分類方法（一）n從網(wǎng)絡的交換功能分類n電路交換電

19、路交換n報文交換報文交換n分組交換分組交換n混合交換混合交換1.3.2 幾種不同的分類方法（二）n從網(wǎng)絡的作用范圍進行分類n廣域網(wǎng)廣域網(wǎng) WAN (Wide Area Network)n局域網(wǎng)局域網(wǎng) LAN (Local Area Network) n城域網(wǎng)城域網(wǎng) MAN (Metropolitan Area Network)n接入網(wǎng)接入網(wǎng) AN (Access Network)n個人區(qū)域網(wǎng)個人區(qū)域網(wǎng)PAN(Personal Area Network) 廣域網(wǎng)WANn廣域網(wǎng)(Wide Area Network)簡稱為WAN。這類網(wǎng)絡的作用范圍是覆蓋一個比較廣闊的區(qū)域。主要特征是：n1、網(wǎng)絡的覆

20、蓋和速率范圍很寬廣,幾十公里到幾千公里。n2、網(wǎng)絡組織結構形式復雜n3、具有多功能多用途的綜合服務能力 局域網(wǎng)LANn局域網(wǎng)(Local Area Network)簡稱LAN。主要在如下四個方面的特征上區(qū)別于其它類型的網(wǎng)絡：n1、網(wǎng)絡的覆蓋范圍很有限，不超過1公里n2、拓撲結構形式簡單而多樣化n3、采用高質量大容量的傳輸介質n4、多采用共享信道的多址接入方式 城域網(wǎng)MANn城域網(wǎng)(Metropolitan Area Network)，簡稱MAN。這類網(wǎng)絡的作用范圍是覆蓋一個大城市的區(qū)域。其特征如下：n1、網(wǎng)絡的覆蓋范圍取決于城市的大小，距離在5到50公里左右，主要進行多個局域網(wǎng)的互聯(lián)。 接入網(wǎng)

21、ANn接入網(wǎng)(Access Network)簡稱為AN。它是近年來由于用戶對高速上網(wǎng)需求的增加而出現(xiàn)的一種網(wǎng)絡技術。它是局域網(wǎng)和城域網(wǎng)之間的橋接區(qū)，它提供多種高速接入技術，例如：nDSL技術技術nCable技術技術n以太網(wǎng)接入技術以太網(wǎng)接入技術個人區(qū)域網(wǎng)PANn個人區(qū)域網(wǎng)PAN就是在個人工作地方把屬于個人使用的電子設備（如手提電腦等）用無線技術連接起來的網(wǎng)絡，也常稱為無線個人區(qū)域網(wǎng)WPAN(Wireless PAN).廣域網(wǎng)、城域網(wǎng)、接入網(wǎng)以及局域網(wǎng)的關系 城域網(wǎng)城域網(wǎng)接入網(wǎng)接入網(wǎng)接入網(wǎng)接入網(wǎng)接入網(wǎng)接入網(wǎng)廣域網(wǎng)局域網(wǎng)局域網(wǎng)校園網(wǎng)企業(yè)網(wǎng)1.3.2 幾種不同的分類方法（三）n從網(wǎng)絡的使用者進行分類

22、n公用網(wǎng)公用網(wǎng) (public network) n專用網(wǎng)專用網(wǎng) (private network) 1.4 計算機網(wǎng)絡的主要性能指標1.4.1 帶寬n“帶寬”(bandwidth)本來是指信號具有的頻帶寬度，單位是赫（或千赫、兆赫、吉赫等）。n現(xiàn)在“帶寬”是數(shù)字信道所能傳送的“最高數(shù)據(jù)率”的同義語，單位是“比特每秒”，或 b/s (bit/s)。n帶寬表示網(wǎng)絡通信線路所能傳送數(shù)據(jù)的能力。常用的帶寬單位n更常用的帶寬單位是n千比每秒，即千比每秒，即 kb/s （103 b/s）n兆比每秒，即兆比每秒，即 Mb/s（106 b/s）n吉比每秒，即吉比每秒，即 Gb/s（109 b/s）n太比每秒

23、，即太比每秒，即 Tb/s（1012 b/s）n請注意：在計算機界，K = 210 = 1024 M = 220, G = 230, T = 240。數(shù)字信號流隨時間的變化n在時間軸上信號的寬度隨帶寬的增大而變窄。 每秒 106 個比特時間1 0 1 0 1 11 s帶寬為1 Mb/s 時間每秒 4 106 個比特0.25 s帶寬為4 Mb/s 吞吐量n吞吐量(throughput)表示在單位時間內(nèi)通過某個網(wǎng)絡（或信道、接口）的數(shù)據(jù)量。n吞吐量更經(jīng)常地用于對現(xiàn)實世界中的網(wǎng)絡的一種測量，以便知道實際上到底有多少數(shù)據(jù)量能夠通過網(wǎng)絡。n吞吐量受網(wǎng)絡的帶寬或網(wǎng)絡的額定速率的限制。 時延(delay 或 latency)n傳輸時延（發(fā)送時延 ） 發(fā)送數(shù)據(jù)時，數(shù)據(jù)塊從結點進入到傳輸媒體所需要的時間。n也就是從發(fā)送數(shù)據(jù)幀的第一個比特算起，到該幀的最后一個比特發(fā)送完畢所需的時間。 發(fā)送時延 = 數(shù)據(jù)塊長度（比特）發(fā)送速率（比特/秒）時延(delay 或 latency)n傳播時延 電磁波在信道中需要傳播一定的距離而花費的時間。 n信號傳輸速率（即發(fā)送速率）和信號在信道上的傳播速率是完全不同的概念。