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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计算机网络在我国的发展1 5计算机网络的分类1 6计算机网络的主要性能指标1 7计算机网络体系结构 第2章 1 1计算机网络在信息时代的作用 21世纪的重要特征 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 P1网络已成为信息社会的命脉和发展知识经济的重要基础 网络是指 三网 电信网络 有线电视网络和计算机网络 P1发展最快的并起到核心作用的是计算机网络 三金 工程及三网合一 1993年3月12日 时任副总理的朱镕基主持国务院会议 提出了建设 三金 工程 计算机网络正是 三金工程 中的一个非常重要的组成部分 金桥工程 建立国家公用经济信息通信网 金关工程推动海关报关业务的电子化 金卡工程建设的总体目标是要建立起一个现代化的 实用的 比较完整的电子货币系统 三网合一 电信网络 有线电视逐步融入计算机网络 计算机网络向用户提供的最重要的功能 连接 计算机网络使上网用户之间都可以交换信息 好像这些用户的计算机都可以彼此直接连通一样 共享 即资源共享 可以是信息共享 软件共享 也可以是硬件共享 P2 1 2Internet因特网概述 1 2 1网络的网络 网络互联 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网络 network 由若干结点 node 和连接这些结点的链路 link 组成 拓扑图 互联网是 网络的网络 networkofnetworks 连接在因特网上的计算机 主机 host 网络与因特网 网络把许多计算机连接在一起 a 因特网Internet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 b 主机 路由器 网络 云 计算机网络的产生背景 是20世纪60年代美苏冷战时期的产物 60年代初 美国国防部领导的远景研究规划局ARPA AdvancedResearchProjectAgency 提出要研制一种生存性 survivability 很强的网络 传统的电路交换 circuitswitching 的电信网有一个缺点 正在通信的电路中有一个交换机或有一条链路被炸毁 则整个通信电路就要中断 如要改用其他迂回电路 必须重新拨号建立连接 这将要延误一些时间 ARPANET的成功使计算机网络的概念发生根本变化 早期的面向终端的计算机网络是以单个主机为中心的星形网各终端通过通信线路共享昂贵的中心主机的硬件和软件资源 分组交换网则是以网络为中心 主机都处在网络的外围 用户通过分组交换网可共享连接在网络上的许多硬件和各种丰富的软件资源 从主机为中心到以网络为中心 以主机为中心 以分组交换网为中心 1 2 2因特网发展的三个阶段 第一阶段是从单个网络ARPANET向互联网发展的过程 1983年TCP IP协议成为ARPANET上的标准协议 习惯把1983年作为因特网的诞生时间 P4 三级结构的因特网 第二阶段的特点是建成了三级结构的因特网 三级计算机网络 主干网地区网校园网 或企业网 P4 各网络之间需要使用路由器来连接有时在结构图中可不画出路由器 企业网 校园网 校园网 企业网 校园网 校园网 国家主干网 主机到主机的通信可能要经过多种网络 校园网 校园网 校园网 校园网 校园网 校园网 国家主干网 上海建桥学院 北京大学 多层次ISP结构的因特网 第三阶段的特点是逐渐形成了多层次ISP结构的因特网 出现了因特网服务提供者ISP InternetServiceProvider 根据提供服务的覆盖面积及所拥有的IP地址数目的不同 ISP也分成不同的层次 中国电信 中国移动等P4 用户 因特网 ISP1 ISP2 因特网服务提供者 用户通过ISP上网 ISP 零售 向因特网管理机构 批发 申请很多IP地址 再向终端用户提供服务 P5 大公司 公司 本地ISP A B 本地ISP 主干ISP 本地ISP 本地ISP 地区ISP 主干ISP 主干ISP 地区ISP 地区ISP 地区ISP 本地ISP 本地ISP IXP 本地ISP 校园网 校园网 三层ISP结构因特网概念的示意图 因特网交换点IXP 因特网交换点IXP InternetExchangePoint P6允许两个网络直接相连并交换分组 以便更加有效地利用网络资源 到2012年3月 全球已经有91个国家拥有IXP 其中拥有10个以上IXP的国家仅有9个 而仅拥有一个IXP的有48个国家 IXP全球分布图 一级ISP 一级ISP 第一层ISP 大公司 本地ISP 大公司 大公司 公司 本地ISP 本地ISP 第二层ISP 第二层ISP NAP NAP A B 第一层ISP 第二层ISP 本地ISP 本地ISP 本地ISP 本地ISP 第一层ISP 第一层 第二层 第三层 本地ISP 第二层ISP 本地ISP 本地ISP 本地ISP 本地ISP 第二层ISP 本地ISP 本地ISP 第二层ISP NAP NetworkAccessPoint网络接入点 是因特网路由选择层中的通信交换点 每个网络接入点都由一个共享交换系统或者局域网组成 用来交换业务量 通过主干网与ISP互相连接 NAP可用作主要业务提供者的数据互换点 万维网WWW的问世 因特网已经成为世界上规模最大和增长速率最快的计算机网络 没有人能够准确说出因特网究竟有多大 因特网的迅猛发展始于20世纪90年代 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 1 2 3关于因特网的标准化工作 因特网协会ISOC 因特网研究指导小组IRSG 因特网研究部IRTF 因特网工程部IETF 因特网工程指导小组IESG RG WG RG 领域 领域 因特网体系结构研究委员会IAB WG WG WG ISOC的执行机构 由网络设计者 制造商和致力于网络发展的研究人员组成的一个开放性组织http www IETF org 负责IETF活动和Internet标准化过程的技术性管理 负责研究Internet长期发展相关的技术 InternetSociety负责协议开发 技术顾问http www IAB org P7 制订因特网的正式标准要经过以下的四个阶段 所有Internet网标准都以RFC RequestForComments 形式发表 供免费下载 如IP协议 RFC文档的编号是RFC791 P8制订正式标准 因特网草案 InternetDraft 在这个阶段还不是RFC文档 有效期6个月 建议标准 ProposedStandard 从这个阶段开始就成为RFC文档 草案标准 DraftStandard 因特网标准 InternetStandard 各种RFC之间的关系 因特网草案 建议标准 草案标准 因特网标准 历史的RFC 实验的RFC 提供信息的RFC 6种RFC 1 3因特网的组成 根据因特网的工作方式 划分为两大块 1 边缘部分由所有连接在因特网上的主机组成 这部分是用户直接使用的 用来进行通信 传送数据 音频或视频 和资源共享 资源子网 2 核心部分由大量网络和连接这些网络的路由器组成 这部分是为边缘部分提供服务的 提供连通性和交换 通信子网 因特网的核心部分 因特网的边缘部分 主机 网络 路由器 因特网的边缘部分与核心部分 1 3 1因特网的边缘部分 处在因特网边缘部分就是连接在因特网上的所有的主机 又称为端系统 endsystem 主机A和主机B进行通信 实际上是指 运行在主机A上的某个程序和运行在主机B上的另一个程序进行通信 即 主机A的某个进程和主机B上的另一个进程之间通信 或简称 计算机之间通信 两种通信方式 在网络边缘的端系统中运行的进程之间的通信方式通常可划分为两大类 客户机 服务器方式 C S方式 即Client Server方式另一种B S结构 Browser Server 浏览器 服务器模式 对等方式 P2P方式 即Peer to Peer方式 1 客户服务器方式 客户机 client 和服务器 server 都是指通信中所涉及的两个应用进程 客户机 服务器方式所描述的是进程之间服务和被服务的关系 客户机是服务的请求方 服务器是服务的提供方 运行客户程序 网络边缘 网络核心 运行服务器程序 A B 客户 服务器 客户机A向服务器B发出请求服务 而服务器B向客户机A提供服务 2020 1 14 29 客户机软件和服务器软件 2020 1 14 30 特性对比列表P10 需要知道服务器地址 2 对等连接方式 对等连接 peer to peer 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 只要两个主机都运行了对等连接软件 它们就可以进行平等的 对等连接通信 双方都可以下载对方存储在硬盘中共享文档 对等连接方式实质仍是C S方式 对等连接中的每一个主机既是客户机又是服务器 应用举例 文件夹共享 运行P2P程序的计算机可以是客户机 也可以是服务器 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 网络中的核心部分要向网络边缘中的大量主机提供连通性 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 主要有通信线路和路由器连接而成 在网络核心部分起特殊作用的是路由器 router H1 H5 H2 H4 H3 H6 路由器 网络 网络核心部分 主机 高速链路 低速链路 主机 用户进行信息处理的 并且可以和其他主机通过网络交换信息 路由器 进行分组交换的 路由器的重要任务 路由器实现分组交换 packetswitching 的关键构件 实现网络核心部分最重要的功能 主要功能 存储转发收到的分组 分组交换 数据交换 信息从信源传送到信宿 根据线路结构分成 点对点传输和多结点传输 局域网中广播式信息传输采用多结点传输方式 广域网中信息传输需要通过多结点转发 交换 电路 线路 交换方式报文 存储转发 交换方式分组交换方式高速交换方式1 电路交换的主要特点两部电话机只需要用一对电线就能够互相连接起来 5部电话机两两相连 需10对电线 N部电话机两两相连 需N N 1 2对电线 当电话机的数量很大时 这种连接方法需要的电线对的数量与电话机数的平方成正比 更多的电话机互相连通 使用交换机 当电话机的数量增多时 就要使用交换机来完成全网的交换任务 交换机 交换 的含义P12 交换 switching 就是转接 把一条电话线转接到另一条电话线 使它们连通起来 从通信资源的分配角度来看 交换 就是按照某种方式动态地分配传输线路的资源 在主叫和被叫之间建立一条专用物理通路 电路交换的特点 电路交换必定是面向连接的 电路交换的三个阶段 建立连接通信释放连接 结点 结点 结点 结点 电路交换举例 一 A和B通话经过四个交换机通话在A到B的连接上进行 交换机 交换机 交换机 交换机 用户线 用户线 中继线 中继线 B D C A 电路交换举例 二 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 交换机 交换机 交换机 交换机 用户线 用户线 中继线 中继线 B D C A 电路交换传送计算机数据效率低 计算机数据具有突发性 这导致通信线路的利用率很低 空闲 空闲 空闲 传输 2020 1 14 44 2 报文交换 存储转发 P15 以报文 message 传输层 为单位交换信息 每个报文包括 报头信息报文正文报尾 省去报尾 单个报文必须有统一的固定长度 报文交换方式没有拨号呼叫 由报文的报头控制其到达目的地 存储转发技术 报文到达一个结点后 结点先存储该报文 然后通过路由表找一条空闲链路转发出去 2020 1 14 45 报文从A传送到B的过程 网络 网络 网络 网络 网络 网络 网络 路由器 路由器 路由器 路由器 路由器 路由器 A B 存储转发原理并非完全新的概念 在20世纪40年代 电报通信也采用了基于存储转发原理的报文交换 messageswitching 报文交换的时延较长 从几分钟到几小时不等 现在报文交换已经很少有人使用 报文长需要分组 报文 3 分组交换的主要特点 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 假设分成三段 数据 数据 数据 添加首部构成分组 每一个数据段前面添加上首部构成分组 首部 首部 首部 请注意 现在左边是 前面 分组交换的传输单元 分组交换网以 分组 作为数据传输单元 依次把各分组发送到接收端 假定接收端在左边 分组交换网的示意图 H1 A 互联网 B D E C H5 H6 H4 H2 H3 H1向H5发送分组 H2向H6发送分组 注意分组路径的变化 路由器 主机 注意分组的存储转发过程 H1 A 互联网 B D E C H5 H6 H4 H2 H3 H1向H5发送分组 路由器 主机 在路由器E暂存查找转发表找到转发的端口 最后到达目的主机H5 在路由器C暂存查找转发表找到转发的端口 在路由器A暂存查找转发表找到转发的端口 H1 H5 H2 H4 H3 H6 发送的分组 路由器 A E D B C 网络核心部分 主机 分组首部的重要性 每一个分组的首部都含有地址等控制信息 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 收到分组后剥去首部 接收端收到分组后剥去首部还原成报文 数据 首部 数据 首部 数据 首部 收到的数据 数据 数据 数据 最后还原成原来的报文 最后 在接收端把收到的数据恢复成为原来的报文 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 三种交换的比较 ABCD ABCD ABCD 报文交换 电路交换 分组交换 t 数据传送的特点 比特流直达终点 报文 报文 报文 分组 分组 分组 存储转发 存储转发 存储转发 存储转发 作业一 1 研读2015年7月中国互联网络信息中心CNNIC发布 第36次中国互联网络发展状况调查统计报告 就其中一项你感兴趣的话题进行分析和解读 参见 续 4 我国计算机网络 互联网发展过程 5 中美海底光缆事故调查 6 中国大陆地区海底光缆分布调查 注 事实 有条理 生动6选1 演讲 口述 时间5 8分钟 交word文档 格式统一 规范下周陆陆续续开始 可以自告奋勇 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计算机网络的分类P17 计算机网络是把分布在不同地点且具有独立功能的多个计算机系统 通过通信设备和线路连接起来 在功能完善的网络软件和协议的管理下 以实现网络通信和资源共享 1 5 2几种不同的分类方法 一 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 1 5 2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 P17局域网LAN LocalAreaNetwork P18城域网MAN MetropolitanAreaNetwork P17个人区域网PAN PersonalAreaNetwork P18 无线个人区域网WPAN 10米范围 随着网络技术和应用需求的不断发展 上述划分也是不断变化的 目前趋势是局域网的范围在不断地扩大 城域网逐渐加入了广域网 广域网 城域网 接入网以及局域网的关系 城域网 城域网 接入网 接入网 接入网 接入网 接入网 接入网 广域网 局域网 局域网 校园网 企业网 应用案例 接入网 城域网 1 5 2几种不同的分类方法 三 从网络的使用进行分类P18公用网 publicnetwork P18CHINANET 中国Internet主干网专用网 privatenetwork P18公安部 银行系统等 1 6计算机网络的性能 性能指标非性能指标1 6 1计算机网络的性能指标 1 速率 速率 是运动物体经过的路程和通过这一路程所用时间的比值这里是指每秒钟传输的二进制数的位数 速率的单位是b s 或kb s Mb s Gb s等比特率 bitrate 或数据率 datarate 是计算机网络中最重要一个性能指标 比特 bit 是计算机中数据量的单位 也是信息论中使用的信息量的单位 Bit来源于binarydigit 意思是一个 二进制数字 因此一个比特就是二进制数字中的一个1或0 影响网络传输速率的因素主要有带宽 时延和丢包 2 带宽 带宽 bandwidth 本是指信号具有的频带宽度 单位是赫 或千赫 兆赫 吉赫等 现在 带宽 是数字信道所能传送的 最高数据率 的同义语 个人接入Internet的网速单位 单位是 比特每秒 或b s bit s bps 是 bitpersecond 常用的带宽单位 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 注意 K 210 1024 M 220 G 230 T 240 宽带 宽带并没有很严格的定义 从一般的角度理解 它是能够满足人们感观所能感受到的各种媒体在网络上传输所需要的带宽 因此它也是一个动态的 发展的概念 FCC FederalCommunicationsCommission全称美国联邦通讯委员会 2010年07月24日为 宽带 这个词语下了一个定义 FCC认为宽带意味着下载速率为4Mbps 上行为1Mbps 可以实现视频等多媒体应用 并同时保持基础的Web浏览和E Mail特性 3 吞吐量 在单位时间内通过某个网络 信道 接口的数据量 实际通过网络的数据量 例 100Mb s的以太网 其额定速率也是100Mb s 那么100Mb s也是它的吞吐量的上限 一般以太网的吞吐量70Mb s 4 时延 delay或latency 时延是指分组从网络的一端传送到另一端所需要的时间 发送时延传播时延处理时延排队时延 发送时延 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 从发送数据帧的第一个比特算起 到该帧的最后一个比特发送完毕所需的时间 信道带宽 数据在信道上的发送速率 常称为数据在信道上的传输速率 传播时延 传播时延 电磁波在信道中传播一定距离需要花费的时间 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 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 处理时延 排队时延 有时可用排队时延作为处理时延 排队时延结点缓存队列中分组排队所经历的时延 排队时延的长短往往取决于网络中当时的通信量 时延所产生