计算机网络：第1章 计算机网络概述

1、计算机网络教材及参考书教材：计算机网络教程 谢希仁 人民邮电出版社参考书：计算机网络(第6版） 谢希仁 电子工业出版社数据通信与计算机网络 高传善等 高等教育出版社计算机网络基础 陈少红 清华大学出版社计算机网络 胡金初 清华大学出版社课件 网络教学平台下载作业及思考题 网络教学平台下载成绩：平时成绩+卷面成绩内容安排第一章 概论第二章 数据通信基础知识第三章 计算机网络体系第四章 数据链路层第五章 局域网第六章 广域网第七章 网络互联主要内容第八章 传输层第1章 计算机网络概述问题原由计算机网络是计算机技术和通信技术相结合的产物,它的诞生使计算机体系结构发生了巨大变化。那么,计算机网络涉及到

2、哪些基本概念、基本知识和基本技术呢？这就是本章所要讨论的问题。本章重点讨论计算机网络的基本概念、计算机网络的结构组成、计算机网络的分类、计算机网络的性能指标等。教学重点能力要求了解: 计算机网络的发展过程。熟悉: 计算机网络的功能、定义、分类。掌握: 计算机网络的拓扑结构、逻辑结构和性能指标等。 计算机网络是计算机技术与通信技术相结合的产物，它的诞生使计算机的体系结构发生了巨大变化。在当今社会发展中，计算机网络起着非常重要的作用，并对人类社会的进步做出了巨大贡献。 现在，计算机网络的应用遍布全世界及各个领域，并已成为人们社会生活中不可缺少的重要组成部分。从某种意义上讲，计算机网络的发展水平不仅

3、反映了一个国家的计算机科学和通信技术的水平，也是衡量其国力及现代化程度的重要标志之一。 那么，计算机网络涉及到哪些基本概念、知识和技术呢？这就是本章所要讨论的问题。1.1 计算机网络的基本概念远程联机阶段多机互联网络阶段标准化网络阶段互联与高速网络阶段计算机网络从20世纪60年代开始发展至今,经历了从简单到复杂、从单机到多机、由终端与计算机之间的通信演变到计算机与计算机之间的直接通信.发展经历的4个阶段1.1.1计算机网络的形成与发展1.1.1计算机网络的形成与发展20世纪60年代初期由一台中央主计算机通过通信线路连接大量的、在地理位置上处于分散的终端构成系统。这类简单的以单个主机为中心的“终

4、端通信线路计算机”联机系统称为面向终端的远程联机系统 1、远程联机阶段（简单）图 面向终端远程联机系统终端设备与计算机之间连接的方式点-点式专线每个终端都独占一条线路，形成一种辐射式星型结构，线路利用率很低 多点或分支连接方式一条通信线路上串接多个终端,这样,多个终端可以共享同一条通信线路与主机进行通信。由于主机终端间的通信具有突发性和高带宽的特点,所以各个终端与主机间的通信可以分时地使用同一高速通信线路。极大地提高信道的利用率在这样的系统中，主机是网络的中心和控制者，负担较重，不仅要承担数据处理工作，还要担负起与各个终端的通信任务；而终端设备运行速度慢，操作时间长，每个用户独占一条长距离的通

5、信线路，线路的利用率较低，费用高。 1.1.1计算机网络的形成与发展 1、远程联机阶段（复杂）为了共享主机资源和信息采集以及综合处理，用一台计算机与多台用户终端相连，用户通过终端命令以交互方式使用计算机，人们把它称为远程联机系统。 前端处理机结构：前端处理机（FEP）用来专门负责通信工作，实现数据处理与通信控制的分工，发挥了中心计算机的数据处理能力。前端处理机的结构如图1-1所示。图 1-1 利用前端处理机的结构示意图终端ModemModemCCP或FEPModem公用电话网主机利用调制解调器的结构示意图 调制解调器：由于计算机和远程终端发出的信号都是数字信号，而公用电话线路只能传输模拟信号，

6、所以在传输钱必须把计算机或远程终端发出的数字信号转换成可在电话线上传送的模拟信号,传输后再将模拟信号转换成数字信号。利用调制解调器的结构如下图所示。1.1.1计算机网络的形成与发展终端ModemLCModem公用电话网主机1.1.1计算机网络的形成与发展 集线器结构：把终端发来的信息收集起来，并把用户的作业信息存人集中器中,然后再用高速线路将数据信息传给前端处理机，最后提交给主机。 远程联机系统的特点是系统中只有一个计算机处理中心，各终端通过通信线路共享主计算机的硬件和软件资源，因此，主计算机负担过重，终端独占线路，资源利用率低。利用集线器的结构示意图集线器CCP或FEP主机公用电话网这就形成

7、了“终端群低速通信线路集中器高速通信线路前端处理机主机”系统模式的计算机网络解决了主机负担重、通信费用昂贵的问题。主要问题：多个用户只能共享一台主机资源Data低速终端主机主机系统FEP前端处理机调制解调器调制解调器公用电话网调制解调器调制解调器低速终端低速终端高速终端集中器著名的面向终端的网络系统1963年美国航空公司和IBM公司研究投入使用的飞机订票系统SABRAI，其中心是设在纽约的一台中央计算机，2000个售票终端遍布全国，使用多点分支线路与中央计算机相连； 1968年建成的美国通用电气公司的信息网络，此网络采用分层星型结构，一台主计算机连接7个中心集中器，通过它们与分布在世界上23个

8、地点上的75个远程集中器相连。这是世界上第一个面向数据处理的商用计算机网络。存在的主要问题计算机的负荷较重，会导致系统响应时间过长 单机系统的可靠性一般较低，一旦计算机发生故障，将导致整个网络系统的瘫痪随着计算机应用的发展，出现了多台计算机互连的需求，网络用户希望通过网络实现计算机资源共享的目的；1.1.1计算机网络的形成与发展2、多机互联网络阶段1969年9月，由于美国军方的需要，美国国防部高级研究计划局（ARPA)的研究开始了计算机技术与通信技术相结合的尝试；典型的研究成果是ARPAnet。是第一个较为完善地实现分布式资源共享的网络，是计算机网络理论与技术发展的重要里程碑特点及贡献ARPA

9、网的主要特点是:(1)资源共享;(2)分散控制;(3)分组交换;(4)采用专门的通信控制处理机;(5)分层的网络协议。这些特点往往被认为是现代计算机网络的一般特征。完成对计算机网络定义、分类的研究提出资源子网、通信子网的网络结构概念研究了分组交换方法采用了层次结构的网络体系结构模型和协议体系第二阶段与第一阶段的区别 网络中的通信双方都是具有自主处理能力的计算机；计算机网络功能以资源共享为主，而不是以数据通信为主。第二阶段（60年代）：计算机通信系统，特征是计算机与计算机互连采用分组交换技术实现计算机计算机之间的通信，使计算机网络的结构、概念都发生了变化，形成了通信子网和资源子网的网络结构主要问

10、题：网络对用户不是透明的计算机网络要完成数据处理与数据通信两大基本功能，因此在逻辑结构上可以将其分成两部分：资源子网和通信子网。1.1.1计算机网络的形成与发展2、多机互联网络阶段 (1)资源子网：是计算机网络的外层，它由提供资源的主机和请求资源的终端组成。资源子网的任务是负责全网的信息处理。 (2)通信子网：是计算机网络的内层，它的主要任务是将各种计算机互连起来完成数据传输、交换和通信处理。CCPCCPCCPCCPCCP通信子网资源子网主机主机主机主机图 1-2 资源子网和通信子网示意图1.1.1计算机网络的形成与发展ISO于1977年成立了专门的机构来研究该问题，并且在1984年正式颁布了

11、国际标准OSI,这就产生了第三代计算机网络。在1969年ARPAnet的实验性阶段，研究人员就开始了TCP/IP协议的研究；TCP/IP协议的成功促进Internet的发展. 3、标准化网络阶段20世纪70年代，计算机网络大都采用直接通信方式。1972年后，以太网LAN、MAN、WAN迅速发展，各个计算机生产商纷纷发展各自的网络系统，制定自己的网络技术标准。1974年,IBM公司公布了它研制的系统网络体系结构。随后DGE公司宣布了自己的数字网络体系结构,1976年UNIVAC宣布了该公司的分布式通信体系结构。1.1.1计算机网络的形成与发展 4、网络互联与高速网络阶段 进入20世纪90年代,计

12、算机技术、通信技术以及建立在互联计算机网络技术基础上的计算机网络技术得到了迅猛的发展。特别是1993年美国宣布建立国家信息基础设施（National Information Infrastructure，NII）后，全世界许多国家纷纷制订和建立本国的NII,从而极大的推动了计算机网络技术的发展，使计算机网络进入一个崭新的阶段，这就是计算机网络互联与高速网络阶段。 目前，全球以Internet为核心的高速计算机互联网络已经形成，Internet已经成人类最重要的、最大的知识宝库。网络互联和高速计算机网络就成为第四代计算机网络。 1.1.1计算机网络的形成与发展 图 1-3 现代计算机网络逻辑结构

13、示意图以太网以太网以太网以太网路由器路由器路由器路由器路由器路由器通信子网 到目前为止, 计算机网络并没有一个确切的定义。其实，我们可以简单地描述为：计算机网络是通过通信线路连接起来的自治的计算机集合。该描述包括了3个方面的含义： 必须有两台或两台以上、具有独立功能的计算机系统相互连接起来，以达到共享资源为目的； 计算机互相通信交换信息，必须有一条通道。这条通道的连接是物理的，由物理介质来实现（例如铜线、光纤、微波、卫星等）； 计算机系统之间的信息交换，必须要遵守某种约定和规则。 以上从三个方面概括了计算机网络的基本内涵。因此，我们可以把计算机网络定义为： 1.1.2计算机网络的定义 计算机网

14、络是把分布在不同地点，并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，以实现网络中资源共享为目标的系统。 由多台计算机组成的计算机网络系统模型如图1-4所示。1.1.2计算机网络的定义图 1-4 计算机互连网络系统基本模型AB存储器A机能使用B机的存储器B机能使用A机的打印机1.1.3计算机网络的主要功能集中管理均衡负荷网络通信资源共享分布式处理 1、资源共享 硬件资源：包括各种类型的计算机、大容量存储设备、计算机外部设备，如彩色打印机、静电绘图仪等。 软件资源：包括各种应用软件、工具软件、系统开发所用的支撑软件、语言处理程序、数据库管理系统等。

15、数据资源：包括数据库文件、数据库、办公文档资料、企业生产报表等。 信道资源：通信信道可以理解为电信号的传输介质。通信信道的共享是计算机网络中最重要的共享资源之一。 2、网络通信 通信通道可以传输各种类型的信息,包括数据信息和图形、图像、声音、视频流等各种多媒体信息。1.1.3计算机网络的主要功能 3、分布处理 把要处理的任务分散到各个计算机上运行，而不是集中在一台大型计算机上。这样，不仅可以降低软件设计的复杂性，而且还可以大大提高工作效率和降低成本。 4、集中管理 对地理位置分散的组织和部门,可通过计算机网络来实现集中管理,如数据库情报检索系统、交通运输部门的定票系统、军事指挥系统等。 5、均

16、衡负荷 当网络中某台计算机的任务负荷太重时，通过网络和应用程序的控制和管理，将作业分散到网络中的其它计算机中，由多台计算机共同完成。1.1.3计算机网络的主要功能1.1.4计算机网络的应用计算机网络的应用办公自动化数字通信分布式计算信息查询远程教育虚拟现实电子商务企业管理与决策计算机网络技术的发展给传统的信息处理工作带来了革命性的变化，同时也给传统的管理带来了很大的冲击。目前，计算机网络的应用主要体现在以下几个方面：1.1.4计算机网络的应用1、数字通信 数字通信是现代社会通信的主流，包括网络电话、可视图文系统、视频会议系统和电子邮件服务。 2、分布式计算 分布式计算包括两个方面：一是将若干台

17、计算机通过网络连接起来，将一个程序分散到各计算机上同时运行，然后把每一台计算机计算的结果搜集汇总，整体得出结果；另一种是通过计算机将需要大量计算的题目送到网络上的大型计算机中进行计算并返回结果。 3、信息查询 信息查询是计算机网络提供资源共享的最好工具, 通过“搜索引擎”，用少量的“关键”词来概括归纳出这些信息内容, 很快地把你所感兴趣的内容所在的网络地址一一罗列出来。1.1.4计算机网络的应用4、远程教育 远程教育是利用Internet技术开发的现代在线服务系统，它充分发挥网络可以跨越空间和时间的特点，在网络平台上向学生提供各种与教育相关的信息,做到“任何人在任何时间、任何地点，可以学习任何

18、课程”。 5、虚拟现实 虚拟现实是计算机软硬件技术、传感技术、机器人技术、人工智能及心理学等高速发展的结晶。虚拟现实与传统的仿真技术都是对现实世界的模拟,即两者都是基于模型的活动，而且都力图通过计算机及各类装置达到现实世界尽可能精确地再现。随着计算机科学技术的飞速发展，虚拟现实技术与仿真技术必将在21世纪异彩纷呈，绚丽夺目。1.1.4计算机网络的应用6、电子商务 广义的电子商务包括各行各业的电子业务、电子政务、电子医务、电子军务、电子教务、电子公务和电子家务等；狭义的电子商务指人们利用电子化网络化手段进行商务活动。 7、办公自动化 办公自动化能实现办公活动的科学化、自动化，最大限度提高工作质量

19、、工作效率和改善工作环境。 8、企业管理与决策 随着计算机网络的广泛应用，各类企业采用管理科学与信息技术相结合的方式，开发企业管理和决策信息系统，为企业管理和决策提供支持服务。目前，正在朝着开发“智能化”的决策支持系统迅速发展。计算机网络硬件系统是由计算机(主机、客户机、终端)、通信处理机(集线器、交换机、路由器)、通信线路(同轴电缆、双绞线、光纤)、信息变换设备(Modem，编码解码器)等构成。图 1-5 网络硬件组成示意图HUBHUB路由器中心交换机服务器服务器处理机工作站Modem终端终端子网子网远程网络Internet 一个完整的计算机网络系统是由网络硬件和网络软件所组成的。两者相互作

20、用,共同完成网络功能。1.2计算机网络的结构组成 在计算机网络系统中，除了各种网络硬件设备外，还必须具有网络软件。网络应用软件网络管理软件网络通信软件网络操作系统网络协议软件网络软件的组成计算机网络要完成数据处理与数据通信两大基本功能，因此在逻辑结构上可以将其分成两部分：资源子网和通信子网。1.2.2计算机网络逻辑组成 (1)资源子网：是计算机网络的外层，它由提供资源的主机和请求资源的终端组成。资源子网的任务是负责全网的信息处理。 (2)通信子网：是计算机网络的内层，它的主要任务是将各种计算机互连起来完成数据传输、交换和通信处理。CCPCCPCCPCCPCCP通信子网资源子网主机主机主机主机图

21、 1-6 资源子网和通信子网示意图因特网的组成 从因特网的工作方式上看，可以划分为以下的两大块：(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。(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）。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）。在网络核心部分起特殊作用的是路由器(router

22、)。路由器是实现分组交换(packet switching)的关键构件，其任务是转发收到的分组，这是网络核心部分最重要的功能。 1.3 网络的拓扑结构 拓扑学是几何学的一个分支。拓扑学首先把实体抽象成与其大小、形状无关的点,将连接实体的线路抽象成线,进而研究点、线、面之间的关系,即拓扑结构(Topology Structure)。 在计算机网络中，抛开网络中的具体设备，把服务器、工作站等网络单元抽象为“点”，把网络中的电缆、双绞线等传输介质抽象为“线”。 计算机网络的拓扑结构就是指计算机网络中的通信线路和结点相互连接的几何排列方法和模式。拓扑结构影响着整个网络的设计、功能、可靠性和通信费用等许

23、多方面，是决定局域网性能优劣的重要因素之一。1.3网络的拓扑结构优点：结构简单，价格低廉、安装使用方便。 缺点：故障诊断和隔离比较困难。 1、总线型拓扑结构 总线型拓扑结构是指所有结点共享一根传输总线,所有的站点都通过硬件接口连接在这根传输线上。 图 1-6 总线型拓扑结构示意图打印机磁盘工作站工作站工作站工作站终接器终接器服务器1.3网络的拓扑结构 2、星型拓扑结构 星型拓扑结构是符合令牌协议的高速局域网络。它是以中央结点为中心，把若干外围结点连接起来的幅射式互连结构。优点：单点故障不影响全网，结构简单。增删节点及维护管理容 易；故障隔离和检测容易，延迟时间较短。缺点：成本较高，资源利用率低

24、；网络性能过于依赖中心节点。图 1-7 星型拓扑结构示意图工作站工作站工作站工作站服务器集线器1.3网络的拓扑结构 3、树型拓扑结构 树型结构是星型结构的扩展，它由根结点和分支结点所构成，如图1-8所示。 优点：结构比较简单，成本低。扩充节点方便灵活。 缺点：对根的依赖性大。图 1-8 树型拓扑结构示意图工作站工作站打印机服务器集线器集线器集线器集线器1.3网络的拓扑结构 环型结构的显著特点是每个节点用户都与两个相邻节点用户相连。优点：简化路径选择控制，传输延 迟固定,实时性强,可靠性高。 缺点：节点过多时,影响传输效率。 环某处断开会导致整个系统 的失效，节点的加入和撤出 过程复杂。图1-9

25、 环型拓扑结构示意图工作站工作站工作站服务器工作站工作站 4、 环型拓扑结构 环型拓扑结构将所有网络结点通过点到点通信线路连接成闭合环路,数据将沿一个方向逐站传送，每个结点的地位和作用相同，且每个结点都能获得执行控制权。1.3网络的拓扑结构 5、网状拓扑结构 网状拓扑结构中的所有结点之间的连接是任意的,没有规律。实际存在与使用的广域网基本上都采用网状拓扑结构。 图 1-10 网状拓扑结构示意图工作站工作站工作站路由器工作站路由器路由器路由器优点：具有较高的可靠 性。某一线路或 节点有故障时， 不会影响整个网 络的工作。 缺点：结构复杂，需要 路由选择和流控 制功能，网络控 制软件复杂，硬 件成

26、本较高，不 易管理和维护。1.4 计算机网络的分类 从不同方向来进行分类网络的覆盖范围通信信道传输介质传输技术由于计算机网络自身的特点，其分类方法有多种。根据不同的分类原则，可以得到不同类型的计算机网络。1.4.1按覆盖范围分类 局部区域网：传输速率为120Mb/s,最大距离为25km,采用分组交换技术,入网最大设备数为几百到几千。 高速区域网：采用CATV电缆或光缆,传输速率一般50Mb/s，最大距离为1km,入网最大设备数为几十个。图 1-11 局域网连接示意图服务器工作站工作站工作站打印机 根据网络连接的地理范围,可将计算机网络分成局域网、城域网、广域网三种类型。 1、 局域网（Loca

27、l Area Network，LAN） 局域网的作用范围是几百到几千米，通常用于组建企业网和校园网，并分为局部区域网和高速区域网。1.4.1按覆盖范围分类 2、 城域网（Wide Area Network，WAN） 城域网是局域网的延伸,用于局域网之间的连接,网络规模局限在一座城市范围内, 覆盖的地理范围从几十至几百公里。城域网络路由器计算机图 1-12 城域网链接示意图1.4.1按覆盖范围分类 3、广域网（Wide Area Network，WAN） 广域网又称远程网，是指在一个很大地理范围（从数百公里到数千公里，甚至上万公里）由许多局域网组成的网络。广域网是将远距离的网络和资源连接起来的任

28、何系统，主要用在一个地区、行业甚至在全国范围内组网,达到资源共享的目的。公用交换网MANLANMANLAN图 1-13 广域网连接示意图1.4.1按覆盖范围分类图 1-14 广域网、城域网和局域网的连接关系示意图 广域网使用的主要技术为存储-转发技术。城域网与局域网之间的连接是通过接入网来实现的。接入网又称为本地接入网或居民接入网，它是近年来由于用户对高速上网需求的增加而出现的一种网络技术，是局域网与城域网之间的桥接区。 WAN MAN MANLANLANLANLAN1.4.2按传播方式分类路由器3 DRS3/0DLCI:300DLCI:399S3/0S4/0S2/0帧中继交换机DLCI：20

29、0DLCI：400S4/0S2/0路由器4路由器2 如果按照传播方式不同，可将计算机网络分为“广播网络”和“点-点网络”两大类。广播式网络是指网络中的计算机或者设备使用一个共享的通信介质进行数据传播，网络中的所有结点都能收到任一结点发出的数据信息。 广播式网络的基本连接如图所示。1、广播式网络1.3.2按传播方式分类点-点传播方式主要应用于WAN中，通常采用的拓扑结构有：星型、环型、树型、网状型。网状型树型环型星型 点-点式网络是两个结点之间的通信方式是点对点的。如果两台计算机之间没有直接连接的线路，那么它们之间的分组传输就要通过中间结点的接收、存储、转发，直至目的结点。2、点-点网络（Poi

30、nt-to-point Network） 1、有线网（Wired Network） 双绞线：其特点是比较经济、安装方便、传输率和抗干扰能力一般，广泛应用于局域网中。 同轴电缆：俗称细缆，现在逐渐淘汰。 光纤电缆：特点是光纤传输距离长、传输效率高、抗干扰性强，是高安全性网络的理想选择。 2、 无线网（Wireless Network） 无线电话网：是一种很有发展前途的连网方式。 语音广播网：价格低廉、使用方便，但安全性差。 无线电视网：普及率高，但无法在一个频道上和用户进行实时交互。 微波通信网：通信保密性和安全性较好。 卫星通信网：能进行远距离通信，但价格昂贵。1.3.3按传输介质分类 1.4

31、 计算机网络的性能1. 速率比特（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。速率即数据率(data rate)或比特率(bit rate)是计算机网络中最重要的一个性能指标。速率的单位是 b/s，或kb/s, Mb/s, Gb/s 等速率往往是指额定速率或标称速率。 2. 带宽 “带宽”(bandwidth)本来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，单位是“比特每秒”，或 b/s (bit/s)。 更常用的带宽单位是千比每秒，即 kb/s （103 b/s）兆比每秒，即 Mb/s（106 b/s）吉比每秒，即 Gb/s（109 b/s）太比每秒，即 Tb/s（1012 b/s）请注意：在计算机界，K = 210 = 1024 M = 220, G = 230, T = 240。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变窄。 每秒 106 个比特时间1 0 1 0 1 11 s带宽为1 Mb/s 时间每秒 4 106 个比特0.25 s带宽为4 Mb/s 3. 吞吐量吞吐量(throughput)表示