计算机网络发展概述

1、第1章 概述计算机网络的基本概念计算机网络的发展历程计算机网络体系结构计算机网络的标准化工作1.1.1 什么是计算机网络 计算机网络是计算机技术与通信技术相结合的产物。 计算机网络随着计算机的发展，随着通信技术的发展而发展。 1.1 计算机网络基本概念第一台电子计算机 ENIAC5000次加法/秒,体重28吨, 占地170m2 , 18800只电子管420,000,0002,300晶体管数目4004奔腾4集成电路和计算机技术的发展晶体管数单位时间执行的指令数百万条/每秒Moores LawsMoores law describes a long-term trend in the histor

2、y of computing hardware, in which the number of transistors that can be placed inexpensively on an integrated circuit has doubled approximately every two years.Transistor Count and Moores Law 1971-2008Plot of CPU transistor counts against dates of introduction. Note the logarithmic scale; the fitted

3、 line corresponds to exponential growth, with transistor count doubling every two years.计算机网络传输速率以太网数据传输速率的逐步提高（Mbps）覆盖范围1 Gb/s100 Mb/s10 Mb/s1 Mb/s100 kb/s10 kb/s用户数据率PAN LAN MAN WANZigBee蓝牙超宽带802.11g, a2G移动通信3G移动通信4G移动通信Wi-FiWiMAX802.11 n无线网络的发展 An interconnected collection of autonomous computers

4、. -Andrew S. Tanenbaum A collection of computers and other devices that are interconnected. Provide ubiquitous access to shared resources, allow remote users to communicates, perform transactions. - “Introduction to Computer Networks” , CS Dept. Stanford Uni. USA 什么是计算机网络？计算机网络的概念计算机网络就是自治的计算机互连起来的集

5、合。 注解1：自治是指计算机能够独立进行处理的设设备 注解2：互连是指计算机之间能够通信。概念的扩展 计算机网络就是自治的计算机按照约定的规则相互连接起来网络，进行信息交换和数据传输，实现资源和信息共享。计算机网络示意图计算机网络示意图H1H5H2H4H3 H6路由器网络网络核心部分主机计算机网络示意图从宏观上看，网络包括：计算机系统、通信链路和网络节点。计算机网络的组成计算机网络的组成( 1 ) 硬件（hardware）终端系统（或称主机，Host） ：个人计算机、工作站、服务器等。中间系统（或称通信设备节点，Node）：交换机、路由器、集线器、网桥、转发器、访问节点等。接口设备：网卡、调制

6、解调器等。传输介质：双绞线、同轴电缆、光纤、无线电等。 计算机网络的组成（2）软件(software) 通信协议：POP、TCP、UDP、IP等。 应用软件： 、MSN、浏览器、网游等。计算机网络的服务计算机网络提供的服务形式多样，目的各异，但是主要是解决文字、图像、语音、图形、视频、数据等的传输、存储、显示。计算机网络应用服务类型： （1） 共享资源访问， （2） 远程用户通信， （3） 网上事务处理计算机网络的组成从逻辑上看，网络包括：资源子网和通信子网资源子网的功能： 提供资源共享所需的硬件 软件及数据等资源 提供访问计算机网络和处理数据的能力资源子网包括： 主机系统、终端控制器、终端。

7、资源子网通信子网的功能：完成数据的传输交换以及控制提供网络通信功能通信子网包括：网络节点通信链路信号变换器通信子网1.1.2 计算机网络的分类分类标准包括：按照地理范围，拓扑结构，通讯协议，传输媒质，使用单位等。（1）按照地理范围来分，包括： 局域网（LAN）， 城域网(MAN), 广域网（WAN）， 洲际网络(Internet), 星际网络（Spacenet）。计算机网络的分类（1）按覆盖地理范围 划分距离传输速率局域网（LAN）几十公里以内 0.1-1G Mbps 城域网（MAN)5-50 公里 广域网(WAN)几十到几千公里 因特网几千公里星际网局域网的产生和发展 计算机局域网LAN（L

8、ocal Area Network）：一个重要而又活跃的领域. PC-LAN 70年代 兴起 Ethernet, Cambridge Ring 80年代 发展 Ethernet, Z-net, Omninet, C-net 90年代 成熟 Windows NT, NetWare 近10年 成熟 Wireless LAN LAN特点： 1. 地理范围有限，0.1 km10 km； 2. 带宽高，数据传输率 1Mbps100 Mbps； 3. 传输可靠，误码率 10-710-12； 4. 结构简单, 总线、环型及星型拓扑结构； 5. 单一组织所拥有和使用。 局域网的产生和发展Some Fast F

9、acts Time taken by light Earth Jupiter(木星) : 32.7 min Earth Saturn(土星): 76.7 minEarth Pluto(冥王星): 5.5 hoursInterPlaNetary Internet Architecture InterPlaNetary Backbone NetworkInterPlaNetary External NetworkPlaNetary NetworkConsultative Committee for Space Data Systems Protocol (CCSDSP)计算机网络的分类（2） 按照

10、拓扑结构分类 网络的连接状态（连接模式）称为网络拓扑结构。注意：拓扑结构有物理与逻辑之分。总线型星型计算机网络的分类环形 树型计算机网络的分类其它分类标准还有：按通信介质 按通信传输方式 按传输速率 按网络控制方式 按网络环境 计算机网络的性能指标1.数据传输速率 （1）每秒钟传输的编码前的数字数据的二进制比特数。单位：bit/s, bps, b/s. （2） 扩展表示方法： （a）Kbps，Mbps，Gbps等 （b）Byte/s, Word/s等 （c）Packet/s (PPS)。 计算机网络的性能指标2.带宽和宽带 (1) 信道带宽 信道上能够正常通过的模拟的物理信号的频率范围，也就是

11、最大频率和最小频率之差。单位是Hz。 （2）速率带宽 链路的最大传输速率，单位为bps。 （3）宽带，相对于窄带而已，通常是指采用新技术，实现高速率的传输。计算机网络的性能指标3.吞吐量(Throughput）（1）对网络、设备、端口、虚电路或其他设施，单位时间内成功地传送数据的数量。（2）单位时间内穿过网络的数据量。可用比特数，帧数，分组数来描述。（3）good throughput 有效吞吐量。计算机网络的性能指标4.时延 一个数据块（帧、分组、报文段）从链路或者网络的一端传送到另外一端所需要的时间。通常时延有四个部分组成。 （1）发送时延 （2）传播时延 （3）转发时延：排队时延+处理时

12、延 （4）接收时延计算机网络的性能指标4.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。也就是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。计算机网络的性能指标4.时延传播时延 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。计算机网络的性能指标4.时延转发时延：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。 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。计算机网络的性能指标4.时延四种时延产生从结点 A 向结点

13、 B 发送数据1 0 1 1 0 0 1发送器队列在链路上产生传播时延结点 B结点 A在发送器产生传输时延(即发送时延)在结点 A 中产生处理时延和排队时延数据链路计算机网络的性能指标5.时延带宽积（传播）时延链路带宽时延带宽积 = 传播时延 带宽链路的时延带宽积又称为以比特为单位的链路长度。 时延带宽积计算机网络的性能指标6 误码率 BER 表示计算机网络和数据通信系统的可靠性。 计算机网络的性能指标7 往返时间RTT RTT表示从发送方开始发送数据的时候开始计时，到发送方收到来自接收方的确认时终止计时，期间所需要的时间。RTT反映了端到端通讯的各个环节的所有时延。计算机网络的性能指标8.利

14、用率信道利用率指出某信道有百分之几的时间是被利用的（有数据通过）。完全空闲的信道的利用率是零。网络利用率则是全网络的信道利用率的加权平均值。信道利用率并非越高越好。 计算机网络的性能指标费用质量标准化可靠性可扩展性和可升级性 易于管理和维护网络产生的推动力通讯发展的需求计算机的广泛应用集成电路发展的有力支持公司、科研院所、组织参与并制定了技术标准1.2 计算机网络的发展历程1.2 计算机网络的发展历程（1）计算机网络的前身 早期的计算机网络是计算机和 通信系统相结合的产物, 是以单台计算机为中心的远程联机系统。 50年代中期出现的： 美国地面防空系统SAGE 美国航空公司飞机票预定系统SABE

15、R-I 可以看成现代计算机网络的前身。 1.2 计算机网络的发展历程远程联机系统分组交换网的出现 60年代后期,多台有自主处理能力的计算机用通信线路连接, 通信使用分组交换方式，现代计算机网络诞生了，其中以ARPANET为重要里程碑。现代计算机网络核心思想是： 存储转发（store and forward） 分组交换（packet switching） 1.2 计算机网络的发展历程1.2 计算机网络的发展历程存储转发的计算机网络第一台安装在加州大学洛杉矶分校，稍后其他3台分别安装在斯坦福研究院、加州大学圣巴巴拉分校和犹他大学。Internet的雏形到1969年底就是这区区4个结点。 Leona

16、rd . Kleinrock是第一个发表分组交换技术的研究生，后来进行Internet的研究工作。 1.2 计算机网络的发展历程 计算机网络体系结构: 功能层次、协议、服务 SNA, DNA等 70-80年代，封闭 ISO/OSI标准 83年，开放系统互连基本参考 模型OSI/RM (Open System Interconnection Basic Reference Model)，OSI国际标准 TCP/IP体系结构 80年代初，ARPANET使用TCP/IP, 支持网络互联，发展成为Internet1.2.3 计算机网络体系结构的形成1.2.4 Internet时代因特网Internet

17、 互联网(internet)与因特网(Internet)的服务： 电子邮件、文件服务、远程登陆、信息浏览检索、网络新闻、.1.2.4 Internet时代2. 新一代Internet 主要特点：更快、更大、更安全、更高QoS、 AnyTime &AnyWhere& Free 1996美国国家科学基金会，NGI，vBNS。美国 大学Internet2协会, Abilene , 速率。 中国高速互联研究实验网NSFCNet，国家863中 国高速信息示范网CAINONet, 中科院中国先进 互联网CAINet。 IPv6 , 128位；IP over DWDM，光互联网。 3. 内联网 Intran

18、et 因特网技术和工具(TCP/IP协议, WWW技术等）构造企业内部网。 与内联网相对应的称为外联网 Extranet 。1.2.4 Internet时代计算机网络的飞速发展计算机网络的产生和发展特别是Internet的发展在现代科学技术史上具有重大的意义和深远的影响。 到2002年底，全球Internet用户达亿，比2001年同期增长30%，其中中国用户达5560万（联合国贸易发展会议报告 2002）。 计算机数量增加我国上网计算机数由的万台增加到的2083万台(CNNIC 2003.1)计算机用户增加我国上网用户数由的62万增加到的5910万(CNNIC 2003.1)1.3.1 ISO

19、/OSI体系结构 1977年ISO成立专门的分委员会致力于网络体系结构的标准化制定。 1983年发布了ISO7498 即OSI/RM标准1.3 网络体系结构概述端系统端系统同层协议通信介质(n-1)(n)(n+1)分层目的: 1. 简化相关的网络操作和设计 2. 提供即插即用的兼容性和不同厂商集成的标准接口 3. 使工程师能专注于设计和优化不同网络互联设备的互操作性 4. 防止一个区域的网络变化影响另一个区域的网络. 5. 把复杂的网络连接问题分解成小的简单的问题,易于设计和操作.分层和服务分层原则根据不同的层次抽象的分层逻辑层次概念每层有一个定义明确的功能每层功能选择有助于标准的制定各层边界

20、的选择应尽可能减少跨层通信量层不能太少，以免每层功能复杂，也不能太多， 以免结构复杂 层号中文名称英文名称英文缩写7应用层Application LayerA6表示层Presentation LayerP5会话层 Session LayerS4传输层Transport LayerT3网络层Network LayerN2数据链路层Data Link LayerDL1物理层Physical Layer PH1.3.1 ISO/OSI体系结构 协议栈OSI环境中的数据封装（Encapsulation）协议栈1.3.1 ISO/OSI体系结构1. 实体（entity） 每一层中实现该层功能的软件或者硬

21、件 对等实体（peer entities） 2. 协议（protocol） 某一个层次中指导对等实体之间通信的规则， 包含三要素： 语法（syntax）：传输的信息的格式。 语义（semantics）：协议中各个元素的含义的解释。 同步（synchronization）操作顺序 / 定时（timing) :速率匹配和设置序号 3. 协议数据单元PDU (Protocol Data Unit) 对等实体之间传送的数据单元 4. 服务（service） 同一个协议栈中N层实体向N1层提供某种功能的机制。5. 请求（request） 同一个协议栈中N1层实体向N层发出提供某种功能的需求1.3.1 I

22、SO/OSI体系结构6. 服务访问点SAP（Service Access Point） 在同一节点中，相邻两层的实体相互作用的地方 7. 服务原语(service primitive) 在同一节点中相邻两层的实体相互作用时候一系列不可分割的操作。 1.3.1 ISO/OSI体系结构网络层对等实体通信的例子1.3.1 ISO/OSI体系结构 ISO/OSI: 总体上由三个层面组成： OSI / RM （总体框架） 各 层 的 服 务 （垂直关系） 各 层 的 协 议 （水平关系）应用层表示层会话层传输层网络层数据链路层物理层主机层关心的是应用程序处理与数据传输相关的问题1.3.1 ISO/OSI

23、体系结构OSI/RM分层主机A主机B应用层表示层会话层传输层网络层数据链路层物理层应用层表示层会话层传输层网络层数据链路层物理层数据段数据报数据帧比 特数据10001物理层 无结构的比特流（bit stream）。编码解码，机械、电气、功能和过程的特性 。2. 数据链路层 帧（frame)。链路建立与释放，帧的封装与解封 ，传输透明性，差错与流量控制 。 3. 网络层 分组（包，packet)。虚电路和数据报两种传输服务，路由选择与更新，拥塞控制。ISO/OSI 各层基本功能4. 传输层 报文（message）。传输连接建立与拆除， 流量与拥塞控制， 差错控制， 网络服务质量. 5. 会话层

24、控制、协调应用进程间的对话，同步。 6. 表示层 信息经传输意义不变, 局部语法和传输语法。 7. 应用层 面向用户，VTP, FTAM, J TM, RDA, MHS.ISO/OSI 各层基本功能物理层物理层通信介质链路层链路层Bit流Bit流物理层功能：相邻结点间二进制位（Bit）“1”和“0”的传输数据，规范了传输介质的电气、机械等。唯一由纯硬件构成的层。 协议要解决的问题: 定义“1”和“0”的电平、确定一比特持续时间、 双向或单向传送，全双工或半双工、通信插座上针数以及针的排列和用途、物理介质链路层链路层Bit传输信道TxDDSRDTRRxDRTSCTSGNDRS232DB9控制/指

25、示控制/指示BitsBitsFemaleMale物理层机械、电气、功能、过程物理层等效为链路层的bit传输信道功能:把可靠性较低的物理信道转变成可靠性较高的逻辑信道，完成物理寻址、网络拓扑结构、连接规则、差错控制、帧的有序传输和流量控制等功能。确保相邻结点间帧（Frame）的正确传送。 协议要解决的问题：成帧和拆帧 、检错和纠错、 流量控制、信道分配（MAC 介质访问控制子层） MAC地址：其存储在网络接口卡中，每一网络接口卡唯一的MAC地址。 网卡（MAC + 物理层） 网络层数据链路层网络层数据链路层数据链路Bit 传输信道数据链路层 报文分段报文重组网络层功能:确保源结点和目标结点间分组

26、（Packet）的正确传送。 解决的问题:选路、拥塞控制、计费问题。 实例：IP协议、IPX协议功能:确保源结点某进程到目的结点另一进程间的报文段正确传送。屏蔽具体网络的细节，屏蔽不同网络的差异，为上层提供与具体网络无关的通信服务。 协议要解决的问题： *确定提供服务形：面向连接服务 、 无连接的服务 *流量控制 *主机用户改善传输质量力所能及的一层。 *传输层提供的服务相当于操作系统的系统调用。 网络(1)网络(n)网络层网络层传输层网络(2)主机A主机B传输层网络(3)网络层主机C传输层传输层作用：管理主机与主机之间通信活动（称为会晤），在传输层实现端端通信的基础上，为上层提供增强的通信功能 协议解决的问题:会话的顺序、 解决同步问题、活动管理、会话层提供面向连接或无连接的服务。会晤层会晤层主机A主机B主机C会晤层通信子网会话层作用：将应用程序要传送的文字和图像图形数据转换层计算机可以解释的类型。解决的问题： 解决抽象数据结构的管理、以便异种机互连、 数据的压缩和解压、 加密和解密。特点：出于不同目的，发前和收后要改变传送信息的形式实例：Little(Big) Endian Different machine architectures sometimes store data u