计算机网络教学课件-第1章 概论

1、College of Electric & Information Engineering,Hunan University2021计 算 机 网 络导 论 计算机网络课程的特点 课程的根本内容 学习要求 主要参考书一、计算机网络课程的特点1.计算机网络在信息时代中的作用21世纪世界经济正在从工业经济向知识经济转变，知识经济中的两个重要特征是：信息化和全球化；支撑信息化和全球化的根底是通信网络。现有通信网络主要指“三网：电信网络、有线电视网络和计算机网络，而计算机网络起到核心作用； 计算机网络是当今信息学科中开展最为迅速的技术之一，也是空前活泼的一个领域；计算机网络技术开展与应用已成为影响一个

2、国家与地区政治、经济、军事、科学与文化开展的重要因素之一。2、计算机网络为什么会对社会产生如此重大的影响计算机网络的出现充分表达了人类社会的本质特征；社会学家指出：人类社会的生活方式与劳动方式从根本上说是具有群体性、交互性、分布性与协作性的；计算机网络的应用大大地缩短人与人之间的时间与空间距离，进一步扩大了人类社会群体之间的交互与协作范围；计算机网络正在改变着人们的工作、生活与思维方式；人们必须接受与习惯在计算机网络环境中的工作与生活；计算机网络对社会的进步、经济的开展、生活的方便等方面均产生了不可估量的影响；以Internet为代表的网络应用技术和高速网络技术使得计算机网络技术开展到了一个更

3、高的阶段；基于计算机网络技术的应用已经覆盖社会各个领域：如电子政务、电子商务、远程教育、远程医疗与信息平安技术正在以前所未有的速度开展；我国信息技术与信息产业的开展，需要大批掌握计算机网络技术的人才；3.网络技术是多学科交叉的产物，也是一门根底性课程计算机网络是计算机技术与通信技术相互渗透、密切结合而形成的一门交叉科学；计算机网络技术已经成为广阔学生学习的一门重要课程，也是从事计算机应用、通信工程、电子信息工程、信息技术等相关专业的研究、应用的专业技术人员应该掌握的重要的根底知识。 计算机网络教学已经成为电子信息工程专业学生学习的一门根底性的课程。4.网络课程教学的特点及对学生的要求特点：网络

4、技术经过几十年的开展，已经形成了自身比较完善的体系；目前网络技术开展十分迅速，应用广泛，知识更新快；要求：理解网络的最根本工作原理，掌握处理网络问题的根本方法;面对不断变化的网络技术，具有跟踪、继续学习的根底与能力。二、课程的根本内容第1章：计算机网络概论第2章：物理层第3章：数据链路层第4章：局域网 第5章：广域网 第6章：网络互连第7章：传输层第8章：应用层协议本课程的组织根本遵循分层模型，但不拘泥于分层结构模型；以Internet技术与高速网络技术为主线，参加网络开展的最新内容；三、与其他课程的关系前期准备课程：计算机组成原理程序设计语言微机接口技术计算机操作系统四、主要参考文献谢希仁.

5、 计算机网络第四版. 北京：电子工业出版社，2003年王利、张玉祥、杨良怀. 计算机网络实用教程. 北京：清华大学出版社， 2000年竹下隆史日. TCP/IP综合根底篇. 北京：科学出版社，2003年Andrew S Tanenbaum. Computer NetworksFourth Edition. Prentice-Hall Inc.，2003年第1章计算机网络概论 计算机网络的形成与开展1.1.1 计算机网络的形成 人类相互通信的开展历史非常悠久，从手势、眼神、语言、烽火、驿站、旗语等都是交换信息的方式。真正的电通信始于1838年莫尔斯创造的电报机，开创了人类进行电气通信的新时代；1

6、876年贝尔创造 、1894年马可尼创造无线电通信都是电通信的里程碑事件。1946年世界上第一台电子数字计算机ENIAC在美国诞生时，计算机技术与通信技术并没有直接的联系。但为了使很多人能同时使用一台计算机，早期出现了以批处理(batch processing)方式运行的计算机。20世纪60年代出现了一台计算机连接多台终端的分时系统(time sharing system)。1969年RS-232-C计算机串口通信标准的实行,计算机与计算机之间开始进行通信。该标准规定一次传输8比特的字符，并通过时间间隔分开。串行线路通信的距离与速率都是受到限制的。20世纪60年末开始，出现了多台计算机互连的需

7、求，提出存储转发的分组交换技术。用户希望通过计算机网络实现资源共享的目的开始实现，计算机网络技术的开展呈现百花齐放的局面。 第一阶段是由单个网络ARPANET向互连网开展的过程。1969年11月实验性的ARPANET开通，当时的ARPANET只有四个结点，这些结点分布在美国的四所大学。这只是一个单个的分组交换网，所有要连接在ARPANET上的主机都直接与就近的交换结点机相连；1975年，ARPANET已经连入了100多台主机，并且结束了网络实验阶段，移交美国国防部国防通信局正式运行，并开始了第二代网络协议的设计工作；这阶段研究的重点是网络互连问题，网络互连技术研究的深入导致了TCP/IP协议的

8、出现与开展；1.1.2 Internet的应用与普及1983年TCP/IP 成为ARPANET上的标准协议；1984年ARPANET上的主机已经超过1000台；同时，美国国防部国防通信局将ARPANET 分成两个独立的局部，一局部仍叫做ARPANET，用于进一步的研究工作；另一局部是军用计算机网络MILNET，用于军方的非机密通信；在1983-1984年间，因特网形成；1990年，ARPANET正式宣布关闭。第二阶段的特点是形成了三级结构的因特网。70年代后期，美国国家科学基金会(NSF，National Science Foundation)认识到了ARPANET对大学研究工作的重大影响。但

9、是，不是所有大学都有这样的时机，一个大学要进入ARPANET 必须与美国国防部有合作研究工程。为了使更多的大学能够共享ARPANET的资源，NSF方案建设一个虚拟网络CSNET；1985年起，NSF就围绕6个大型计算机中心建设计算机网络；1986年NSF建立了NSFNET；它是一个三级计算机网络，分为主干网、地区网和校园网，覆盖了全美主要的大学和研究所；三级结构的因特网最初，NSFNET的主干速率仅为56Kb/s，1989年，提高到，成为因特网的主要局部；1991年，世界上许多公司纷纷介入因特网，由于容量问题，美国政府决定将因特网交给私人公司经营，并开始收费；1992年，因特网主机超过1百万台

10、；1993年，因特网主干速率提高到45Mb/s；不久，三级结构因特网又演进到多级结构。第三阶段的多级结构因特网。1993年开始NSFNET逐渐被商用因特网主干替代，这种主干也叫做效劳提供者网络service provider network，任何人只要向因特网效劳提供商ISP交纳规定的费用就可以通过该ISP接入到因特网；1994年开始创立了4个网络接入点NAP ( Network Access Point )，由四个电信公司经营，不同的ISP就通过NAP互通；到本世纪初，美国的NAP数量已到达十几个；到现在，因特网逐渐演变成多级机构网络。NAP是最高级接入点，它主要向不同的ISP提供交换设施，

11、使他们能通信；1996年建成速率为155Mb/s的主干网vBNS；1998年又开始建造更快的主干网Abilene，速率达；1999年，因特网上注册的主机超过1千万台。因特网大致可分为五个接入级，上图说明了这样的概念，如果主机A要通过因特网和主B进行通信，那么它们有可能要通过许多大大小小的ISP以及NAP。Internet的迅猛开展始于20世纪90年代。1989年，欧洲粒子物理实验室开发成功WWW。为INTERNT上交换超文本的多媒体信息奠定了根底。93年美国伊利诺依大学国家超级计算中心成功开发了浏览工具Mosaic，进而开展为浏览器Netscape，后又出现IE，与WEB效劳器相结合，形成了I

12、NTERNET上信息收集、存储、加工、传播网，更加推动了INTERNET开展。Internet2和NGI等的研究开发为未来的互联网打根底；与第一代互联网相比，下一代互联网更快、更大、更平安、更及时、更方便。1.1.3 关于因特网的标准化工作1、因特网的管理机构2、因特网标准-以RFC的形式在因特网上发表各种RFC之间的关系1.1.4 计算机网络在我国的开展1989年11月，我国第一个公用分组交换网CNPAC建成运行，在此根底上，1993年9月建成新的中国公用分组交换网。在20世纪80年代后期，公安、银行、军队以及其他一些部门也相继建立了各自的专用计算机广域网。自20世纪90年代起，我国陆续建造

13、了基于因特网技术的、可以和因特网互连的9个全国范围的公用计算机网络。进入21世纪，基于因特网技术的计算机网络开展非常快，几乎每月都有新的进展。中国公用计算机互联网CHINANET中国金桥信息网CHINAGBN中国教育和科研计算机网CERNET中国科学技术网CSTNET中国联通互联网UNINET中国网通CNCNET中国国际经济贸易互联网CIETNET中国移动互联网CMNET中国长城互联网CGWNET 计算机网络的定义与分类 1.2.1 计算机网络定义的根本内容计算机网络的精确定义并未统一。关于计算机网络的最简单的定义是TANE96：一些互相连接的、自治的计算机的集合。最简单的计算机网络就只有两台

14、计算机和连接它们的一条链路。最复杂的计算机网络就是因特网。它由非常多的计算机网络通过许多路由器互连而成。因此因特网也称为“网络的网络(network of networks)。计算机通信与数据通信计算机通信与数据通信可混用。计算机网络与分布式系统(distributed system)在分布式系统中，整个系统中的各计算机对用户都是透明的。而在计算机网络中那么不同,具有自治功能。从效果上看，分布系统是建立于网络之上的软件系统。它具有高度的整体性和透明性。两者的区别更多取决于软件尤其是操作系统而不是硬件。1.2.2 计算机网络的几种不同分类方法 1从网络的交换功能进行分类 电路交换报文交换分组交换

15、 混合交换 2从网络的拓扑结构进行分类 总线网络星形网络环型网络网状网络星形总线型环型网状3从网络的作用范围进行分类 局域网LAN (Local Area Network)城域网MAN (Metropolitan Area Network) 广域网WAN (Wide Area Network) 接入网AN (Access Network)4从网络的使用范围进行分类 公用网(public network) 专用网(private network)5. 按传输技术分类播送式网络:播送式的网络具有一条由网络中各设备共享的传输信道。网络中任何一个设备均可接收信道中传送的所有数据包，网络设备通过地址域中

16、的信息决定是否处理收到的数据包。点到点网络:点到点网络由多个设备间单独互联的连接组成，源节点与终节点之间往往要经过多个中间节点，路由算法在点到点方式的网络中起重要作用。 计算机网络的组成与结构计算机网络要完成数据处理与数据通信两大根本功能。它的逻辑组成：分为资源子网和通信子网两个局部： 资源子网负责数据处理的主计算机与终端； 通信子网负责数据通信处理的通信控制处理机与通信线路。 资源子网和通信子网两个局部的结构示意图 1.3.1 资源子网的概念资源子网的组成 主机 终端 终端控制器 外设 软件资源 信息资源主机host 大型机、中型机、小型机、工作站或微机 终端terminal 用户访问网络的

17、界面; 终端可以是简单的输入、输出终端，也可以是带有微处理机的智能终端; 终端可以通过主机连入网内，也可以通过终端控制器、报文分组组装与拆卸装置或通信控制处理机连入网内。1.3.2 通信子网的概念 通信子网由通信控制处理机、通信线路与其他通信设备组成，完成网络数据传输、转发等通信处理任务；通信控制处理机在网络拓扑结构中被称为网络结点；通信控制处理机作为与资源子网的主机、终端的连接的接口，将主机和终端连入网内；通信控制处理机作为通信子网中的分组存储转发结点，完成分组的接收、校验、存储、转发等功能；早期的ARPANET中，承担通信控制处理机功能的设备是接口报文处理机interface messag

18、e processor，IMP。 1.3.3 现代网络结构的变化随着微型计算机的广泛应用，大量的微型计算机是通过局域网连入广域网，而局域网与广域网、广域网与广域网的互连是通过路由器实现的；在Internet中，用户计算机需要通过校园网、企业网或ISP联入地区主干网，地区主干网通过国家主干网联入国家间的高速主干网，这样就形成一种由路由器互联的大型、层次结构的互联网络。 由路由器互联的大型、层次结构的互联网络示意图1.4.1 交换的意义在用户之间通信采用两两简单互连。如果有n个用户，那么需要n(n-1)/2根 线互连。随着用户数的增加，布线数目呈几何级数增长,两两互连方式无法满足用户急速增长的需求

19、，导致交换技术的出现。通过交换大大简化了网络。1.4 交换技术的根本概念1.n1.m由于用户分布在不同区域,将不同区域用户汇接到端局交换机， 形成了多端局交换机网络，交换机之间有多条线路互连。1.n1.m交换技术的产生后，形成了多种交换技术，主要有电路交换、报文交换和分组交换。1.4.2 电路交换一百多年来， 交换机虽然经过屡次更新换代，但交换的方式一直都是电路交换。电路交换示意图 电路交换的实质是基于位置的，在交换设备内部，硬件开关将输入线和输出线直接连通。对于已数字化的网络，就是在某一位置的比特经交换后变更到另一位置上。 电路交换的外部表现是通信两端一旦接通，便拥有一条实际的物理线路，双方

20、独占此线路。特点面向连接的(connection-oriented) 经过“建立连接通信释放连接三个步骤的连网方式 。电路交换必定是面向连接的。但面向连接的却不一定是电路交换，因为分组交换也可以使用面向连接的方式(如广域网的网络和ATM网络)。优点线路独享，一旦线路连通，便不会发生冲突；传输延迟少，一旦建立连接，便不再需要交换开销。缺点建立线路连接所需时间很长；通信线路中断，语音中断，需重新拨号。不适合传送计算机数据语音信号连续的模拟信号；计算机数据突发性的数字信号； 如果用 线路来传送计算机数据，其线路的传输效率往往很低。信道利用率1%；昂贵而浪费。1.4.3 报文交换 特点报文传送指发送方

21、把数据作为一个整体message来传送。报文交换的概念的提出始于上世纪40年代，电报通信采用此方式。无连接(connectionless) 指在传送数据之前不先建立连接而随时可发送数据。存储转发stored and forwarded) ：当交换设备收到报文后，首先把报文存储起来，然后在适当的时候，通过一条适宜的输出线再将报文传送出去。存储转发的概念提出始于上世纪60年代。对报文大小不加限制，中间节点必须有较大容量的硬盘等存储器。时延大：大报文传输时,可能占用中间节点线路长达几分钟,明显增加传输时延,不适合于交互式通信。有关概念分组交换的提出受电报通信的启发，军方的需求推动了分组交换网络的出现

22、。报文(message)-将发送的整块数据称为一个报文。分组(packet)-通常在发送报文前，先将较长的报文划分成一个个更小的等长数据段，在每一个数据段前面，加上一些必要的控制信息组成的首部(header)后，就构成了一个分组。分组又称为“包，而分组的首部也可称为“包头。1.4.4 分组交换分组的概念正是由于分组的首部包含了诸如目的地址和源地址等重要控制信息，每一个分组才能在分组交换网中独立地选择路由。因此，分组交换的特征是基于标记(label-based)。特点分组传送无连接的(connectionless) 存储转发stored and forwarded) 结点交换机处理分组时，先将收

23、到的分组放入缓存，再查找转发表转发表中写有到何目的地址应从何端口转发的信息) ，然后由交换机构从缓存中将该分组取出，传递给适当的端口转发出去。 分组交换网： 由假设干个结点交换机(node switch)和连接这些交换机的链路组成。每一结点交换机都有两组端口。H1H6是可进行通信的计算机，称为主机host分组交换网示意图数 据数 据数 据分组交换 在发送端把要发送的报文分隔为较短的数据块 每个块增加带有控制信息的首部构成分组包 依次把各分组发送到接收端 接收端剥去首部，抽出数据局部，复原成报文数 据分组11010011101 00101001110报文发送端首部分组数 据首部分组首部数 据发送

24、发送发送在前发送接收端数 据首部数 据首部数 据首部 00101001110分组从 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AB查找路由表目 的 地 下一跳路由器查找路由表目 的 地 下一跳路由器 查找路由表目 的 地 下一跳这就是基于存储转发的分组交换缺点：产生时延(delay):分组在各结点存储转发时要排队。增加开销overhead)：每个数据分组需独立寻径。P1P2P3P4P1P2P3P4P3P4报文报文报文A B C D A B C DA B C D报文交换电路交换分组交换t连接建立数据传送报文P2P1连接释放数据传送的特点比特流直达终点报

25、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1.4.5 三种交换技术的比较1.5 计算机网络的主要性能指标1.5.1 带宽对模拟通信：是指信号所包含的频率成分的范围，或信道可通过的频率范围，单位是Hz 、kHz、MHz、GHz、 THz等。对于数字信道：是指在信道上(或一段链路上)可通过的最高数据率，单位就是bit/s、kb/s、Mb/s、Gb/s、Tb/s等。有时也称为吞吐量。带宽f1 f2 频率时间带宽（即数据率）为xxMb/s计算机网络的带宽 计算机网络的带宽是指网络可通过的最高数据率，即每秒多少比特。描述带宽也常常把“比特/秒省略。 例如，带宽是 10 M，实际上是10 Mb

26、/s。1.5.2 时延 时延(delay或latency)是指一个报文或分组从一个网络(或一条链路)的一端传送到另一端所需的时间。时延是由以下几个不同的局部组成的。1传播时延 传播时延是电磁波在信道中传播所需要的时间。传播时延的计算公式是： 传播时延 = 信道长度 电磁波在信道上的传播速率2发送时延发送时延是发送数据所需要的时间。发送时延的计算公式是：发送时延 = 数据块长度 信道带宽(传输速率3排队时延这是数据在交换结点等候发送在缓存的队列中排队所经历的时延。主要取决于网络中当时的通信量。 数据经历的总时延就是以上三种时延之和：总时延 = 传播时延 + 发送时延 + 排队时延 总时延中哪种占

27、主导地位需具体分析 例1：一个100MB的数据块，在带宽1Mbit/s的光纤信道上传送到1000km外的计算机上，假定不考虑排队时延。发送时延=100102410248106=838.9s14min传播时延=10002105=510-3s=5ms 例2：一个字节的数据，在带宽1Mbit/s的光纤信道上传送到1000km外的计算机上，假定不考虑排队时延。发送时延=8106=810-6s=8s传播时延=10002105=510-3s=5ms三种时延产生的地方不同什么是宽带？ 宽带线路：可通过较高数据率的线路。 宽带是相对的概念，并没有绝对的标准。在目前，对于用户接入到因特网的用户线来说，每秒传送几

28、个兆比特就可以算是宽带速率。对宽带传输的错误概念 有些人愿意用“汽车在公路上跑来比喻“比特在网络上传输，认为宽带传输的好处就是传输更快，好比汽车在高速公路上可以跑得更快一样。对于这种比喻一定要谨慎对待。1.5.3 宽带常见的错误是混淆了两种速率 在网络中有两种不同的速率：信号即电磁波在传输媒体上的传播速率米/秒，或公里/秒计算机向网络发送比特的速率比特/秒 这两种速率的意义和单位完全不同。 宽带传输：计算机向网络发送比特的速率较高。ABAB宽带线路窄带线路在宽带线路上比特传播得快在窄带线路上比特传播得慢错误的概念：ABAB宽带线路窄带线路宽带线路：每秒有更多比特从计算机注入到线路。宽带线路和窄

29、带线路上比特的传播速率是一样的。正确的概念：比喻：汽车运货宽带线路窄带线路 宽带和窄带线路：车速一样宽带线路：车距缩短另一种错误概念“宽带相当于“多车道多车道公路是并行传输通信线路上通常都是串行传输1.5.4 时延带宽积和往返时延 传播时延带宽积=(传播时延)(带宽)。 表示链路所容纳的比特数 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=(总时延)(带宽) 往返时延RTT (Round-Trip Time) 表示从发送端发送数据开始，到发送端收到来自接收端确实认，总共经历的时延。 如发送端连续发送数据时，表示在收到对方确实认之前就已经将这么多的比特发送到链路上了。1.6 协议与

30、网络体系结构1.6.1 协议的概念协议原为外交辞令，据说是为了在国与国之间进行顺利交流而规定的约束事项(规那么)。我们平时进行交流时都要遵循一定的规那么:在法庭，双方必须按照一定的次序轮流发言；开车时，转弯必须打出信号来通知周围的车辆；驾驶飞机时，飞行员遵照一种制定得非常详细的标准来和其他飞机通信，以维护空中的交通；计算机网络中的协议是指为进行网络中的数据通信而建立的规那么、标准或约定。计算机通信需要协议，而且只有通过多个协议才能完成通信，称之为协议簇。协议的三要素：语法、语义、同步。语法：数据与控制信息的结构或格式；语义：发出控制、完成动作、作出响应；同步：说明事件实现的顺序。1.6.2 体

31、系结构的形成 网络的复杂性计算机网络是计算机技术与通信技术相结合的产物，涉及到许多新概念、新技术，内容广泛且不太集中。例如：如何保障数据在网络中的正确传输，可能涉及到相临节点或是不相临节点间的传输，这就要考虑传输中遇到的流控问题、拥塞问题、平安问题等，另外不同软硬件主机、不同物理网络的如何相互连接以实现资源共享也需要考虑和解决，可见网络的复杂性。 解决方法采用层次化结构。每一层实现一种相对独立的功能，因而可将一个难以处理的复杂问题分解为假设干个较小、界限更清晰且更容易解决的问题。 划分层次的优越性各层间灵活性；独立性好；结构上可分开；易于实现与维护；能促进标准化工作；将网络部件标准化，有利于模

32、块化设计，保证不同类型部件的互操作性，加快了技术开展的速度，简化了教育和学习。 体系结构：计算机网络中各层及其协议的集合。体系结构是抽象的，实现才是具体的，是真正运行的计算机硬件与软件。 1.6.3 协议分层的关键性设计问题 实体Entity：表示任何可发送或接收信息的硬件或软件进程。协议protocol：不同系统中同一层实体进行通信的规那么的集合，协议是水平方向的。效劳Service：在同一系统中下层实体能够能够向上层所提供的效劳，效劳是垂直方向。效劳访问点Service Access Point：在同一系统中相邻两层实体实间交换信息的地方。效劳原语：在同一系统中相邻两层按效劳原语的方式交换

33、信息。有4种类型：请求、指示、响应、证实。效劳数据单元SDU)：层与层之间交换数据的单位。1.6.4 网络体系结构与协议标准化的研究最初ARPANET设计时即提出了分层的方法；1974年IBM公司按分层方法制定了著名的系统网络体系结构SNA)；一些大的计算机公司纷纷提出了各种网络体系结构与网络协议；为了解决异构网络互联，国际标准化组织ISO成立专门委员会研究网络体系结构与网络协议国际标准化问题；ISO正式制订了开放系统互连参考模型OSI/RM)，制定了一系列的协议标准。 1.6.5 OSI/RM体系结构模型 7层结构：应用层，表示层，会话层，运输层，网络层，数据链路层，物理层 ；第一、二、三层

34、为网络支持层；处理一个设备到另一个设备数据传输的物理方面问题如电特性、物理连接、物理寻址、传输时序及可靠性。第五、六、七层为用户支持层；允许不相关软件系统间的相互操作。第四层，即传输层，将这两个功能组连接起来，并保证下层传输来的数据以上层能识别的形式传送级上一层使用。 . 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 对等协议第7层 对等协议第6层 对等协议第5层对等协议第4层3332221117-6接口 6-5接口 6-5接口 7-6接口 2-1接口 3-2接口 4-3接口 5-4接口 4-3接口 3-2接口 2-1接口 5-4接口 OSI高层通常通过软件实现，而低层通常是硬件和软件的复合体，物理层通常由硬件组成。OSI层次的整体结构中，整个过程从第七层开始，然后一层一层向下移动，在每一层报文头信息被加到数据中，在第二层，同时还加上尾部信息，当格式化的数据单元经过物理层时，它被转换为电磁信号并在物理链路上传输。到达目的地，信号