第一章计算机网络概述(船海)

《计算机网络技术及应用》刘竞机械学院工业工程系邮箱：hust_lj@163.com教材：袁楚明主编，《计算机网络技术及应用》，华中科技大学出版社，2012年。参考书：刘冰主编,《计算机网络技术与应用》，机械工业出版社，2008年。参考书：谢希仁编著，《计算机网络》第3、4、5版，电子工业出版社。

AndrewS.Tanenbaum，《计算机网络》（3），熊桂喜、王小虎等译，清华大学出版社，1998。学时安排总学时４８学时，其中：课堂３２学时，实验上机１６学时。1．课堂教学内容(32学时)(1).计算机网络基本概念（2学时）(2).数据通信技术基础（4学时）(3).网络体系结构（3学时）(4).局域网技术（3学时）(5).广域网技术和网络互联（4学时）(6).Internet技术及应用（4学时）(7).网络安全技术（2学时）(8).基本网络开发应用技术（6学时）（HTML语言与JavaScript语言）2．实验教学内容(16学时)(1).网络常用命令、计算机局域网构建与配置(4学时)(2)WWW、FTP服务器配置(4学时)(3)网页制作（HTML、JavaScript编写）(4学时)(4).网站制作与发布(4学时)闭卷考试（70％）上机实验（30％）考核方式课程的定位基础：基本概念、基本原理、基本知识。对计算机网络有一个整体认识，主要是入门、打基础。面向应用而不是面向研究，如果要研究计算机网络技术，还需进一步深入学习相关知识。前言第1章计算机网络基础知识教学要求掌握：计算机网络的基本构成；计算机网络的发展历史、功能应用、拓扑结构、计算机网络的分类和计算机网络的若干术语。了解：为什么要使用计算机网络；计算机网络新发展新应用。1.1什么是计算机网络第1章计算机网络基础知识

计算机网络是将地理位置分散的、功能独立的多台计算机系统通过线路和设备互连起来，以功能完善的网络软件实现网络中资源共享和信息交换的系统。1.2产生与发展

计算机网络是计算机技术和通信技术相结合的产物。随着计算机技术和通信技术的不断发展，计算机网络经历了从简单到复杂，从单机到多机的发展过程，主要可分为三个阶段：第一代计算机网络（以单个主机为中心联机系统）第二代计算机网络（以通信子网为中心）第三代计算机网络（采用层次体系结构）第四代计算机网络（新一代CN综合化、高速化、统一网络）1.2.1第一代计算机网络

概念上，我们将此时的计算机系统称之为多用户系统。由于这类多用户系统还支持用户的远程接入方式。第一代计算机网络是面向终端的计算机网络，又称为联机系统，始建于20世纪50年代初。可看成是计算机网络的早期形式。特征——共享主机软硬件资源单台主机：执行计算和通信任务多台终端：执行用户交互连接方式——本地或远程连接

通信与计算机的结合——计算机网络的产生单重接入控制方式的主要特征：（a）为实现计算机主机与远程终端相连，必须在主机中增加一个接口，称之为“线路控制器”(linecontroller)。（b）此外在通信线路的两端还必须各加上一个信号变换设备M。这是因为电话线路本来是为传送模拟的话音信号而设计的，它不适合于传送计算机数字信号。多重接入控制方式的特征:

随着远程终端的增多，为了避免一台计算机使用多个线路控制器，出现了多重线路控制器。前端处理机接入方式的特征：引入所谓的前端处理机完成全部的通信任务（故一般又将前端处理机称为通信处理机），而让主机（即原来的计算机）专门进行数据的处理。这样就大大地提高了主机进行数据处理的效率。

早期的接入方式现在仍在使用，如银行的ATM柜员机等。集中器接入方式特征：为了节省通信费用，可在远程终端较密集处加一个集中器(Concentrator)。集中器的一端用多条低速线路与各终端相连，其另一端则用一条较高速的线路与计算机相连。集中器一个智能复用器，它可利用一些终端的空闲时间来传送其它处于工作状态的终端的数据。1.2.1第一代计算机网络科学计算

飞机订票系统

HOST(航空公司总部)Terminals(订票点)通信线路(电话线路)缺点主机负荷重——数据处理＋通信线路利用率低用户少,适用范围有限,为一个个计算机孤岛

例子特征归纳（1）集中式控制形式；（2）结构上呈现星型结构；（3）结构形式简单；（4）数据通信主要依赖于电话网络。1.2.2第二代计算机网络

第二代计算机网络是以共享资源为目的的计算机通信网络，简称计算机通信网络。面向终端的计算机网络只能在终端和主机之间进行通信，计算机之间无法通信。从20世纪60年中期开始，出现了多个主机互联的系统，可以实现计算机和计算机之间的通信。特征多个终端联机系统的互联，形成了多主机为中心的网络网络结构从“主机－终端”转变为“主机－主机”1.2.2第二代计算机网络

计算机通信网络的结构在逻辑上可分为：通信子网和资源子网。二者合一构成以通信子网为核心，以资源共享为目的的网络。CCPCCPHOSTHOSTTTTTTTCCPHOSTTTT通信子网通信处理机CP（通信控制处理机CCP、或称接口报文处理机IMP）1.2.2第二代计算机网络A.资源子网：由计算机系统、终端、外设、软件资源、信息资源组成，负责全网的数据处理业务，向网络用户提供各种网络资源与网络服务。B.通信子网：由通信控制处理机（CommunicationControlProcessor,CCP）、通信线路和其他通信设备组成，完成网络数据传输、转发等通信处理任务。CCCHHH资源子网通信子网HH在通信子网上可有多个资源子网，共享通信子网的服务从逻辑上计算机网络的组成:1.2.2第二代计算机网络ARPANET——因特网的前身美苏冷战时期由美国军方建立的实验性网络最初4个节点→70’s的60多个节点地域跨越美洲、欧洲具有现代网络的许多特征，例如分组交换（分组传送、共享节点，存储/转发以及路由选择）分层次的网络体系较为完善的通信协议例子报文（Message):我们将欲发送的整块数据称为一个报文。分组(Packet):在发送报文之前，先将报文划分成为一个个等长数据段（如每个段为1024位）。然后以分组为单位，在网络中从一个（中间）结点传送到另一个（中间）结点。10110….101100110…11011010001…101报文段首部数据

首部

数据分组H1H2H3H4H5H6ABDCE资源子网分组交换网由若干个结点交换机和链路组成。H1H2H3H4H5H6ABDCE资源子网

将收到的分组先放入缓冲区存储;

再查找路由表，确定将该分组交给某个端口转发。分组交换网的主要特点：

★被传送数据应分成若干分组分别传送，在数据通信的过程中断续（动态）分配传输带宽，使得通信线路的利用率得以大大提高。★通信子网中的交换结点为共享结点，为了提高分组交换网的可靠性，常采用网状拓扑结构，使得当发生网络拥塞或少数网点、链路出现故障时，可灵活地改变路由而不致引起通信的中断或全网的瘫痪。★通信网络的主干线路往往由一些高速链路构成。★通信子网中的每个交换结点都应具有分组的存储/转发以及选择合适路由的能力。1.2.3第三代计算机网络第三代计算机网络又称现代计算机网络，它是一个具有层次化体系结构的标准化网络。通信子网RRRRRHRHHHS局域网HRHHHS局域网HRHHHS局域网1.2.3第三代计算机网络1.广域网的发展ARPANET－第一个分组交换网；1974年，IBM的系统网络体系结构SNA；1975年，DEC的分布式网络体系结构DNA；网络应用的普及和发展，促使基础设施的建设：通信子网规模逐渐扩大私有→社会公用公用数据通信网PSTNX.25优点降低用户系统建设成本提高通信线路利用率兼容性好Internet时代

ARPANET民用网络MILNET军用网络ARPANET69年84年NSFNET美国科学基金网INTERNET90年86年INTERNETNGI计划10GInternet发展过程万维网WWWCERN开发INTERNET180个国家60万个网络98年

计算机发展Internet时代

60年代ARPANET 1964，美国兰德公司提出基本概念

1969，四个节点的ARPANET的推出；AT&T开发出UNIX70年代ARPANET

主要用于科学研究，56kbps，主机数量<100 1972，施乐公司开发出以太网，第一封E-mail诞生

1973，ARPANET实现与卫星通信系统的连接

1974，TCP/IP通信协议开发成功90年代私有化、商业化、全球化

1990，E-mail、FTP广泛应用

1992，Internet上的主机超过1百万台

1993，主干网速率达到45Mbps，UniversityOfIllinois开发出Netscape最早是由美国政府于1993年9月15日提出的，又称为“NII（NationalInformationInfrastructure）行动计划”，该计划包括五大部分内容，即：

硬件设备软件信息本身使用和开发信息的各种人高速信息网

1994，NSFNET分解成为多个私营网络

1996，Java 1997，NC：NGI（NextGenerationInternet）NII计划（国家信息基础设施）——GII计划（全球信息基础设施）——NGI计划（下一代Internet）计算机网络在我国的发展铁道部在1980年开始进行计算机联网实验1989年我国建成第一个公用分组交换网CNPAC,1993年改为CHINAPAC1994年4.20我国用64kbps专线连入因特网我国最先开通四大互联网络：CHINANET（中国公用计算机互联网）、CERNET（中国教育和科研计算机网

）、CSTNET（中国科学技术网）、CHINAGNB（中国金桥信息网），以及后续开通的UNINET、CNCNET、CIETNET、CMNET、CGWNET、CSNET等。中国的互联网发展历程1994－1999：学习互联网建设应用2000－2004：攻克关键技术：核心路由器下一代互联网的研究：NSFCNET国家“九五”863计划：3Tnet2005－2010：研究互联网体系结构国家自然科学基金重点项目973计划项目：新一代互联网体系结构基础研究国家“十五”863计划：新一代高可信互联网国务院批准，国家发改委、科技部等八部委组织实施：中国下一代互联网示范工程CNGIIPv6现况

下一代互联网，始于1996年美国克林顿政府的NGI(NextGenerationInternet)计划，与目前使用的互联网相比，它的传输速度更快、规模更大、更安全。美国早在1999年就已建成全国180所大学联网的下一代互联网，日本已在日美之间建起了最大的IPv6主干网，欧盟也于2001年建成了覆盖全欧的“6Net”，中国1999年12月即已开始了下一代互联网研究的第一个项目----NSFCNET(中国高速互联研究试验网)。但限于种种因素，还只限于清华大学、北京大学、中国科学院等6个节点。CERNETIPv4主干网

中国互联网现状截至2009年12月31日，中国网民规模达到3.84亿人。宽带网民规模达3.46亿人，手机上网网民规模达到2.33亿人。2009年中国IPv4地址量达到2.32亿，IPv4地址的增速已经连续两年落后于网民的增速，同时国际IP地址面临被分配殆尽的形势。推进互联网向以IPv6为基础的下一代互联网过渡已成当务之急。2009年底域名总数为1682万，其中80%为.CN域名。2009年有83.2%的网民在家上网，30.2%的网民在单位上网。2009年网络应用使用率排名前三甲分别是网络音乐（83.5%），网络新闻（80.1%），搜索引擎（73.3%）。商务交易类应用的用户规模增长最快，平均年增幅68%。其中，网上支付用户年增幅80.9%，在所有应用中排名第一，旅游预订、网络炒股、网上银行和网络购物用户规模分别增长了77.9%、67.0%、62.3%和45.9%。1.2.3第三代计算机网络2.局域网的发展早期的计算机网络大多为广域网;20世纪70年代，PC机出现;80年代，PC机性能不断提高，价格不断下降，使PC进入各行各业，甚至家庭;信息交换和资源共享的需求越来越迫切，人们要求在一栋楼或一个部门内的计算机互联，于是局域网（LocalAreaNetwork,LAN）应运而生。1.2.3第三代计算机网络3.标准化与互联网为什么需要标准化？不同网络设备之间的兼容性和互操作性是推动网络体系结构的标准化的原动力标准化的时机？各厂商、研究机构、大学在网络技术、方法、理论等方面的研究日趋成熟是其基础1.2.3第三代计算机网络3.标准化与互联网标准化过程的演变厂商标准：IBM-SNA，DEC-DNA缺点：适用范围：兼容性？技术垄断：竞争？标准不统一：用户利益？国际标准，1984年ISO公布：OpenSystemInterconnection/RecommendedModel(开放系统互联参考模型，简称OSI参考模型)OSI参考模型是一种概念上的网络模型规定了网络体系结构的框架事实上的标准：TCP/IP(因特网的骨干协议)一类企业卖标准，二类企业卖服务，三类企业卖产品1.3计算机网络的功能与应用功能资源共享巨型计算机，大容量磁盘，打印机，…数据库管理系统，Internet信息服务软件，…搜索与查询信息，WEB网页，FTP资源，电子书籍，…数据交换和通信分布式数据处理负载均衡提高系统的可靠性和可用性提高系统的性价比，易于扩充，便于维护1.3计算机网络的功能与应用应用

在科研和教育中的应用查资料，网上学术交流，网络教育，网络交付作业，网上考试，…在事业单位中的应用办公自动化，异地办公，…在商业上的应用网上购物，网上支付，…在通信与娱乐上的应用电子邮件，BBS，…网络游戏，…校园网在高校的发展时间技术(网管)规模(点)应用起步1994－199710MEther,ATM＋ACLN*100,中心区Email＋www＋ftp发展1998－2001100/1000MEther+FWN*1000，办公区部分教学＋科研＋管理MIS跨越2002－20051000/10000M主干＋802.1xN*10000,学生区音视频服务＋基础平台高潮2005－2008N*万兆/λ/内OSPF/安全高效、可控可营全校区1G/光纤到桌面数字平台（教科管＋娱乐＋生活）＋IDC＋组播持续2008－未来多环、多出口、IPv6网络，无线网、接入控制成熟规模稳定新校发展全面进入教育电子政务,应用大发展21世纪的校园网环境移动接入网上学校校园网校园IC卡应用数字化图书馆高性能计算音视频＋组播校园IC卡应用教育中心教务管理网络授选课多媒体工作室虚拟实验室网络教学P2P学习游戏娱乐校园网未来六大应用平台1.教学平台：BB；精品课程；教学资源库…2.科研平台：HPC,虚拟实验室，分布仿真实验室，虚拟制造，学术组织…3.管理平台：行政管理，OA，校内群发email,党员生活…4.生活平台一卡通（银行、餐厅图书、校内消费）网上购物…5.娱乐平台网络游戏，电影Voice平台：VOIP，MP3点播Video平台：P2PTV…6.传感平台道路＋重点大楼＋关键办公室的公安传感家电＋水电等的生活传感…项目案例简介“十一五”国家科技支撑计划重点项目：《虚拟实验教学环境关键技术研究与应用示范》共设置有六个子课题：课题1:虚拟实验开发、评价与管理规范的研究与测试课题5：开放式虚拟实验支撑平台的设计与开发课题2：虚拟实验教学可视化设计关键技术研究课题3：虚拟实验教学资源构件的多领域建模与装配平台研究课题4:虚拟实验智能指导与管理系统的研发课题6：虚拟实验示范工程（包括计算机、电工电子、机械工程、控制工程、中学科学课程（物理、化学、生物）五个学科的虚拟实验示范工程）网络拓扑结构20个节点：2个webserver1个memcache14个计算节点1个I/O节点（LB）2个postgredb总体结构图1.4计算机网络的基本组成硬件1.计算机系统被连接对象（如服务器、网络工作站）。负责数据的收集、处理、存储、传播、提供共享资源。2.通信线路和通信设备通信线路：光缆、同轴电缆、双绞线、无线电缆…通信设备：网卡、集线器、中继器、交换机、网桥、路由器、调制解调器…1.4计算机网络的基本组成软件3.网络协议双方必须共同遵守的约定和通信规则。TCP/IP、NetBEUI、IPX/SPX…4.网络软件网络系统软件：网络操作系统…网络应用软件：远程教学软件、Internet信息服务软件…按拓扑结构分类总线结构环型结构星形结构树形结构网状结构1.5计算机网络的分类在研究计算机网络组成结构的时候，经常用拓扑学中一种研究与大小形状无关的点、线特性的方法，即抛开网络中的具体设备，把工作站、服务器等网络单元抽象为“结点”，把网络中的电缆等通信介质抽象为“线”，从拓扑学的观点看计算机网络就变成了点和线组成的几何图形，我们称它为网络的拓扑结构。1.5计算机网络的分类计算机网络按拓扑结构的分类总线结构环型结构星形结构树形结构网状结构全互连型结构1.5计算机网络的分类总线结构广播式传播需要发送数据时才发送。所有节点随时监听，接收数据时分析是否该接收。特点：结构简单灵活，易扩展，便于广播式传播；网络响应速度快，但负荷重时性能迅速下降；局部站点故障不影响整体，总线故障，影响整体；易于安装，费用低。1.5计算机网络的分类环型结构所有节点连接成一个闭合的环，结点之间为点到点连接，采用令牌控制、发送数据。特点：节点之间无主从关系，结构简单；信息沿环单向传递，延迟固定，实时性较好；两节点间仅有唯一的路径，简化了路径选择，但可扩充性差；可靠性差，任何线路或节点故障，则整体故障；1.5计算机网络的分类星型结构有一个中心节点，其它节点与其构成点到点连接。特点：结构简单，便于维护和管理，易实现结构化布线、易扩充、易升级；通信线路专用，电缆成本高；采用集中控制方式，中心结点的可靠性决定整个网络的可靠