计算机网络教程

计算机网络教程

（第五版）

王华wanghua@

理论课教室：11114

绪论

®计算机网络课程的特点

®课程的基本内容

®与其他课程的关系

®主要参考书

一.计算机网络课程的特点

1.计算机网络技术在现代社会发展中的作用

®21世纪一个重要特征是：数字化、网络化与信息

化；

®它的基础是支持全社会的、强大的计算机网络；

®计算机网络是当今计算机学科中发展最为迅速的

技术之一，应是计算抗应痈中一个空前法跃的领

域；

®计算机网络正在改变着人们的工作方式、生活方

式与思维方式；

®网络技术发展与应用已成为影响一个国家与地区

政治、经济、军事、科学与文化发展的重要因素

之'o

为什么网络会对人类社会生活中产生如止匕重大的影响?

◎社会学家指出：人类社会的生活方式与劳动方

式从根本上说具有群体性、交互性、分布性与

协作和;

®计算机网络的出现使人类这样一种本质的特征

得到了充分的体现；

®计算机网络的应用可以大大地缩短人与人之间

的时间与空间距离，更进一步扩大了人类社会

群体之间的交互与协作范围；

®人们会很快地接受在计算机网络环境中的工作

方式；

2.网络技术是多学科交叉的产物，也是一门基础性课程

®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；

®计算机网络已经成为计算机应用和软件编程

的基本环境；

⑥很多课程的学习建立在学生掌握了网络知识

的基础上；

®计算机网络教学已经成为大学本科学生学习

的一门基础性的课程。

学习目的▼

◎计算机网络课程的教学目标：能够在已有的计算机

基础知识、使学生能够“懂、建、管、用”网络。

•“懂”是理解网络原理、相关协议和标准；

•“建”是掌握组建网络的工程技术；

•“管”是学会管理、配置和维护网络；

•“用”是在学会基本应用的基础上，学会使用将网络作为

信息发布和管理的平台。

®对当前计算机网络的新技术新发展有所了解。

学习方法和要求

@方法：讲授

@实践：课内外结合，课内2次。

@考核方式：平时+考试

©要求：“三多”——多思、多练

二.主要内容

第、

1工

早

计算机网络概论

第2、

,早

数据通信与广域网技术

第3、

,早

网络体系结构与网络协议

第4、

,早

局域网基本工作原理

第5、

,早

局域网组网技术

第6工、

早

网络操作系统

第7工、

早

网络互连技术

第8、

,早

Internet基础与应用

第9、

,早

网络安全与网络管理

3.网络课程教学的特点

⑥网络技术经过近50年的发展，已经形成了自

身比较完善的体系；

®目前该技术发展迅速，应用广泛，知识更新

快；

⑥网络课程的教学中应该注意：教学体系的组

织，如何反映由新的技术发展；

®如何帮助同学掌握网络技术的基本知识与基

本技能一课堂教学与实验的结合

三.与其他课程的关系

前期课程：

®计算机文化基础

第1章计算机网络概论

本章主要讨论以下几个问题:

©计算机网络是如何形成与发展的？

@什么是计算机网络？

©如何理解计算机网络的拓扑结构,

及其网络拓扑的意思？

@计算机网络可以分为哪几种类型？

本章学习要求:

计算机网络的形成与发展

渐

手计算机网络的定义

号

手计算机网络的拓扑构型

号

手计算机网络的分类

典型的计算机网络

公共数据网的发展

计算机网络的应用领域

计算机网络应用带来的社会问题

1.1计算机网络的形成与发展

1.1.1计算机网络发展阶段的划分

@第一阶段：准备阶段20世纪50年代

完成了数据通信技术与计算机通信网络的研究，

奠定了理论基础。

®第二阶段：形成阶段20世纪60年代

ARPANET与分组，交换技术的研究与发展，为

Internet的形成奠定了基础。

@第三阶段：标准化阶段20世纪70年代

网络体系结构与协议标准化的研究

广域网、局域网与公用分组交换网的研究与应用

®第四阶段：应用阶段与下一代网络技术研究20世纪90年代

Internet技术的广泛应用

网络计算技术的研究与发展

宽带城域网与接入网技术的研究与发展

网络与信息安全技术的研究与发展

第~代计算机网络

「5。年代

第~代计算机网络

前置处

60年代末

豺耳机一

封耳机

理机

第二代计算机网络

®ARPANET

®NSFNET

@Internet

®Internets

第三代计算机网络

第四代计算机网络

受“ado/((电”<

视频视频

点播会议

视频网络远程

广播游戏教育

旅游股票电子

信息信息邮件

网上

冲浪

信息

公告

ONzetworksgr

INTERNET在中国的发展

®1987年，我国通过拨号线路与国际INTERNET连通

电子邮件服务实现了与欧洲及北美地区的电子邮

件通信功能.

®1991年，中科院高级物理研究所通过租用国际卫

星信道与美一实验室进行64Kbps的专线连接，进

入INTERNET,并以CN用为中国最高域名在NIC中注

册，实现真正意义上的TCP/IP连接，正式进入

INTERNET.j

@1994年由中科院主持，联合清华北大共同完成中

国家计算机网络设施(NCFC),俗称中关村网.

目前已经建成的网络

@CHINAnet中国公用计算机网络，1995年开通，由邮电

部经营管理，已覆盖除台湾以外的省市；

@CERnet中国教育科研网，由国家教委直接领导和组建

的教研网，于1995年完成；

®CST中国科技网是由中国科学院及其20多个科研单位

联合建立，于1994年年底完成；

@CHINAgbn中国金桥信息网，是国家公用经济信息通信

网，于1996年正式开通，是商业网.

1.1.2计算机网络的形成

®背景：1

•1946年世界上第一台电子数字计算机ENIAC诞生

时，计算机技术与通信技术并没有直接的联系；

•20世纪50年代初，由于美国军方的需要，美国半

自动地面防空系统（SAGE）的研究开始了计算

机技术与通信技术相结合的尝试。

⑥结构：的出现

以主机为中心的计算机网络

•集中式控制形式；

•面向主机，即以主机为中心；

•结构上呈星型结构；

•结构形式简单；

•数据通信主要依赖于电话网络;

第二代计算机网络

®背景：

•计算机技术和通信技术的发展

•为了第一代计算机网络的缺点，网

络的可靠性和可用性。

•随着，出现多台计算机互

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。

⑥结构：的出现

•典型的研究成果是ARPANET网。

第二代计算机网络

•标准不统一

•网络体系结构的研究不成熟

113网络体系结构与协议标准化的研究

®一些大的计算机公司提出了各种网络体系结构

与网络协妆；

®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正式制订开放系统互连参考模型，并制订

了一系列的协议标准；

◎在1969年ARPANET的实验性阶段，研究人员

就开始了TCP/IP协议雏形的研究；

®TCP/IP协议的成功促进了Internet的发展，

Internet的发展又进一步扩大了TCP/IP协议的

影响。

1.1.4Internet的应用与高速网络技术发展

@Internet的广泛应用促进了电子商务、电子政务、远

程教育、远程医疗、分布式计算与视频点播的发展；

@高速网络技术发展迅速，FastEthernet、Gigabit

Ethernet已开始进入实用阶段，速率为10Gbps的

Ethernet网正在研究之中;

@基于光纤与IP技术的宽带城域网与宽带接入网技术已

经成为研究、应用与产业发展的热点问题之一；

®网络计算技术已经成为重要的网络应用与研究领域。

七■”加

II川“口

稠

HIH

42”

・冷6

115宽带网络与全光网络技术发展

®很多国家的政府与企业投入巨额资金，把宽带

网络作为战略产业来发展；

®宽带网络在基础设施、网络产品、信息服务等

多个层面上提供了巨大的市场机会，为新的网

络服务运营商提供了发展的空间，从而也带动

了网络产业的结构调整；

®宽带网络建设的两个关键是宽带骨干网技术和

宽带接入网技术居麦展；

⑥全光网AON会给未来通信网的宽带、容量带

来更大地发展空间。

宽带网络

电子商务

光网络研究

第一代：铜缆与无线射频；

第二代：光纤；

第三代：在传输网络中引入光交换机、光路由器,

直接在光层配置光通道的传输网络。AON,All

OpticalNetwork.

□电结点

Q光结点

-----铜缆

光纤

第一代传输网第二代传输网第三代传输网

问题:

1.2计算机网络的定义

121计算机网络定义的基本内容

资源共享观点的定义：以能够相互共享资源的方式

互连起来的自治计算机系统的集合。

®网络建立的主要目的是实现计算机资源的共享；］

®互连的计算机是分布在不同地理位置的多台独立的

“自治计算机系统”；

®连网计算机在通信过程中必须遵循相同的网络协议

1・2.2计算机网络与分布式计算机系统的区别

⑥分布式计算机系统中“存在着一个能为用户

自动管理资源的网络操作系统，由它调用完

成用户任务所需要的资源，而整个网络像一

个大的计算机系统一样对用户是透明的。"

®计算机网络为分布式系统的研究提供了技术

基础，而分布式系统是计算机网络技术发展

的高级阶段。

123现代网络结构的特点

@早期计算机网络结构：从逻辑功能上可以分为资源子网和通信

子网等两个部分。

（1）资源子网.

@资源子网的组成W

主机终端终端控制器1

外设软件资源信息资源

@主机（host）1

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。

⑵通信子网

◎通信子网由通信控制处理机CCP、通信线路1

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；

®通信子网是计算机网络中负责数据通信的部分,

传输介质可以是架空明线、双绞线、同轴电缆、

光纤等有线通信线路，也可以是微波、通信卫

星等无线通信线路

◎为资源子网提供服务，是支持资源子网上用户

之间相互通信的基本环境。

通信子网的组成:

®分组交换器

®集线器(HUB)或多路转换器

®网络控制中心NCC

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

就形鼠一种由路由器互联的美型、层次结构的

互联网络。

Internet结构示意图2

1.3计算机网络的拓扑构型

1・3.1计算机网络拓扑的定义、

®拓扑学是几何学的一个分支，是从图论演变而

来。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

研究了点、线、面之间的关系；

®计算机网络拓扑是通过网中结点与通信线路之

间的几何关系表示网络结构，反映出网络中各

实体间的结构关系；

®计算机网络拓扑主要是指通信子网的柘虫勾型;

◎拓扑设计对网络性能、系统可靠性与通信费用

都有重大影响。

山东中医药大学网络拓扑图

长

经

清

十

校

路

区

校

区

10GLX

1#联隼♦

1000BASELX

1000BASE-SX

1000BASE.TX

S9512

H■

应用服务器即

1.3.2计算机网络拓扑的分类

⑥网络拓扑方法:根据通信子网中通信信道类型

分类，有：广播信道与点■点线路；

@在采用广播信道通信子网中，一个公共的通信

信道被多个网络结点共享；

®广播信道通信子网的基本拓扑构型:

总线型

树型

环型

无线通信与卫星通信型

⑥在采用点■点线路的通信子网中，每条物理

线路连接一对结点；

⑥点■点线路的通信子网基本拓扑构型有:

星型

环型

树型

网状型

基本的网络拓扑结构

(a)星形拓扑

(d)树形拓扑

总线型拓扑结构

终端器

总线拓扑结构

@所有节点直接连到一条物理链路上，除此之外节点间

不存在任何其他连接

@每一个节点可以收到来自其他任何节点所发送的信息,

一个节点发送的信息其它节点都可以收到-广播式发

送

◎优点：简单，易于实现，组网成本低

@缺点：

可靠性和灵活性差，传输延时不确定

如果其中的某个节点损坏,将导致整个网络的瘫痪

终端电阻作用：主要是用来吸收残留的信号.

星型拓扑结构

星型拓扑结构

@网络由各节点以中央节点为中心相连接，各节点与中

央节点以点对点方式连接。

@节点之间的数据通信要通过中央节点

®优点：结构简单，管理方便

可扩充性强，组网容易

故障的诊断容易

计算机的损坏不影响其它计算机的正常工作

®缺点：中心节点成为全网可靠性的关键，中心点的损

坏导致整个网络的瘫痪.

另一种扩屣的里型

(LAN/WAN)

。又称树型结构

。数据流具有明显的层次桂

。局域网中经常采用的拓扑

坏型造构

(Token-Ring)

。节点与链路构成了一个闭合环，每个节点只与相邻的两个

节点相连

。每个节点必须将信息转发给下一个相邻的节点

—简单、易于实现，传榆延时确定

。缺点：维护与管理复杂

（广旦网）

。又新无规则型Q结点问

的连接是任意的，不存

在规律Q是目前

。数据的传榆有赖于所采

用的网络设备

。优点;多条链路提供了

冗余连接

。缺点二结构复杂

。每一个节点均与其他每一个节点直接相连。

O数据的传输有赖于所采用的网络设备

。优点;多条链路提供了元余连接

。缺点二链路随着节点数目的增加呈指数增

网型拓扑结构

树型

网络拓扑结构优缺点

常用网珞拓扑结构的特点与分类

网络拓

网络分类]主要特点典型应用

扑结构

•1

优点：路径短、易管理、传输效率高、易扩展以太网交换机与集线号；ATM交换机

星型星型网络i

缺点!中央节点应具等滴度可靠性和冗余度与集线器；

总线型网络:优点:•可靠性较高、费用低、易犷展

总线型粗纸以太网；细缆以太网

缺点：管理和维护困难、传输效率低

优点:电量长度短、适应性好、费用较低

环型环型网络IBM令牌环网；FDDI网

缺点：可毒性差、安装维驴困难

优点：易扩展、网络层次清晰

树型材型网络以太网交换机与集线器、集中詈用级联

缺点：根节点可旅性应很高

搬

HO

榔

触:破懒

月糖瞅冢骗岫饰岫等

帼”脯、m,mm

酗嫩FDD调坡瞬删

蟠mm,"--；

问题:

1.4计算机网络的分类

计算机网络的分类方法主要的是以下两种:

®根据网络所使用的传输技术分类

®根据网络的覆盖范围与规模分类

141根据网络传输技术进行分类

®通信信道的类型有两类:

广播通信信道

点■点通信信道

®相应的计算机网络也可以分为两类:

广播式网络(BroadcastNetworks)

点■点式网络(Point-to-PointNetworks)

142根据网络覆盖范围进行分类

按覆盖的地理范围分类，计算机网络可以分

为三类：

⑥局域网(LAN,LocalAreaNetwork)

◎城域网(MAN,MetropolitanArea

Network)

⑥广域网(WAN,WideAreaNetwork)

局域网的技术特点

◎覆盖有限的地理范围，它适用于公司、机关、

校园、工厂等有限范围内的计算机、终端与各

类信息处理设备连网的需求；

®提供高数据传输速率(10Mbps〜10Gbps)

低误码率的高质量数据传输环境；

⑥一般属于一个单位所有，易于建立、维护与扩

展；

◎从介质访问控制方法的角度，局域网可分为共

享介质式局域网与交换式局域网两类。

城域网的技术特点

®城域网是介于广域网与局域网之间的一种高速

网络；

®城域网设计的目标是要满足几十公里范围内的

大量企业、机关、公司的多个局域网互连的需

求；

®实现大量用户之间的数据、语音、图形与视频

等多种信息的传输功能；

®城域网在技术上与局域网相似。

广域网的技术特点

®广域网也称为远程网；

®覆盖的地理范围从几十公里到几千公里；

◎覆盖一个国家、地区，或横跨几个洲，形

成国际性的远程网络；

®通信子网主要使用分组交换技术；

®它修分布在不同地区的计算机系统互连起

来，达到资源共享的目的。

局域网、城域网、广域网比较

分布距离覆盖范围网络分类速度

10米房间

结论：广域网的作用是扩大信息资源共享的范围,

局域网的作用是增加资源共享的深度,

城域网的作用是方便地将大量用户计算机接入到互联网。

1W

45Mbps

1000公里洲或洲际互联网9.6Kbps

45Mbps

1.5典型计算机网络

151ARPANET

@1969年11月，实验性的ARPANET开通；

®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；

®1983年1月，ARPANET向TCP/IP的转换结束；

®80年代中期，ARPANET成为Internet的主干网；

®1990年，ARPANET退役。

ARPANET对网络的产生与发展起了重要的影响。

1.5.2NSFNET

®1984年，NSF决定组建NSFNET;

®NSFNET采取的是一种层次型结构，分为主

干网、地区网与校园网；

@1990年，NSFNET主干网的传输速率为

44.746Mbps;

®1995年4月1日,NSF和MCI合作创建了NvBS

(veryhigh-speedbackboneservice);

®vBNS主干网运行的速率范围是从622Mbps

(OC12)至U4.8Gbps(OC48)o

1.5.3Internet

®80年代中期人们开始认识到Internet的重要作用；

®90年代是Internet历史上发展的最快的时期；

®Internet应用主要有E-mail、WWW、Telnet.FTP

与Usenet等，随着Internet规模和用户的不断增长,

Internet上的应用领域也进一步得到开拓；

®从用户的角度来看，Internet是一个全球范围的信

息资源网；

®从网络结构角度看，Internet是一个由路由器互联

起来的大型网际网。

1.5.4Internet2

®由于Internet的商业化与业务量增多，导致网络整

体性能降低；

@1996年10月，一些大学申请建立Internet2,为其

成员组织服务，初始运行速率可达10Gbps;

®Internet2可以用于多媒体虚拟图书馆、远程医疗、

远程教学、视频会议、视频点播、天气预报等领

域；

®Internet2在网络层运行的是IPv4,同时也支持

IPv6业务，希望形成下一代Internet的技术与标准。

从ARPANET到Internet的发展过程

1.6公共数据网的发展

®公共数据网PDN的建设为组建广域网打下

了基础；

@研究公共数据网的数据交换技术需要了解

X25网

帧中继

B-ISDN

ATM

161X.25网.

@X.25网是一种典型的公用分组交换网，它是

CCITT为广域网制定的一个公用分组交换网；

®制定X.25标准的基础是传输速率低、误码率高

的通信线路，为了克服通信线路数据传输质量

较差的缺点，X.25标准采用了复杂的差错控制

流量控制与拥塞控制机制，协议复杂，工作效

率不高；

®X.25网的传输速率一般为64Kbps;

®X25标准主要是针对大型机与终端连网。

1.6.2帧中继W

®帧中继主要考虑如何减少数据帧在通信子网中

的开销，没有采用流量控制与差错控制机制，

通信子网中的差错控制由主机的高层来保证；

®数据帧通过帧中继网的处理时间可以比通过

X.25网降低一个数量级，而吞吐量要比X.25

网络提高一个数量级以上；

®目前帧中继网的数据传输速率一般为1.5Mbps;

®帧中继网主要用于局域网之间的互连。

163综合业务数据网

◎CCITT提出将语音、数据、图像等业务综合在

ISDN一个网络之中；

®B-ISDN的目标是将语音、数据、静态与动态

图像传输，以及N4SDN提供的所有服务综合

在一个通信网中，覆盖从低传输速率、非实时

传输要求，到高传输速率、实时突发性等各类

传输要耒；

®BJSDN采用异步传输模式ATM技术。

电话机

计算机

计算机计算机

164异步传输模式

®ATM是一种面向连接的技术；

⑥采用小的、固定长度的信元作为数据传输单元；

®能够支持数字、语音、图像、视频等多媒体通信;

®ATM以统计时分多路复用方式动态分配网络带宽,

网络传输延时小，适应实时通信的要求；

@ATM没有链路级纠错与流量控制，协议简单，数

据交换效率高；

@ATM采用两级虚电路机制，增加了虚电路分配的

灵春庇;

®ATM的数据传输速率可以在155Mbps〜2.4Gbpso

1.7计算机网络的应用

1・7.1单位信息管理

®计算机网