《计算机网络》课件第1章

1.1计算机网络的发展过程1.2计算机网络的定义1.3计算机网络的类型1.4计算机网络的结构1.5常见的网络操作系统1.6本章小结练习题第1章计算机网络概述

1.1计算机网络的发展过程

1.1.1面向终端的计算机网络

1．早期的“单机工作模式”

1946年，世界上第一台数字电子计算机问世，在以后的几年里，计算机与网络并没有什么关系。早期的计算机数量很少，并且价格昂贵。就像我国现今研制的银河巨型机一样，大多数放置在被称为“计算中心”的房间里，主要处理成批的信息。用户如果想使用计算机，必须前往机房，而且计算机要完成所有用户提供给它的任务。当有许多用户都需要使用计算机时，就必须排队等候，计算机按一定的优先级算法(如：先来先处理或紧急的数据优先处理)处理输出结果，如图1-1所示。图1-1多个用户使用计算机的“单机工作模式”单机工作模式的特点：

(1)用户使用计算机时，独占计算机的所有资源。

(2)早期是由用户找计算机，而不是将计算机交给用户。

(3)单机模式在某一段时间只能有一个用户提交任务使用计算机，多个用户使用单个计算机时，必须排队等候，计算机按一定优先级算法处理输出。

2．具有通信功能的单机系统

计算机的主要作用仍是信息的处理，但已可以从远地收集信息来进行处理了，我们称之为具有通信功能的单机系统。如图1-2所示。图1-2具有通信功能的单机系统系统机制称为多用户分时系统，但它仍属于具有通信功能的单机系统，如图1-3所示。图1-3采用多重线路控制器的具有通信功能的单机系统具有通信功能的单机系统的特点：

(1)主计算机除承担数据的处理任务外，还承担与远程终端的通信任务。

(2)当采用分时系统与多个终端通信时，线路的利用率较低。例如，假设1台主机通过多重线路控制器与10个远程终端相连，需要10条链路，如采用分时系统，将1秒钟分成10个时间片，每个时间片为0.1s，即1s内，每个终端只有0.1s的时间使用主机，每条链路有0.9s是闲置的，所以线路利用率不超过10%。

(3)由于有了远程终端，用户通过终端就可以使用主计算机，这给远距离用户带来很大的方便。

3．具有通信功能的多机系统

一般我们把带有前端处理机及集中器的系统称为具有通信功能的多机系统，如图1-4所示。图1-4具有通信功能的多机系统具有通信功能的多机系统的特点：

(1)主计算机承担数据处理任务，前端处理机负责与远程终端通信，系统中由于有了主计算机和前端处理机，因而称为多机系统。

(2)集中器的使用，降低了系统中线路的总的连接长度，提高了线路的利用率。1.1.2分组交换网

1．电路交换技术

在拨号的过程中，电话网中的程控交换机建立物理通路的过程，称为电路交换，如图1-5所示。在这种工作模式下，通话双方在通话过程中始终占有整个端到端的通路。图1-5电路交换的工作模式

2．存储/转发技术

比如发往天津的信件则转给天津市邮政局，如此转发下去，最后甲发给乙的信件被传递到天津河西区邮政支局，由河西区邮政支局交给用户乙，如图1-6所示。图1-6采用存储/转发工作模式的邮政通信在图1-7中，主机H1要与H2通信，则H1可以将数据发给A，A节点收到数据后，如遇线路忙时先将数据存入缓冲区，当线路空闲时发给C，在通信子网中，数据以同样的方式，经由节点C、D、E最后转发至H2。显然，发送的数据必须带有目的地址。图1-7以通信子网为中心的分组交换网

1)报文交换

报文交换类似于发送信件。在报文交换网中，网络节点通常为一台专用计算机。当发送信息的计算机要发送数据时，以报文方式进行，每个报文由传输的数据和报头组成，报头中包含发送计算机的地址和接收信息的计算机的地址。通信子网根据报头目的地址为报文进行路径选择。通信子网为两个通信的主机转发信息时，是在两个节点间的一段链路上逐段传输的，不需要在两个主机间建立多个节点组成的电路通道。在图1-7中，H3通过通信子网转发报文给H5，它的通路选择是B－D－E，而链路B－F－E是空闲的。

2)报文分组交换

(1)数据报。数据报方式是通信子网将进入子网的分组当作“小报文”处理，每个分组在通信子网中独自选择路径，被传输到目的地，如图1-8所示。在图1-8中，主机H1为了将报文发给主机H2，先将报文发给节点A，而报文在节点A分成了两个分组1和2，这两个分组在通信子网中分别经过不同的路径被转发到E。分组１经A－C－E，分组2经A－B－F－E，最后转发到H2，再组装成报文，当然也可在节点E组装成报文，再转给H2。数据报分组必须包含目的主机地址和源地址，且传输时延迟较大。图1-8数据报传输分组交换

(2)虚电路。在虚电路方式中，当网络有信息发送时，由发送报文的主机事先发一个虚呼叫(用来选择路径的分组)给目的主机，并在通信子网中选择一条路径，然后将报文分成许多报文分组，按事先选好的路径先后发送分组给目的主机。如图1-9所示，主机H3与H5通信时，选择的路径为H3－B－D－E－H5，在通信过程中，H3发给H5的所有分组都应按先后顺序走这条通路。当然，在这种方式下，通信子网中各节点及链路是公用的，它与电路交换独占通路的方式不同。例如，主机H3与H5通信时通过的是H3－B－D－E－H5这条通路，而对于D－E链路，其他站点如H1与H2通信亦可使用D－E链路。图1-9虚电路传输分组交换

3．三种交换方式比较

图1-10为各种交换过程的事件时序比较，A和D是源节点和目的节点，B和C是通信子网的节点。图1-10各种交换过程的事件时序比较(a)电路交换；(b)报文交换；(c)报文分组交换1.1.3开放式的网络互联参考模型

20世纪80年代中期，以OSI模型为参照，ISO以及CCITT、IEEE等机构开发制定了一系列协议标准，形成了一个庞大的OSI基本标准机制。OSI标准确保了各厂商生产的计算机和计算机网络产品之间的互联，推动了OSI技术的发展和标准的制定。1.1.4因特网的发展

从20世纪90年代开始，不仅局域网技术更加成熟，广域网也有了长足的发展。由于光导纤维电缆的使用，极大地提高了计算机网络的信息传输速率。过去的十几年是互联网技术突飞猛进的十几年，互联网的技术面貌发生了翻天覆地的变化。其中最为突出的特点是：基础平台在走向宽带化的同时，网络智能水平不断提高；应用技术则趋于多元化、个性化，为各种业务的开展提供了广阔的空间。1.1.5网络的发展与新一代网络技术

进入21世纪，随着网络技术的突飞猛进、日新月异，网络朝着高速化和高带宽的方向发展，如快速分组交换技术、业务综合化方向发展的三网合一技术、Web交互技术、视频点播技术、全光网络技术和宽带接入的xDSL技术、HFC技术，带给我们一个全新的发展前景。

1.2计算机网络的定义

在计算机网络的发展过程中，人们从不同侧面对其提出了不同的定义，主要分以下三类：

(1)从强调信息传输的广义观点出发，人们把计算机网络定义为“以传输计算机的信息为目的而连接起来，实现远程信息处理或进一步达到资源共享的系统”。第一代计算机网络面向终端，首次实现了通信技术与计算机技术的结合。

(2)从强调资源共享的观点出发，人们把计算机网络理解为“以能够相互共享资源(硬件、软件和数据)的方式连接起来，并且各自具备独立功能的计算机系统的集合体。”这种定义方法是在Internet的原型网ARPAnet诞生不久，由美国信息处理学会联合会在1970年春天举行的联合会上提出来的，以后在有关文献中被广为引用。

(3)从用户透明性的角度出发，人们把计算机网络定义为“由一个网络操作系统自动管理用户任务所需的资源，而使整个网络就像一个对用户透明的计算机大系统”。这里“透明”的含义是指用户觉察不到在计算机网络中存在多个计算机系统。所谓计算机网络，简单地说就是“通过通信线路连接起来的自治的计算机集合”。这句话包含了三个方面的含义：

(1)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。这里的两台计算机系统的位置得有一定距离，且每个计算机系统能独立地工作，能够自我处理数据，而无需其他的系统帮助。如具有通信功能的单机系统只有一台主机，不属于网络；并行机虽有多个处理器，但它不属于两个计算机系统，也不属于网络。

(2)两台或两台以上的计算机连接，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。它们可以是铜线、光纤等“有线”介质，也可以是微波、红外线或卫星等“无线”介质。

(3)计算机系统之间的信息交换必须有某种约定和规则，这就是协议。这些协议可以由硬件或软件来完成。

1.3计算机网络的类型

1.3.1按计算机网络拓扑结构分类

1.总线型结构

如图1-11所示，在总线型结构中，各节点通过一个或多个通信线路与公共总线连接，总线结构具有良好的扩展性，节点增删容易。由于共用数据通道，信道的利用率高，但需解决多站争用总线的问题。共用信道实现的算法比较复杂。图1-11总线型网络

2.星型结构

如图1-12所示，星型结构的中心节点是主节点，其他节点都连接到中心节点上，任何两个节点通信，都必须通过中心节点。中心节点可以使用功能很强的计算机，它具有数据处理和存储转发双重功能，也可以为程控交换机或集线器，起各节点的连通作用。星型网络结构简单，建网容易，但可靠性差。中心节点是网络的瓶颈，一旦出现故障则全网瘫痪。图1-12星型网络

3.树型结构

树型结构是星型结构的扩展，树型网络是分层结构，具有根节点和分支节点，如图1-13所示。现代的Internet基本上采用这种结构，它适用于分级管理和控制系统。与星型结构相比，通信线路的总长度短，网络建设成本低，易于推广。图1-13树型网络

4.环型结构

环型结构网络中各节点计算机连成一个闭合环路，如图1-14所示。环路上信息从一个节点单向发送到另一个节点，传送路径固定，其拓扑结构简单，传输时延确定，但是环中每个节点与连接点之间的通信线路都会成为通信的瓶颈。一般来说，任何两节点间的通信都要绕环路一周才得以实现相互通信，故环上的任何节点的故障均导致环路不能正常工作，可靠性差，环的维护处理复杂。环节点的加入和撤出过程比较复杂。图1-14环型网络

5.全部互连

网络中任意两节点间都有直接的通道相连，故其通信速度快、可靠性高，但建网投资大、灵活性差，主要应用在节点少、可靠性要求高的军事或工业控制场合。

6.不规则型

网络中各节点的连接没有一定的规则，一般节点地理位置分散。因此，通信线路作为设计中的主要考虑因素时，多采用不规则型网络。其主要缺点是通信算法实现起来比较复杂，必须采用路由选择算法与流量控制方法。广域网和在特殊地理环境上构建的网络基本采用这种结构。

7.无线蜂窝型

在地形比较复杂的区域架设有线通信介质比较困难，这时可利用无线电、微波和卫星等无线设备进行数据通信，例如移动电话，其英文有两种名称：Mobilephone(根据可携带的特性)和Cellularphone(根据通信的基站涵盖范围如同蜂窝组织的特性)，网络也可以利用基站进行无线通信，其拓扑结构称为无线蜂窝型，如图1-15所示。图1-15无线蜂窝型网络1.3.2按计算机网络通信技术分类

1.点 - 点式网络

如图1-16所示，在该种类型网络中，任何一段物理链路都惟一连接一对节点。如果不在同一段物理链路的一对节点要通信，必须通过其他节点转发数据。由于连接多台计算机之间的线路结构可能比较复杂，从源节点到目的节点可能存在多条路由。决定报文分组从通信子网源节点到目的节点的路由需要路由选择算法。采用点 - 点通信信道的网络的基本拓扑结构有星型、树型、环型、不规则型及全部互连等。图1-16点 - 点式网络

2.广播式网络

在广播式网络中只有一个公共通信信道，为所有节点共享使用，任一时刻只允许一个节点使用公用信道发送分组。当一个节点利用公共通信信道发送数据分组时，必须携带源地址和目的地址，所有节点都能收到数据分组，接收到分组的每个节点都会检查分组的目的地址与本节点地址是否相同，只有数据分组的目的地址与本节点地址符合的节点，才接收数据分组，否则将丢弃数据分组。常用的通信手段有总线结构、星型结构和环型结构的网络、无线蜂窝网(无线电微波、卫星通信)等，具体请参考图1-17。图1-17广播式网络1.3.3按计算机网络的覆盖范围分类

1.个人区域网(PAN，PersonalAreaNetwork)

2.局域网(LAN，LocalAreaNetwork)

3.广域网(WAN，WideAreaNetwork)

4.城域网(MAN，MetropolitanAreaNetwork)

5.因特网(Internet)

6.无线网

1.4计算机网络的结构

1.4.1计算机网络的组成

1.通信子网

2.资源子网

1)主计算机(HOST)

2)通信处理机(IMP)

3)网络互连设备

4)通信线路

1.4.2计算机网络的功能及应用范围

1.数据传送服务

2.资源共享

3.提高网络的稳定性和可靠性

4.容易进行分布式处理

作为一般企业内部管理作业，计算机网络可以有如下的应用：

(1)会计总账系统：包含公司的应收、应付、人事工资、报税等相关账目的管理系统。

(2)采购、订单系统：一般用于制造业，管理采购事项和订单等相关问题。

(3)生产管理系统：适用于制造业，专门管理生产上的相关事项。

(4)业务开发系统：适用于各行各业，专门记录客户相关事项给业务人员参考。

(5)销售管理系统：用来管理产品销售情形。

(6)库存管理系统：用来管理库存产品的各项细节。

(7)图书管理系统：适用于图书管理相关行业，处理书籍相关事项。

(8)发行管理系统：适用于出版业，用来管理书籍、杂志等相关事项。

(9) KTV管理系统：适用于娱乐界，可以进行点歌及各项相关管理事项。

(10)医疗管理系统：适用于医院、诊所等相关行业，用来管理药品、病人数据等相关事项。作为个人用户，可通过计算机网络获取相关的信息服务，主要有以下三类：

(1)远程信息的访问。可通过远程网络访问各类信息，如阅读新闻、商业广告、旅游、医疗、保健、远程教育、网上购物和资料查询等。

(2)用户之间的通信。可发送电子邮件、即时聊天、网络电话和视频会议等。

(3)家庭娱乐信息服务。宽带网络提供的交互电影、高清晰的虚拟现实游戏将给用户带来许多乐趣。

1.5常见的网络操作系统

1.5.1UNIX系统简介

UNIX操作系统是一种在时分操作系统基础上发展起来的多用户、多任务的操作系统，支持多种处理器架构。UNIX操作系统的稳定性和安全性非常好，已经成为主要的工作站平台和重要的企业操作平台，多安装在巨型计算机、大型机上作为网络操作系统使用，但由于它多数是以命令方式来进行操作的，不容易掌握，因此，小型局域网基本不使用UNIX作为网络操作系统。另外，相对于WindowsServer以及Linux而言其体系结构不够合理，在服务器操作系统方面不作为首选。1.5.2WindowsServer2008系统简介

微软公司的Windows系统不仅在个人操作系统中占有绝对优势，在网络操作系统中也占据着非常重要的位置。Windows操作系统在整个局域网配置中是最常见的，不过由于它对服务器的硬件要求较高，且稳定性能不是很高，所以微软的网络操作系统一般只是用在中低档服务器中，高端服务器通常采用UNIX、Linux或Solairs等非Windows操作系统。在局域网中，微软的网络操作系统主要有WindowsNT4.0Server、WindowsServer2000、WindowsServer2003以及最新的WindowsServer2008等。1.5.3Linux系统简介

Linux是一套免费使用和自由传播的类UNIX操作系统，它主要用于基于Intelx86系列CPU的计算机。该系统是由全世界各地成千上万的程序员设计和实现的。其目的是建立不受任何商品化软件版权制约的、全世界都能自由使用的UNIX兼容产品。

1.6本章小结

网络已经成为人们生活中不可缺少的工具，网络的发展从单机系统经过面向终端的计算机通信网、以通信子网为中心的计算机网络、开放网络互联参考模型，到高速度、宽带的综合业务网以及网格技术等，目前正快速地向前发展。在学习网络时，应该掌握构成网络的三个部分：不同位置的两个以上独立的计算机系统、通信的物理通道、功能完备的网络软件。联网的目的是进行信息交换和资源共享。

网络硬件由转接节点、访问节点和通信电缆组成，节点主要由计算机、终端、通信处理机和通信设备等网络单元组成。节点的位置和电缆的连接方法构成网络的拓扑结构，任何一个网络都可以分解成总线型、星型、环型、树型、不规则型和全部互连型等几种基本的拓扑结构。网络拓扑结构通常用来描述通信子网，通信子网信道类型有点 - 点通信信道类型和广播式通信信道类型。网络中的两个节点进行信息交换时，必须有网络协议和功能完善的网络软件，其中网络操作系统是网络软件的核心。目前UNIX、WindowsServer2008以及Linux是常见的网络操作系统，可根据它们的特点和需要单独或组合使用。

计算机网络的分类标准很多，按网络覆盖范围的大小分为LAN、MAN、WAN和Internet，但联网技术的进步将会使LAN、MAN和WAN的界限变得模糊。

网络通信通常采用报文分组交换方式，网络通信和传统的语音电话通信最大的不同在于网络能使很多用户同时使用通信线路和共享资源。练习题

一、基础练习题

1.计算机网络的发展分哪几个阶段？每个阶段各有什么特点？

2.什么是计算机网络？具有通信功能的单机系统是否是计算机网络？具有通信功能的多机系统是否是计算机网络？具有通信功能的多机系统中的多机指什么？

3.在具有通信功能的多机系统中，假设集中器通过一条9600b/s的高速线路和远程前端处理机相连，本地终端已经有8台通过300b/s的低速线路和集中器连接，请问如果还有一部分终端想通过900b/s的低速线路和集中器连接，最多还能连接多少台终端？

4.试从多方面比较电路交换、报文交换、报文分组交换各有什么不同，请说出各自的特点。

5.假设两个用户之间的传输线路由3段组成(有两个转接节点)，每段的传播延时为10-3 s，呼叫建立的时间(线路交换或虚电路)为0.2s，在这样的线路上传送3200bit的报文，分组的大小为1024bit，报头的开销