1、1,计算机网络原理,2014年9月,Computer Network principle,2,计算机网络对现代生活的影响,贸易电子化政府信息化教育现代化生活便捷化,人类生活由高度的工业化迈向初步的计算机网络时代,第0章 绪 论,猜想：如果现在全部网络崩溃，将对社会生活的各方面带来哪些影响？,3,计算机网络的演变与发展的四个阶段：第一个阶段是面向终端的计算机网络；（不是“现在普遍认为的”常规的网络）第二个阶段是“计算机计算机”的简单网络；第三个阶段是开放式标准化的、易于普及和应用的网络；第四个阶段是计算机网络的高速化发展阶段。,你认为什么样的网络算真正意义上的网络？,你知道这是指什么网络吗？,4
2、,第一代、面向终端的计算机网络,1946年，世界上第一台电子数字计算机ENIAC在美国诞生时。开始时，一台计算机只能供一个用户使用。后来，为了使计算机这个昂贵的资源得到更多的有效使用，将计算机技术和通信技术相结合，使地理上分散的多个终端与主机远程联接。,美国作为现在世界上科技最发达的国家并非偶然。,什么计算机不是只能供一个用户使用？,5,第一代计算机网络系统的特点：,在面向终端的计算机网络系统中，主要存在的是终端 和 中心计算机间的通信，不存在各计算机间的资源共享或信息交流。随着所连远程终端个数的增多，中心计算机要承担的与各远程终端间通信的任务也必然加重，使得中心计算机实际工作效率下降。,怎么
3、办？,6,第一代计算机网络的改进方法,数据处理和通信的分工。在中心计算机前面增设一个前端处理机FEP，来完成通信工作，中心计算机专门进行数据计算和数据处理，提高计算机的工作效率。在终端比较集中的地点设置终端控制器TC。它首先通过低速线路将附近各终端连接起来，再通过高速通信线与远程中心计算机的前端机相连，提高了远程线路的利用率，降低了通信费用。,7,第二代、计算机计算机网络,第二代计算机网络和第一代计算机网络的显著区别在于：第二代计算机网络的多台主计算机都具有自主处理能力，它们之间不存在主从关系。,这里的“主从关系” 和“客户-服务器”模式中的主从关系有何异同？,8,第二代的典型代表：ARPA网
4、,60年代后期“美国国防部远景研究规划局”ARPA提供经费给美国许多大学和公司，以促进多台主计算机互连网络的研究，由此产生了实验性的四节点ARPA网。ARPA网后来扩展到连接数百万台计算机，地理范围跨越了半个地球。ARPA网中提出的一些概念和术语至今仍被引用。,互联网的鼻祖,9,ARPA网,ARPA网中互连的运行用户应用程序的主计算机称为主机（Host）。但主机之间并不是通过直接的通信线路，而是通过称为接口报文处理机IMP的装置转接后互连的。转接方式：类似于邮政信件的传送方式，称为存储转发。,10,存储转发,当某台主机上的用户要访问网络上远地另一台主机时，主机首先将信息送至本地直接与其相连的I
5、MP，通过通信线路沿着适当的路径IMP转接，并送入与其直接相连的目标主机。转接机制：IMP将送来的信息接收并存储起来，在该IMP和下一个IMP之间的通信线路有空时，将信息传送至下一个IMP。,极为重要的网络概念！,接口报文处理机,11,存储转发的优点：,采用存储转发方式的优点在于： 远程通信中，由于通信线路是个较昂贵的资源。通信线路不为某对通信节点所独占，因而大大提高了通信线路的有效利用率。,12,最基本的概念和术语（1）,通信子网：计算机网络中，IMP和它们之间互连的通信线路一起负责完成主机之间的数据通信任务，称为通信子网。资源子网：通过通信子网互连的主机负责运行用户应用程序，向网络用户提供
6、可供共享的软硬件资源，它们组成了资源子网。分组：计算机网络中，存储转发的信息基本单位叫做分组。,13,最基本的概念和术语（2）,分组交换网：以存储转发方式传输分组的通信子网则又被称作为分组交换网。分组交换节点：计算机网络中，互连的运行用户应用程序的主计算机称为主机（Host），但主机之间并不是通过直接的通信线路，而是通过称为接口报文处理机IMP，IMP是ARPA网中使用的术语，在其他网络或文献中也称为分组交换节点或节点机。,现在你能猜到IMP相当于当前什么设备了吗？,14,最基本的概念和术语（3）,协议：两台计算机通信时对传送信息内容的理解、信息表示形式以及各种情况下的应答信号都必须遵循一个共
7、同的约定，称为协议。网络的体系结构：在计算机网络中将协议按功能分成了若干层次。如何分层，以及各层中具体采用的协议的总和，称为网络的体系结构。,你听说过网络的拓扑结构吗？你知道网络的体系结构和网络的拓扑结构有何不同吗？,15,第二代计算机网络最主要的缺点,第二代计算机网络大都由研究单位、大学、应用部门或计算机公司各自研制的，没有统一的网络体系结构。若要实现更大范围内的信息交换与共享，要把不同的第二代计算机网络互连起来是十分困难甚至是不可行的。因而，计算机网络必然要向更新的一代，即开放式标准化的网络发展。,像一个百家争鸣的时代！,16,第三代. 开放式标准化,具有统一的网络体系结构、遵循国际标准化
8、的协议。标准化将使得不同的计算机能方便地互连在一起。标准化还将带来大规模生产、产品VLSI化和成本降低。 VLSI是超大规模集成电路(Very Large Scale Integrated circuites), 规模在10万1000万（门/芯片）,17,开放式标准化,国际标准化组织ISO经过若干年卓有成效的工作，制定并在1984年正式颁布了一个称为开放系统互连基本参考模型。开放系统互连基本参考模型OSI模型分为七个层次，有时也被称为OSI七层模型。虽然开放式标准化网络内部的结构、采用的信道及设备不尽相同，但它们向外部用户提供的界面是相同的，互连的界面也是相同的，因而也易于互连与互通。,OSI
9、模型从未真正实现，但却影响巨大！,哪七层？找工作时别人可能问你！,18,第四代. 高速化发展,1计算机网络向高速化、宽带化发展。2计算机网络向多媒体方向发展。3未来通信和网络的目标是实现5W的个人通信即任何人（whoever）在任何时间（whenever）、任何地方（wherever）都可以和任何一个其他人（whomever）通过网络进行通信，以传送任何信息（whatever）。,19,第一章 概述,1.1 计算机网络在信息时代中的作用知识经济中的两个重要特点就是信息化和全球化。要实现信息化和全球化，就必须依靠完善的网络。这里所说的网络是指三网“:电信网络（主要的业务是电话，但也有其他业务，如
10、传真、数据等）有线电视网络计算机网络，发展最快的并起到核心作用,20,1.2 计算机网络的发展过程1.2.1 分组交换的产生 60年代初，美国国防部领导的远景研究规划局ARPA（Advanced Research Project Agency）新型的网络ARPANET必须满足以下的一些基本要求：(1)用于计算机之间的数据传送。(2)能够连接不同类型的计算机。(3)所有的网络结点都同等重要。(4)必须有冗余的路由。(5)网络的结构应当尽可能地简单，但能够非常可靠地传送数据。,为什么ARPA要研究这个？,21,1.2.1 分组交换的产生（续）ARPANET使用新颖的分组交换技术三种交换技术分组交换
11、(packet switching) 电路交换：经过“建立连接-通信-释放连接” 三个阶段报文交换,22,1.2.1 分组交换的产生（续） 分组交换则采用存储转发技术。图1-3画的是分组的结构。通常我们将欲发送的整块数据称为一个报文(message)。在发送报文之前，先将较长的报文划分成为一个个更小的等长数据段，例如，每个数据段为1024 bit。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(packet)，分组又称为“包”。,23,1.2.1 分组交换的产生（续） 分组交换网，图1-4(a)是其示意图。由若干个结点交换机（node switch）和
12、连接这些交换机的链路组成。计算机在计算机网络中常称为主机(host)。结点交换机则是进行分组交换的，是用来转发分组的。接口报文处理机IMP：在ARPANET建网初期，分组交换网中的结点交换机曾被称为（Interface Message Processor）。TCP/IP网络中的结点交换机常被称为路由器。各结点交换机之间也要经常交换路由信息，但这是为了进行路由选择，即为转发分组找出一条最好的路径。,24,25,1.2.1 分组交换的产生（续） 报文交换（message switching）：电报通信也采用了基于存储转发原理的。在报文交换中心，一份份电报被接收下来，拿到相应的发报机转发出去。这种报
13、文交换的时延较长，从几分钟到几小时不等。现在报文交换已经很少有人使用了。分组交换虽然也采用存储转发原理，但分组长度不大，在交换结点计算机的存储器中处理，转发非常迅速。例如ARPANET建网初期，横跨美国东西海岸的端到端平均时延小于0.1秒。,26,27,1.2.2 因特网时代因特网的发展概况1969.12, ARPANET, 4个节点, 属于DARPA1984年ARPANET上主机的已超过1000台。分解成两个网络:ARPANET-民用科研网MILNET-军用网络1986年，NSF建立了国家科学基金网NSFNET1987年,网上的主机超过1万台1989年NSFNET主干网的速率提高到1544M
14、bs，即T1的速率，并且成为因特网中的主要部分。1990年，ARPANET正式宣布关闭。1991年，因特网的主干网转交给私人公司来经营，开始收费。1992年因特网上的主机超过1百万台。1993年主干网的速率提高到45Mbs(T3速率)。1996年速率为155Mbs的主干网建成。1998年又开始建造更快的主干网Abilene，数据率最高达2.5Gbs。1999年MCI和Worldcom公司开始将美国的因特网主干网速率提高到 2.5 Gbs。1999年底，主机已超过1千万台。,28,1.2.3 关于因特网的标准化工作1992年成立了一个国际性组织叫做因特网协会(Internet Society，简
15、称为ISOC)。ISOC下面有一个因特网体系结构委员会IAB (Internet Architecture Board)，IAB下面又设有两个部门：因特网工程部IETF (Internet Engineering Task Force)：集中研究某一特定的短期和中期的工程问题。因特网研究部IRTF (Internet Research Task Force)：IRTF的任务是进行理论方面研究和开发一些需要长期考虑的问题。所有的因特网标准都是以RFC的形式在因特网上发表。RFC(Request For Comments)的意思就是“请求评论”。但应注意，并非所有的RFC文档都是因特网标准，只有一
16、小部分RFC文档最后才能变成因特网标准。RFC按收到时间的先后编上序号(即RFC xxxx，这里的xxxx是阿拉伯数字)。,29,1.3 计算机网络分类1.3.2 几种不同的分类方法 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混合交换, 混合交换是在一个数据网中同时采用电路交换和分组交换。 2. 按距离分类局域网(Local Area Network,LAN) Ethernet城域网(Metropolitan Area Network, MAN)广域网(Wide Area Network, WAN)接入网AN (Access Network) 接入网又称为本地接入网或居民接入网,30
17、,31,1.4.1 带宽带宽(bandwidth)一词在不同场合有不同的意义： 允许通过的信号频带范围称为线路的带宽(或通频带)，单位是HZ。例如在传统的电话线路上传送的电话信号的标准带宽是3.1kHz(从300Hz到3.4kHz，即话音的主要成分的频率范围)。带宽作为数字信道的数据率的同义语，网络或链路的带宽的单位就是比特每秒，或b/s(bit/s) ，或bps(即bit per second)。在通信领域和计算机领域，对数量单位“千”、“兆”和“吉”等的意思略有不同。计算机中关于文件大小、内存容量K表示210，即10241MB表示220(1 048 576) Byte1GB表示230(1
18、073 741 824)个Byte在通信领域小写的k表示103，即准确的1000而不是1024，M或G表示106或109。,32,1.4.2 时延(1) 发送时延：从数据块的第一个比特开始发送算起，到最后一个比特发送完毕所需的时间。发送时延又称为传输时延。(2) 传播时延：传播时延是电磁波在信道中需要传播一定的距离而花费的时间。电磁波在自由空间的传播速率是光速，即3.0105km/s。电磁波在网络传输媒体中的传播速率比在自由空间要略低一些：在铜线电缆中的传播速率约为2.3105km/s。(3) 处理时延：这是数据在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。这样，数据经历的总时延就是以
19、上三种时延之和：总时延 = 传播时延 + 发送时延 + 处理时延,33,1.4.2 时延往返时延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的确认(假定接收端收到数据后便立即发送确认)，总共经历的时延。RTT通常是端到端时延的两倍。若某段链路的传播时延为20ms，则往返时延RTT是40ms。这里假定接收端的发送时延及处理时延忽略不计。,34,1.5 计算机网络的体系结构,1. OSI参考模型ISO OSI开放系统互连参考模型物理层数据链路层帧（frame)：数据帧、确认帧(ACK frame)网络层路由分组，包，数据报（datagram）传输层流
20、量控制报文（Message）会话层表示层应用层,35,36,PDU传输,37,Fig 1-5 主机和子网,38,2. 接口和服务实体（entity)对等实体（peer entity)协议数据单元PDU（protocol data unit),Fig 1-12 接口和服务,39,3. TCP/IP参考模型ARPANET, US DoD, Internet互联网层IP协议：分组格式和协议传输层 定义了两个端到端协议传输控制协议（TCP）用户数据报协议(UDP)应用层TELNET,FTP,SMTP,DNS,SNMP,40,Fig 1-18 TCP/IP参考模型,41,4. OSI参考模型vs TCP
21、/IP参考模型OSI ：3个主要概念：服务、接口、协议协议有很好的隐藏性产生在协议发明之前共有7层网络层：连接和无连接传输层：面向连接TCP/IP 没有明确区分：服务、接口、协议产生在协议发明之后共有4层网络层：无连接传输层：面向连接和无连接,42,5. 面向连接的服务和无连接的服务面向连接的服务(connection-oriented service)经历三个阶段:建立连接,传输数据,释放连接可靠按序到达无连接服务（connectionless service)无需建立连接和释放连接不一定按序到达服务质量(quality of service, QoS),43,Fig 2-43 面向连接的服务和无连接的服务,
