1、1第1章 计算机网络概论1.1 计算机网络的形成和发展 1.2 计算机网络的定义 1.3 计算机网络的功能 1.4 计算机网络的分类 1.5 计算机网络的模式1.6 计算机网络的组成 * 1.7 网络计算研究与应用的发展* 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；* 随着计算机应用的发展，出现了多台计算机互连的需求，用户希望通过网络实现计算机资源共享的目的；典型的研究成果是ARPAnet。主机主机网络的演变 演变阶段
2、1* 通信任务从主机中分离，由通信控制 处理机（ CCP）完成;CCP：处理主机之间通信任务的专用 计算机。两层网络的概念结构演变阶段2* 通信子网规模逐渐扩大*私有社会公用* 公用数据通信网*PSTN*X.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【例子】:* 因特网的前身ARPANET*美苏冷战时期由美国军方建立的实验性网络2*最初4个节点70年代的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* 分层次的网络体系* 较为完善的通信协议(3)体系结构标准化网络 为什么需要标准化？* 不同网络设备之间的兼容性是推动网络体系结构标准化的原动力*
3、而兼容性的最终目的仍是资源共享 标准化的时机？* 先制定标准再开发还是先开发再制定标准？* 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基础* 厂商标准 IBM-SNA，DEC-DNA等*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（ISO OSI/RM）*Open System Interconnection/Recommended Model(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：7个层次*只说明了做什么（What to do）而未规定怎样做（How to do
4、）*太复杂，几乎没有与之完全符合的网 络* 事实上的标准 TCP/IP(因特网的骨干协议)* 从体系结构上看，它是OSI参考模型的简化（4层）* 为了实现各类网络的互联、适应更大范围的资源共享、促进网络的开放性及标准化程度，国际标准化组织（ISO）于70年代后期开始制定一系列国际标准，并于1981年正式公布了“开放系统互 连参考模型” （OSIOpen System Interconnection Basic Reference Model) ，从而确立了计算机网络的体系结构。按照标准化的体系结构建立的计算机网络称为第三代网络。* 因特网时代的到来 因特网的出现标志着网络时代的到来 因特网是全
5、球性的网络 丰富的信息和便利的使用是其规模迅速增长的主要驱动力 截止到2000年, Internet的规模为*网络数达到10 5数量级, 主机数达到10 7数量级, 用户数10 8数量级，主干速率大于32.5Gbit/s 美国政府资助的“下一代因特网计划”目标是*主干网的速率比现在的因特网高1000倍*端到端的速率要达到100Mbit/s-10Gbit/s2. 计算机网络按年代划分* 第一阶段：20世纪50年代数据通信技术的研究与发展* 第二阶段：20世纪60年代ARPAnet与分组交换技术的研究与发展* 第三阶段：20世纪70年代网络体系结构与协议标准化的研究 广域网、局域网与分组交换技术的
6、研究与应用* 第四阶段：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 1.2 计算机网络的定义 计算机网络定义的主要观点：* 从应用的观点：以相互共享资源方式连接起来，且各自具有独立功能的计算机系统的集合。* 从物理的观点：在网络协议的控制下，由若干台计算机和数据传输设备组成的系统。* 观点3：利用各种通信手段，把地理分散的 计算机互 联起来，能 够互相通信且共享资源的系统。* 计算机网络：相互连接的自治计算机的集合* 自治：能独立运行，不依赖于其他计算机* 互连：以任何可能的通信连接方式* 有线方式：铜
7、线、光纤等* 无线方式：红外、无线电（微波）、卫星等计算机网络与其它类似系统的比较 终端分时系统* 各终端分时占用主机资源* 终端无计算能力，对主机的依赖性极强* 数据分时处理 多机系统* 主机间通信多采用共享存储器、共享 总线等（有的系统也采用高速局域网）4 分布式系统1、分布式系统的特点：*在分布式OS统一调度下，各计算机协调工作，数据并行处理,共同完成一项任务，如并行计算。用途：主要是科学计算和事务处理。 2、计算机网络的特点：*非协调性的；*松散耦合的；*各计算机对用户非透明，用户必须指定资源的位置；*用途主要是资源共享。* 分布式系统往往是基于计算机网络来实现的：*在因特网中，域名服
8、务系统（DNS)是分布式系统的一项典型的应用。分布式数据库系统也需要网络的支持。1.3 计算机网络功能 数据通信(Communication Medium)文件传输、IP电话、email、视频会议、信息发布、交互式娱乐、音乐 资源共享(Resource Sharing)软件、硬件、数据（数据库） 提供高可靠性服务(High Reliability)利用可替代的资源，提供连续的高可靠服务 节省投资(Saving Money)替代昂贵的大中型机系统 分布式处理(Distributed Processing)由计算机网络的功能可知它能提供各种各样的应用服务,主要包括如下几类:* 共享资源访问 如 W
9、eb，FTP等。* 远程用户通信 如E-mail，IP电话，网 络会议等。* 网上事务处理 如电子商务，电子政务，网上 储蓄等。1.4 计算机网络的分类计算机网络的分类方法主要有以下几种：1. 根据网络所使用的传输技术分类2. 根据网络的覆盖范围与规模分类53. 按拓扑结构分类1. 按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 （broadcast networks）点- 点式网 络（point-to-point networks）局域网 络 通常使用广播方式，广域网 络 通常使用点 对 点方式 (也有例外 )。1）点
10、-点式网络由一对对机器间的多条传输链路构成。信源与信宿之间的通信需经过一台和多台中间设备进行传输。 网状、环形、树形、星形2）广播式网络一台计算机发送的信息可被网络上所有的计算机接收。* 总线形、无线（微波、 卫星）* 2. 根据网络的覆盖范围与规模分类* 局域网(Local Area Network ， LAN)*范围：小， 10KM*传输技术：基带，10-1000Mbps，延迟低，出 错率低（10 -11）*拓扑结构：总线，环* 城域网(Metropolitan Area Network ， MAN)*范围：中等，介于 10KM-100KM*传输技术：宽带/基带*拓扑结构：总线*IEEE专
11、门为MAN 定义了一个 标准 IEEE802.6,称为* 分布式队列双总线(DQDB),但并未得到预期的应用。* 广域网(Wide Area Network ， WAN)*范围：大， 100KM*传输技术：宽带，延迟大，出错率高*拓扑结构：不规则，点到点* 互联网由若干个物理网络包括 LAN、MAN和WAN等由路由器（ 或称网关）的网络设备连接在一起的，互联网是由路由器互连在一起的物理网络的集合，是网络的网络。6* * 星形* 有一个中心节点，其它节点与其构成点到点连接* 树形* 一个根结点、多个中间分支节点和叶子节点构成* 总线* 所有节点挂接到一条总线上，广播式信道* 需要有介质访问控制规
12、程以防止冲突* 环形* 所有节点连接成一个闭合的环， 结点之间为点到点 连接* 全连接* 点到点全连接， 连接数随节点数的增长迅速增长 ，使建造成本大大提高，只适用于节点数很少的广域网中* 不规则（网状）点到点部分 连接，多用于广域网，由于 连接的不完全性，需要有交换节点1.6 计算机网络的组成 计算机网络主要由计算机系统（包括计算机和终端）、 网络节点（通信处理机）和通信链路（通信线路和网络设备）等网络单元组成。从功能上可以将计算机网络分为:资源子网和通信子网。1、资源子网负责数据处理的主计算机与终端等2、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等 资源子网和通信子网结构示意图(1
13、) 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，也可以通过通信控制处理机连入网内。(2)通信子网的概念7* 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IMP，也就是现在广泛使用的路由器；* IMP将主机和 终端 连入网内；IMP完成分 组接收、校验、存储、转发功能；(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
14、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、层次结构的网际网的Internet网络结构。 Internet网络结构示意图从软件和硬件的角度计算机网络系统的组成是： 硬件* 网络节点*端节点：计算机*中间节点：交换机、集中器、复用器、路由器、中继器* 通信链路：信息传输的通道*物理：传输介质*逻辑：信道* 类比CATV的电缆和频道之间的关系 软件* 通信软件（网络协议软件）* 网络操作系统* 网
15、络管理/安全控制软 件、网 络应用软件1.7 网络计算研究与应用的发展1.7.1 网络计算的基本概念移动计算网络的研究与应用网络多媒体计算的研究与应用网络并行计算的研究与应用* 存储区域网络的研究与应用 * “计算”这个词在不同的时代有不同的内涵；* 20 世纪初，图灵设计的第一个理论计算机模型和第一台电子计算机ENIAC 问世，从那时以来，人类开始进入了计算机计算时代；8* 需求和计算机能力迅速交替上升,而每一次计算能力的重大进步都会对科学和人类生活带来重大的影响；* 电子邮件、Web服务、电子商务与IP 电话己给 我们的生活带来了很多变化，但是 这仅仅是一个开始；* 网络带宽迅速地增长，软
16、件越来越丰富，网 络用户数与日剧增，人 们的生活、学习和工作将离不开网络， 21世纪人类将进入的网络计算时代；* 网络时代的“计算”已经有了更为广泛的含义；* 网络将被看作是最强有力的超级计算环境，它包含了丰富的计算、数据、存 储、传输等各类资源，用户可以在任何地方登录， 处理以前不能完成的问题；* 人们可以在不同的地点，很多人共同完成大型的科学计算和工程设计；* 学生可以在网上听世界任何一家其它大学知名教授的讲座，查阅全球的数字图书馆的图书、文献；电话、电视机、收音机、空 调和家庭安全装置等各种信息家 电都可以联入网络，可以用户在异地和移动过程中控制和管理。 1.7.2 移动计算网络的研究与
17、应用* 移动计算网络是当前网络领域中一个重要的研究课题；* 移动计算是将计算机网络和移动通信技术结合起来，为用户提供移动的计算环境和新的计算模式，其作用是在任何时间都能够及时、准确地将有用信息提供给在任何地理位置的用户；移动计算技术可以使用户在汽车、飞机或火车里随时随地办公，从事远程事务处理、 现场数据采集、股市行情分析、战场指挥、异地实时控制等。1.7.3 多媒体网络的研究与应用多媒体网络的基本概念 * 通过网络和多媒体技术的结合，参与者与计算机组成了一个统一的虚拟环境。在网络多媒体系统所提供的虚拟空间中，多台计算机及其用户通过网络构成一个分布式交互仿真环境;* 多媒体网络需要支持多媒体传输
18、所需要的交互性与实时性要求;典型的网络多媒体系统有网络视频会议系统、分布式多媒体交互仿真系统、远程教学系统与远程医疗系统。传统网络对多媒体应用的不适应及解决的思路* 改进传统网络的方法主要是：增大带宽和改进协议 * 增大带宽的主要方法是：增大传输介质的带宽和提高路由器性能 1.7.4 网络并行计算的研究与应用基于网络的并行计算：由多个高性能计算机通过高速专用网络互联形成虚拟并行工作组，或者利用网络已有的各类资源形成的高性能协同计算工作环境，来解决许多中、大型的复杂计算问题，用户可以把它作为单一的计算环境使用。主要有下面几种：机群计算（cluster computing）工作站网络（networ
19、k of workstation）9* 可扩展的计算（scalable computing）元计算（metacomputing）1.7.5 存储区域网络的研究与应用Internet与存储技术的结合，数据存 储数量的剧增和对数据高效管理的要求导致了存储区域网络SAN和网络连接存储NAS的出现；小 结* 网络存储一个重要的发展趋势是存储服务提供商SSP的出现；* SSP将提供Internet存储服务和资源 。* 计算机网络是计算机技术与通信技术高度发展、紧密结合的产物，网络技术对当前社会发展产生着重要的影响；* 从资源共享观点来看，计算机网络是“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
20、合”；* 随着微型计算机和局域网的广泛应用，现代的广域网一般是通过路由器将局域网与广域网互联起来，构成各种信息系统的运行平台；* Internet经历了ARPAnet、NSFnet 的发展过程， TCP/IP协议为Internet的推广奠定了基础，WWW对 Internet的广泛应用提供了重要的工具；* 计算机网络的广泛应用已经对经济、文化、教育、科学的发展与人类生活质量的提高产生了重要影响，同时也不可避免地带来一些新的社会、道德、政治与法律 问题；* 当前网络研究与应用的重点和热点是移动计算网络、网络多媒体计算、网络并行计算与存储区域网络的研究与应用 。附：计算机网络几个重要术语 带宽* 带
21、宽是通信信道的宽度，是信道频率上界与下界之 间之差，是介 质传输能力的度量，在传统的通信工程中通常以赫兹（Hz）为单位计量。* 在计算机网络中，一般使用每秒位数(b/s 或bps) 作为带宽的计量单位。主要单位：kb/s，Mb/s，Gb/s例如：传统以太网理论上每秒可以传输1千万比特，它的带宽相应为10Mb/s。 时延* 信息从网络的一端传送到另一端所需的时间* 时延之和=处理时延+排 队时延+发送时延+传播时延*处理时延= 分 组首部和错误校验等处理时间*排队时延= 数据在中 间结点等待转发的延迟时间*发送时延= 数据位数信道带宽传播时延=d c d :距离，c :光速 时延带宽乘积某一链路所能容纳的比特数：时延带宽乘积=带宽传播时延例如，某链路的时延带宽乘积为100万比特， 这意味着第一个比特到达目的端时源端已发送了100万比特。 往返时延 (Round-Trip Time ，RTT)10* 从信源发送数据开始，到信源收到信宿确 认所经历 的时间* RTT2传播时延 传输可靠性* 两个含义：数据能正确送达 和数据能有序送达(当采用分组交换时)习 题 1计算机网 络由哪几部分组成？2. 计算机网络的基本拓扑结构有哪几种？3. 按地理位置范围可以将计算机网络分几种，它们各自有什么主要特点？4. 计算机网络主要提供哪几类应用服务?
