计算机网络基础计算机学院:刘沛骞电话:13938164215课程介绍教学安排本门课共 学时选用教材计算机网络张长森主著电力工业出版社第 1 章 概述本章内容1.计算机网络的发展过程2.分组交换技术原理3.计算机网络的分类4.计算机网络的主要性能指标5.计算机网络的体系结构1.1 计算机网络的形成与发展第一阶段：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、局域网与公用分组交换网的研究与应用第四阶段：20 世纪 90 年代Internet 技术的广泛应用1.2 分组交换的产生是 20 世纪 60 年代美苏冷战时期的产物。60 年代初，美国国防部领导的远景研究规划局 ARPA (Advanced Research Project Agency) 提出要研制一种生存性(survivability)很强的网络。传统的电路交换(circuit switching)的电信网有一个缺点：正在通信的电路中有一个交换机或有一条链路被炸毁，则整个通信电路就要中断。如要改用其他迂回电路，必须重新拨号建立连接。这将要延误一些时间。 计算机网络的产生背景回顾一下电路交换的特点 两部电话机只需要用一对电线就能够互相连接起来。 更多的电话机互相连通5 部电话机两两相连，需 10 对电线。N 部电话机两两相连，需 N(N 1)/2 对电线。当电话机的数量很大时，这种连接方法需要的电线对的数量与电话机数的平方成正比。使用交换机当电话机的数量增多时，就要使用交换机来完成全网的交换任务。 交换机电路交换的过程电路交换必定是面向连接的。 电路交换的三个阶段：建立连接通信释放连接电路交换举例A 和 B 通话经过四个交换机通话在 A 到 B 的连接上进行(交换机交换机交换机交换机用户线用户线中继线中继线BDCA电路交换举例C 和 D 通话只经过一个本地交换机通话在 C 到 D 的连接上进行(交换机交换机交换机交换机用户线用户线中继线中继线BDCA电路交换传送计算机数据效率低计算机数据具有突发性。这导致通信线路的利用率很低。电路交换必须经历建立连接的过程。报文分组交换的原理（一）在发送端，先把较长的报文划分成较短的、固定长度的数据段。 数 据数 据数 据分组交换的原理（二）每一个数据段前面添加上首部构成分组。首部首部首部请注意：现在左边是“前面”分组交换的原理（三）分组交换网以“分组”作为数据传输单元。依次把各分组发送到接收端（假定接收端在左边） 。分组首部的重要性每一个分组的首部都含有地址等控制信息。分组交换网中的结点交换机根据收到的分组的首部中的地址信息，把分组转发到下一个结点交换机。用这样的存储转发方式，最后分组就能到达最终目的地。分组交换的原理（四）接收端收到分组后剥去首部还原成报文。数 据首部数 据首部数 据首部收到的数据数 据数 据数 据分组交换的原理（五）最后，在接收端把收到的数据恢复成为原来的报文。这里我们假定分组在传输过程中没有出现差错，在转发时也没有被丢弃。分组交换网的示意图H1A分组交换网BDECH5H6H4H2H3H1 向 H5 发送分组H2 向 H6 发送分组注意分组路径的变化！结点交换机主机注意分组的存储转发过程H1A分组交换网BDECH5H6H4H2H3H1 向 H5 发送分组结点交换机主机在结点交换机 A 暂存查找转发表找到转发的端口在结点交换机 C 暂存查找转发表找到转发的端口在结点交换机 E 暂存查找转发表找到转发的端口最后到达目的主机 H5注意结点交换机有多个端口ABCDEH1H5H2H4H3H6高速链路结点交换机123412341 2 3 41 2 3 41 2 3 4结点交换机在结点交换机中的输入和输出端口之间没有直接连线。结点交换机处理分组的过程是：把收到的分组先放入缓存（暂时存储） ；查找转发表，找出到某个目的地址应从哪个端口转发；把分组送到适当的端口转发出去。 主机和结点交换机的作用不同主机是为用户进行信息处理的，并向网络发送分组，从网络接收分组。结点交换机对分组进行存储转发，最后把分组交付给目的主机。分组交换的优点高效 动态分配传输带宽，对通信链路是逐段占用。 灵活 以分组为单位传送数据和查找路由。迅速 不必先建立连接就能向其他主机发送分组；充分使用链路的带宽。可靠 完善的网络协议；自适应的路由选择协议使网络有很好的生存性。 分组交换带来的问题分组在各结点存储转发时需要排队，这就会造成一定的时延。 分组必须携带的首部（里面有必不可少的控制信息）也造成了一定的开销。 1.3 计算机网络的分类1.3.1 计算机网络的定义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。1.3.2 几种不同的分类方法（一）从网络的交换功能分类电路交换报文交换分组交换混合交换1.3.2 几种不同的分类方法（二）从网络的作用范围进行分类广域网 WAN (Wide Area Network)局域网 LAN (Local Area Network) 城域网 MAN (Metropolitan Area Network)接入网 AN (Access Network) 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（10Mbps10Gbps） 、低误码率的高质量数据传输环境；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；它将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。广域网、城域网、接入网以及局域网的关系 城域网城域网接入网接入网接入网接入网接入网接入网广域网局域网局域网校园网企业网1.3.2 几种不同的分类方法（三）从网络的使用者进行分类公用网 (public network) 专用网 (private network) 1.4 计算机网络的主要性能指标1.4.1 带宽“带宽”(bandwidth)本来是指信号具有的频带宽度，单位是赫（或千赫、兆赫、吉赫等） 。通信线路的“带宽”是指线路所允许通过的信号的频率范围。通信线路的“带宽”是线路所能发送的“最高数据率”的同义语。数字信道中， “带宽”的单位是“比特每秒” ，或 b/s (bit/s)。 常用的带宽单位更常用的带宽单位是千比每秒，即 kb/s （103 b/s）兆比每秒，即 Mb/s（106 b/s）吉比每秒，即 Gb/s（109 b/s）太比每秒，即 Tb/s（1012 b/s）请注意：在计算机界，K = 210 = 1024M = 220, G = 230, T = 240。时延(delay 或 latency)发送时延（传输时延 ） 结点发送数据时，数据块从结点进入到传输媒体所需要的时间。时延(delay 或 latency)传播时延 电磁波在信道中传播一定的距离而花费的时间。 时延(delay 或 latency)处理时延 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。 结点缓存队列中分组排队所经历的时延是处理时延中的重要组成部分。处理时延的长短往往取决于网络中当时的通信量。有时可用排队时延作为处理时延。 时延(delay 或 latency)数据经历的总时延就是发送时延、传播时延和处理时延之和： 总时延 = 发送时延 + 传播时延 + 处理时延三种时延所产生的原因 1 0 1 1 0 0 1发送器队列结点 B结点 A数据从结点 A 向结点 B 发送数据链路1.4.3 时延带宽积和往返时延（传播）时延链路带宽时延带宽积 = 传播时延 带宽链路的时延带宽积又称为以比特为单位的链路长度。 时延带宽积往返时延 RTT 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（接收端收到数据后立即发送确认） ，总共经历的时延。 邮政系统与协议1.5 计算机网络的体系结构1.5.1 计算机网络体系结构的形成相互通信的两个计算机系统必须高度协调工作才行，而这种“协调”是相当复杂的。 “分层”可将庞大而复杂的问题，转化为若干较小的局部问题，而这些较小的局部问题就比较易于研究和处理。 1974 年，IBM 宣布了它研究的（分层）系统网络体系结构 SNA关于开放系统互连参考模型OSI/RM开放的意思是：只要遵循 OSI 标准，一个系统就可以和位于世界上任何地方的、也遵循这同一标准的其他任何系统进行通信。在市场化方面 OSI 却失败了。OSI 的专家们在完成 OSI 标准时没有商业驱动力；OSI 的协议实现起来过分复杂，且运行效率很低；OSI 标准的制定周期太长，因而使得按 OSI 标准生产的设备无法及时进入市场；OSI 的层次划分并也不太合理，有些功能在多个层次中重复出现。 两种国际标准法律上的(de jure)国际标准 OSI 并没有得到市场的认可。而非国际标准 TCP/IP 现在获得了最广泛的应用。TCP/IP 常被称为事实上的 (de facto) 国际标准。1.5.2 网络协议以及网络体系结构的定义计算机网络中的数据交换必须遵守事先约定好的规则。 这些规则明确规定了所交换的数据的格式以及有关的同步问题（同步含有时序的意思） 。为进行网络中的数据交换而建立的规则、标准或约定即网络协议(network protocol)，简称为协议。 网络协议的组成要素 语法 数据与控制信息的结构或格式 。 语义 需要发出何种控制信息，完成何种动作以及做出何种响应。 同步 事件实现顺序的详细说明。 分层的好处 各层之间是独立的。灵活性好。结构上可分割开。易于实现和维护。能促进标准化工作。 层数多少要适当 若层数太少，就会使每一层的协议太复杂。层数太多又会在描述和综合各层功能的系统工程任务时遇到较多的困难。 计算机网络的体系结构 计算机网络的体系结构(architecture) 是计算机网络的各层及其协议的集合。 体系结构就是这个计算机网络及其部件所应完成的功能的精确定义。实现(implementation)是遵循这种体系结构的前提下用何种硬件或软件完成这些功能的问题。体系结构是抽象的，而实现则是具体的，是真正在运行的计算机硬件和软件。 1.5.3 五层协议的体系结构 TCP/IP 是四层的体系结构：应用层、运输层、网际层和网络接口层。最下面的网络接口层并没有具体内容。因此往往采取折中的办法，即综合 OSI 和 TCP/IP 的优点，采用一种只有五层协议的体系结构 。 五层协议的体系结构 应用层(application layer) 运输层(transport layer) 网络层(network layer) 数据链路层(data link layer) 物理层(phys