高等学校21世纪教材 计算机网络 教程 电子教案

第1章 概 述 1.1 计算机网络在信息时代的作用 1.2 计算机网络的发展过程 1.3 计算机网络的分类 1.4 计算机网络的主要性能指标

1.1 计算机网络在信息时代的作用 我们已经进入了21世纪。21世纪的一些重要特征就是数字化、网络化和信息化，它是一个以网络为核心的信息时代。 知识经济中的两个重要特点就是信息化和全球化。

这里所说的网络是指电信网络(主要的业务是电话，但也有其他业务，如传真、数据等)、有线电视网络(即单向电视节目的传送网络，但现已开始逐渐向双向传输网络改造)和计算机网络。这三种网络通常简称为“三网”。 进入20世纪90年代以来，以因特网(Internet)为代表的计算机网络的发展速度十分迅猛，已从最初的教育科研网络逐步发展成为商业网络，并已成为仅次于全球电话网的世界第二大网络。

1.2 计算机网络的发展过程 1.2.1 计算机网络的产生 一百多年来，电话交换机虽然经过多次更新换代，但交换的方式一直都是电路交换。

当电话机的数量增多时，就要使用很多彼此连接起来的交换机来完成全网的交换任务。用这样的方法，就构成了覆盖全世界的电信网。 这种必须经过“建立连接→通信→释放连接”三个步骤的连网方式称为面向连接的(connection-oriented)。这里我们要指出，电路交换必定是面向连接的。但面向连接的却不一定是电路交换，因为分组交换也可以使用面向连接的方式(如广域网的X.25网络和ATM网络)。

图1-2为电路交换的示意图。在通话的全部时间内，通话的两个用户始终占用端到端的固定传输带宽。 当使用电路交换来传送计算机数据时，其线路的传输效率往往很低。

分组交换则采用存储转发技术。分组的概念如图1-3所示。通常我们将欲发送的整块数据称为一个报文(message)。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”，而分组的首部也可称为“包头”。分组交换的特征是基于标记(label-based)。不先建立连接而随时可发送数据的连网方式，称为无连接的(connectionless)。

分组交换网由若干个结点交换机(node switch)和连接这些交换机的链路组成，如图1-4(a)所示。图1-4(b)和图1-4(a)的表示方法是一样的，但强调了结点交换机具有多个端口的概念。 图中H1 ~ H6都是可进行通信的计算机，但在计算机网络中常称它们为主机(host)。在ARPANET建网初期，分组交换网中的结点交换机曾被称为接口报文处理机IMP (Interface Message Processor)。

结点交换机处理分组的过程是：将收到的分组先放入缓存，再查找转发表(转发表中写有到何目的地址应从何端口转发的信息)，然后由交换机构从缓存中将该分组取出，传递给适当的端口转发出去。 分组交换网的主要优点可归纳如表1-1所示。

分组交换也带来一些新的问题。例如，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。当网络通信量过大时，这种时延可能会很大。此外，各分组必须携带的控制信息也造成了一定的开销(overhead)。 图1-5表示电路交换、报文交换和分组交换的主要区别。

图1-6(a)所示的是早期的面向终端的计算机网络，它是以单个主机为中心的星形网，各终端通过通信线路共享昂贵的中心主机的硬件和软件资源。而分组交换网是以网络为中心，主机和终端都处在网络的外围，如图1-6(b)所示。用户通过分组交换网可共享连接在网络上的许多硬件和各种丰富的软件资源。

1.2.2 因特网时代 美国国家科学基金会NSF认识到计算机网络对科学研究的重要性，因此从1985年起，美国国家科学基金会就围绕其六个大型计算机中心建设计算机网络。1986年，NSF建立了国家科学基金网NSFNET。NSFNET后来接管了ARPANET，并将网络改名为Internet，即因特网。

1992年因特网上的主机超过100万台。1993年因特网主干网的速率提高到45 Mbit/s (T3速率)。到1996年速率为155 Mbit/s的主干网vBNS (very high-speed Backbone Service)建成。1998年又开始建造更快的主干网Abilene，数据率最高达2.5 Gbit/s。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 Gbit/s。到1999年底，因特网上注册的主机已超过1000万台。 表1-2是因特网上的网络数、主机数、用户数和管理机构数的简单概括[COME00]。

1.2.3 关于因特网的标准化工作 1992年，因特网不再归美国政府管辖，因此成立了一个国际性组织叫做因特网协会ISOC (Internet Society)，以便对因特网进行全面管理以及在世界范围内促进其发展和使用。ISOC下面有一个技术组织叫做因特网体系结构研究委员会IAB (Internet Architecture Board)，负责管理因特网有关协议的开发。IAB下面又设有两个工程部。 · 因特网工程部IETF (Internet Engineering Task Force) · 因特网研究部IRTF (Internet Research Task Force)

从一个普通文档上升到因特网的正式标准要经过四个阶段。 （1）因特网草案(Internet Draft)。 （2）建议标准(Proposed Standard)。 （3）草案标准(Draft Standard)。 （4）因特网标准(Internet Standard)。

还有三种RFC，即历史的、实验的和提供信息的。图1-8所示的是各种RFC之间的关系。

1.2.4 计算机网络在我国的发展 1989年11月，我国第一个公用分组交换网CNPAC建成运行，在此基础上，1993年9月建成新的中国公用分组交换网。 在20世纪80年代后期，公安、银行、军队以及其他一些部门也相继建立了各自的专用计算机广域网。 自20世纪90年代起，我国陆续建造了基于因特网技术的、可以和因特网互连的9个全国范围的公用计算机网络。

表1-3是中国互联网络信息中心公布的我国最近几年来因特网的发展情况。

1.3 计算机网络的分类 1.3.1 计算机网络的不同定义 计算机网络的精确定义并未统一。关于计算机网络的最简单的定义是[TANE96]：一些互相连接的、自治的计算机的集合。

最简单的计算机网络就只有两台计算机和连接它们的一条链路。 最复杂的计算机网络就是因特网。它由非常多的计算机网络通过许多路由器互连而成。因此因特网也称为“网络的网络”(network of networks)。 计算机网络与分布式计算机系统虽然有相同之处，但二者并不等同。分布式系统的最主要特点是整个系统中的各计算机对用户都是透明的。

1.3.2 计算机网络的几种不同分类方法 1．从网络的交换功能进行分类 2．从网络的拓扑结构进行分类 电路交换；报文交换；分组交换；混合交换。 2．从网络的拓扑结构进行分类 网络的管理者非常关心网络的拓扑结构。按网络的拓扑结构划分，可以分为：集中式网络；分散式网络；分布式网络。

3．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) 多个处理机互连的系统按其大小的分类如表1-4所示。

4．从网络的使用范围进行分类 从网络的使用范围可分为公用网和专用网两种。 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”本来的意思是指某个信号具有的频带宽度。带宽的单位是赫兹(Hz)、千赫(kHz)、兆赫(MHz)等。 对于数字信道，“带宽”是指在信道上(或一段链路上)能够传送的数字信号的速率，即数据率或比特率。比特(bit)是计算机中的数据的最小单元，它也是信息量的度量单位。带宽的单位就是比特每秒(bit/s)。 带宽有时也称为吞吐量。

如果我们在网络中某一个点上观察数字信号流随时间的变化，那么信号在时间轴上的宽度就随着带宽的增大而变窄。图1-10是这一概念的示意图。

1.4.2 时延 （1）传播时延 时延(delay或latency)是指一个报文或分组从一个网络(或一条链路)的一端传送到另一端所需的时间。 1.4.2 时延 时延(delay或latency)是指一个报文或分组从一个网络(或一条链路)的一端传送到另一端所需的时间。 时延是由以下几个不同的部分组成的。 （1）传播时延 传播时延是电磁波在信道中传播所需要的时间。传播时延的计算公式是： 传播时延 = 信道长度  电磁波在信道上的传播速率

（2）发送时延 （3）排队时延 发送时延是发送数据所需要的时间。发送时延的计算公式是： 发送时延 = 数据块长度  信道带宽 这是数据在交换结点等候发送在缓存的队列中排队所经历的时延。 数据经历的总时延就是以上三种时延之和： 总时延 = 传播时延 + 发送时延 + 排队时延 图1-11画出了三种时延所产生的地方

1.4.3 时延带宽积和往返时延 网络性能的两个度量——传播时延和带宽——相乘，就得到另一个很有用的度量：传播时延带宽积，即[(传播时延)(带宽)]。图1-12的示意图表示时延带宽积。链路的时延带宽积又称为以比特为单位的链路长度。 在计算机网络中，往返时延RTT (Round-Trip Time)也是一个重要的性能指标，它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，总共经历的时延。