计算机网络技术 王宇新 大连理工大学

第一章 计算机网络概论 第二节 ARPANET的设计思想 （覆盖教材 1.1.2 节部分内容）

基本要求 1 2 3 4 了解ARPANET的产生原因和设计思想； 理解通信网络方案设计的两个基本问题； 掌握分组交换技术的工作原理； 了解TCP/IP与ARPANET的关系；

计算机网络的形成与发展 过程中有三个标志性的网络： ARPANET、NSFNET与Internet。 (D)ARPA，(Defense Advanced Research Project Agency) 美国国防部高级研究计划署 ARPANET，一个专门用于传输军事命令与控制 信息的网络

1. ARPANET的研究 可靠、容错 容侵 研究背景： 现代通信技术：电报、电话、无线电通信 军方需要一个专用军事网络，“可生存系统” 通信网络方案的设计要解决两个基本问题： 网络拓扑结构 数据传输方式 可靠、容错 容侵 计算机系统受到攻击后还能够完成关键任务。可靠、容错、容侵

网络拓扑结构设计思路 第一种方案基于星形结构 — 集中式和非集中式（星-星）的拓扑构型 — 集中式和非集中式（星-星）的拓扑构型 所有结点都与一个中心结点相连，结点发送的数据都要通过中心结点转发。如果遭到破坏，造成整个网络瘫痪。 星-星结构难以避免其固有缺点。

第二种方案：分布式网络的拓扑构型 高度分布与具有容错能力的网状结构 没有中心交换结点，每个节点与相邻结点连接，构成网状结构。 如果有结点损坏，数据可通过其他路径传输。

1980年的APPANET（100多个结点）

…    数据传输方式：电话交换网 交换机 两部电话机互相连接只需一对电线。 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。 当电话机的数量增多时, 就要使用交换机来完成全网的交换任务。   …  交换机

线路交换举例 A 和 B 通话经过四个交换机： 通话在 A 到 B 的连接上进行 C 和 D 通话只经过一个本地交换机： ( 交换机 用户线 中继线 B D C A 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 10

数据传输方式为什么不能采用电话交换网？ 电话交换网（用于传输语音信号）： 一种低速模拟信号传输过程，误码率高； 呼叫过程10~20s，相对整个通话过程可接受。 计算机的数据传输： 要求准确传输每个bit； 一般是突发性的，真正用于传输的时间很短，线路大多数时间空闲。

分组交换技术的基本设计思路 分组交换技术的3个重要的概念： 分组：数据预分成多个固定格式分组； 存储转发：中间节点先存储再转发； 路由选择：转发节点选择合适的（路由选择算法）传输路径。 在分布式网络中采用分组交换的数据传输方式

报文与报文分组 数据通过通信子网传输时有报文(message)与报文分 组(packet)两种方式： 报文传输：不管发送数据的长度是多少，都把 它当作一个逻辑单元发送； 报文分组传输：限制一次传输数据的最大长度 ，如果数据超过规定的最大长度，发送结点就 将它分成多个报文分组发送。

报文与报文分组 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。

报文分组交换 (亦称包交换) 在分组交换网络中，交换单元是大小可变的数据块，称为分组。 在每个节点，分组将被暂时储存，然后按照分组头中的信息规定的路线发送。  通常把采用分组交换(包交换)方式的计算机网络称为分组交换网。 对于数据通信来说，更好的解决方法称为分组交换，早期为报文交换。 更长的单元传输被分解为多个分组，它们通过网络节点到节点地传送；分组的最大允许长度由网络确定。

三种交换的比较 线路交换 报文交换 分组交换 报 文 连接 建立 报 文 数据 传送 报文 连接 释放 报 文 t A B C D P1 连接 建立 P2 P1 P3 P2 P4 P1 P3 P2 报 文 P4 数据 传送 报文 P3 P4 连接 释放 报 文 t A B C D A B C D A B C D 比特流直达终点 报文 报文 报文 分组 分组 分组 数据 传送 的特点 存储 转发 存储 转发 存储 转发 存储 转发 16

提供数据报服务的特点 网络随时接收主机发送的分组（即数据报） 网络为每个分组独立地选择路由。 H2 H4 D B H6 E H1 A H5 路径可能变化 H6 E H1 A H5 C 传输过程中，每个分组单独处理，称为数据报 每个数据报带有完整的目的地址，选择自己的路由 每个数据报都带有分组序号，以便重组，因为它们到达的顺序不定 差错和流量控制由主机负责 H3 分组交换网

分组交换的优点 灵活、高效：以分组为传送单位，查找路由，有利于提高路由器检错、重传的效率，提高路由器存储空间的利用率。 迅速、可靠：不必先建立连接就能向其他主机发送报文分组。可以根据链路通信状态、网络拓扑变化，为不同分组动态选择传输路径，减少分组传输延迟。使网络有很好的生存性。 灵活、高效：以分组为传送单位，查找路由，有利于提高路由器检错、重传的效率，提高路由器存储空间的利用率。动态分配传输带宽，对通信链路是逐段占用。 迅速、可靠：不必先建立连接就能向其他主机发送报文分组。保证可靠性的网络协议，可以根据链路通信状态、网络拓扑变化，为不同分组动态选择传输路径，减少分组传输延迟。分布式的路由选择协议使网络有很好的生存性。 生存性用于计算机方面有诸多研究，指计算机系统受到攻击后还能够完成关键任务的能力，与传统的安全性不同，后者研究重点为防侵，前者研究重点为如何容侵。 18

ARPANET设计思想 提出通信子网和资源子网的概念 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 资源子网—负责数据处理的主计算机与终端 IMP：接口报文处理机 HOST：主机 每个IMP通过速率56kbps的传输线与多个IMP连接起来。IMP设备就是路由器的雏形。

ARPANET设计思想 通信子网结构与分组交换原理示意图 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； P6

ARPANET最早4个结点的结构 (1969年) 斯坦福研究院 加州大学洛山矶分校 加州大学 桑塔芭芭拉分校 犹他大学

1971年的APPANET（40个结点）

1980年的APPANET（100多个结点）

ARPANET是计算机网络技术发展的一个重要里程碑，对计算机网络理论与技术的发展起到重大奠基作用。主要贡献表现在： 开展了对计算机网络定义与分类方法的研究。 提出资源子网与通信子网的二级网络结构概念。 研究了分组交换的协议与实现技术。 研究了层次型网络体系结构的模型与协议体系。 开展了TCP/IP协议与网络互联技术的研究。

2. TCP/IP协议研究与发展 注意与术语Internet的区别 “网络互联” (internet/internetworking) 研究，将不同类型的网络互联起来。需要克服异构网络在分组长度、格式、分组头与传输速率上的差异。 注意与术语Internet的区别 70~80年代网络技术发展迅速，出现大量计算机网络：军用网、研究试验网络、公共服务网络、校园网等； 注意与Internet的区别。

ARPANET的协议结构

1977年10月，ARPANET研究人员决定将初期的网络协议分为传输控制协议（TCP）与互联网络协议（IP）； 新的TCP/IP协议集成到BSD UNIX中。1983年1月，ARPNET想TCP/IP协议的转换全部结束。 Berkly Software Distribution = BSD

小结 ARPANET的产生原因和设计思想 通信网络方案设计的两个基本问题 分组交换技术的工作原理 TCP/IP与ARPANET的关系