计算概论 (Introduction to Computing)

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1 计算概论 (Introduction to Computing)
第三讲 计算机网络基础 计算概论 (Introduction to Computing) 主讲人：马思伟 北京大学数字媒体研究所

2 计算机网络的定义 计算机网络就是将地理位置不同并具有独立功能的多个计算机系统通过通信设备和线路连接起来，在功能完善的网络软件支持下实现彼此之间的数据通信和资源共享的系统 计算机网络是计算机科学和通信科学密切结合的结晶，称为CC技术，其含义是： Computer + Communication = Computer Network 3C 融合： consumer electronics 4C 融合：content 三网融合：有线电视网，国际互联网、电信网

3 计算机网络的定义 计算机网络通常由三个部分组成，它们是通信子网、资源子网和通信协议 通信子网在网络中负责数据通信
资源子网在网络中面向用户，提供软硬件资源和信息，负责面向网络应用的数据处理工作 通信协议是网络中通信双方必须共同遵守的规则和约定。通过协议软件实现各种信息交换。

4 标准化工作 ISO&CCITT（70年代末80年代初）
计算机网络的产生和发展 Internet 的发展阶段 实验研究阶段（ ） 学术性网络（ ） 商业化网络（1996年以后） 高速信息网络 信息高速公路 美国国防部高级研究计划局 （60年代后期） ARPA SNA IBM DNA DEC TRANSPAC 法国 …… DATAPAC 加拿大 NPDN 北欧 ISO／OSI七层模型 标准化工作 ISO&CCITT（70年代末80年代初） OSI模型的提出对计算机网络的发展起了 很好的促进作用 INTERNET （国际互连网） 局域网技术的蓬勃兴起 （70年代末80年代初） 覆着世界上180多个国家和地区，连接上亿台机器，成为有数亿用户使用的国情性的互连网络

5 Internet的产生 1. 60年代开始，美国国防部的高级研究计划局ARPA （Advance Research Projects Agency）建立阿帕网ARPANet。 年12月，ARPANet投入运行，建成了一个实验性的由4个节点连接的网络。到1983年，ARPANET已连接了三百多台计算机，供美国各研究机构和政府部门使用。 年，ARPANet分为ARPANet和军用MILNET（Military Network），两个网络之间可以进行通信和资源共享。ARPANet就是Internet的前身。

6 Internet的发展 WWW的站点数目也急剧增长，1993年底只有627个，1994年底就超过1万个，1996年底超过60万个，1997年底超过160万个，而1999年底则超过了950万个，上网用户数则超过2亿。 2002年，全球Internet的用户达到4.5亿。 截至到2005年12月，我国上网计算机数已达到约4950万台，上网用户人数约1.11亿人，仅CN下注册的域名数已达到近109万个，而WWW站点已达到69.4万个。 截至2011年2月28日，中国.CN域名的注册数量为 万

7 国际互联网 三大类计算机网络 局域网(Local Area Network, LAN)
近距离连接的计算机网络，覆盖范围从几十米至数公里。如实验室的局域网 广域网(Wide Area Network, WAN) 跨国家和省市地域的计算机网络，如教育网，电信通信服务网… 企业内部网(Intranet) 公司、企业单位的内部业务需要所组成的互联网，也可能是跨国际的网络

8 局域网（Local Area Network）
LAN通常安装在一个建筑物或校园（园区）中，覆盖的地理范围从几十米至数公里。 例如，一个实验室、一栋大楼、一个校园或一个单位。 LAN是计算机通过高速线路相连组成的网络，网上传输速率较高，从10Mbps～100Mbps～1000Mbps。 通过LAN，各种计算机可以共享资源; 例如，共享打印机和数据库。

9 局域网 局域网的连接 集线器 路由器 Hub 网卡 计算机

10 广域网（Wide Area Network）
WAN覆盖的地理范围从数百公里至数千公里，甚至上万公里。可以是一个地区或一个国家，甚至世界几大洲，故称远程网。 WAN在采用的技术、应用范围和协议标准方面有所不同。在WAN中，通常是利用邮电部门提供的各种公用交换网，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。

11 广域网 PSTN ( Public S 公用数据网(PDN) Public Data Network：是电脑术语。一种由电信运营商组建的广域网，提供接入广域网的服务与技术，为用户提供高质量数据传输服务。witched Telephone Network )定 义 公共交换电话网络

12 局域网与广域网 网络接入 光纤、电话线拨号网络 无线局域网

13 无线网 使用电磁波传播数据 蓝牙技术：10米到几十米范围内的短距离通信，1Mb/s 红外无线通信：不能有遮挡，16Mb/s
WiFi技术：Wlan， IEEE802.11x标准，数据速率可达几十兆比特，距离可在100米左右 GPRS, TD-SCDMA: 手机无线通信， 2Mbps

14 计算机通信技术 电路交换 分组交换

15 电路交换 类似打电话，需要经过建立物理链路、传输数据和拆除链路过程。由于独占链路，效率低。普通电话机、传真机使用这种方式

16 分组交换技术产生的背景 基于电路交换方式的电话线路系统在双方通话时用户要独占线路，而计算机网络传输数据具有随机性和突发性，在连网期间计算机并不是不间断地传输数据，因而造成线路浪费或瞬时拥挤。为了解决共享线路问题，60年代中期提出分组交换（包交换，packet switching）概念并开始实施。

17 分组交换技术的诞生 分组交换的基本概念与理论 分组交换的概念最初是在1964年提出来的,源于美国国防部高级研究计划局ARPA早期研究的项目
1969年12月美国第一个使用分组交换技术的ARPANET投入运行，当时仅有4个节点，但它对分组交换技术的研究起了重要作用 到20世纪70年代后期，ARPA网络节点超过60个，主机100多台，地域范围跨越了美洲大陆，而且通过通信卫星与夏威夷和欧洲等地区的计算机网络相互连通。

18 计算机通信技术的发展 70年代 电子邮件 通信协议：以太网技术， 施乐公司; TCP/IP通信协议，1974年, Cerf和Kahn
1989年，T.B. Lee, MIT, 网页浏览 万维网 (WWW: World Wide Web), HTTP, HTML

19 互联网通信协议 致力于研究、制定、开发网络管理的服务、协议和结构的三个重要国际组织 Internet工程任务组（IETF）
国际标准化组织（ISO） 国际电报电话咨询委员会（CCITT）这一组织目前已改名为国际电信联盟（ITU）

20 互联网通信协议 IETF 五层协议框架 TCP/IP 协议栈 HTTP, FTP… 应用层 TCP, UDP… 传输层通信协议 IP 网络层
数据链路层 物理层 HTTP, FTP… TCP, UDP… IP HDLC… HDLC（High-level Data Link Control） 王子写信，用信封， 将军 皇上 传输层 木函 军情官 驿站官 网络层 军情袋

21 互联网通信协议 应用层 传输层通信协议 网络层 数据链路层 物理层 皇后 信, 信封 皇上 木函 军情官 军情袋 驿站 快马 王子
将军 木函 军情官 军情袋 驿站 快马

22 互联网通信协议 国际标准化组织(ISO)为适应网络向标准化发展的需要，成立了“计算机与信息处理标准化委员会”下属的“开放系统互联分技术委员会”，制定了“开放系统互联参考模型”(OSI/RM)，简称为OSI ；

23 开放系统互连参考模型 1 物理层（Physical layer） 2 数据链路层（Data link layer）
利用物理传输介质为数据链路层提供数据链路连接，透明地传输位流。 2 数据链路层（Data link layer） 建立数据链路，传送以帧为单位的数据，通过差错控制、流量控制方法纠错 3 网络层（Network layer） 选择适当传输链路

24 开放系统互连参考模型 5 会话层（Session layer） 6 表示层（Presentation layer）
4 传输层（Transport layer） 透明传送报文 5 会话层（Session layer） 组织和同步用户间对话，管理数据交换 6 表示层（Presentation layer） 交换信息的表示方法，加密和压缩等为表示层的功能 7 应用层（Application layer ) 作为应用进程的用户代理，完成信息交换的功能，例如文件传送的访问和管理

25 计算机网络通信协议

26 LLC (Logical Link Access) MAC (Media Access Control)
TCP/IP网络协议 TCP/IP的网络体系结构 网络接口层 网络层 传输层 应用层 TCP/IP功能 应用层 Telnet FTP HTTP SMTP 传输层 TCP RTP UDP 网络层 IP ICMP ARP RARP 链路层 LLC (Logical Link Access) MAC (Media Access Control) Hardware

27 TCP/IP网络协议 网络层协议 IP (Internet Protocol) 负责IP地址的使用，并规定网络路由器设备所完成的工作
MAC地址 A类地址 B类地址 C类地址 位数 网络标识 主机标识 位数 1 网络标识 主机标识 位数 1 网络标识 主机标识

28 IP 地址 几个IP地址的例子 B类 C类

29 TCP/IP网络协议 网络层协议 IP (Internet Protocol) 例，从计算机A传数据到计算机B 网卡 路由器 计算机
LAN1 MAC: F-20-C1 IP: IP: MAC: F-20-C2 MAC: D-21-D1 MAC: C-22-C3 LAN2 IP: MAC: F-02-C1 IP: A C B D

30 TCP/IP网络协议 传输层协议 UDP: User Datagram Protocol
无连接消息传送协议，类似邮局传送邮件 数据丢失不处理 TCP：Transmission Control Protocol 有连接的流传送协议 建立连接3次握手，关闭连接4次握手 计算机 LAN1 C S 建立连接请求 建立连接响应 数据传输确认 建立连接确认 计算机 LAN1 C S 关闭连接请求 关闭连接请求确认 关闭连接通知确认 关闭连接通知

31 互联网应用 电子邮件 发送邮件协议 SMTP (Simple Mail Transfer Protocol), 接受邮件协议POP3(Post Office Protocol) 都是基于TCP协议 文件传输 FTP: File Transfer Protocol 连接建立通过TCP协议实现，数据传输通过UDP实现 P2P正越来越广泛地代替FTP服务

32 互联网应用 网页浏览 邮件服务 文件共享 HTTP: Hypertext Transfer Protocol
URL: Uniform Resource Locator,统一资源定位，由http协议部分，中间服务器域名和文件在服务器上的位置三部分组成 邮件服务 文件共享

33 互联网应用 HTTP: Hypertext Transfer Protocol 数据传输过程：建立TCP连接，发送HTTP 请求
传输文件类型: .mp3, .jpg…等 Request (URL) Client browser Server http server Response (HTML file)

34 网上信息搜索 雅虎中文搜索引擎 http://cn.yahoo.com/ 谷歌搜索 http://www.google.com 百度搜索
搜狐搜索引擎

35 互联网应用 即时通信 IM: Instant Messaging P2P文件共享 MSN, ICQ, QQ, Gtalk…. BT
eDonkey eMule …….

36 互联网的接入 小区宽带或校园网接入 检查网络连接命令 配置网络连接:网卡网线连接网络 配置TCP/IP连接: 分配有效的IP地址，确定网关
配置DNS服务器 网络登录 检查网络连接命令 ping ipconfig

37 互联网的接入 ADSL接入 专线接入：拥有静态IP地址，24小时在线， 虚拟拨号接入：动态IP地址 设备: ADSL Modem/宽带路由器

38 组建局域网 设备 路由器：无线路由器… 配置路由器 地址:

39 计算机网络的分类 按地理范围分类： 按网络的传输技术 按网络的使用范围 按通信介质 按企业管理分类 有线网 无线网 内联网 外联网 因特网
广域网(Wide Area Network , WAN) 局域网(Local Area Network , LAN) 城域网(Metropolitan Area Network, MAN) 按网络的传输技术 广播式网络 点到点网络 按网络的使用范围 公用网 专用网 按通信介质 有线网 无线网 按企业管理分类 内联网 外联网 因特网

40 城域网（Metropolitan Area Network）
MAN规模局限在一座城市的范围内，覆盖的地理范围从几十公里至数百公里。 MAN是对局域网的延伸，用来连接局域网，在传输介质和布线结构方面牵涉范围较广。 例如，在城市范围内，政府部门、大型企业、机关、公司以及社会服务部门的计算机联网，实现大量用户的多媒体信息传输，包括语音、动画和视频图像，以及电子邮件及超文本网页等。

41 城域网（Metropolitan Area Network）

42 广播式网络 （Broadcast Network）
广播式网络仅有一条通信信道，网络上的所有计算机都共享这个通信信道。当一台计算机在信道上发送分组或数据包时，网络中的每台计算机都会接收到这个分组，并且将自己的地址与分组中的目的地址进行比较，如果相同，则处理该分组，否则将它丢弃。 在广播式网络中，若某个分组发出以后，网络上的每一台机器都接收并处理它，则称这种方式广播，若分组是发送给网络中的某些计算机，则被称为组播（Multicasting），若分组只发送给网络中的某一台计算机，则称为单播(Unicasting)。

43 点到点网络 （Point-to-Point Network）
在点到点网络中，两台计算机之间通过一条物理线路连接。若两台计算机之间没有直接连接的线路，分组可能要通过一个或多个中间节点的接收、存储、转发，才能将分组能从信源发送到目的地。由于连接多台计算机之间的线路结构可能非常复杂，存在着多条路由，因此在点到点的网络中如何选择最佳路径显得特别重要。

44 公用网和专用网 公用网 专用网 由电信部门组建，一般由政府电信部门管理和控制，网络内的传输和交换装置可提供（如租用）给任何部门和单位使用。
由某个单位或部门组建，不允许其他部门或单位使用，例如金融、石油、铁路等行业都有自己的专网。专用网可以租用电信部门的传输线路，也可以自己铺设线路，但后者的成本非常高

45 有线网 有线网是指采用双绞线、同轴电缆、光纤连接的计算机网络。有线网的传输介质包括：
双绞线：双绞线网是目前最常见的连网方式，它比较经济，安装方便，传输率和抗干扰能力一般，广泛应用于局域网中。 同轴电缆：可以通过专用的粗电缆或细电缆组网。此外，还可通过有线电视电缆，使用电缆调制解调器（Cable Modem）上网； 光纤：光纤网采用光导纤维作传输介质。光纤传输距离长，传输率高，抗干扰性强，不会受到电子监听设备的监听，是高安全性网络的理想选择。

46 无线网 无线网使用电磁波传播数据，它可以传送无线电波和卫星信号。无线网包括：
无线电话：通过手机上网已成为新的热点。目前联网费用较高，速率不高。但由于联网方式灵活方便，是一种很有发展前途的连网方式； 无线电视网：普及率高，但无法在一个频道上和用户进行实时交互； 微波通信网：通信保密性和安全性较好； 卫星通信网：能进行远距离通信，但价格昂贵

47 内联网（Intranet） Intranet是指企业的内部网，是由企业内部原有的各种网络环境和软件平台组成的，例如，传统的客户机/服务器模式，逐步改造、过渡、统一到浏览器/服务器模式。在内部网络上采用通用的TCP/IP作为通信协议，利用Internet的WWW技术，以Web模型作为标准平台。一般具备自己的Intranet Web服务器和安全防护系统，为企业内部服务。

48 外联网（Extranet） 相对企业内部网， Extranet是泛指企业之外，需要扩展连接到与自己相关的其他企业网。采用Internet技术，又有自己的WWW服务器，但不一定与Internet直接进行连接的网络。同时必须建立防火墙把内联网与Internet隔离开，以确保企业内部信息的安全。

49 因特网（Internet） Internet是目前最流行的一种国际互连网。Internet起源于美国，自1995年开始启用，发展非常迅速，特别是随着Web浏览器的普遍应用，Internet已在全世界范围得到应用。利用在全球性的各种通信系统基础上，像一个无法比拟的巨大数据库，并结合多媒体的“声、图、文”表现能力，不仅能处理一般数据和文本，而且也能处理语音、静止图象、电视图像、动画和三维图形等等。

50 子网 进行子网划分后， IP地址就划分为“网络-子网-主机”三部分 IP地址::={<网络号>,<子网号>,<主机号>} 子网掩码用于确定网络号和主机号

51 子网掩码 子网掩码也是一个32位二进制数，用圆点分隔成四段。其标识方法是：IP地址中网络和子网部分用二进制数1表示；主机部分用二进制数0表示。 A,B,C三类IP地址的缺省子网掩码如下： A类： B类： C类：

52 子网掩码 当子网掩码和IP地址进行"与"运算时，就可以区分一台计算机是在本地网络还是在远程网络上。

53 子网掩码和IP地址的“与”运算 两级IP地址 三级IP地址 AND 子网掩码 网络号net-id 主机号host-id net-id
subnet-id host-id AND 子网掩码

54 默认网关地址 默认网关地址指定了本地子网中路由器的IP地址。当发送数据的计算机发现目的地地址不在本地子网内，就将数据发送给默认网关，而不是直接向目的计算机发送 当一个路由器用于连接两个不同的网络时，它有两个网络接口和两个IP地址，如路由器同时拥有： 和 两个IP地址

55 域名系统原理 域名系统的分级结构 域名解析过程

56 域名系统 域名系统DNS是一个遍布Internet上的分布式主机信息数据库系统，采用客户机/服务器的工作模式
域名系统的基本任务是将文字表示的域名，如 域名系统是一种包含主机信息的逻辑结构，它并不反映主机所在的物理位置。Internet上主机的域名具有唯一性

57 域名系统的分级结构 入网的计算机一般应具用下列结构的域名
计算机主机名.机构名.网络名.顶级域名 同IP地址格式类似，域名的各部分之间也用“.”隔开，如：科院高能物理所的主机域名为ibm330.ihep.ac.cn，其中： ibm330表示这台主机的名称；ihep表示中科院高能物理所；ac表示科研院所；cn表示中国

58 域名系统的分级结构 顶级域名目前采用两种划分方式： 所从事的行业领域作为顶级域名 以国别作为顶级域名 .com 商业 .edu 教育机构
.gov 政府机构 .mil 军事部门 .org 民间团体或组织 .net 网络服务机构

59 国家或地区代码 地区代码 国家或地区 AU 澳大利亚 JP 日本 BR 巴西 KR 韩国 CA 加拿大 MO 中国澳门 CN 中国 RU
俄罗斯 FR 法国 SG 新加坡 DE 德国 TW 中国台湾 HK 中国香港 UK 英国

60 域名解析过程 当用户使用域名访问网上的某台机器时，首先由本地域名服务器负责解析，
如果查到匹配的IP地址，返回给客户端，否则，本地域名服务器再以客户端的身份，向上一级域名服务器发出请求，上一级的域名服务器会在本级管理域名中进行查询， 如果找到则返回，否则再向更高一级域名服务器发出请求。 依次地，直到最后找到目标主机的IP地址。

61 域名和域名服务器 域名和DNS www.pku.edu.cn www.tsinghua.edu.cn
DNS Domain Name Server .com .net .org .edu .gov .mil .cn

62 小结 计算机网络的定义 计算机网络的的历史和发展 计算机网络协议 计算机网络的组建