计算机网络技术 刘君,廖细生 2008.3.

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1 计算机网络技术 刘君,廖细生

2 第 1 章 概述 1.1 计算机网络在信息时代中的作用 1.2 因特网概述 1.3 因特网的组成 1.4 计算机网络的分类
第 1 章 概述 1.1 计算机网络在信息时代中的作用 1.2 因特网概述 1.3 因特网的组成 1.4 计算机网络的分类 1.6 计算机网类的主要性能指标 重点：分组交换的概念 主要性能指标

3 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。

4 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”。

5 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。

6 1.2 因特网概述 网络的网络 起源于美国的因特网现已发展成为世界上最大的国际性计算机互联网①。这就使得20世纪90年代成为公认的因特网时代，或简称为网络时代。

7 连接到计算机网络上的计算机通常都称为主机 (host)。
(a) 表示因特网的方法 (b) 因特网是“网络的网络” 图1-1 因特网

8 因特网是网络的网络 (network of networks)。
计算机网络把许多计算机连接在一起，而因特网则把许多计算机网络连接在一起。

9 因特网发展的三个阶段 因特网的基础结构大体上经历了三个阶段的演进。但这三个阶段在时间划分上并非截然分开而是有部分重叠的，这是因为网络的演进是逐渐的而不是突然的。

10 第一阶段是从单个网络ARPANET向互联网发展的过程。
以小写字母i开始的internet（互联网或互连网）是一个通用名词，它泛指由多个计算机网络互连而成的网络。 以大写字母I开始的的Internet（因特网）则是一个专用名词，它指当前全球最大的、开放的、由众多网络相互连接而成的特定计算机网络，它采用TCP/IP族作为通信的规则，且其前身是美国的ARPANET。

11 第二阶段的特点是建成了三级结构的因特网。分为主干网、地区网和校园网（或企业网）。

12 三级结构的因特网 各网络之间需要使用路由器来连接。 路由器 有时在结构图中可不画出路由器。 国家主干网 地区网 地区网 地区网 校园网

13 第三阶段的特点是逐渐形成了多级ISP结构的因特网。因特网服务提供者ISP (Internet Service Provider)。又常称为因特网服务提供商。

14 图1-2 用户通过ISP接入因特网

15 图1-3 基于ISP的多级结构的因特网的概念示意图
大公司 大公司 地区 ISP 网络接入点 NAP （对等点） 网络接入点 NAP （对等点） 主干服务 提供者 地区 ISP 地区 ISP 地区 ISP 大公司 本地 ISP 本地 ISP 本地 ISP 公司 校园网 校园网 校园网 校园网 校园网 图1-3 基于ISP的多级结构的因特网的概念示意图

16 网络接入点NAP (Network Access Point)，NAP又称为对等点 (peering point)，表示接入到NAP的设备不存在从属关系而都是平等的。

17 由欧洲原子核研究组织 (CERN) 开发的万维网WWW (World Wide Web) 被广泛使用在因特网上，大大方便了广大非网络专业人员对网络的使用，成为因特网的这种指数级增长的主要驱动力。

18 表 因特网的发展情况概况 网 络 数 主 机 数 用 户 数 管理机构数 1980 10 102 100 1990 103 105 106 101 2000 107 108 2005 109

19 由于因特网存在着技术上和功能上的不足，加上用户数量猛增，使得现有的因特网不堪重负。 “下一代因特网计划”，即“NGI计划” (Next Generation Internet Initiative)。

20 NGI计划要实现的一个目标是开发下一代网络结构，以比现有的因特网高100倍的速率连接至少100个研究机构，以比现有的因特网高1000倍的速率连接10个类似的网点。

21 NGI计划将使用超高速全光网络，能实现更快速的交换和路由选择，同时具有为一些实时 (real time) 应用保留带宽的能力。在整个因特网的管理和保证信息的可靠性与安全性方面也会有很大的改进。

22 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。

23 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)

24 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)。

25 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。

26 1.3 因特网的组成 因特网虽然在地理上覆盖了全球，但从 其工作方式上看，可以把整个因特网的 组成划分为两大块，即由所有连接在因 特网上的主机组成的因特网的边缘部分 和由大量网络和连接这些网络的路由器 组成的因特网核心部分。

27 图1-4 因特网的边缘部分与核心部分

28 1.3.1因特网的边缘部分 处在因特网边缘的部分就是连接在因特网上的所有的主机。这些主机又称为端系统 (end system)，“端”就是“末端”的意思。

29 因特网的端系统就是前面提到的主机。边缘部分的功能就是利用核心部分所提供的服务，使这样多的主机之间能够互相通信并交换或共享信息。

30 主机A和主机B进行通信 ，主机A的某个进程和主机B上的另一个进程进行通信 。这种比较准确的说法通常可以简称为“计算机之间通信”。

31 在网络边缘的端系统中运行的程序之间的通信方式可划分为两大类：客户服务器方式和对等方式。

32 1．客户服务器方式 这种方式在因特网上是最常用的，也是传统的方式。 客户 (client) 和服务器 (server) 都是指通信中所涉及的两个应用进程。客户服务器方式所描述的是进程之间服务和被服务的关系。

33 这里最主要的特征就是： 客户是服务请求方，服务器是服务提供方。 服务请求方和服务提供方都要使用网络核心部分所提供的服务。

34 图1-5 客户服务器工作方式

35 在实际应用中，客户程序和服务器程序通常还具有以下一些主要特点。

36 客户程序： （1）被用户调用后运行，在打算通信时主动向远地服务器发起通信（请求服务）。 （2）可与多个服务器进行通信。 （3）不需要特殊的硬件和很复杂的操作系统。

37 服务器程序： （1）是一种专门用来提供某种服务的程序，可同时处理多个远地或本地客户的请求。 （2）当系统启动时即自动调用并一直不断地运行着，被动地等待并接受来自多个客户的通信请求。 （3）一般需要强大的硬件和高级的操作系统支持。

38 客户和服务器本来都指的是计算机进程（软件）。运行客户程序的机器称为client，把运行服务器程序的机器称为server。

39 2．对等连接方式 对等连接（peer-to-peer，简写为P2P）是指两个主机在通信时并不区分哪一个是服务请求方还是服务提供方。也称为P2P文件共享。

40 图1-6 对等连接工作方式

41 因特网的核心部分 网络核心部分是因特网中最复杂的部分。网络核心部分向网络边缘中的主机提供服务，使边缘部分中的任何一个主机都能够向其他主机通信（即传送或接收各种形式的数据）。

42 在网络核心部分，网络和网络的连接要依靠路由器 (router)，路由器的具体任务是转发收到的分组，但从通信的角度看，路由器是实现分组交换 (packet switching)，这是网络核心部分最重要的功能。

43 1．电路交换的主要特点 从通信资源的分配角度来看，“交换 (switching)”就是按照某种方式动态地分配传输线路的资源。

44 (a) 两部电话直接相连 (b) 5部电话两两直接相连 (c) 用交换机连接许多部电话
图1-7 电话机的不同连接方法

45 这种必须经过“建立连接（占用通信资源）→通话（一直占用通信资源）→释放连接（归还通信资源）”三个步骤的交换方式称为电路交换。
而在通话的全部时间内，通话的两个用户始终占用端到端的通信资源。

46 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 中继线 交换机 用户线 中继线 A
C 用户线 ( D

47 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 中继线 交换机 用户线 中继线
A B ( 交换机 ( 交换机 ( C 用户线 ( D

48 电路交换的特点 电路交换是面向连接的，即必须经过以下三个步骤的联网方式： 采用电路交换时，通信过程中一直占有一条物理通路。 建立连接 通信
释放连接 采用电路交换时，通信过程中一直占有一条物理通路。

49 电路交换传送计算机数据效率低 原因： 计算机数据具有突发性。 导致通信线路的利用率很低。 所以，在计算机网络中采用“分组交换”

50 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。 假定这个报文较长 不便于传输 报文
假定这个报文较长 不便于传输

51 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。 请注意：现在左边是“前面” 报文 数 据 数 据 数 据 分组 1 首部
数 据 数 据 数 据 分组 1 首部 分组 2 首部 分组 3 首部 请注意：现在左边是“前面”

52 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 数 据 首部 分组 1 数 据 首部 分组 2
数 据 首部 分组 1 数 据 首部 分组 2 数 据 首部 分组 3

53 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。 收到的数据 分组 1 首部 数 据 分组 2 首部 数 据 分组 3 首部
数 据 分组 2 首部 数 据 分组 3 首部 数 据 收到的数据

54 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。 报文
数 据 数 据 数 据

55 分组首部 Question:分组是怎样被转发到目的地的？ 答：每一个分组的首部都含有源/目的地址等控制信息。
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。

56 分组交换网的示意图 注意分组路径的变化！ H2 向 H6 发送分组 H1 向 H5 发送分组 H4 H2 D 结点交换机 B H6 主机
E H2 向 H6 发送分组 A H1 向 H5 发送分组 H5 C H3 分组交换网

57 分组的存储转发过程 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
H4 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 H2 D 结点交换机 H1 向 H5 发送分组 B H6 主机 H1 E A H5 C H3 分组交换网

58 结点交换机有多个端口，但在输入和输出端口之间没有直接连线
H4 H2 D H6 B 1 2 3 4 结点 交换机 E H1 H5 1 2 3 4 A 高速链路 C H3

59 结点交换机的存储转发过程 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。

60 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 以分组为传送单位和查找路由。
高效 动态分配传输带宽，对通信链路是逐段占用。 灵活 以分组为传送单位和查找路由。 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。

61 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。

62 三种交换的比较 电路交换 报文交换 分组交换 报 文 P1 连接建立 P2 P1 P3 P2 P1 P4 P3 P2 报 文 P4 数据传送
连接释放 报 文 t A B C D A B C D A B C D

63 1.4 计算机网络在我国的发展 (1) 中国公用计算机互联网 CHINANET (2) 中国教育和科研计算机网 CERNET
1.4 计算机网络在我国的发展 (1) 中国公用计算机互联网 CHINANET (2) 中国教育和科研计算机网 CERNET (3) 中国科学技术网 CSTNET (4) 中国联通互联网 UNINET (5) 中国网通公用互联网 CNCNET (6) 中国国际经济贸易互联网 CIETNET (7) 中国移动互联网 CMNET (8) 中国长城互联网 CGWNET（建设中） (9) 中国卫星集团互联网 CSNET（建设中）

64 1.5 计算机网络的分类 1.5.1 计算机网络的不同定义 1.5.2 几种不同的分类方法
1.5 计算机网络的分类 计算机网络的不同定义 最简单的定义：计算机网络是一些互相连接的、自治的计算机的集合。 因特网(Internet)是“网络的网络”。 几种不同的分类方法 分别从网络的交换功能、拓扑结构、作用范围、使用者进行分类

65 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

66 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)

67 广域网、城域网、接入网以及局域网的关系 … … 广域网 城域网 城域网 接入网 接入网 接入网 接入网 接入网 接入网 局域网 校园网
企业网 局域网

68 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)

69 1.6 计算机网络的主要性能指标 带宽 时延 时延带宽积和往返时延 带宽与宽带

70 1.6.1 带宽 “带宽”(bandwidth)的本意： 数字信道中的“带宽”含义： 信号具有的频带宽度，单位是赫（或千赫、兆赫、吉赫等）。
带宽 “带宽”(bandwidth)的本意： 信号具有的频带宽度，单位是赫（或千赫、兆赫、吉赫等）。 数字信道中的“带宽”含义： 数字信道所能传送的“最高数据率” ，即吞吐量，单位是“比特每秒”，或 b/s (bit/s)。 也就是数据在信道上的发送速率。

71 常用的带宽单位 更常用的带宽单位是 请注意：K = 210 = 1024 M = 220, G = 230, T = 240。
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：K = 210 = 1024 M = 220, G = 230, T = 240。

72 数字信号流随时间的变化 在时间轴上信号的宽度随带宽的增大而变窄。 带宽为 1 Mb/s 带宽为 4 Mb/s 1 s 时间
每秒 106 个比特 时间 1 s 带宽为 1 Mb/s 时间 每秒 4  106 个比特 0.25 s 带宽为 4 Mb/s

73 1.6.2 时延(delay 或 latency) 发送时延（传输时延 ） 发送数据时，数据块从结点进入到传输媒体所需要的时间。
发送时延（传输时延 ） 发送数据时，数据块从结点进入到传输媒体所需要的时间。 发送时延 = 数据块长度（比特） 信道带宽（比特/秒）

74 时延(delay 或 latency) 传播时延 电磁波在信道中需要传播一定的距离而花费的时间。
传播时延 电磁波在信道中需要传播一定的距离而花费的时间。 信号传输速率（即发送速率）和信号在信道上的传播速率是完全不同的概念。 传播时延 = 信道长度（米） 信号在信道上的传播速率（米/秒）

75 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。
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。

76 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

77 三种时延所产生的地方 从结点 A 向结点 B 发送数据 在队列中产生 处理时延 在链路上产生 传播时延 在发送器产生发送时延 (即传输时延)
… 队列 链路 结点 A 发送器 结点 B

78 容易产生的错误概念 对于高速网络链路，我们提高的仅仅是数据的发送速率而不是比特在链路上的传播速率。 提高链路带宽减小了数据的发送时延。

79 1.6.3 时延带宽积和往返时延 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。 （传播）时延 带宽 链路
时延带宽积和往返时延 时延带宽积 （传播）时延 带宽 链路 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。

80 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。

81 1.6.4 宽带 宽带线路：可通过较高数据率的线路。 宽带是相对的概念，并没有绝对的标准。
宽带 宽带线路：可通过较高数据率的线路。 宽带是相对的概念，并没有绝对的标准。 在目前，对于用户接入到因特网的用户线来说，每秒传送几个兆比特就可以算是宽带速率。

82 对宽带传输的错误概念 有些人愿意用“汽车在公路上跑”来比喻“比特在网络上传输”，认为宽带传输的好处就是传输更快，好比汽车在高速公路上可以跑得更快一样。 这种比喻不准确，严格说是错误的。

83 常见的错误是混淆了两种速率 在网络中有两种不同的速率： 信号（即电磁波）在传输媒体上的传播速率（米/秒，或公里/秒）
计算机向网络发送比特的速率（比特/秒） 这两种速率的意义和单位完全不同。 宽带传输：计算机向网络发送比特的速率较高。

84 错误的概念  在宽带线路上比特传播得快 宽带线路  A B 在窄带线路上比特传播得慢 窄带线路 A B

85 正确的概念 宽带线路 A B 窄带线路 A B 宽带线路：每秒有更多比特从计算机 注入到线路。 宽带线路和窄带线路上比特的传播速率是一样的。

86 比喻：汽车运货 宽带线路 窄带线路 宽带和窄带线路：车速一样 宽带线路：车距缩短

87 另一种错误概念 ——“宽带”相当于“多车道”
多车道公路是并行传输 通信线路上通常都是串行传输 ……