計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)概述

1、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)尉哲明Y課程的任務(wù)、目的和基本要求掌握計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的基本概念掌握計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)掌握數(shù)據(jù)通信的基本原理掌握計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)各層協(xié)議的基本工作原理掌握Internet的特點(diǎn)和具體實(shí)現(xiàn)方法為以后計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)及其應(yīng)用的專題學(xué)習(xí)和研究打下基礎(chǔ)了解網(wǎng)絡(luò)信息安全與信息管理方面的知識(shí)。 實(shí)驗(yàn)課：了解計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的基本實(shí)現(xiàn)技術(shù)， 掌握C/S模式網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用軟件的編程方法主要教學(xué)內(nèi)容和學(xué)時(shí)分配引言 3數(shù)據(jù)通信的基本原理 10計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu) 4物理接口 4數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議 10介質(zhì)訪問控制子層與局域網(wǎng) 10網(wǎng)絡(luò)互連協(xié)議 10Internet傳輸層協(xié)議 8Internet網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用 5共計(jì)（包括實(shí)驗(yàn)課28學(xué)時(shí)）

2、 642892計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)與通信主要參考書A.S Tanenbaum，Computer Networks（v5）， Prentice Hall，2011J F.Kurose，Computer Networking（v5）（自頂向下方法與Internet特色） ，Higher Education Press，2010謝希仁，計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)（第6版），電子工業(yè)出版社，2013謝謙、向國全、郭拯危，計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)教程，河南大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)學(xué)院網(wǎng)絡(luò)課程組Jeanna Matthews，計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)教程，人民郵電出版社吳功宜等，計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)課程設(shè)計(jì)，機(jī)械工業(yè)出版社，2012實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn): 28學(xué)時(shí), 除做1個(gè)協(xié)議實(shí)

3、現(xiàn)實(shí)驗(yàn)、（3）個(gè)協(xié)議驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)、1個(gè)組網(wǎng)實(shí)驗(yàn)外，選作一個(gè)課程設(shè)計(jì), 第3周開始。習(xí)題：第2周開始。 引 言計(jì)算機(jī)是20世紀(jì)人類最偉大的發(fā)明之一，它的產(chǎn)生使人類從工業(yè)社會(huì)走向信息社會(huì)；在計(jì)算機(jī)技術(shù)高速發(fā)展和得到廣泛應(yīng)用的同時(shí)，通信技術(shù)也在飛速發(fā)展，如全球范圍內(nèi)的電話通信系統(tǒng)，光纖通信系統(tǒng)，無線與衛(wèi)星通信系統(tǒng)； 20世紀(jì)末，計(jì)算機(jī)技術(shù)與通信技術(shù)密切結(jié)合的產(chǎn)物計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)得到了空前的發(fā)展，曾經(jīng)獨(dú)立發(fā)展的電信網(wǎng)、移動(dòng)網(wǎng)、電視網(wǎng)和計(jì)算機(jī)網(wǎng)融為一網(wǎng)，信息產(chǎn)業(yè)以最快的速度發(fā)展為全社會(huì)經(jīng)濟(jì)中最為強(qiáng)勁的部門。 引言計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展歷史計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的一般概念 國內(nèi)外典型網(wǎng)絡(luò)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展歷史面向終端的

4、計(jì)算機(jī)通信網(wǎng)分組交換網(wǎng) 網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)與協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)化的研究 Internet的應(yīng)用與高速網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展 無線網(wǎng)絡(luò) 面向終端的計(jì)算機(jī)通信網(wǎng) 面向終端的計(jì)算機(jī)通信網(wǎng)面向終端的計(jì)算機(jī)通信網(wǎng)面向終端的計(jì)算機(jī)通信網(wǎng)在60年代得到很大發(fā)展，其中最著名的是美國的半自動(dòng)地面防空系統(tǒng)SAGE和美國飛機(jī)定票系統(tǒng)SABRE I，美國通用電氣公司的信息服務(wù)網(wǎng)（GE Information Services Network）是世界上最大的商用數(shù)據(jù)處理分時(shí)網(wǎng)絡(luò)之一，覆蓋范圍從美國延伸到加拿大，歐洲，澳大利亞和日本。這一階段的研究，對(duì)數(shù)據(jù)通信技術(shù)的發(fā)展起到重要推動(dòng)作用，也為網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。 Back分組交換網(wǎng) 隨著技

5、術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了多臺(tái)計(jì)算機(jī)互連的需求，希望將分布在不同地點(diǎn)的計(jì)算機(jī)，通過通信線路互連成為“計(jì)算機(jī)計(jì)算機(jī)”的網(wǎng)絡(luò)。典型代表是美國國防部高級(jí)研究計(jì)劃局（ARPA，Advanced Research Project Agency）的ARPANET。該網(wǎng)絡(luò)也叫“可生存系統(tǒng)”。這就要求這種網(wǎng)絡(luò)在遭受核戰(zhàn)爭(zhēng)或自然災(zāi)害后仍能繼續(xù)工作，而傳統(tǒng)的通信線路與電話交換網(wǎng)無法實(shí)現(xiàn)這種要求，如早期的電話交換網(wǎng)中，一條中繼線或一個(gè)交換機(jī)的損壞，就有可能導(dǎo)致電話通信的中斷。分組交換網(wǎng)設(shè)計(jì)一個(gè)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)需要選擇合適的通信系統(tǒng)。早期的通信系統(tǒng)中，最主要且應(yīng)用最廣泛的是電話交換系統(tǒng)。電話交換系統(tǒng)的本質(zhì)是電路交換。利用電話交換線路

6、來傳送計(jì)算機(jī)或終端的數(shù)據(jù)會(huì)出現(xiàn)新的問題：用戶應(yīng)支付的通信線路費(fèi)用是按用戶占用線路的時(shí)間來計(jì)算的。電話交換中，用于建立通路的呼叫過程對(duì)計(jì)算機(jī)通信來說也太長(zhǎng)。計(jì)算機(jī)與各種終端的傳送速率不同。計(jì)算機(jī)通信要求能非?？煽坎?zhǔn)確無誤地傳送每一個(gè)比特。基于以上原因，必須尋找出適合于計(jì)算機(jī)通信的新的交換技術(shù)。 分組交換網(wǎng)分組交換的概念最初在1964年提出，1969年12月，美國第一個(gè)使用分組交換技術(shù)的ARPANET投入運(yùn)行，雖然當(dāng)時(shí)只有四個(gè)節(jié)點(diǎn)，但對(duì)分組交換技術(shù)的研究起了重要作用。 分組交換網(wǎng)要完成數(shù)據(jù)處理與數(shù)據(jù)通信兩大功能，在結(jié)構(gòu)上也可分成兩部分：負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)處理的計(jì)算機(jī)與終端（資源子網(wǎng)、邊緣部分、端系統(tǒng)）；負(fù)

7、責(zé)數(shù)據(jù)通信的通信控制處理機(jī)與通信線路（通信子網(wǎng)、核心部分）。 70年代中期，世界上便出現(xiàn)了由郵電部門或通信公司統(tǒng)一組建和管理的公用分組交換網(wǎng)，即公用數(shù)據(jù)網(wǎng)PDN，早期的PDN采用模擬通信的電話交換網(wǎng)，新型的PDN則采用數(shù)字傳輸技術(shù)和分組交換方法。典型的公用分組交換網(wǎng)有：美國的TELENET，加拿大的DATAPAC，法國的TRANSPAC，英國的PSS，日本的DDX等，我國于1989年11月建成CNPAC。 分組交換網(wǎng) 通信子網(wǎng) （分組交換網(wǎng)）主 機(jī)主 機(jī)主 機(jī)主 機(jī)ARPANET的成功使計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的概念發(fā)生根本變化 早期的面向終端的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)是以單個(gè)主機(jī)為中心的星形網(wǎng)各終端通過通信線路共享昂貴

8、的中心主機(jī)的硬件和軟件資源。 分組交換網(wǎng)則是以網(wǎng)絡(luò)為中心，主機(jī)都處在網(wǎng)絡(luò)的外圍。用戶通過分組交換網(wǎng)可共享連接在網(wǎng)絡(luò)上的許多硬件和各種豐富的軟件資源。 從主機(jī)為中心-以網(wǎng)絡(luò)為中心主機(jī)終端以主機(jī)為中心以分組交換網(wǎng)為中心主機(jī)分組交換網(wǎng)分組交換網(wǎng)PDN為計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展提供了良好的外部通信條件，與公用電話交換網(wǎng)相似，它可以為更多的用戶提供數(shù)據(jù)通信服務(wù)。以上討論的是利用遠(yuǎn)程通信線路組建的廣域網(wǎng)，隨著計(jì)算機(jī)的廣泛應(yīng)用，局部地區(qū)計(jì)算機(jī)連網(wǎng)的需求日益強(qiáng)烈。70年代初期，一些大學(xué)、研究所為把實(shí)驗(yàn)室或校園內(nèi)多臺(tái)計(jì)算機(jī)互連，開始了局域網(wǎng)絡(luò)的研究，1972年美國加州大學(xué)研制了Newhall網(wǎng)，1976年美國Xerox

9、公司研究了總線拓?fù)涞膶?shí)驗(yàn)性Ethernet網(wǎng)，1974年英國劍橋大學(xué)研制了Cambridge Ring網(wǎng)。這些研究成果對(duì)80年代局域網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展起了十分重要的作用。Back網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)與協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)化的研究 隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展與廣泛應(yīng)用，一些大的計(jì)算機(jī)公司紛紛開展計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的研究與產(chǎn)品開發(fā)工作，同時(shí)提出了各種網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)與網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，如IBM公司的SNA，DEC公司的DNA與UNIVAC公司的DCA。第三階段，網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)與協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)化的研究取得重大進(jìn)展，國際標(biāo)準(zhǔn)化組織ISO制訂和頒布了OSI模型（開放系統(tǒng)互連參考模型，OSI RM，Open System Interconnection Refer

10、ence Model），80年代，ISO與CCITT分別為各個(gè)層次制訂了一系列協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)。盡管對(duì)ISO/OSI RM的評(píng)價(jià)褒貶不一，但其研究成果對(duì)推動(dòng)網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)理論發(fā)展的作用是重大的。 網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)與協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)化的研究與此同時(shí)，局域網(wǎng)技術(shù)的研究也取得了突破性進(jìn)展。廣域網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，微型機(jī)的廣泛應(yīng)用，推動(dòng)了局域網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展。80年代，Ethernet、Token Ring、Token Bus形成了三足鼎立之勢(shì)，且已有了國際標(biāo)準(zhǔn)；光纖分布式數(shù)字接口FDDI在高速與主干網(wǎng)應(yīng)用方面起了重要作用。90年代，局域網(wǎng)技術(shù)在傳輸介質(zhì)、局域網(wǎng)操作系統(tǒng)和客戶機(jī)/服務(wù)器模式等方面取得了突破性的進(jìn)展，使局域網(wǎng)進(jìn)入成熟階

11、段；TCP/IP協(xié)議的廣泛應(yīng)用，使網(wǎng)絡(luò)互連技術(shù)也發(fā)展到一個(gè)嶄新的階段。BackInternet的應(yīng)用與高速網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展 Internet是覆蓋全球的信息基礎(chǔ)設(shè)施，用戶可利用Internet實(shí)現(xiàn)全球范圍的電子郵件，WWW信息查詢與瀏覽，電子新聞，文件傳輸，語音與圖象通信服務(wù)等功能。Internet是一個(gè)用路由器實(shí)現(xiàn)多個(gè)廣域網(wǎng)和局域網(wǎng)互連的大型網(wǎng)際網(wǎng)。高速網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展主要表現(xiàn)在高速局域網(wǎng)、交換局域網(wǎng)、虛擬局域網(wǎng)和B-ISDN、ATM技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用。信息技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用已成為衡量21世紀(jì)綜合國力與企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力的重要標(biāo)準(zhǔn)。1993年9月，美國宣布NII（國家信息基礎(chǔ)設(shè)施）計(jì)劃，該計(jì)劃被形象地稱為信息高速

12、公路。接著，世界各國紛紛制訂各自的信息高速公路建設(shè)計(jì)劃，1995年2月全球信息基礎(chǔ)設(shè)施委員會(huì)成立。 “全球一網(wǎng)”，任何人，在任何地點(diǎn)與任何時(shí)間都能使用各種通信服務(wù)。Back 無線網(wǎng)絡(luò)無線本地連接-藍(lán)牙技術(shù)無線局域網(wǎng)-IEEE802.11寬帶無線網(wǎng)-IEEE802.16Back計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的一般概念計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的定義計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的組成端系統(tǒng)的通信方式 網(wǎng)絡(luò)核心部分計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的分類 計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的性能計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的定義定義一批獨(dú)立自治的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的互連集合體。說明獨(dú)立自治的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，互連的手段是各種各樣的協(xié)議，在 Protocol 的支持下進(jìn)行工作。計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)與因特網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)把許多計(jì)算機(jī)連接在一起。因特網(wǎng)則把

13、許多網(wǎng)絡(luò)連接在一起。 (a)(b)網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)網(wǎng)（網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)）結(jié)點(diǎn)鏈路Back計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的組成一般講，計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)由計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、通信鏈路和網(wǎng)絡(luò)結(jié)點(diǎn)組成。例從功能上劃分，可以將計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)分為兩部分。資源子網(wǎng):主要包括擁有資源的用戶主機(jī)和請(qǐng)求資源的用戶終端、通信子網(wǎng)接口設(shè)備和軟件等，提供訪問網(wǎng)絡(luò)和處理數(shù)據(jù)的能力。通信子網(wǎng):提供網(wǎng)絡(luò)通信功能，完成主機(jī)之間的數(shù)據(jù)傳輸、交換、控制等通信任務(wù)。通信子網(wǎng)可分為交換和傳輸兩部分，交換部分指結(jié)點(diǎn)交換機(jī)，通常是一臺(tái)小型計(jì)算機(jī)，起通信控制和轉(zhuǎn)發(fā)作用。傳輸部分指高速通信線路，負(fù)責(zé)傳輸信息。因特網(wǎng)的邊緣部分與核心部分因特網(wǎng)的核心部分因特網(wǎng)的邊緣部分主機(jī)網(wǎng)絡(luò)路由器用戶因特網(wǎng)IS

14、P1ISP2因特網(wǎng)服務(wù)提供者用戶通過 ISP 上網(wǎng)根據(jù)提供服務(wù)的覆蓋面積大小以及所擁有的IP 地址數(shù)目的不同，ISP 也分成為不同的層次。 大公司公司本地 ISPAB主機(jī)A 本地 ISP 地區(qū) ISP 主干 ISP 地區(qū) ISP 本地 ISP 主機(jī)B本地 ISP主干 ISP本地 ISP本地 ISP地區(qū) ISP主干 ISP主干 ISP地區(qū) ISP地區(qū) ISP地區(qū) ISP本地 ISP本地 ISPIXP本地 ISP校園網(wǎng)校園網(wǎng)下面是具有三層 ISP 結(jié)構(gòu)的因特網(wǎng)的概念示意圖 Back因特網(wǎng)的邊緣部分處在因特網(wǎng)邊緣的部分就是連接在因特網(wǎng)上的所有的主機(jī)。這些主機(jī)又稱為端系統(tǒng)(end system)。 “

15、主機(jī) A 和主機(jī) B 進(jìn)行通信”，實(shí)際上是指：“運(yùn)行在主機(jī) A 上的某個(gè)程序和運(yùn)行在主機(jī) B 上的另一個(gè)程序進(jìn)行通信”。即“主機(jī) A 的某個(gè)進(jìn)程和主機(jī) B 上的另一個(gè)進(jìn)程進(jìn)行通信”。或簡(jiǎn)稱為“計(jì)算機(jī)之間通信” 兩種通信方式在網(wǎng)絡(luò)邊緣的端系統(tǒng)中運(yùn)行的程序之間的通信方式客戶服務(wù)器方式C/S 方式、即Client/Server方式 對(duì)等方式P2P 方式、即 Peer-to-Peer方式 Back客戶服務(wù)器方式客戶(client)和服務(wù)器(server)都是指通信中所涉及的兩個(gè)應(yīng)用進(jìn)程?？蛻舴?wù)器方式所描述的是進(jìn)程之間服務(wù)和被服務(wù)的關(guān)系?？蛻羰欠?wù)的請(qǐng)求方，服務(wù)器是服務(wù)的提供方?？蛻糗浖奶攸c(diǎn) 被用戶

16、調(diào)用后運(yùn)行，在打算通信時(shí)主動(dòng)向遠(yuǎn)地服務(wù)器發(fā)起通信（請(qǐng)求服務(wù)）。因此，客戶程序必須知道服務(wù)器程序的地址。不需要特殊的硬件和很復(fù)雜的操作系統(tǒng)。 服務(wù)器軟件的特點(diǎn) 一種專門用來提供某種服務(wù)的程序，可同時(shí)處理多個(gè)遠(yuǎn)地或本地客戶的請(qǐng)求。系統(tǒng)啟動(dòng)后即自動(dòng)調(diào)用并一直不斷地運(yùn)行著，被動(dòng)地等待并接受來自各地的客戶的通信請(qǐng)求。因此，服務(wù)器程序不需要知道客戶程序的地址。一般需要強(qiáng)大的硬件和高級(jí)的操作系統(tǒng)支持。對(duì)等連接方式 對(duì)等連接(peer-to-peer，簡(jiǎn)寫為 P2P)是指兩個(gè)主機(jī)在通信時(shí)并不區(qū)分哪一個(gè)是服務(wù)請(qǐng)求方還是服務(wù)提供方。只要兩個(gè)主機(jī)都運(yùn)行了對(duì)等連接軟件（P2P 軟件），它們就可以進(jìn)行平等的、對(duì)等連接通

17、信。雙方都可以下載對(duì)方已經(jīng)存儲(chǔ)在硬盤中的共享文檔。 對(duì)等連接方式的特點(diǎn)對(duì)等連接方式從本質(zhì)上看仍然是使用客戶服務(wù)器方式，只是對(duì)等連接中的每一個(gè)主機(jī)既是客戶又同時(shí)是服務(wù)器。例如主機(jī) C 請(qǐng)求 D 的服務(wù)時(shí)，C 是客戶，D 是服務(wù)器。但如果 C 又同時(shí)向 F提供服務(wù)，那么 C 又同時(shí)起著服務(wù)器的作用。網(wǎng)絡(luò)核心部分網(wǎng)絡(luò)的核心部分是由通信鏈路和結(jié)點(diǎn)交換機(jī)組成，完成傳輸和交換兩大功能。在多結(jié)點(diǎn)通信網(wǎng)絡(luò)中，為有效利用通信設(shè)備和線路，一般希望動(dòng)態(tài)地設(shè)定通信雙方間的線路。動(dòng)態(tài)地接通或斷開通信線路，稱為“交換”。交換通過結(jié)點(diǎn)來完成。常用的交換方式包括電路交換和分組交換。為了應(yīng)付復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，人們引入了拓?fù)涞?/p>

18、概念。計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)因特網(wǎng)的核心部分電路交換分組交換Back計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)拓?fù)?從圖論演變過來的幾何學(xué)的一個(gè)分支。拓?fù)涫紫劝褜?shí)體抽象成與大小、形狀無關(guān)的點(diǎn)，將連接實(shí)體的線路抽象成線，進(jìn)而研究點(diǎn)、線、面之間的關(guān)系。計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)渲饕侵竿ㄐ抛泳W(wǎng)的拓?fù)?。按照通信子網(wǎng)中信道類型，計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以被分為兩大類點(diǎn)點(diǎn)信道多點(diǎn)廣播信道采用點(diǎn)點(diǎn)信道的通信子網(wǎng)中，每條物理線路連接一對(duì)節(jié)點(diǎn)，基本拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有以下幾種：星型，環(huán)型，樹型，網(wǎng)狀型和全連接型。 點(diǎn)點(diǎn)信道多點(diǎn)廣播信道采用廣播信道的通信子網(wǎng)中，一個(gè)公共的通信信道被多個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)共享，基本拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有以下幾種：總線型，星型，環(huán)型，樹型，無線通信

19、與衛(wèi)星通信型。 因特網(wǎng)的核心部分因特網(wǎng)的核心部分是由許多網(wǎng)絡(luò)和把它們互連起來的路由器組成(而主機(jī)處在因特網(wǎng)的邊緣部分)。在因特網(wǎng)核心部分的路由器之間一般都用高速鏈路相連接(而在網(wǎng)絡(luò)邊緣的主機(jī)接入到核心部分則通常以相對(duì)較低速率的鏈路相連接)。路由器的用途則是用來轉(zhuǎn)發(fā)分組的，即進(jìn)行分組交換(而主機(jī)的用途是為用戶進(jìn)行信息處理的，并且可以和其他主機(jī)通過網(wǎng)絡(luò)交換信息）。H1H5H2H4H3H6路由器網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)絡(luò)核心部分主機(jī)電路交換（circuit switching）原理：直接利用可切換的物理通信線路，連接通信雙方。Figure Figure特點(diǎn)：在發(fā)送數(shù)據(jù)前，必須建立起點(diǎn)到點(diǎn)的物理通路；建立物理通路時(shí)間較

20、長(zhǎng)，數(shù)據(jù)傳送延遲較短；Figure(A通話前先撥號(hào)建立連接?？赡苤灰?jīng)過一個(gè)交換機(jī)（如 A 到 B）可能要經(jīng)過多個(gè)交換機(jī)（如 C 到 D）通話過程中，通信雙方一直占用所建立的(物理)連接。通話結(jié)束后，掛機(jī)釋放連接。電路交換的特點(diǎn)交換機(jī)交換機(jī)交換機(jī)交換機(jī)(交換機(jī)交換機(jī)BCD兩部電話機(jī)互相連通兩部電話機(jī)只需要用一對(duì)電線就能夠互相連接起來。 更多的電話機(jī)互相連通5 部電話機(jī)兩兩相連，需 10 對(duì)電線。N 部電話機(jī)兩兩相連，需 N(N 1)/2 對(duì)電線。當(dāng)電話機(jī)的數(shù)量很大時(shí)，這種連接方法需要的電線對(duì)的數(shù)量與電話機(jī)數(shù)的平方成正比。 使用交換機(jī)當(dāng)電話機(jī)的數(shù)量增多時(shí)，就要使用交換機(jī)來完成全網(wǎng)的交換任務(wù)。 交

21、換機(jī)“交換”的含義在這里，“交換”(switching)的含義就是轉(zhuǎn)接把一條電話線轉(zhuǎn)接到另一條電話線，使它們連通起來。從通信資源的分配角度來看，“交換”就是按照某種方式動(dòng)態(tài)地分配傳輸線路的資源。 H1H5H2H4H3H6發(fā)送的分組路由器AEDBC網(wǎng)絡(luò)核心部分主機(jī)分組交換網(wǎng)的示意圖H1A互聯(lián)網(wǎng)BDECH5H6H4H2H3H1 向 H5 發(fā)送分組H2 向 H6 發(fā)送分組注意分組路徑的變化！路由器主機(jī)注意分組的存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)過程H1A互聯(lián)網(wǎng)BDECH5H6H4H2H3H1 向 H5 發(fā)送分組路由器主機(jī)在路由器 E 暫存查找轉(zhuǎn)發(fā)表找到轉(zhuǎn)發(fā)的端口最后到達(dá)目的主機(jī) H5在路由器 C 暫存查找轉(zhuǎn)發(fā)表找到轉(zhuǎn)發(fā)的端口

22、在路由器 A 暫存查找轉(zhuǎn)發(fā)表找到轉(zhuǎn)發(fā)的端口路由器在路由器中的輸入和輸出端口之間沒有直接連線。路由器處理分組的過程是：把收到的分組先放入緩存（暫時(shí)存儲(chǔ)）；查找轉(zhuǎn)發(fā)表(路由表)，找出到某個(gè)目的地址應(yīng)從哪個(gè)端口轉(zhuǎn)發(fā)；把分組送到適當(dāng)?shù)亩丝谵D(zhuǎn)發(fā)出去。 主機(jī)和路由器的作用不同主機(jī)是為用戶進(jìn)行信息處理的，并向網(wǎng)絡(luò)發(fā)送分組，從網(wǎng)絡(luò)接收分組。路由器對(duì)分組進(jìn)行存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)，最后把分組交付目的主機(jī)。數(shù) 據(jù)數(shù) 據(jù)數(shù) 據(jù)分組交換 在發(fā)送端把要發(fā)送的報(bào)文分隔為較短的數(shù)據(jù)塊 每個(gè)塊增加帶有控制信息的首部構(gòu)成分組（包） 依次把各分組發(fā)送到接收端 接收端剝?nèi)ナ撞?，抽出?shù)據(jù)部分，還原成報(bào)文數(shù) 據(jù)分組11010011101 00101

23、001110報(bào)文發(fā)送端首部分組數(shù) 據(jù)首部分組首部數(shù) 據(jù)發(fā)送發(fā)送發(fā)送在前發(fā)送接收端數(shù) 據(jù)首部數(shù) 據(jù)首部數(shù) 據(jù)首部11010011101 00101001110分組從 A 傳送到 B 的過程網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)絡(luò)路由器路由器路由器路由器路由器路由器AB查找路由表目 的 地 下一跳路由器查找路由表目 的 地 下一跳路由器查找路由表目 的 地 下一跳路由器這就是基于存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)的分組交換分組交換的優(yōu)點(diǎn)高效 動(dòng)態(tài)分配傳輸帶寬，對(duì)通信鏈路 逐段占用。 靈活 以分組為傳送單位和查找路由。迅速 不必先建立連接就能向其他主機(jī) 發(fā)送分組。可靠 保證可靠性的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議；分布式 的路由選擇協(xié)議使網(wǎng)絡(luò)有很好的 生存性。

24、 分組交換帶來的問題分組在各結(jié)點(diǎn)存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)需要處理和排隊(duì)，這就會(huì)造成一定的時(shí)延。 分組必須攜帶的首部（里面有必不可少的控制信息）也造成了一定的開銷。 存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)原理并非完全新的概念 在 20 世紀(jì) 40 年代，電報(bào)通信也采用了基于存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)原理的報(bào)文交換(message switching)。 報(bào)文交換的時(shí)延較長(zhǎng)，從幾分鐘到幾小時(shí)不等?，F(xiàn)在報(bào)文交換已經(jīng)很少有人使用了。 三種交換的比較 P1P2P3P4P1P2P3P4P3P4報(bào)文報(bào)文報(bào)文A B C D A B C DA B C D報(bào)文交換電路交換分組交換t連接建立數(shù)據(jù)傳送報(bào)文P2P1連接釋放數(shù)據(jù)傳送的特點(diǎn)比特流直達(dá)終點(diǎn)報(bào)文報(bào)文報(bào)文分組分組分組存儲(chǔ)轉(zhuǎn)

25、發(fā)存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的分類按照不同的分類標(biāo)準(zhǔn)，計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)有著不同的分類方法。例如，按照拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分，可以分為總線網(wǎng)、環(huán)型網(wǎng)、網(wǎng)狀網(wǎng)等，按照使用范圍分，可以分為公用網(wǎng)和專用網(wǎng)。一種主要的分類方法-按照網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍或規(guī)模分類局域網(wǎng) LAN覆蓋范圍在十幾公里以內(nèi)，校園內(nèi)或辦公樓群的計(jì)算機(jī)連接所構(gòu)成的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)。局域網(wǎng)采用廣播信道的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。 廣域網(wǎng) WAN又叫遠(yuǎn)程網(wǎng)，覆蓋范圍在幾十到幾千公里，通?？缭胶艽蟮奈锢矸秶?，如一個(gè)國家。廣域網(wǎng)采用點(diǎn)點(diǎn)信道的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。 城域網(wǎng) MAN覆蓋范圍在十幾公里到幾十公里，可以跨越相距不遠(yuǎn)的幾棟辦公樓，也可以跨越一座城市。技術(shù)上與局域網(wǎng)相類似，采用兩條單

26、向總線的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。個(gè)人區(qū)域網(wǎng) PAN又叫無線個(gè)人區(qū)域網(wǎng)，覆蓋范圍在10米以內(nèi)，在個(gè)人工作的地方把屬于個(gè)人使用的電子設(shè)備（如筆記本電腦、手機(jī)等）用無線技術(shù)連接起來的網(wǎng)絡(luò)。Back計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的性能速率網(wǎng)絡(luò)中的主機(jī)或通信結(jié)點(diǎn)在信道上傳送數(shù)據(jù)的速率。Bit 來源于 binary digit，意思是一個(gè)“二進(jìn)制數(shù)字”，因此一個(gè)比特就是二進(jìn)制數(shù)字中的一個(gè) 1 或 0。速率即數(shù)據(jù)率(data rate)或比特率(bit rate)是計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中最重要的一個(gè)性能指標(biāo)。速率的單位是 b/s，或kb/s, Mb/s, Gb/s 等速率往往是指額定速率或標(biāo)稱速率。 計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的性能帶寬“帶寬”(bandwidth)

27、本來是指信號(hào)具有的頻帶寬度，單位是赫（或千赫、兆赫、吉赫等）。現(xiàn)在“帶寬”是數(shù)字信道所能傳送的“最高數(shù)據(jù)率”的同義語，單位是“比特每秒”，或 b/s (bit/s)。 數(shù)字信號(hào)流隨時(shí)間的變化在時(shí)間軸上信號(hào)的寬度隨帶寬的增大而變窄。 每秒 106 個(gè)比特時(shí)間1 0 1 0 1 11 s帶寬為1 Mb/s 時(shí)間每秒 4 106 個(gè)比特0.25 s帶寬為4 Mb/s 計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的性能吞吐量吞吐量(throughput)表示在單位時(shí)間內(nèi)通過某個(gè)網(wǎng)絡(luò)（或信道、接口）的數(shù)據(jù)量。吞吐量更經(jīng)常地用于對(duì)現(xiàn)實(shí)世界中的網(wǎng)絡(luò)的一種測(cè)量，以便知道實(shí)際上到底有多少數(shù)據(jù)量能夠通過網(wǎng)絡(luò)。吞吐量受網(wǎng)絡(luò)的帶寬或網(wǎng)絡(luò)的額定速率的限

28、制。 計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的性能時(shí)延傳輸時(shí)延（發(fā)送時(shí)延 ） 發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，數(shù)據(jù)塊從結(jié)點(diǎn)進(jìn)入到傳輸媒體所需要的時(shí)間。也就是從發(fā)送數(shù)據(jù)幀的第一個(gè)比特算起，到該幀的最后一個(gè)比特發(fā)送完畢所需的時(shí)間。 發(fā)送時(shí)延 = 數(shù)據(jù)塊長(zhǎng)度（比特）發(fā)送速率（比特/秒）時(shí)延(delay 或 latency)傳播時(shí)延 電磁波在信道中需要傳播一定的距離而花費(fèi)的時(shí)間。 信號(hào)傳輸速率（即發(fā)送速率）和信號(hào)在信道上的傳播速率是完全不同的概念。 傳播時(shí)延 = 信道長(zhǎng)度（米）信號(hào)在信道上的傳播速率（米/秒）時(shí)延(delay 或 latency)處理時(shí)延 交換結(jié)點(diǎn)為存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)而進(jìn)行一些必要的處理所花費(fèi)的時(shí)間。 排隊(duì)時(shí)延 結(jié)點(diǎn)緩存隊(duì)列中分組排隊(duì)所經(jīng)歷的

29、時(shí)延。排隊(duì)時(shí)延的長(zhǎng)短往往取決于網(wǎng)絡(luò)中當(dāng)時(shí)的通信量。時(shí)延(delay 或 latency)數(shù)據(jù)經(jīng)歷的總時(shí)延就是發(fā)送時(shí)延、傳播時(shí)延、處理時(shí)延和排隊(duì)時(shí)延之和： 總時(shí)延 = 發(fā)送時(shí)延+傳播時(shí)延+處理時(shí)延+處理時(shí)延四種時(shí)延所產(chǎn)生的地方 1 0 1 1 0 0 1發(fā)送器隊(duì)列在鏈路上產(chǎn)生傳播時(shí)延結(jié)點(diǎn) B結(jié)點(diǎn) A在發(fā)送器產(chǎn)生傳輸時(shí)延(即發(fā)送時(shí)延)在結(jié)點(diǎn) A 中產(chǎn)生處理時(shí)延和排隊(duì)時(shí)延數(shù)據(jù)從結(jié)點(diǎn) A 向結(jié)點(diǎn) B 發(fā)送數(shù)據(jù)鏈路容易產(chǎn)生的錯(cuò)誤概念 對(duì)于高速網(wǎng)絡(luò)鏈路，我們提高的僅僅是數(shù)據(jù)的發(fā)送速率而不是比特在鏈路上的傳播速率。 提高鏈路帶寬減小了數(shù)據(jù)的發(fā)送時(shí)延。 ABAB寬帶線路窄帶線路在寬帶線路上比特傳播得快在窄帶線

30、路上比特傳播得慢錯(cuò)誤的概念A(yù)BAB寬帶線路窄帶線路寬帶線路：每秒有更多比特從計(jì)算機(jī) 注入到線路。寬帶線路和窄帶線路上比特的傳播速率是一樣的。正確的概念比喻：汽車運(yùn)貨寬帶線路窄帶線路寬帶和窄帶線路：車速一樣寬帶線路：車距縮短時(shí)延帶寬積（傳播）時(shí)延鏈路帶寬時(shí)延帶寬積 = 傳播時(shí)延 帶寬鏈路的時(shí)延帶寬積又稱為以比特為單位的鏈路長(zhǎng)度。 時(shí)延帶寬積往返時(shí)間RTT往返時(shí)間RTT（Round-Trip Time）表示從發(fā)送方發(fā)送數(shù)據(jù)開始，到發(fā)送方收到來自接收方的確認(rèn)（接收方收到數(shù)據(jù)后立即發(fā)送確認(rèn)），總共經(jīng)歷的時(shí)間。利用率信道利用率指出某信道有百分之幾的時(shí)間是被利用的（有數(shù)據(jù)通過）。完全空閑的信道的利用率是零

31、。網(wǎng)絡(luò)利用率則是全網(wǎng)絡(luò)的信道利用率的加權(quán)平均值。信道利用率并非越高越好。 時(shí)延與網(wǎng)絡(luò)利用率的關(guān)系根據(jù)排隊(duì)論的理論，當(dāng)某信道的利用率增大時(shí)，該信道引起的時(shí)延也就迅速增加。 若令 D0 表示網(wǎng)絡(luò)空閑時(shí)的時(shí)延，D 表示網(wǎng)絡(luò)當(dāng)前的時(shí)延，則在適當(dāng)?shù)募俣l件下，可以用下面的簡(jiǎn)單公式表示 D 和 D0之間的關(guān)系： U 是網(wǎng)絡(luò)的利用率，數(shù)值在 0 到 1 之間。 時(shí)延 D利用率 U10D0時(shí)延急劇增大Back國內(nèi)外典型網(wǎng)絡(luò)介紹 Internet網(wǎng) 中國互連網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展 Internet網(wǎng) ARPANET NSFNET INTERNET BackARPANET第一階段：1969年11月，實(shí)驗(yàn)性ARPANET網(wǎng)開通

32、，只有分布在四所大學(xué)的四個(gè)結(jié)點(diǎn)(UCLA、UCSB、SRI和猶他大學(xué))。主要研究?jī)?nèi)容是分組交換設(shè)備，網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議，網(wǎng)絡(luò)通信與系統(tǒng)操作軟件。此后的幾年中，ARPANET發(fā)展迅速，到了1975年，已經(jīng)連入100多臺(tái)主機(jī)，從而結(jié)束實(shí)驗(yàn)階段，移交美國國防部國防通信局正式運(yùn)行。Figure第二階段：總結(jié)了第一階段的建網(wǎng)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，開始研究第二代網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，重點(diǎn)是解決網(wǎng)絡(luò)互連問題，從而導(dǎo)致了TCP/IP協(xié)議的出現(xiàn)和發(fā)展。 第三階段：TCP/IP協(xié)議在ARPANET上得到普及，1979年，越來越多的研究人員投入了此項(xiàng)研究與開發(fā)。1980年，ARPANET上所有主機(jī)都轉(zhuǎn)向TCP/IP協(xié)議，1983年，轉(zhuǎn)換工作結(jié)束

33、，ARPANET被分成了兩個(gè)部分，一部分仍叫ARPANET，用于進(jìn)一步的研究工作；另一部分叫MILNET，用于軍方的非機(jī)密通信。原始的ARPANET設(shè)計(jì)ARPANET第四階段：TCP/IP協(xié)議進(jìn)一步得到了推廣，美國軍方資助加州大學(xué)伯克利分校將TCP/IP協(xié)議嵌入U(xiǎn)NIX，SUN公司將TCP/IP協(xié)議引入廣泛的商業(yè)領(lǐng)域。隨著TCP/IP協(xié)議的標(biāo)準(zhǔn)化，ARPANET的規(guī)模不斷擴(kuò)大，美國國內(nèi)及世界各地都采用TCP/IP協(xié)議通過遠(yuǎn)程通信線路連入ARPANET。80年代，ARPANET的主機(jī)數(shù)量劇增，針對(duì)這一問題，人們提出了域名系統(tǒng)，將多個(gè)主機(jī)劃分為不同的域，通過域名來組織和管理互連網(wǎng)中的主機(jī)。80年代

34、中期，ARPANET成為Internet的主干網(wǎng)。1990年，ARPANET被新的網(wǎng)絡(luò)代替，MILNET目前仍在運(yùn)行。 NSFNET為了能夠使更多的大學(xué)共享ARPANET的資源，NSF（美國國家科學(xué)基金會(huì)）于1984年開始組建NSFNET，NSFNET的主干網(wǎng)連接美國六個(gè)超級(jí)計(jì)算機(jī)中心。NSFNET的通信子網(wǎng)所使用的硬件技術(shù)與ARPANET相同，軟件技術(shù)則從一開始就使用了TCP/IP協(xié)議。NSFNET的結(jié)構(gòu)是層次型的：分為主干網(wǎng)，地區(qū)網(wǎng)，校園網(wǎng)，各大學(xué)主機(jī)連入校園網(wǎng)，校園網(wǎng)連入地區(qū)網(wǎng)，地區(qū)網(wǎng)連入主干網(wǎng)，主干網(wǎng)再通過高速線路連入ARPANET。與此同時(shí)，其它一些國家與地區(qū)也在建設(shè)與NSFNET兼

35、容的網(wǎng)絡(luò)，歐洲的每個(gè)國家都建設(shè)有一個(gè)或多個(gè)國家網(wǎng)，它們都與NSFNET的地區(qū)網(wǎng)兼容。所有這些網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展都為最終Internet的廣泛應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。 INTERNET大量的網(wǎng)絡(luò)、主機(jī)和用戶都使用TCP/IP這種ARPANET的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議連入ARPANET，加上NSFNET與ARPANET的互連，ARPANET的規(guī)模呈指數(shù)式增長(zhǎng)。人們認(rèn)識(shí)到這種大型互連網(wǎng)的作用，到1996年底，Internet用戶已超過6000萬，連入的國家與地區(qū)有170多個(gè)。普通用戶通過寬帶接入技術(shù)連入Internet服務(wù)提供商，辦公室計(jì)算機(jī)通過局域網(wǎng)連入校園網(wǎng)或企業(yè)網(wǎng)，最后通過校園網(wǎng)進(jìn)入Internet。 90年代，WWW技術(shù)

36、及應(yīng)用使Internet達(dá)到了一個(gè)新的高潮。 中國互連網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展 中國科學(xué)院高能物理所從1987年起，即通過國際聯(lián)網(wǎng)線路進(jìn)入Internet使用電子郵件。1991年以專線方式實(shí)現(xiàn)同Internet的聯(lián)結(jié)，并開始為全國科學(xué)技術(shù)與教育界的專家提供服務(wù)。自1994年以來，高能物理網(wǎng)IHEPnet、中科院教育與科研示范網(wǎng)、國家教委科研教育網(wǎng)、國家公共數(shù)據(jù)網(wǎng)以及其他一些計(jì)算機(jī)網(wǎng)，先后完成同Internet的聯(lián)結(jié)。1995年后，出現(xiàn)商業(yè)性的ISP（Internet服務(wù)提供商），互聯(lián)網(wǎng)逐漸普及開來，商業(yè)化程度提高。1997年，互聯(lián)網(wǎng)相關(guān)資費(fèi)下調(diào)，ISP服務(wù)優(yōu)化，企業(yè)開始應(yīng)用互聯(lián)網(wǎng)。目前，全國各地區(qū)需要使用I

37、nternet的用戶都能夠通過不同的方式進(jìn)入Internet。中國互連網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展“政府上網(wǎng)工程” 、“企業(yè)上網(wǎng)工程” 、“家庭上網(wǎng)工程” 中國公用計(jì)算機(jī)互聯(lián)網(wǎng)（CHINANET）原郵電部系統(tǒng)，于1994年開始建設(shè)，首先在北京和上海建立國際節(jié)點(diǎn)，完成與國際互聯(lián)網(wǎng)和國內(nèi)公用數(shù)據(jù)網(wǎng)的互聯(lián)。它是目前國內(nèi)覆蓋面最廣，向社會(huì)公眾開放，并提供互聯(lián)網(wǎng)接入和信息服務(wù)的互聯(lián)網(wǎng)。 CHINANET也是一個(gè)分層體系結(jié)構(gòu)，由核心層、區(qū)域?qū)?、接入層三個(gè)層次組成，以北京網(wǎng)管中心為核心，按全國自然地理區(qū)域分為北京、上海、華北、東北、西北等8個(gè)大區(qū)，構(gòu)成8個(gè)核心層節(jié)點(diǎn)，圍繞8個(gè)核心節(jié)點(diǎn)形成8個(gè)區(qū)域，共31個(gè)節(jié)點(diǎn)，覆蓋全國各省、市、自治區(qū)，形成我國Internet的骨干網(wǎng)；以各省會(huì)城市為核心，聯(lián)接各省主要城市形成地區(qū)網(wǎng)，各地區(qū)網(wǎng)有各自的網(wǎng)管中心，分別管理由地區(qū)接入的用戶。各地區(qū)用戶由地區(qū)網(wǎng)接入，穿過骨干網(wǎng)通達(dá)CHINANET全國網(wǎng)。 中國互連網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展CHINANET提供的服務(wù)包括：Internet上所有的服務(wù)。E-Mail