第一章計算機網絡概述(船海)

《計算機網絡技術及應用》劉競機械學院工業(yè)工程系郵箱：hust_lj@163.com教材：袁楚明主編，《計算機網絡技術及應用》，華中科技大學出版社，2012年。參考書：劉冰主編,《計算機網絡技術與應用》，機械工業(yè)出版社，2008年。參考書：謝希仁編著，《計算機網絡》第3、4、5版，電子工業(yè)出版社。

AndrewS.Tanenbaum，《計算機網絡》（3），熊桂喜、王小虎等譯，清華大學出版社，1998。學時安排總學時４８學時，其中：課堂３２學時，實驗上機１６學時。1．課堂教學內容(32學時)(1).計算機網絡基本概念（2學時）(2).數(shù)據通信技術基礎（4學時）(3).網絡體系結構（3學時）(4).局域網技術（3學時）(5).廣域網技術和網絡互聯(lián)（4學時）(6).Internet技術及應用（4學時）(7).網絡安全技術（2學時）(8).基本網絡開發(fā)應用技術（6學時）（HTML語言與JavaScript語言）2．實驗教學內容(16學時)(1).網絡常用命令、計算機局域網構建與配置(4學時)(2)WWW、FTP服務器配置(4學時)(3)網頁制作（HTML、JavaScript編寫）(4學時)(4).網站制作與發(fā)布(4學時)閉卷考試（70％）上機實驗（30％）考核方式課程的定位基礎：基本概念、基本原理、基本知識。對計算機網絡有一個整體認識，主要是入門、打基礎。面向應用而不是面向研究，如果要研究計算機網絡技術，還需進一步深入學習相關知識。前言第1章計算機網絡基礎知識教學要求掌握：計算機網絡的基本構成；計算機網絡的發(fā)展歷史、功能應用、拓撲結構、計算機網絡的分類和計算機網絡的若干術語。了解：為什么要使用計算機網絡；計算機網絡新發(fā)展新應用。1.1什么是計算機網絡第1章計算機網絡基礎知識

計算機網絡是將地理位置分散的、功能獨立的多臺計算機系統(tǒng)通過線路和設備互連起來，以功能完善的網絡軟件實現(xiàn)網絡中資源共享和信息交換的系統(tǒng)。1.2產生與發(fā)展

計算機網絡是計算機技術和通信技術相結合的產物。隨著計算機技術和通信技術的不斷發(fā)展，計算機網絡經歷了從簡單到復雜，從單機到多機的發(fā)展過程，主要可分為三個階段：第一代計算機網絡（以單個主機為中心聯(lián)機系統(tǒng)）第二代計算機網絡（以通信子網為中心）第三代計算機網絡（采用層次體系結構）第四代計算機網絡（新一代CN綜合化、高速化、統(tǒng)一網絡）1.2.1第一代計算機網絡

概念上，我們將此時的計算機系統(tǒng)稱之為多用戶系統(tǒng)。由于這類多用戶系統(tǒng)還支持用戶的遠程接入方式。第一代計算機網絡是面向終端的計算機網絡，又稱為聯(lián)機系統(tǒng)，始建于20世紀50年代初?？煽闯墒怯嬎銠C網絡的早期形式。特征——共享主機軟硬件資源單臺主機：執(zhí)行計算和通信任務多臺終端：執(zhí)行用戶交互連接方式——本地或遠程連接

通信與計算機的結合——計算機網絡的產生單重接入控制方式的主要特征：（a）為實現(xiàn)計算機主機與遠程終端相連，必須在主機中增加一個接口，稱之為“線路控制器”(linecontroller)。（b）此外在通信線路的兩端還必須各加上一個信號變換設備M。這是因為電話線路本來是為傳送模擬的話音信號而設計的，它不適合于傳送計算機數(shù)字信號。多重接入控制方式的特征:

隨著遠程終端的增多，為了避免一臺計算機使用多個線路控制器，出現(xiàn)了多重線路控制器。前端處理機接入方式的特征：引入所謂的前端處理機完成全部的通信任務（故一般又將前端處理機稱為通信處理機），而讓主機（即原來的計算機）專門進行數(shù)據的處理。這樣就大大地提高了主機進行數(shù)據處理的效率。

早期的接入方式現(xiàn)在仍在使用，如銀行的ATM柜員機等。集中器接入方式特征：為了節(jié)省通信費用，可在遠程終端較密集處加一個集中器(Concentrator)。集中器的一端用多條低速線路與各終端相連，其另一端則用一條較高速的線路與計算機相連。集中器一個智能復用器，它可利用一些終端的空閑時間來傳送其它處于工作狀態(tài)的終端的數(shù)據。1.2.1第一代計算機網絡科學計算

飛機訂票系統(tǒng)

HOST(航空公司總部)Terminals(訂票點)通信線路(電話線路)缺點主機負荷重——數(shù)據處理＋通信線路利用率低用戶少,適用范圍有限,為一個個計算機孤島

例子特征歸納（1）集中式控制形式；（2）結構上呈現(xiàn)星型結構；（3）結構形式簡單；（4）數(shù)據通信主要依賴于電話網絡。1.2.2第二代計算機網絡

第二代計算機網絡是以共享資源為目的的計算機通信網絡，簡稱計算機通信網絡。面向終端的計算機網絡只能在終端和主機之間進行通信，計算機之間無法通信。從20世紀60年中期開始，出現(xiàn)了多個主機互聯(lián)的系統(tǒng)，可以實現(xiàn)計算機和計算機之間的通信。特征多個終端聯(lián)機系統(tǒng)的互聯(lián)，形成了多主機為中心的網絡網絡結構從“主機－終端”轉變?yōu)椤爸鳈C－主機”1.2.2第二代計算機網絡

計算機通信網絡的結構在邏輯上可分為：通信子網和資源子網。二者合一構成以通信子網為核心，以資源共享為目的的網絡。CCPCCPHOSTHOSTTTTTTTCCPHOSTTTT通信子網通信處理機CP（通信控制處理機CCP、或稱接口報文處理機IMP）1.2.2第二代計算機網絡A.資源子網：由計算機系統(tǒng)、終端、外設、軟件資源、信息資源組成，負責全網的數(shù)據處理業(yè)務，向網絡用戶提供各種網絡資源與網絡服務。B.通信子網：由通信控制處理機（CommunicationControlProcessor,CCP）、通信線路和其他通信設備組成，完成網絡數(shù)據傳輸、轉發(fā)等通信處理任務。CCCHHH資源子網通信子網HH在通信子網上可有多個資源子網，共享通信子網的服務從邏輯上計算機網絡的組成:1.2.2第二代計算機網絡ARPANET——因特網的前身美蘇冷戰(zhàn)時期由美國軍方建立的實驗性網絡最初4個節(jié)點→70’s的60多個節(jié)點地域跨越美洲、歐洲具有現(xiàn)代網絡的許多特征，例如分組交換（分組傳送、共享節(jié)點，存儲/轉發(fā)以及路由選擇）分層次的網絡體系較為完善的通信協(xié)議例子報文（Message):我們將欲發(fā)送的整塊數(shù)據稱為一個報文。分組(Packet):在發(fā)送報文之前，先將報文劃分成為一個個等長數(shù)據段（如每個段為1024位）。然后以分組為單位，在網絡中從一個（中間）結點傳送到另一個（中間）結點。10110….101100110…11011010001…101報文段首部數(shù)據

首部

數(shù)據分組H1H2H3H4H5H6ABDCE資源子網分組交換網由若干個結點交換機和鏈路組成。H1H2H3H4H5H6ABDCE資源子網

將收到的分組先放入緩沖區(qū)存儲;

再查找路由表，確定將該分組交給某個端口轉發(fā)。分組交換網的主要特點：

★被傳送數(shù)據應分成若干分組分別傳送，在數(shù)據通信的過程中斷續(xù)（動態(tài)）分配傳輸帶寬，使得通信線路的利用率得以大大提高?！锿ㄐ抛泳W中的交換結點為共享結點，為了提高分組交換網的可靠性，常采用網狀拓撲結構，使得當發(fā)生網絡擁塞或少數(shù)網點、鏈路出現(xiàn)故障時，可靈活地改變路由而不致引起通信的中斷或全網的癱瘓?！锿ㄐ啪W絡的主干線路往往由一些高速鏈路構成。★通信子網中的每個交換結點都應具有分組的存儲/轉發(fā)以及選擇合適路由的能力。1.2.3第三代計算機網絡第三代計算機網絡又稱現(xiàn)代計算機網絡，它是一個具有層次化體系結構的標準化網絡。通信子網RRRRRHRHHHS局域網HRHHHS局域網HRHHHS局域網1.2.3第三代計算機網絡1.廣域網的發(fā)展ARPANET－第一個分組交換網；1974年，IBM的系統(tǒng)網絡體系結構SNA；1975年，DEC的分布式網絡體系結構DNA；網絡應用的普及和發(fā)展，促使基礎設施的建設：通信子網規(guī)模逐漸擴大私有→社會公用公用數(shù)據通信網PSTNX.25優(yōu)點降低用戶系統(tǒng)建設成本提高通信線路利用率兼容性好Internet時代

ARPANET民用網絡MILNET軍用網絡ARPANET69年84年NSFNET美國科學基金網INTERNET90年86年INTERNETNGI計劃10GInternet發(fā)展過程萬維網WWWCERN開發(fā)INTERNET180個國家60萬個網絡98年

計算機發(fā)展Internet時代

60年代ARPANET 1964，美國蘭德公司提出基本概念

1969，四個節(jié)點的ARPANET的推出；AT&T開發(fā)出UNIX70年代ARPANET

主要用于科學研究，56kbps，主機數(shù)量<100 1972，施樂公司開發(fā)出以太網，第一封E-mail誕生

1973，ARPANET實現(xiàn)與衛(wèi)星通信系統(tǒng)的連接

1974，TCP/IP通信協(xié)議開發(fā)成功90年代私有化、商業(yè)化、全球化

1990，E-mail、FTP廣泛應用

1992，Internet上的主機超過1百萬臺

1993，主干網速率達到45Mbps，UniversityOfIllinois開發(fā)出Netscape最早是由美國政府于1993年9月15日提出的，又稱為“NII（NationalInformationInfrastructure）行動計劃”，該計劃包括五大部分內容，即：

硬件設備軟件信息本身使用和開發(fā)信息的各種人高速信息網

1994，NSFNET分解成為多個私營網絡

1996，Java 1997，NC：NGI（NextGenerationInternet）NII計劃（國家信息基礎設施）——GII計劃（全球信息基礎設施）——NGI計劃（下一代Internet）計算機網絡在我國的發(fā)展鐵道部在1980年開始進行計算機聯(lián)網實驗1989年我國建成第一個公用分組交換網CNPAC,1993年改為CHINAPAC1994年4.20我國用64kbps專線連入因特網我國最先開通四大互聯(lián)網絡：CHINANET（中國公用計算機互聯(lián)網）、CERNET（中國教育和科研計算機網

）、CSTNET（中國科學技術網）、CHINAGNB（中國金橋信息網），以及后續(xù)開通的UNINET、CNCNET、CIETNET、CMNET、CGWNET、CSNET等。中國的互聯(lián)網發(fā)展歷程1994－1999：學習互聯(lián)網建設應用2000－2004：攻克關鍵技術：核心路由器下一代互聯(lián)網的研究：NSFCNET國家“九五”863計劃：3Tnet2005－2010：研究互聯(lián)網體系結構國家自然科學基金重點項目973計劃項目：新一代互聯(lián)網體系結構基礎研究國家“十五”863計劃：新一代高可信互聯(lián)網國務院批準，國家發(fā)改委、科技部等八部委組織實施：中國下一代互聯(lián)網示范工程CNGIIPv6現(xiàn)況

下一代互聯(lián)網，始于1996年美國克林頓政府的NGI(NextGenerationInternet)計劃，與目前使用的互聯(lián)網相比，它的傳輸速度更快、規(guī)模更大、更安全。美國早在1999年就已建成全國180所大學聯(lián)網的下一代互聯(lián)網，日本已在日美之間建起了最大的IPv6主干網，歐盟也于2001年建成了覆蓋全歐的“6Net”，中國1999年12月即已開始了下一代互聯(lián)網研究的第一個項目----NSFCNET(中國高速互聯(lián)研究試驗網)。但限于種種因素，還只限于清華大學、北京大學、中國科學院等6個節(jié)點。CERNETIPv4主干網

中國互聯(lián)網現(xiàn)狀截至2009年12月31日，中國網民規(guī)模達到3.84億人。寬帶網民規(guī)模達3.46億人，手機上網網民規(guī)模達到2.33億人。2009年中國IPv4地址量達到2.32億，IPv4地址的增速已經連續(xù)兩年落后于網民的增速，同時國際IP地址面臨被分配殆盡的形勢。推進互聯(lián)網向以IPv6為基礎的下一代互聯(lián)網過渡已成當務之急。2009年底域名總數(shù)為1682萬，其中80%為.CN域名。2009年有83.2%的網民在家上網，30.2%的網民在單位上網。2009年網絡應用使用率排名前三甲分別是網絡音樂（83.5%），網絡新聞（80.1%），搜索引擎（73.3%）。商務交易類應用的用戶規(guī)模增長最快，平均年增幅68%。其中，網上支付用戶年增幅80.9%，在所有應用中排名第一，旅游預訂、網絡炒股、網上銀行和網絡購物用戶規(guī)模分別增長了77.9%、67.0%、62.3%和45.9%。1.2.3第三代計算機網絡2.局域網的發(fā)展早期的計算機網絡大多為廣域網;20世紀70年代，PC機出現(xiàn);80年代，PC機性能不斷提高，價格不斷下降，使PC進入各行各業(yè)，甚至家庭;信息交換和資源共享的需求越來越迫切，人們要求在一棟樓或一個部門內的計算機互聯(lián)，于是局域網（LocalAreaNetwork,LAN）應運而生。1.2.3第三代計算機網絡3.標準化與互聯(lián)網為什么需要標準化？不同網絡設備之間的兼容性和互操作性是推動網絡體系結構的標準化的原動力標準化的時機？各廠商、研究機構、大學在網絡技術、方法、理論等方面的研究日趨成熟是其基礎1.2.3第三代計算機網絡3.標準化與互聯(lián)網標準化過程的演變廠商標準：IBM-SNA，DEC-DNA缺點：適用范圍：兼容性？技術壟斷：競爭？標準不統(tǒng)一：用戶利益？國際標準，1984年ISO公布：OpenSystemInterconnection/RecommendedModel(開放系統(tǒng)互聯(lián)參考模型，簡稱OSI參考模型)OSI參考模型是一種概念上的網絡模型規(guī)定了網絡體系結構的框架事實上的標準：TCP/IP(因特網的骨干協(xié)議)一類企業(yè)賣標準，二類企業(yè)賣服務，三類企業(yè)賣產品1.3計算機網絡的功能與應用功能資源共享巨型計算機，大容量磁盤，打印機，…數(shù)據庫管理系統(tǒng)，Internet信息服務軟件，…搜索與查詢信息，WEB網頁，F(xiàn)TP資源，電子書籍，…數(shù)據交換和通信分布式數(shù)據處理負載均衡提高系統(tǒng)的可靠性和可用性提高系統(tǒng)的性價比，易于擴充，便于維護1.3計算機網絡的功能與應用應用

在科研和教育中的應用查資料，網上學術交流，網絡教育，網絡交付作業(yè)，網上考試，…在事業(yè)單位中的應用辦公自動化，異地辦公，…在商業(yè)上的應用網上購物，網上支付，…在通信與娛樂上的應用電子郵件，BBS，…網絡游戲，…校園網在高校的發(fā)展時間技術(網管)規(guī)模(點)應用起步1994－199710MEther,ATM＋ACLN*100,中心區(qū)Email＋www＋ftp發(fā)展1998－2001100/1000MEther+FWN*1000，辦公區(qū)部分教學＋科研＋管理MIS跨越2002－20051000/10000M主干＋802.1xN*10000,學生區(qū)音視頻服務＋基礎平臺高潮2005－2008N*萬兆/λ/內OSPF/安全高效、可控可營全校區(qū)1G/光纖到桌面數(shù)字平臺（教科管＋娛樂＋生活）＋IDC＋組播持續(xù)2008－未來多環(huán)、多出口、IPv6網絡，無線網、接入控制成熟規(guī)模穩(wěn)定新校發(fā)展全面進入教育電子政務,應用大發(fā)展21世紀的校園網環(huán)境移動接入網上學校校園網校園IC卡應用數(shù)字化圖書館高性能計算音視頻＋組播校園IC卡應用教育中心教務管理網絡授選課多媒體工作室虛擬實驗室網絡教學P2P學習游戲娛樂校園網未來六大應用平臺1.教學平臺：BB；精品課程；教學資源庫…2.科研平臺：HPC,虛擬實驗室，分布仿真實驗室，虛擬制造，學術組織…3.管理平臺：行政管理，OA，校內群發(fā)email,黨員生活…4.生活平臺一卡通（銀行、餐廳圖書、校內消費）網上購物…5.娛樂平臺網絡游戲，電影Voice平臺：VOIP，MP3點播Video平臺：P2PTV…6.傳感平臺道路＋重點大樓＋關鍵辦公室的公安傳感家電＋水電等的生活傳感…項目案例簡介“十一五”國家科技支撐計劃重點項目：《虛擬實驗教學環(huán)境關鍵技術研究與應用示范》共設置有六個子課題：課題1:虛擬實驗開發(fā)、評價與管理規(guī)范的研究與測試課題5：開放式虛擬實驗支撐平臺的設計與開發(fā)課題2：虛擬實驗教學可視化設計關鍵技術研究課題3：虛擬實驗教學資源構件的多領域建模與裝配平臺研究課題4:虛擬實驗智能指導與管理系統(tǒng)的研發(fā)課題6：虛擬實驗示范工程（包括計算機、電工電子、機械工程、控制工程、中學科學課程（物理、化學、生物）五個學科的虛擬實驗示范工程）網絡拓撲結構20個節(jié)點：2個webserver1個memcache14個計算節(jié)點1個I/O節(jié)點（LB）2個postgredb總體結構圖1.4計算機網絡的基本組成硬件1.計算機系統(tǒng)被連接對象（如服務器、網絡工作站）。負責數(shù)據的收集、處理、存儲、傳播、提供共享資源。2.通信線路和通信設備通信線路：光纜、同軸電纜、雙絞線、無線電纜…通信設備：網卡、集線器、中繼器、交換機、網橋、路由器、調制解調器…1.4計算機網絡的基本組成軟件3.網絡協(xié)議雙方必須共同遵守的約定和通信規(guī)則。TCP/IP、NetBEUI、IPX/SPX…4.網絡軟件網絡系統(tǒng)軟件：網絡操作系統(tǒng)…網絡應用軟件：遠程教學軟件、Internet信息服務軟件…按拓撲結構分類總線結構環(huán)型結構星形結構樹形結構網狀結構1.5計算機網絡的分類在研究計算機網絡組成結構的時候，經常用拓撲學中一種研究與大小形狀無關的點、線特性的方法，即拋開網絡中的具體設備，把工作站、服務器等網絡單元抽象為“結點”，把網絡中的電纜等通信介質抽象為“線”，從拓撲學的觀點看計算機網絡就變成了點和線組成的幾何圖形，我們稱它為網絡的拓撲結構。1.5計算機網絡的分類計算機網絡按拓撲結構的分類總線結構環(huán)型結構星形結構樹形結構網狀結構全互連型結構1.5計算機網絡的分類總線結構廣播式傳播需要發(fā)送數(shù)據時才發(fā)送。所有節(jié)點隨時監(jiān)聽，接收數(shù)據時分析是否該接收。特點：結構簡單靈活，易擴展，便于廣播式傳播；網絡響應速度快，但負荷重時性能迅速下降；局部站點故障不影響整體，總線故障，影響整體；易于安裝，費用低。1.5計算機網絡的分類環(huán)型結構所有節(jié)點連接成一個閉合的環(huán)，結點之間為點到點連接，采用令牌控制、發(fā)送數(shù)據。特點：節(jié)點之間無主從關系，結構簡單；信息沿環(huán)單向傳遞，延遲固定，實時性較好；兩節(jié)點間僅有唯一的路徑，簡化了路徑選擇，但可擴充性差；可靠性差，任何線路或節(jié)點故障，則整體故障；1.5計算機網絡的分類星型結構有一個中心節(jié)點，其它節(jié)點與其構成點到點連接。特點：結構簡單，便于維護和管理，易實現(xiàn)結構化布線、易擴充、易升級；通信線路專用，電纜成本高；采用集中控制方式，中心結點的可靠性決定整個網絡的可靠