1
计算机网络
2
第一章 引论
本章内容
–计算机网络的产生和演变
–计算机网络的概念
–计算机网络的功能
–计算机网络的分类
–计算机网络的术语
3
1.1计算机网络的产生和演变
早期的计算机应用模式 —— 单机
– 大、中、小型机 — 庞大,昂贵,资源无法
共享
计算机网络产生始于 1950年,发展的动因:
– 资源共享的需求( CPU、外设、软件、数
据)
– 大型项目的合作(进行工程项目协作)
– 人与人之间的沟通(电子邮件,WWW)
4
从体系结构来观察,其发展可分为三
个阶段(三代网络):
1,以主机为中心的联机终端系统
2,以通信子网为中心的主机互连
3,具有层次化体系结构的标准化网络
5
1.以 主机 为中心的联机终端网络系统
特征 —— 共享主机软硬件资源
– 单台主机:执行计算和通信任务
– 多台终端:执行用户交互
连接方式 —— 本地或远程连接
HOST
TS
T
T
T
T T
T
T
6
例子:飞机订票系统
HOST(航空公司总部 )
Terminals(订票点 )
通信线路 (电话线路 )
缺点
– 主机负荷重 —— 数据处理+通信
– 线路利用率低
– 集中控制方式,可靠性低
改进
– 终端集中器 (近 /远距 )
– 前端处理机( Front End Processor,FEP),
通信任务分离
7
2.以通信子网为中心的主机互连
特征
– 多个终端联机系统的互联,形成了多主机为中
心的网络
– 网络结构从“主机-终端” 转变为“主机-主
机”
HOST
HOSTHOSTT
TT
T
T
T
T
TTT
通信线路
8
主机-主机网络的演变
演变阶段 1
– 通信任务从主机中
分离,由通信控制
处理机( CCP)完
成
– CCP:处理主机之
间通信任务的专用
计算机
CCP
CCP
HOST
HOST
T
T
TT
T
T
CCP
HOST
T T
9
两层网络概念的出现
– 由 CCP组成的传输网络 ——通信子网,为主机
提供信息传输服务
– 建立在通信子网基础上的主机集合 ——资源子
网, 提供计算资源
CCP
CCP
HOST
HOST
T
T
TT
T
T
CCP
HOST
TT
T
通信子网
10
两层网络的概念结构
C
CC
H H
H
资源子网
通信子网
在通信子网上可有
多个资源子网,共
享通信子网的服务
H
H
11
演变阶段 2
– 通信子网规模逐渐扩大
私有 → 社会公用
– 公用数据通信网
PSTN
X.25
– 优点
降低用户系统建设成本
提高通信线路利用率
兼容性好
公用数据
通信网
HOST
HOST
T
T
TT
T
T
HOST
T T
T
T
12
例子
– 因特网的前身 —— ARPANET
美苏冷战时期由美国军方建立的实验性网络
最初 4个节点 → 70’s的 60多个节点
地域跨越美洲、欧洲
具有现代网络的许多特征,例如
–分组交换
–分层次的网络体系
–较为完善的通信协议
13
3.具有层次化体系结构的标准化网络
为什么需要标准化?
– 不同网络设备之间的兼容性和互操作性 是推动
网络体系结构的标准化的原动力
标准化的时机?
– 各厂商、研究机构、大学在网络技术、方法、
理论等方面的研究日趋成熟是其基础
14
标准化过程的演变
– 厂商标准,IBM-SNA,DEC-DNA
缺点:适用范围:兼容性?
技术垄断:竞争?
标准不统一:用户利益?
– 国际标准
Open System Interconnection/ Recommended
Model(开放系统互联参考模型,简称 OSI参考模型 )
OSI参考模型是一种概念上的网络模型
规定了网络体系结构的框架
只说明了做什麼( WHAT TO DO)而未规定怎样做
( HOW TO DO)
– 事实上的标准,TCP/IP(因特网的骨干协议 )
15
4.因特网时代的到来
因特网的出现标志着网络时代的到来
因特网是全球性的网络
丰富的信息和便利的使用是其规模迅速增
长的主要驱动力
截止到 2000年,Internet的规模为
网络数 105(以数十万计),主机数 107 (以数千万
计),用户数 108 (以数亿计),主干速率为
2.5Gbit/s
美国政府资助的“下一代因特网计划”目
标是
主干网的速率比现在的因特网高 1000倍
端到端的速率要达到 100Mbit/s~10Gbit/s
16
1.2计算机网络的概念
计算机网络定义的主要观点
–以相互共享资源方式连接起来,且各自
具有独立功能的计算机系统的集合
–利用各种通信手段,把地理分散的计算
机互联起来,互相通信且共享资源的系
统
17
计算机网络定义的综合
– 归纳,相 互连接的自治计算机的集合
自治:能独立运行,不依赖于其他计算机
–主控-从属?
–主机-终端(第一代终端网络)?
互连:以任何通信方式
–有线方式:铜线、光纤
–无线方式:红外、无线电波、微波、卫星
18
计算机网络与分布式系统的区别
–分布式系统
在分布式 OS统一调度下,各计算机协
调工作,共同完成一项任务,如并行
计算。
用户面对的是一台逻辑上的计算机,
组成分布式系统的各计算机怎样协同
工作,对用户透明
用途主要是科学计算和事务处理
19
计算机网络与分布式系统的区别(续)
–计算机网络
非协调性的
松散耦合的
各计算机对用户非透明,用户必须指定资源
的位置
用途主要是资源共享
– 分布式系统往往是基于计算机网络来实现的。
在因特网中,域名服务系统( DNS)是分布式系
统的一项著名的应用。
20
1.3计算机网络能做什么
数据通信 (Communication Medium)
– 文件传输,IP电话,email、视频会议、信息发
布、交互式娱乐、音乐
资源共享 (Resource Sharing)
– 软件、硬件、数据(数据库)
高可靠性 (High Reliability)
– 利用可替代的资源,提供连续的高可靠服务
节省投资 (Save Money)
– 替代昂贵的大中型机系统
分布式处理 (Distributed Processing)
21
1.4计算机网络的主要分类形式
? 按地域范围分类
– 局域网 (Local Area Network, LAN)
范围:小,< 20KM
传输技术:基带,10-1000Mbps,延迟低,出错率低( 10-11)
拓扑结构:总线,环
– 城域网 (Metropolitan Area Network, MAN)
范围:中等,< 100KM
传输技术:宽带 /基带
拓扑结构:总线
– 广域网 (Wide Area Network, WAN)
范围:大,> 100KM
传输技术:宽带,延迟大,出错率高
拓扑结构:不规则,点到点
22
按通信传播方式分类:
–点对点传播方式的网络:由一对对机器
间的多条链路构成。这种网络上的报文
分组在信源和信宿之间需通过一台和多
台中间设备进行传播。
–广播方式网络:仅有一条通道,由网络
上所有的计算机共享。
–一般来说,局域性网络使用广播方式;
广域性网络使用点对点方式。
23
按拓扑结构分类
–星形
有一个中心节点,
其它节点与其构成
点到点连接
–树形
一个根结点、多个
中间分支节点和叶
子节点构成
星形拓扑
树形拓扑
24
按拓扑结构(续)
–总线
所有节点挂接到一
条总线上,广播式
信道
需要有介质访问控
制规程以防止冲突
–环形
所有节点连接成一
个闭合的环,结点
之间为点到点连接
总线形拓扑
环形拓扑
25
按拓扑结构分类(续)
– 全连接
点到点全连接,随节点数
的增长( Nx(N-1)/2),建
造成本急剧增长,只适用
于节点数很少的广域网中
– 不规则
点到点部分连接,多用于
广域网,由于连接的不完
全性,需要有交换节点
不规则拓扑
全连接
26
因特网中的拓扑结构
端接系统( PC、服务
器,PDA等)
交换 /节点设备(路由
器、集线器、交换机
等)
通信链路(光纤、线
缆、无线信号等)
因特网服务提供商
( ISP)提供网络接入
local ISP
company
network
regional ISP
router workstation
server mobile
27
计算机网络术语
带宽
– 带宽是通信信道的宽度,是信道频率上界与下
界之间之差,是介质传输能力的度量,在传统
的通信工程中通常以赫兹( Hz)为单位计量。
– 在计算机网络中,一般使用每秒位数 (b/s 或
bps) 作为带宽的计量单位。主要单位,kb/s,
Mb/s,Gb/s
– 一个以太局域网理论上每秒可以传输 1千万比
特,它的带宽相应为 10Mb/s。
28
计算机网络术语(续)
时延
– 信息从网络的一端传送到另一端所需的时间
– 时延之和 =处理时延 +排队时延 +发送时延 +传
播时延
处理时延 =分组首部和错误校验等处理(微秒)
排队时延 =数据在中间结点等待转发的延迟时间
发送时延 =数据位数 /信道带宽
传播时延 =d/s(毫秒) d:距离 s:传播速度 ≈ 光速
29
时延带宽乘积
– 某一链路所能容纳的比特数
– 时延带宽乘积 =带宽 × 传播时延
– 例如,某链路的 时延带宽乘积为 100万比特,
这意味着第一个比特到达目的端时,源端已发
送了 100万比特。
链路
带宽
传播时延
体积 =时延带宽乘积
30
往返时延 (Round-Trip Time, RTT)
–从信源发送数据开始,到信源收到信宿
确认所经历的时间
–RTT≈2 × 传播时延
传输可靠性
–两个含义:
数据能正确送达
数据能有序送达 (当采用分组交换时 )
31
本章小节
计算机网络的产生和演变
– 三代计算机网络的概念和演化过程
计算机网络的概念
– 相 互连接的自治计算机的集合
计算机网络的功能
– 通信、共享、可靠性、节约投资、分布处理
计算机网络的分类
– 地域分布、传播方式、拓扑结构
计算机网络
2
第一章 引论
本章内容
–计算机网络的产生和演变
–计算机网络的概念
–计算机网络的功能
–计算机网络的分类
–计算机网络的术语
3
1.1计算机网络的产生和演变
早期的计算机应用模式 —— 单机
– 大、中、小型机 — 庞大,昂贵,资源无法
共享
计算机网络产生始于 1950年,发展的动因:
– 资源共享的需求( CPU、外设、软件、数
据)
– 大型项目的合作(进行工程项目协作)
– 人与人之间的沟通(电子邮件,WWW)
4
从体系结构来观察,其发展可分为三
个阶段(三代网络):
1,以主机为中心的联机终端系统
2,以通信子网为中心的主机互连
3,具有层次化体系结构的标准化网络
5
1.以 主机 为中心的联机终端网络系统
特征 —— 共享主机软硬件资源
– 单台主机:执行计算和通信任务
– 多台终端:执行用户交互
连接方式 —— 本地或远程连接
HOST
TS
T
T
T
T T
T
T
6
例子:飞机订票系统
HOST(航空公司总部 )
Terminals(订票点 )
通信线路 (电话线路 )
缺点
– 主机负荷重 —— 数据处理+通信
– 线路利用率低
– 集中控制方式,可靠性低
改进
– 终端集中器 (近 /远距 )
– 前端处理机( Front End Processor,FEP),
通信任务分离
7
2.以通信子网为中心的主机互连
特征
– 多个终端联机系统的互联,形成了多主机为中
心的网络
– 网络结构从“主机-终端” 转变为“主机-主
机”
HOST
HOSTHOSTT
TT
T
T
T
T
TTT
通信线路
8
主机-主机网络的演变
演变阶段 1
– 通信任务从主机中
分离,由通信控制
处理机( CCP)完
成
– CCP:处理主机之
间通信任务的专用
计算机
CCP
CCP
HOST
HOST
T
T
TT
T
T
CCP
HOST
T T
9
两层网络概念的出现
– 由 CCP组成的传输网络 ——通信子网,为主机
提供信息传输服务
– 建立在通信子网基础上的主机集合 ——资源子
网, 提供计算资源
CCP
CCP
HOST
HOST
T
T
TT
T
T
CCP
HOST
TT
T
通信子网
10
两层网络的概念结构
C
CC
H H
H
资源子网
通信子网
在通信子网上可有
多个资源子网,共
享通信子网的服务
H
H
11
演变阶段 2
– 通信子网规模逐渐扩大
私有 → 社会公用
– 公用数据通信网
PSTN
X.25
– 优点
降低用户系统建设成本
提高通信线路利用率
兼容性好
公用数据
通信网
HOST
HOST
T
T
TT
T
T
HOST
T T
T
T
12
例子
– 因特网的前身 —— ARPANET
美苏冷战时期由美国军方建立的实验性网络
最初 4个节点 → 70’s的 60多个节点
地域跨越美洲、欧洲
具有现代网络的许多特征,例如
–分组交换
–分层次的网络体系
–较为完善的通信协议
13
3.具有层次化体系结构的标准化网络
为什么需要标准化?
– 不同网络设备之间的兼容性和互操作性 是推动
网络体系结构的标准化的原动力
标准化的时机?
– 各厂商、研究机构、大学在网络技术、方法、
理论等方面的研究日趋成熟是其基础
14
标准化过程的演变
– 厂商标准,IBM-SNA,DEC-DNA
缺点:适用范围:兼容性?
技术垄断:竞争?
标准不统一:用户利益?
– 国际标准
Open System Interconnection/ Recommended
Model(开放系统互联参考模型,简称 OSI参考模型 )
OSI参考模型是一种概念上的网络模型
规定了网络体系结构的框架
只说明了做什麼( WHAT TO DO)而未规定怎样做
( HOW TO DO)
– 事实上的标准,TCP/IP(因特网的骨干协议 )
15
4.因特网时代的到来
因特网的出现标志着网络时代的到来
因特网是全球性的网络
丰富的信息和便利的使用是其规模迅速增
长的主要驱动力
截止到 2000年,Internet的规模为
网络数 105(以数十万计),主机数 107 (以数千万
计),用户数 108 (以数亿计),主干速率为
2.5Gbit/s
美国政府资助的“下一代因特网计划”目
标是
主干网的速率比现在的因特网高 1000倍
端到端的速率要达到 100Mbit/s~10Gbit/s
16
1.2计算机网络的概念
计算机网络定义的主要观点
–以相互共享资源方式连接起来,且各自
具有独立功能的计算机系统的集合
–利用各种通信手段,把地理分散的计算
机互联起来,互相通信且共享资源的系
统
17
计算机网络定义的综合
– 归纳,相 互连接的自治计算机的集合
自治:能独立运行,不依赖于其他计算机
–主控-从属?
–主机-终端(第一代终端网络)?
互连:以任何通信方式
–有线方式:铜线、光纤
–无线方式:红外、无线电波、微波、卫星
18
计算机网络与分布式系统的区别
–分布式系统
在分布式 OS统一调度下,各计算机协
调工作,共同完成一项任务,如并行
计算。
用户面对的是一台逻辑上的计算机,
组成分布式系统的各计算机怎样协同
工作,对用户透明
用途主要是科学计算和事务处理
19
计算机网络与分布式系统的区别(续)
–计算机网络
非协调性的
松散耦合的
各计算机对用户非透明,用户必须指定资源
的位置
用途主要是资源共享
– 分布式系统往往是基于计算机网络来实现的。
在因特网中,域名服务系统( DNS)是分布式系
统的一项著名的应用。
20
1.3计算机网络能做什么
数据通信 (Communication Medium)
– 文件传输,IP电话,email、视频会议、信息发
布、交互式娱乐、音乐
资源共享 (Resource Sharing)
– 软件、硬件、数据(数据库)
高可靠性 (High Reliability)
– 利用可替代的资源,提供连续的高可靠服务
节省投资 (Save Money)
– 替代昂贵的大中型机系统
分布式处理 (Distributed Processing)
21
1.4计算机网络的主要分类形式
? 按地域范围分类
– 局域网 (Local Area Network, LAN)
范围:小,< 20KM
传输技术:基带,10-1000Mbps,延迟低,出错率低( 10-11)
拓扑结构:总线,环
– 城域网 (Metropolitan Area Network, MAN)
范围:中等,< 100KM
传输技术:宽带 /基带
拓扑结构:总线
– 广域网 (Wide Area Network, WAN)
范围:大,> 100KM
传输技术:宽带,延迟大,出错率高
拓扑结构:不规则,点到点
22
按通信传播方式分类:
–点对点传播方式的网络:由一对对机器
间的多条链路构成。这种网络上的报文
分组在信源和信宿之间需通过一台和多
台中间设备进行传播。
–广播方式网络:仅有一条通道,由网络
上所有的计算机共享。
–一般来说,局域性网络使用广播方式;
广域性网络使用点对点方式。
23
按拓扑结构分类
–星形
有一个中心节点,
其它节点与其构成
点到点连接
–树形
一个根结点、多个
中间分支节点和叶
子节点构成
星形拓扑
树形拓扑
24
按拓扑结构(续)
–总线
所有节点挂接到一
条总线上,广播式
信道
需要有介质访问控
制规程以防止冲突
–环形
所有节点连接成一
个闭合的环,结点
之间为点到点连接
总线形拓扑
环形拓扑
25
按拓扑结构分类(续)
– 全连接
点到点全连接,随节点数
的增长( Nx(N-1)/2),建
造成本急剧增长,只适用
于节点数很少的广域网中
– 不规则
点到点部分连接,多用于
广域网,由于连接的不完
全性,需要有交换节点
不规则拓扑
全连接
26
因特网中的拓扑结构
端接系统( PC、服务
器,PDA等)
交换 /节点设备(路由
器、集线器、交换机
等)
通信链路(光纤、线
缆、无线信号等)
因特网服务提供商
( ISP)提供网络接入
local ISP
company
network
regional ISP
router workstation
server mobile
27
计算机网络术语
带宽
– 带宽是通信信道的宽度,是信道频率上界与下
界之间之差,是介质传输能力的度量,在传统
的通信工程中通常以赫兹( Hz)为单位计量。
– 在计算机网络中,一般使用每秒位数 (b/s 或
bps) 作为带宽的计量单位。主要单位,kb/s,
Mb/s,Gb/s
– 一个以太局域网理论上每秒可以传输 1千万比
特,它的带宽相应为 10Mb/s。
28
计算机网络术语(续)
时延
– 信息从网络的一端传送到另一端所需的时间
– 时延之和 =处理时延 +排队时延 +发送时延 +传
播时延
处理时延 =分组首部和错误校验等处理(微秒)
排队时延 =数据在中间结点等待转发的延迟时间
发送时延 =数据位数 /信道带宽
传播时延 =d/s(毫秒) d:距离 s:传播速度 ≈ 光速
29
时延带宽乘积
– 某一链路所能容纳的比特数
– 时延带宽乘积 =带宽 × 传播时延
– 例如,某链路的 时延带宽乘积为 100万比特,
这意味着第一个比特到达目的端时,源端已发
送了 100万比特。
链路
带宽
传播时延
体积 =时延带宽乘积
30
往返时延 (Round-Trip Time, RTT)
–从信源发送数据开始,到信源收到信宿
确认所经历的时间
–RTT≈2 × 传播时延
传输可靠性
–两个含义:
数据能正确送达
数据能有序送达 (当采用分组交换时 )
31
本章小节
计算机网络的产生和演变
– 三代计算机网络的概念和演化过程
计算机网络的概念
– 相 互连接的自治计算机的集合
计算机网络的功能
– 通信、共享、可靠性、节约投资、分布处理
计算机网络的分类
– 地域分布、传播方式、拓扑结构