计算机网络原理-第1章

计算机网络原理ThePrinciplesofComputerNetworking主讲教师：陶滔Email:[e-mail]参考书目《ComputerNetwork》（第五版）清华大学出版社《计算机局域网》胡道元清华大学出版社《计算机网络技术》蔡皖东西安电子科技大学出版社《计算机网络概论》何莉高等教育出版社《计算机通信网原理》林生西安电子科技大学出版社《计算机系统、数据库系统和通信网络的安全与保密》蒋继洪、黄月江西安电子科技大学出版社第1章概述1.1计算机网络在信息时代中的作用从工业经济向知识经济转变。知识经济中的两个重要特点是：信息化和全球化，必须依靠完善的网络。网络（三网）：电信网络有线电视计算机网络计算机网络起到核心作用，“三网合一”最终依靠计算机网络完成。什么是计算机网络？将分布在不同地理位置上的具有独立处理能力的多台计算机连接起来，按照统一的规则协同工作，实现资源共享和信息通信，这样的计算机系统称为计算机网络。因特网(Internet)成为计算机网络的代表，在最近的10多年中发展迅速。现在人们的生活、工作、学习和交往都已经离不开因特网。1.2计算机网络的发展过程计算机网络的产生计算机网络涉及到通信和计算机两个领域，两者相互结合。计算机与通信的相互结合主要有两个方面一方面，通信网络为计算机之间的数据传递和交换提供了必要的手段；另一方面，数字计算技术的发展渗透到通信技术中，有提高了通信网络的各种性能。1.2.1分组交换的产生现代计算机网络实际上是20世纪60年代美苏冷战时期的产物。传统的电路交换的电信网存在可靠性差的缺陷。在60年代初，美国国防部领导的远景研究规划局ARPA提出要研制一种崭新的、能够适应现代战争的、生存性很强的网络。新型网络必须满足的基本要求：1.用于计算机之间的数据传送；2.能够连接不同类型的计算机；3.所有的网络结点都同等重要；4.必须有冗余的路由；5.尽可能地简单，非常可靠地传送数据。根据以上要求，一批专家终于设计出了使用分组交换的新型计算机网络。电路交换交换机(a)两部电话机直接连接(b)5部电话机两两直接连接N(N-1)/2对电线(c)用交换机连接许多部电话机图1-1电话机的不同连接方法电路交换交换设备在通信双方找出一条实际的物理线路的过程。最早的电路交换连接是由电话接线员通过插塞建立的，现在则由计算机化的程控交换机实现。特点：数据传输前需要建立一条端到端的通路。呼叫—建立连接—传输—挂断优缺点：建立连接的时间长；一旦建立连接就独占线路，线路利用率低；无纠错机制；建立连接后，传输延迟小。电路交换形式空分交换交换比特流所经过的端口号时分交换交换比特流所经过的时隙波分交换交换载荷比特的光的波长面向连接的(connection-oriented)建立连接–通信–释放连接电路交换的示意图在通话的全部时间内用户始终占用端到端的固定传输带宽。交换机交换机交换机中继线中继线交换机用户线用户线ACDB图1-2电路交换的示意图报文交换在这种交换方式中,两个端点之间无需建立专用的信道。如果一个端点想要发送报文(数据传输单位)，则需要把目的端地址添加在报文中一起发送出去。报文将从一个节点被传送到另一个节点。在每个节点上,要接收整个报文并进行暂时存储，待信道空闲时再转发出去，一级一级中转，直到目的地。这种数据传输技术称为存储-转发。报文交换的优点与电路交换方式相比，报文交换方式具有如下优点:线路利用率高。因为节点之间的信道可被报文所共享。这样,对相同的流量要求,所需的总传输容量要小些。接收者和发送者无需同时工作,当接收者处于“忙”时,中间节点可将报文暂时存储起来。当流量加大时,在电路交换网络中可能导致一些呼叫被阻塞;而在报文交换网络中,报文仍然可以接收,但延时会增加。报文交换的缺点报文交换方式也存在一些缺点：报文大小不一，造成缓冲区管理复杂；大报文造成存储转发的延时过长；出错后整个报文全部重发；不适于实时通信或交互式通信，网络的延时比较长，波动范围比较大。分组交换将报文划分为若干个大小相等的分组(Packet)进行存储转发。分组(包)的构成：首部+数据段首部(header,包头)：包含目的地址、源地址等控制信息数据段长度相等，例如，每个数据段为1024bit101001110101100···········001010011101000数据首部分组数据首部分组数据首部分组发送在前报文图1-3分组的概念数据数据数据数据分组11010011101••••••••00101001110报文发送端首部分组数据首部分组首部数据发送发送发送在前发送接收端数据首部数据首部数据首部11010011101••••••••00101001110分组交换分组交换网分组交换网由若干结点交换机(nodeswitch)和连接这些交换机的链路组成。主机(host)是为用户进行信息处理的，并且可以通过网路和其他主机交换信息。结点交换机则是进行分组交换的，用来转发分组的。各结点交换机之间也要经常交换路由信息，但这是为了进行路由选择，即为转发分组找出一条最好路径。分组交换网的示意图ABDCEH1H2H4H6H3H5分组交换网12341234H1123412341234H2H4H6H5H3结点交换机高速链路ABDCE(a)分组交换网(b)具有两组端口的结点交换机图1-4分组交换网的示意图结点交换机结点交换机处理分组的过程：将收到的分组先放入缓存，再查找转发表，找出某个目的地址应从哪个端口转发，然后由交换机构将改分组传递给适当的端口转发出去。图1-4中有两对主机在进行通信：H1和H5H2和H6分组交换的优点高效：在分组传输的过程中动态分配传输带宽，对通信链路是逐段占用。灵活：每个结点均有智能，为每一个分组独立地选择转发的路由。迅速：以分组作为传送单位，通信之前可以不先建立连接就能发送分组；网络使用高速链路。可靠：完善的网络协议；分布式多路由的通信子网。分组交换存在的问题分组在各结点存储转发时需要排队，这会造成一定的时延；各分组必须携带的控制信息也造成了一定的开销(overhead)。电路交换报文交换分组交换t连接建立数据传送连接释放报文报文报文P1P2P3P4P1P2P3P4P1P2P3P4报文直达终点报文报文报文分组分组分组存储转发存储转发存储转发存储转发ABCDABCDABCD三种交换的比较图1-5三种交换的比较三种交换的比较电路交换：在数据传送开始之前必须首先建立一条独占的信道;在电路释放以前,该信道将被一对端点完全占用;对于猝发式的通信,电路利用率不高。报文交换：报文从源端传送到目的端采用存储-转发方式。在传送报文时,同时只占一段信道;在交换节点中需要缓冲存储,报文需要排队。因此,报文交换不能满足实时通信的要求。分组交换：报文被分成若干分组进行传输,并规定了最大的分组长度。由于一个分组的长度往往远小于整个报文的长度，因此分组交换比报文交换的时延小，但其结点交换机必须具有更强的处理能力。三种交换的比较若要连续传输大量的数据，且其传送时间远大于呼叫建立时间，则采用在数据通信之前预先分配传输带宽的电路交换较为合适。报文交换和分组交换不需要预先分配传输带宽，在传送突发数据时可提高整个网络的信道利用率。分组交换比报文交换的时延小，但其结点交换机必须具有更强的处理能力。应用现状分组交换技术是一种广泛应用于网络中的交换技术。现有的公共数据交换网都采用分组交换技术，如X.25网络等。局域网也采用分组交换技术。电路交换技术主要用于ISDN(IntegratedServicesDigitalNetwork,综合业务数字网)中。从以主机为中心演变成以网络为中心图1-6从以单个主机为中心(a)演变到以通信子网为中心(b)分组交换网主机主机终端(a)(b)1.2.2因特网时代ARPANET的诞生美国国防部国防前沿研究项目署（ARPA）于1969年建成第一个分组交换网ARPANET;1973年ARPA网扩展成互联网，第一批接入的有英国和挪威计算机。1974年ARPA的鲍勃·凯恩和斯坦福的温登·泽夫提出TCP/IP协议。1983年1月1日，ARPA网将其网络核心协议由NCP改变为TCP/IP协议。因特网时代NSFnet网的建立1986年，美国国家科学基金会（NationalScienceFoundation，NSF）建立了大学之间互联的骨干网络NSFnet，这是因特网历史上重要的一步。NSFnet采用TCP/IP协议作为统一的标准协议;1994年，NSFNET转为商业运营。三级结构的因特网国家主干网地区网校园网企业网地区网校园网企业网地区网校园网企业网图1-7三级结构的因特网基于ISP的多级结构的因特网的概念示意图一级ISP大公司大公司二级ISPNAPNAP二级ISP二级ISP二级ISP大公司本地ISP本地ISP公司本地ISP校园网校园网校园网校园网网络接入点AB图1-8基于ISP的多级结构的因特网的概念示意图因特网时代Internet–因特网1990年代，整个网络向公众开放。在1991年8月，在蒂姆·贝纳斯-李(TimBerners-Lee)在瑞士创立HTML、HTTP和欧洲粒子物理研究所(CERN)的最初几个网页之后两年，他开始宣扬其万维网(WorldWideWeb)项目。在1993年，Mosaic网页浏览器版本1.0被推出在1994年晚期，互联网开始逐步发展。1996年，“Internet”（因特网）一词被广泛的流通，不过是指几乎整个的万维网。1.2.3关于因特网的标准化工作因特网管理机构:因特网协会(InternetSociety,简称为ISOC)因特网体系结构研究委员会IAB(InternetArchitectureBoard)，负责管理因特网有关协议的开发。因特网工程部IETF•下设一些工作组，集中研究短期和中期的工程问题，主要针对协议的开发和标准化。因特网研究部IRTF•下设一些研究组，侧重于从理论方面研究和开发一些需要长期考虑的问题。IETFRFC所有的因特网标准都是以RFC的形式发表。RFC（RequstForComments)的中文意思就是“请求评论”。制定因特网的正式标准要经过一下的四个过程：因特网草案-在这个阶段还不是RFC文档建议标准-从这个阶段开始就成为RFC文档草案标准因特网标准RFC文档可以在查阅1.2.4计算机网络在我国的发展1989年11月我国第一个公用分组交换网CNPAC建成运行。1993年9月建成新的中国公用分组交换网，并改称CHINAPAC，由国家主干网和各省、区、市的省内网组成，在北京和上海设有国际出入口。1994年4月20日，我们用64kb/s专线正式接入因特网。同年5月，中科院高能物理所设立我国的第一个万维网服务器。1994年9月，中国公用计算机互联网CHINANET正式启动。我国主要的公用计算机网络中国公用计算机互联网CHINANET(中国电信)中国教育和科研计算机网CERNET中国科学技术网CSTNET中国联通互联网UNINET(中国联通)中国网通互联网CNCNET(中国网通)中国国际经济贸易互联网CIETNET中国移动互联网CMNET(中国移动)中国长城互联网CGWNET中国卫星集团互联网CSNET(中国卫通)中国铁通互联网CRNET(中国铁通)我国因特网的发展情况统计时间上网计算机数(万)上网用户数(万)Cn下注册的域名数站点数国际线路总容量(Mb/s)1997.1029.9624,0661,50025.4081999.174.721018,3965,300143.2562000.135089048,69515,1533512001.18922,250122,099265,4052,