计算机 网络第一讲引论

华中农业大学理学院计算机系第一章概论华中农业大学理学院计算机系主要内容•课程特点、课程目标及推荐参考书•计算机网络的产生和演变•计算机网络的基本概念•计算机网络的分类•计算机网络的性能指标华中农业大学理学院计算机系实用性、专业性、知识性计算机专业中实用性最强的技术课程。计算机课程中自学难度最大的课程。学习必须理论知识与实际练习并重。无理论知识——无法理解网络设计、系统管理故障分析、网络互连无实际练习——无法掌握安装、文件/目录及用户管理的具体方法课程特点华中农业大学理学院计算机系数据通讯的基本知识计算机网络的基本原理基本通信协议基本网络技术课程目标华中农业大学理学院计算机系参考书：《计算机网络》（第四版），AndrewS.Tanenbaum著，潘爱民等译清华大学出版社《计算机网络----自顶向下方法与internet特色》JamesF.Kurose等著陈鸣等译机械工业出版社出版《TCP/IP进行网际互连》(第三版第1卷)原著DOUGLASE.COMER清华大学影印版中译版:林瑶蒋慧等译电子工业出版社推荐参考书华中农业大学理学院计算机系第一章概论1.1计算机网络的产生和演变•计算机网络：计算机+通信•三个阶段：–以主机为中心的联机终端系统–以通信子网为中心的主机互连–具有层次化体系结构的标准化网络华中农业大学理学院计算机系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：担负计算和通信任务–多台终端：担负与用户的交互任务•连接方式——本地或远程连接THOSTTTTTTT华中农业大学理学院计算机系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”HOSTHOSTHOSTTTTTTTTTTT通信线路华中农业大学理学院计算机系由交换设备组成的传输网络——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TTRRHOSTHOSTTTTTRHOSTTTT通信子网两层网络概念的出现华中农业大学理学院计算机系3.层次化体系结构的标准化网络RRRHHH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HH华中农业大学理学院计算机系1.2计算机网络的基本概念•计算机网络的定义•计算机网络与分布式系统•交换技术华中农业大学理学院计算机系1计算机网络的定义相互连接的自治计算机的集合华中农业大学理学院计算机系互联网•计算机的互联：计算机网络•网络的互联：互联网•internet&Internet•客户/服务器模式华中农业大学理学院计算机系–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数据处理–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。2.计算机网络与分布式系统的区别华中农业大学理学院计算机系3.交换技术的概念和发展电路交换报文交换分组交换电路交换示意图1010011101000101001110首部数据首部数据首部数据报文分组发送在前华中农业大学理学院计算机系–交换设备在通信双方找出一条实际的物理线路的过程。–特点：数据传输前需要建立一条端到端的通路。—称为“面向连接的”–过程：建立连接→通信→释放连接–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。•不适用于计算机通信，因为计算机数据具有突发性的特点，真正传输数据的时间不到10%。电路交换华中农业大学理学院计算机系在交换过程中，交换设备将接收到的报文先存储，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。–传输之前不需要建立端到端的连接，仅在相邻结点传输报文时建立结点间的连接。——称为“无连接的”–缺点：•报文大小不一，造成存储管理复杂。•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。报文交换华中农业大学理学院计算机系–将报文划分为若干个大小相等的分组(Packet)进行存储转发。–数据传输前不需要建立一条端到端的通路。–有强大的纠错机制、流量控制和路由选择功能。–优点：•对转发结点的存储要求较低，可以用内存来缓冲分组——速度快；•转发延时小——适用于交互式通信；•某个分组出错可以仅重发出错的分组——效率高；•各分组可通过不同路径传输，容错性好。分组交换（包交换）华中农业大学理学院计算机系三种交换方式的事件顺序呼叫请求呼叫应答数据ABCD分组1分组2分组3报文ABCDABCD寻路延迟排队延迟线路交换报文交换分组交换分组4t华中农业大学理学院计算机系1.3计算机网络的分类•按技术分：广播式网络，点到点网络•按地域范围–局域网(LAN，LocalAreaNetwork)•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(MAN，MetropolitanAreaNetwork)•范围：中等，＜100KM•传输技术：宽带/基带•拓扑结构：总线–广域网(WAN，WideAreaNetwork)•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–互联网(Internet)华中农业大学理学院计算机系–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–总线•所有节点挂接到一条总线上，广播发送•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–不规则•点到点部分连接，多用于广域网–全连接•点到点全连接，随节点数的增长，建造成本急剧增长，只适用于节点数很少的广域网中按拓扑结构华中农业大学理学院计算机系星形拓扑树形拓扑总线形拓扑环形拓扑不规则拓扑全连接按拓扑结构华中农业大学理学院计算机系1.4计算机网络性能的性能指标•速率–比特（bit）是计算机中数据量的单位，也是信息论中使用的信息量的单位。–速率即数据率(datarate)或比特率(bitrate)是计算机网络中最重要的一个性能指标。–单位是b/s，或kb/s,Mb/s,Gb/s等。华中农业大学理学院计算机系•带宽–在通信链路上能够传送数字信号的速率，也称为比特率、通信速率、数据(传输)率–单位：bit/s(bps)，kbit/s，Mbit/s，Gbit/s华中农业大学理学院计算机系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。每秒106个比特时间1010111s带宽为1Mb/s时间每秒4106个比特0.25s带宽为4Mb/s华中农业大学理学院计算机系•吞吐量–吞吐量(throughput)表示在单位时间内通过某个网络（或信道、接口）的数据量。–吞吐量受网络的带宽或网络的额定速率的限制。•时延–信息从网络的一端传送到另一端所需的时间–时延=传播时延+发送时延+处理时延+排队时延•传播时延≈L/0.7c•发送时延=数据位数/信道带宽•排队时延=数据在中间结点等待转发的延迟时间华中农业大学理学院计算机系•往返时延RTT(Round-TripTime)–从源端发送数据开始，到源端收到目的端的确认所经历的时间–RTT≈2×传播时延华中农业大学理学院计算机系–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=时延带宽乘积时延带宽乘积华中农业大学理学院计算机系•利用率–信道利用率指出某信道有百分之几的时间是被利用的（有数据通过）。完全空闲的信道的利用率是零。–网络利用率则是全网络的信道利用率的加权平均值。–信道利用率并非越高越好。华中农业大学理学院计算机系小结•计算机网络•电路交换、报文交换与分组交换•计算机网络与分布式系统的区别•计算机网络的分类•计算机网络的性能