第 1 章 计算机网络概论

1. 第1章 计算机网络概论

2. 本章学习要求： • 了解：计算机网络的形成与发展 • 掌握：计算机网络的定义 • 掌握：计算机网络的拓扑构型 • 掌握：计算机网络的分类 • 了解：典型的计算机网络 • 了解：公共数据网的发展 • 了解：计算机网络的应用领域 • 了解：计算机网络应用带来的社会问题

3. 1.1计算机网络的形成与发展

4. 1.1.1 计算机网络发展阶段的划分 • 第一阶段：20世纪50年代 数据通信技术的研究与发展 • 第二阶段：20世纪60年代 ARPANET与分组交换技术的研究与发展 • 第三阶段：20世纪70年代 网络体系结构与协议标准化的研究 广域网、局域网与公用分组交换网的研究与应用 • 第四阶段：20世纪90年代 Internet技术的广泛应用 网络计算技术的研究与发展 宽带城域网与接入网技术的研究与发展 网络与信息安全技术的研究与发展

5. 1.1.2 计算机网络的形成 • 1946年世界上第一台电子数字计算机ENIAC诞生时，计算机技术与通信技术并没有直接的联系； • 20世纪50年代初，由于美国军方的需要，美国半自动地面防空系统（SAGE）的研究开始了计算机技术与通信技术相结合的尝试； • 随着计算机应用的发展，出现多台计算机互连的需求，网络用户希望通过网络实现计算机资源共享的目的； • 典型的研究成果是ARPA网。

6. ARPANET是计算机网络技术发展的一个重要的里程碑，它对计算机网络技术发展的主要贡献表现在以下几个方面：ARPANET是计算机网络技术发展的一个重要的里程碑，它对计算机网络技术发展的主要贡献表现在以下几个方面： • 完成了对计算机网络定义、分类的研究； • 提出了资源子网、通信子网的网络结构概念； • 研究了分组交换方法； • 采用了层次结构的网络体系结构模型与协议体系； • 促进了TCP/IP协议的发展 • 为Internet的形成与发展奠定了基础

7. ARPANET的研究成果在推动计算机网络发展上有着深远的意义。在它的基础上，七、八十年代计算机网络发展十分迅速，出现了大量的计算机网络，仅美国国防部就资助建立了多个计算机网络；同时还出现了一些研究试验性网络、公共服务网络、校园网。ARPANET的研究成果在推动计算机网络发展上有着深远的意义。在它的基础上，七、八十年代计算机网络发展十分迅速，出现了大量的计算机网络，仅美国国防部就资助建立了多个计算机网络；同时还出现了一些研究试验性网络、公共服务网络、校园网。

8. 计算机网络要完成数据处理与数据通信两大基本功能，那么计算机网络从逻辑功能上就可以分为资源子网和通信子网两部分;计算机网络可以分成资源子网与通信子网来分别组建； • 资源子网由主计算机系统、终端、连网外设、各种软件资源与信息资源组成； • 资源子网负责全网的数据处理业务，向网络用户提供各种共享的网络资源与网络服务。 • 通信子网由通信控制处理机、通信线路与其它通信设备组成，完成网络数据传输、转发等通信处理任务。 • 通信子网可以是公用的； • 70年代中期，世界上便开始出现了由邮电部门或通信公司统一组建和管理的公用分组交换网，即公用数据网PDN； • 公用分组交换网为计算机网络发展提供良好的外部通信条件，它可以为更多的用户提供数据通信服务。

9. 通信子网与资源子网的结构

10. 通过远程通信线路组建的网络——广域网； • 局部区域计算机连网——局域网； • 在70年代初期，一些大学和研究所为实现实验室或校园内多台计算机共同完成科学计算与资源共享的目的，开始了局域计算机网络的研究。 • 1972年美国加州大学研制了Newhall环网； • 1974年英国剑桥大学研制了Cambridge Ring环网； • 1976年美国Xerox公司研究了总线拓扑的实验性Ethernet网；

11. 1.1.3 网络体系结构与协议标准化的研究 • 一些大的计算机公司提出了各种网络体系结构与网络协议； • 国际标准化组织（ISO）成立专门委员会研究网络体系结构与网络协议国际标准化问题； • ISO正式制订开放系统互连参考模型，并制订了一系列的协议标准； • 在1969年ARPANET的实验性阶段，研究人员就开始了TCP/IP协议雏形的研究； • TCP/IP协议的成功促进了Internet的发展，Internet的发展又进一步扩大了TCP/IP协议的影响。

12. 1.1.4 Internet的应用与高速网络技术 • Internet的广泛应用促进了电子商务、电子政务、远程教育、远程医疗、分布式计算与视频点播的发展； • 高速局网络技术发展迅速，Fast Ethernet、Gigabit Ethernet已开始进入实用阶段，速率为10Gbps的Ethernet网正在研究之中； • 基于光纤与IP技术的宽带城域网与宽带接入网技术已经成为研究、应用与产业发展的热点问题之一； • Internet网络计算技术已经成为重要的网络应用与研究领域。

13. 1.1.5 宽带网络与全光网络技术 1、宽带网络的建设 • 很多国家的政府与企业投入巨额资金，把宽带网络作为战略产业来发展； • 宽带网络在基础设施、网络产品、信息服务等多个层面上提供了巨大的市场机会，为新的网络服务运营商提供了发展的空间，从而也带动了网络产业的结构调整； • 宽带网络建设的两个关键是宽带骨干网技术和宽带接入网技术的发展； • 宽带骨干网又称为核心网络，基于光纤通信系统，能实现大范围的数据流传送。 2、全光网络的研究 • 全光网（AON）会给未来通信网的宽带、容量带来更大地发展空间。 • 全光网以光结点取代现有网络的电结点，利用光纤将光结点互连成网络，利用光波完成信号的传输、交换等功能

14. 1.2计算机网络的定义★

15. 1.2.1 计算机网络定义的基本内容 • 资源共享观点将计算机网络定义为：以能够相互共享资源的方式互连起来的自治计算机系统的集合。 • 由一个主结点与多个从结点组成的计算机系统不是计算机网络，带有多个远程终端或远程打印机的计算机系统也不是一个计算机网络 • 或：将地理位置不同的两台以上的具有独立功能的计算机，通过通信设备和通信介质连接起来，以功能完善的网络软件，实现资源共享的计算机系统 • 计算机网络的主要功能： • 通信、资源共享、分布式处理、提高计算机的可靠性和可用性

16. 1.2.1 计算机网络定义的基本内容 • 计算机网络的基本特征： • 网络建立的主要目的是实现计算机资源的共享； • 计算机资源主要指：计算机硬件、软件与数据 • 互连的计算机是分布在不同地理位置的多台独立的“自治计算机系统”； • 互连计算机无明确主从关系，各台既可联网工作，也可脱网独立工作。 • 连网计算机在通信过程中必须遵循相同的网络协议。

17. 1.2.2 计算机网络与分布式计算机系统的区别 • 分布式计算机系统中“存在着一个能为用户自动管理资源的网络操作系统，由它调用完成用户任务所需要的资源，而整个网络像一个大的计算机系统一样对用户是透明的。” • 计算机网络为分布式系统的研究提供了技术基础，而分布式系统是计算机网络技术发展的高级阶段。

18. 分布式系统一般具有特征 • 系统拥有多种通用的物理和逻辑资源，可以动态地给它们分配任务 • 系统中分散的物理和逻辑资源通过计算机网络实现信息交换 • 系统中存在一个以全局方式管理系统资源的分布式操作系统 • 系统中的计算机之间既合作又自治 • 系统内部结构对用户是完全透明的。

19. 计算机网络与分布式计算机系统的关系与区别 • 共同点 • 分布式系统一般建立在计算机网络上，所以两者在物理结构上基本相同 • 不同点 • 分布式操作系统与网络操作系统的设计思想不同，两者的结构、工作方式与功能不同。所以两者主要区别在高层软件上 • 分布式系统是一个建立在计算机网络上的软件系统。这软件可保证系统的一致性与透明性 • 两者关系 • 计算机网络为分布式系统的研究提供了技术基础 • 分布式系统是计算机网络发展的高级阶段。

20. 1.2.3 现代网络结构的特点 1、早期计算机网络结构： • 计算机网络要完成数据处理与数据通信两大基本功能； • 早期计算机网络主要是广域网，它从逻辑功能上分为资源子网和通信子网两个部分； • 资源子网—负责数据处理的主计算机与终端 • 通信子网—负责数据通信处理的通信控制处理机与通 信线路

21. 资源子网和通信子网两个部分的结构示意图

22. （1）资源子网 • 组成： • 由主机、终端、终端控制器、联网外设、各种软件与信息资源组成。 • 主计算机系统简称为主机（Host）:大型机、中型机或小型机。主机是资源子网的主要组成单元 • 终端：是用户访问网络的界面, 终端可以是简单的输入、输出终端，也可以是带有微处理机的智能终端; 终端可以通过主机连入网内，也可以通过终端控制器、报文分组组装与拆卸装置或通信控制处理机连入网内。 • 作用 • 负责全网的数据处理业务，向网络用户提供各种网络资源与网络服务

23. （2）通信子网 • 组成： • 由通信控制处理机、通信线路与其他通信设备组成。 • 通信控制处理机在网络拓扑结构中被称为网络结点； • 通信控制处理机作为与资源子网的主机、终端的连接的接口，将主机和终端连入网内； • 通信控制处理机作为通信子网中的分组存储转发结点，完成分组的接收、校验、存储、转发等功能； • 早期的ARPA net中，承担通信控制处理机功能的设备是接口报文处理机（interface message processor，IMP）。 • 作用 • 负责完成网络数据传输、转发等通信处理任务

24. 2、现代的计算机网络结构 • 随着微型计算机的广泛应用，大量的微型计算机是通过局域网连入广域网，而局域网与广域网、广域网与广域网的互连是通过路由器实现的； • 在Internet中，用户计算机需要通过校园网、企业网或ISP联入地区主干网，地区主干网通过国家主干网联入国家间的高速主干网，这样就形成一种由路由器互联的大型、层次结构的互联网络。

25. Internet结构示意图

26. 现代计算机网络结构 各级主干网络 各种接入网络 各种局域网用户 个人用户 现代计算机网络结构

27. 1.3 计算机网络的拓扑构型

28. 1.3.1 计算机网络拓扑的定义 • 网络拓扑是抛开网络中的具体设备，把网络中的计算机、各种通信设备抽象为“点”，把网络中的通信介质抽象为“线”，从拓扑学的观点去看计算机网络，就形成了由“点”和“线”组成的几何图形，从而抽象出网络系统的具体结构。这种采用拓扑学方法描述各个节点之间的连接方式的图形称为网络的拓扑结构图。; • 计算机网络拓扑主要是指通信子网的拓扑构型; • 拓扑设计对网络性能、系统可靠性与通信费用都有重大影响。

29. 1.3.2 计算机网络拓扑的分类 1、网络拓扑的分类： • 按通信子网中的通信信道类型分： • 广播信道通信子网拓扑 • 特点：一个公共的通信信道被 多个网络结点共享； • 广播信道通信子网的4种基本拓扑构型：总线型、树型、 环型、无线通信与卫星通信型 • 点-点线路通信子网拓扑 • 特点：每条物理线路连接一对结点； • 点-点线路的通信子网4种基本拓扑构型：星型、环型、树型、网状型

30. 2、 点-点线路通信子网拓扑 • 星形结构特点 • 结点通过点—点通信线路与中心结点连接。中心结点控制全网的通信，任何两结点之间的通信都要通过中心结点。 • 结构简单，易于实现，便于管理。 • 但是网络的中心结点是全网可靠性的瓶颈，中心结点故障可能造成全网瘫痪 • 环形结构 • 结点通过点—点通信线路连接成闭合环路 • 环中数据将沿一个方向逐站传送； • 环型拓扑结构简单，传输延时确定； • 环中数据沿一个方向逐站传送；结构简单，传输时延确定 • 环中每结点与通信线路都会成为网络可靠性瓶颈，环中任何结点出现线路故障，都可能造成网络瘫痪。网络维护和结点的加入与撤出过程较为复杂。

31. 2、 点-点线路通信子网拓扑 • 树形结构 • 树形结构是星型结构的扩展 • 结点按层次进行连接，信息交换在上、下层结点之间进行，相邻及同层结点间一般不进行信息交换或信息交换量小。 • 具有星形结构连接简单、易于扩充、易于进行故障隔离等特点。 • 树型拓扑网络适用于汇集信息的应用要求； • 网形结构 • 网形结构是一种不规则的连接，通常一个节点与其他节点之间有两条以上的通路。 • 网络拓扑复杂，必须采用路由选择算法与流量控制方法。 • 目前，广域网基本采用网状拓扑构型

32. 1.4 计算机网络的分类 按网络所使用的传输技术分类 按网络的覆盖范围与规模分类

33. 1.4.1 根据网络传输技术进行分类 • 通信信道的类型有两类： • 广播通信信道 • 点-点通信信道 • 相应的计算机网络也可以分为两类： • 广播式网络（Broadcast Networks） • 所有联网计算机共享一个公共通信信道，当一台计算机利用共享通信信道发送报文分组时，所有其他计算机都会接收到这个分组。分组中带有目的地址，若分组中的目的地址与本地地址相同的计算机则接收该分组，否则丢弃。 • 分组的目的地址可分： • 单结点地址、多结点地址和广播地址 • 点-点式网络（Point-to-Point Networks） • 网络中计算机各有线路或通过中央结点转发。分组存储转发与路由选择机制。

34. 1.4.2 根据网络覆盖范围进行分类 • 按覆盖的地理范围分类，计算机网络可以分为三类： • 局域网（LAN，Local Area Network） • 用于将有限范围内的各种计算机、终端及外部设备连接成网络，彼此高效的共享资源 • 城域网（MAN，Metropolitan Area Network） • 城域网是介于局域网和广域网之间的网络，覆盖范围在几十公里内，用于将一个城市、一个地区的企业、机关、学校的局域网连接起来，实现一个区域内的资源共享 • 广域网（WAN，Wide Area Network） • 广域网覆盖的地理范围一般在几十公里以上，覆盖一个地区、一个国家或者更大范围

35. 1、局域网 • 局域网的技术特点 • 覆盖有限的地理范围，它适用于公司、机关、校园、工厂等有限范围内的计算机、终端与各类信息处理设备连网的需求； • 提供高数据传输速率（10Mbps～10Gbps）、低误码率的高质量数据传输环境； • 一般属于一个单位所有，易于建立、维护与扩展； • 从介质访问控制方法的角度，局域网可分为共享介质式局域网与交换式局域网两类。

36. 2、城域网 • 城域网的技术特点 • 城域网是介于广域网与局域网之间的一种高速网络； • 城域网设计的目标是要满足几十公里范围内的大量企业、机关、公司的多个局域网互连的需求； • 实现大量用户之间的数据、语音、图形与视频等多种信息的传输功能； • 城域网在技术上与局域网相似。

37. 3、广域网 • 广域网的技术特点 • 广域网也称为远程网； • 覆盖的地理范围从几十公里到几千公里； • 覆盖一个国家、地区，或横跨几个洲，形成国际性的远程网络； • 通信子网主要使用分组交换技术； • 它将分布在不同地区的计算机系统互连起来，达到资源共享的目的。

38. 1.5典型计算机网络

39. 1.5.1 ARPANET • 1969年11月，实验性的ARPANET开通； • 1975年，ARPANET 已经连入了100多台主机，并且结束了网络实验阶段，移交美国国防部国防通信局正式运行； • 1983年1月，ARPANET向TCP/IP的转换结束； • 80年代中期，ARPANET成为Internet的主干网； • 1990年，ARPANET退役。 • ARPANET对网络的产生与发展起了重要的影响。

40. 1.5.2 NSFNET • 1984年，NSF决定组建NSFNET； • NSFNET采取的是一种层次型结构，分为主干网、地区网与校园网； • 1990年，NSFNET主干网的传输速率为44.746Mbps； • 1995年4月1日，NSF和MCI合作创建了NvBS（very high-speed backbone service） ； • vBNS主干网运行的速率范围是从622Mbps（OC12）到4.8G bps（OC48）。

41. 1.5.3 Internet • 80年代中期人们开始认识到Internet的重要作用； • 90年代是Internet历史上发展的最快的时期； • Internet应用主要有E-mail、WWW、Telnet、FTP与Usenet等，随着Internet规模和用户的不断增长，Internet上的应用领域也进一步得到开拓； • 从用户的角度来看，Internet是一个全球范围的信息资源网； • 从网络结构角度看，Internet是一个由路由器互联起来的大型网际网。

42. 1.5.4 Internet2 • 由于Internet的商业化与业务量增多，导致网络整体性能降低； • 1996年10月，一些大学申请建立Internet2，为其成员组织服务，初始运行速率可达10Gbps； • Internet 2可以用于多媒体虚拟图书馆、远程医疗、远程教学、视频会议、视频点播、天气预报等领域； • Internet 2在网络层运行的是IPv4，同时也支持IPv6业务，希望形成下一代Internet的技术与标准。

43. internet 和 Internet 的区别 • 以小写字母 i开始的 internet（互联网或互连网）是一个通用名词，它泛指由多个计算机网络互连而成的网络。 • 以大写字母I开始的的 Internet（因特网）则是一个专用名词，它指当前全球最大的、开放的、由众多网络相互连接而成的特定计算机网络，它采用 TCP/IP 协议族作为通信的规则，且其前身是美国的 ARPANET。

44. 1.6 公共数据网的发展 公共数据网PDN（Public Data Netword)建设为组建广域网奠定基础 X.25 帧中继 B-ISDN ATM

45. 1.6.1 X.25网分组交换网 • 主要用于数据通信。对应于OSI参考模型低三层，分别为物理层、数据链路层和网络层，具有差错控制功能。 • 分组交换的基本业务有交换虚电路(SVC)和永久虚电路(PVC)两种。 • 交换虚电路两个数据终端要通信时先用呼叫程序建立电路(即虚电路)，然后发送数据，通信结束后用拆线程序拆除虚电路。 • 永久虚电路同专线一样，在分组网内两个终端之间提供永久逻辑连接，无需建立连接与拆除连接的过程。

46. 1.6.1 X.25网分组交换网 • X.25是CCITT(国际电话电报咨询委员会） 制定的“在公用数据网上以分组方式工作的数据终端设备DTE和数据通信设备DCE之间的接口”，是为广域网制定的一个公用分组交换网；所以，分组交换网又叫X.25网，一种典型的公用分组交换网 • 制定X.25标准的基础是传输速率低、误码率高的通信线路，为了克服通信线路数据传输质量较差的缺点，X.25标准采用了复杂的差错控制、流量控制与拥塞控制机制，协议复杂，工作效率不高；

47. 1.6.1 X.25网分组交换网 • X.25分组交换网特点 • 具有多逻辑信道的能力，故电路利用率高； • 具有协议转换、速度匹配等功能，适合于不同通信规程、不同速率的用户设备之间的相互通信 • 由于分组交换具有差错检测和纠正的能力，故电路传送的误码率极小； • 网络管理功能强 • X.25网的传输速率低一般为64Kbps； • X.25标准主要是针对大型机与终端连网 。 • X.25通信子网中每个节点对到达它的每个数据包进行转换时，要做的工作是查虚电路表，按表中出路中的虚电路号替换信息包中的虚电路号，再转发到出路中指示的下一节点 。

48. 1.6.2 帧中继（FR Frame Relay) • 帧中继技术是由X.25分组交换技术演变而来的，相对X.25帧中继(Frame Relay)在操作上做了不考虑传输差错问题，中间节点只做帧的转发的简化操作。 • 帧中继是基于数据帧在光纤上传输误码率低而设计。 • 帧中继主要考虑如何减少数据帧在通信子网中的开销，帧中继只完成OSI七层协议中物理层和数据链路层的功能，没有采用流量控制与差错控制机制，通信子网中的差错控制由主机的高层来保证； • 数据帧通过帧中继网的处理时间可以比通过X.25网降低一个数量级，而吞吐量要比X.25网络提高一个数量级以上； • 帧中继网主要用于局域网之间的互连。以面向连接的方式、合理的数据传输速率与低廉的价格提供数据通信服务。 • 帧中继适合于突发性较强、速率较高、时延较短且要求经济性较好的数据传输业务，如公司间进行网络互联、开放远程医疗等多媒体业务、进行电子商务以及VPN组网等

49. 1.6.2 帧中继（FR Frame Relay) • 特点 • 支持OSI下二层服务并提供部分网络层功能；支持多协议封装 • 采用光纤作为传输媒介传输，误码率低；数据传述速率高，目前帧中继网的数据传输速率一般为1.5Mbps • 简化了节点的处理过程，中间节点不再纠错，缩短了处理时间，降低了网络时延； • 具有灵活可靠的组网方式；它采用了PVC技术（永久虚电路） • 采用了统计复用技术，具有按需动态分配带宽的特点； • 用户接入费相应减少。

50. 1.6.3 综合业务数据网 1、综合业务数字网的概念 • CCITT提出将语音、数据、图像等业务综合在ISDN一个网络之中； • ISDN即综合业务数字网，俗称“一线通" 。它利用公众电话网向用户提供了端对端的数字信道连接，用来承载包括话音和非话音在内的各种电信业务。现在普遍开放的ISDN业务为N－ISDN，即窄带ISDN0 • ISDN有两种速率接入方式：基本速率接口BRI,即2B＋D；一次群速率接口PRI,即30B＋D。 • BRI接口包括两个能独立工作的B信道（64Kbps）和一个D信道（16Kbps） • B信道一般用来传输话音、数据和图像，D信道用来传输信令或分组信息 • PRI有30B+D和23B+D，其传输速率分别为2.08Mb/s和1.544Mb/s。我国采用30B+D