計算機網(wǎng)絡(luò)教程

計算機網(wǎng)絡(luò)教程

第1章概述

1.1計算機網(wǎng)絡(luò)在信息時代中的作用

1.2因特網(wǎng)概述

1.3因特網(wǎng)的組成

1.4計算機網(wǎng)絡(luò)的分類

1.6計算機網(wǎng)類的主要性能指標

重點：分組交換的概念

主要性能指標

1.1計算機網(wǎng)絡(luò)在信息時代的

I作用

■我們已經(jīng)進入了21世紀。21世紀的一些

重要特征就是數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化和信息化,

它是一個以網(wǎng)絡(luò)為核心的信息時代。

-知識經(jīng)濟中的兩個重要特點就是信息化

和全球化。

-這里所說的網(wǎng)絡(luò)是指電信網(wǎng)絡(luò)（主要的業(yè)

務(wù)是電話，但也有其他業(yè)務(wù)，如傳真、

數(shù)據(jù)等）、有線電視網(wǎng)絡(luò)（即單向電視節(jié)

目的傳送網(wǎng)絡(luò)，但現(xiàn)已開始逐漸向雙向

傳輸網(wǎng)絡(luò)改造）和計算機網(wǎng)絡(luò)。這三種網(wǎng)

絡(luò)通常簡稱為“三網(wǎng)”。

-進入20世紀90年代以來，以因特網(wǎng)

(Internet)為代表的計算機網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展

速度十分迅猛，已從最初的教育科研網(wǎng)

絡(luò)逐步發(fā)展成為商業(yè)網(wǎng)絡(luò)，并已成為僅

次于全球電話網(wǎng)的世界第二大網(wǎng)絡(luò)。

『2因特網(wǎng)概述

■1.2.1網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)

■起源于美國的因特網(wǎng)現(xiàn)已發(fā)展成為世界上最大

的國際性計算機互聯(lián)網(wǎng)①。這就使得20世紀90

年代成為公認的因特網(wǎng)時代，或簡稱為網(wǎng)絡(luò)時

代。

■連接到計算機網(wǎng)絡(luò)上的計算機通常都稱為

主機(host)o

(a)表示因特網(wǎng)的方法(b)因特網(wǎng)是“網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)”

圖因特網(wǎng)

■因特網(wǎng)是網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)(networkof

networks)o

-計算機網(wǎng)絡(luò)把許多計算機連接在一起，

而因特網(wǎng)則把許多計算機網(wǎng)絡(luò)連接在一

起。

1.2.2因特網(wǎng)發(fā)展的三個階段

■因特網(wǎng)的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)大體上經(jīng)歷了三個階

段的演進。但這三個階段在時間劃分上

并非截然分開而是有部分重疊的，這是

因為網(wǎng)絡(luò)的演進是逐漸的而不是突然的。

-第一階段是從單個網(wǎng)絡(luò)ARPANET向互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展

的過程。

■以小寫字母i開始的internet（互聯(lián)網(wǎng)或互連

網(wǎng)）是一個通用名詞，它泛指由多個計算機網(wǎng)

絡(luò)互連而成的網(wǎng)絡(luò)。

■以大寫字母I開始的的Internet（因特網(wǎng)）則

是一個專用名詞，它指當前全球最大的、開放

的、由眾多網(wǎng)絡(luò)相互連接而成的特定計算機網(wǎng)

絡(luò)，它采用TCP/IP族作為通信的規(guī)則，且其前

身是美國的ARPANET。

■第二階段的特點是建成了三級結(jié)構(gòu)的因

特網(wǎng)。分為主干網(wǎng)、地區(qū)網(wǎng)和校園網(wǎng)

（或企業(yè)網(wǎng)）。

三級結(jié)構(gòu)的因特網(wǎng)

各網(wǎng)絡(luò)之間需要使用路由器來連接。

■有時在結(jié)構(gòu)圖中可不因出路由布。

■第三階段的特點是逐漸形成了多級ISP結(jié)

構(gòu)的因特網(wǎng)。因特網(wǎng)服務(wù)提供者ISP

(InternetServiceProvider)。又常稱

為因特網(wǎng)服務(wù)提供商。

因特網(wǎng)

服務(wù)提供者

圖「2用戶通過ISP接入因特網(wǎng)

■主機到主機的通信可能經(jīng)過多種ISPo

大公司大公司地區(qū)ISP

網(wǎng)絡(luò)接入點網(wǎng)絡(luò)接入點

NAP主干服務(wù)NAP

（對等點）提供者（對等點）

地區(qū)ISP地區(qū)

大公司

本地ISP公司本地4P

校園網(wǎng)

校園網(wǎng)W的校園網(wǎng)

■網(wǎng)絡(luò)接入點NAP(NetworkAccess

Point),NAP又稱為對等點(peering

point),表示接入到NAP的設(shè)備不存在從

屬關(guān)系而都是平等的。

■由歐洲原子核研究組織(CERN)開發(fā)的

萬維網(wǎng)WWW(WorldWideWeb)被廣泛使

用在因特網(wǎng)上，大大方便了廣大非網(wǎng)絡(luò)

專業(yè)人員對網(wǎng)絡(luò)的使用，成為因特網(wǎng)的

這種指數(shù)級增長的主要驅(qū)動力。

LT因特網(wǎng)的發(fā)展情況概況

網(wǎng)絡(luò)數(shù)主機數(shù)用戶數(shù)管理機構(gòu)數(shù)

19801010210210°

1990103105106101

2000105107108102

2005106108109103

■由于因特網(wǎng)存在著技術(shù)上和功能上的不

足，加上用戶數(shù)量猛增，使得現(xiàn)有的因

特網(wǎng)不堪重負。“下一代因特網(wǎng)計劃”，

即“NGI計劃"(NextGeneration

InternetInitiative)。

■NGI計劃要實現(xiàn)的一個目標是開發(fā)下一代

網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，以比現(xiàn)有的因特網(wǎng)高100倍的

速率連接至少100個研究機構(gòu)，以比現(xiàn)有

的因特網(wǎng)高1000倍的速率連接10個類似

的網(wǎng)點。

■NGI計劃將使用超高速全光網(wǎng)絡(luò)，能實現(xiàn)

更快速的交換和路由選擇，同時具有為

一些實時(realtime)應(yīng)用保留帶寬的

能力。在整個因特網(wǎng)的管理和保證信息

的可靠性與安全性方面也會有很大的改

進。

.2.3關(guān)于因特網(wǎng)的標準化工作

■1992年，因特網(wǎng)不再歸美國政府管轄,

因此成立了一個國際性組織叫做因特網(wǎng)

協(xié)會ISOC(InternetSociety),以便對

因特網(wǎng)進行全面管理以及在世界范圍內(nèi)

促進其發(fā)展和使用。

?ISOC下面有一個技術(shù)組織叫做因特網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)

研究委員會IAB(InternetArchitecture

Board),負責管理因特網(wǎng)有關(guān)協(xié)議的開發(fā)。

IAB下面又設(shè)有兩個工程部。

■因特網(wǎng)工程部IETF(InternetEngineeringTask

Force)

■因特網(wǎng)研究部IRTF(InternetResearchTask

Force)

廠從一個普通文檔上升到因特網(wǎng)的正式標準

要經(jīng)過四個階段。

(1)因特網(wǎng)草案(InternetDraft)o

(2)建議標準(ProposedStandard)o

(3)草案標準(DraftStandard)□

(4)因特網(wǎng)標準(InternetStandard)o

還有三種RFC,即歷史的、實驗的和

提供信息的。圖1-8所示的是各種RFC之

間的關(guān)系。

1.3因特網(wǎng)的組成

■因特網(wǎng)雖然在地理上覆蓋了全球，但從

其工作方式上看，可以把整個因特網(wǎng)的

組成劃分為兩大塊，即由所有連接在因

特網(wǎng)上的主機組成的因特網(wǎng)的邊緣部分

和由大量網(wǎng)絡(luò)和連接這些網(wǎng)絡(luò)的路由器

組成的因特網(wǎng)核心部分。

圖『4因特網(wǎng)的邊緣部分與核心部分

1.3.1因特網(wǎng)的邊緣部分

■處在因特網(wǎng)邊緣的部分就是連接在因特

網(wǎng)上的所有的主機。這些主機又稱為端

系統(tǒng)(endsystem),“端”就是“末端”

的意思。

■因特網(wǎng)的端系統(tǒng)就是前面提到的主機。

邊緣部分的功能就是利用核心部分所提

供的服務(wù)，使這樣多的主機之間能夠互

相通信并交換或共享信息。

■主機A和主機B進行通信,主機A的某個

進程和主機B上的另一個進程進行通信。

這種比較準確的說法通?？梢院喎Q為

“計算機之間通信”。

■在網(wǎng)絡(luò)邊緣的端系統(tǒng)中運行的程序之間

的通信方式可劃分為兩大類：客戶服務(wù)

器方式和對等方式。

■1.客戶服務(wù)器方式

■這種方式在因特網(wǎng)上是最常用的，也是

傳統(tǒng)的方式。

■客戶(client)和服務(wù)器(server)都

是指通信中所涉及的兩個應(yīng)用進程?？?/p>

戶服務(wù)器方式所描述的是進程之間服務(wù)

和被服務(wù)的關(guān)系。

■這里最主要的特征就是：

■客戶是服務(wù)請求方，服務(wù)器是服務(wù)提供

方。

■服務(wù)請求方和服務(wù)提供方都要使用網(wǎng)絡(luò)

核心部分所提供的服務(wù)。

--------------'、''、、、

,網(wǎng)絡(luò)邊緣;、'、、、、

運行客戶程序

XA?1」、

/占::::::::…廖芭走瞿務(wù)B\運行服務(wù)器程序

：客戶7②得毓?……，:：;唯一

1

1___________-；

t\

\\網(wǎng)絡(luò)核心/

服務(wù)器，/

\上

'、、—/―

'、、、、

、、、、、I、.-1..

圖『5客戶服務(wù)器工作方式

■在實際應(yīng)用中，客戶程序和服務(wù)器程序

通常還具有以下一些主要特點。

■客戶程序：

（1）被用戶調(diào)用后運行，在打算通信時主

動向遠地服務(wù)器發(fā)起通信（請求服務(wù)）。

（2）可與多個服務(wù)器進行通信。

（3）不需要特殊的硬件和很復(fù)雜的操作系

統(tǒng)。

h服務(wù)器程序：

(1)是一種專門用來提供某種服務(wù)的程序，

可同時處理多個遠地或本地客戶的請求。

(2)當系統(tǒng)啟動時即自動調(diào)用并一直不斷地

運行著，被動地等待并接受來自多個客戶

的通信請求。

(3)一般需要強大的硬件和高級的操作系統(tǒng)

支持。

■客戶和服務(wù)器本來都指的是計算機進程

（軟件）。運行客戶程序的機器稱為

client,把運行服務(wù)器程序的機器稱為

servero

■N對等連接方式

■對等連接（peer-to-peer,簡寫為P2P）

是指兩個主機在通信時并不區(qū)分哪一個

是服務(wù)請求方還是服務(wù)提供方。也稱為

P2P文件共享。

圖1-6對等連接工作方式

1.3.2因特網(wǎng)的核心部分

?網(wǎng)絡(luò)核心部分是因特網(wǎng)中最復(fù)雜的部分。

網(wǎng)絡(luò)核心部分向網(wǎng)絡(luò)邊緣中的主機提供

服務(wù)，使邊緣部分中的任何一個主機都

能夠向其他主機通信（即傳送或接收各

種形式的數(shù)據(jù)）。

■在網(wǎng)絡(luò)核心部分，網(wǎng)絡(luò)和網(wǎng)絡(luò)的連接要

依靠路由器(router),路由器的具體任

務(wù)是轉(zhuǎn)發(fā)收到的分組，但從通信的角度

看，路由器是實現(xiàn)分組交換(packet

switching),這是網(wǎng)絡(luò)核心部分最重要

的功能。

Z.電路交換的主要特點

■從通信資源的分配角度來看,“交換

(switching)"就是按照某種方式動態(tài)地

分配傳輸線路的資源。

（a）兩部電話直接相連（b）5部電話兩兩直接相連（c）用父換機連接許多部電話

圖「7電話機的不同連接方法

■這種必須經(jīng)過“建立連接（占用通信資

源）一通話（一直占用通信資源）-釋

放連接（歸還通信資源）”三個步驟的

交換方式稱為電路交換。

■而在通話的全部時間內(nèi)，通話的兩個用

戶始終占用端到端的通信資源。

電路交換舉例

■A和B通話經(jīng)過四個交換機

■通話在A到B的連接上進行

電路交換舉例

■C和D通話只經(jīng)過一個本地交換機

■通話在C到D的連接上進行

電路交換的特點

■電路交換是面向連接的,即必須經(jīng)過以

下三個步驟的聯(lián)網(wǎng)方式：

.建立連接

■通信

■釋放連接

■采用電路交換時，通信過程中一直占有

一條物理通路。

電路交換傳送計算機數(shù)據(jù)效率低

原因：

-計算機數(shù)據(jù)具有突發(fā)性。

■導(dǎo)致通信線路的利用率很低。

所以，在計算機網(wǎng)絡(luò)中采用“分組交換”

分組交換的原理（一）

-在發(fā)送端，先把較長的報文劃分成較短

的、固定長度的數(shù)據(jù)段。

-------------------報文------------------

1101000110101010110101011100010011010010

假定這個報文較長

不便于傳輸

分組交換的原理（二）

每一個數(shù)據(jù)段前面添加上首部構(gòu)成分組。

-------------------報文------------------

請注意：現(xiàn)在左邊是“前面”

分組交換的原理（三）

-今組交換網(wǎng)以“分組”作為數(shù)據(jù)傳輸單

JLo

-依次把各分組發(fā)送到接收端

於且1

首部數(shù)據(jù)

-分組2

________________________A._________

首部數(shù)據(jù)

一分組3;____

首部數(shù)據(jù)

分組交換的原理（四）

-接收端收到分組后剝?nèi)ナ撞窟€原成報文。

九組［

廣

---------------分組2

__________________________入__________________________

------------__-_-_-____分__組___3_____

r_______________

￥3~i~i-

收到的數(shù)據(jù)

分組交換的原理（五）

-最后，在接收端把收到的數(shù)據(jù)恢復(fù)成為

原來的報文。

-------------------報文------------------

1101000110101010110101011100010011010010I

■這里我們假定分組在傳輸過程中沒有出

現(xiàn)差錯，在轉(zhuǎn)發(fā)時也沒有被丟棄。

分組首部

■Question:分組是怎樣被轉(zhuǎn)發(fā)到目的地的?

■答：每一個分組的首部都含有源/目的地

址等控制信息。

■分組交換網(wǎng)中的結(jié)點交換機根據(jù)收到的

分組的首部中的地址信息，把分組轉(zhuǎn)發(fā)

到下一個結(jié)點交換機。

■用這樣的存儲轉(zhuǎn)發(fā)方式，最后分組就能

到達最終目的地。

分組交換網(wǎng)的示意圖

?H4A

注意分組路徑的變化!

D

結(jié)點交換機

B

主機口咦

EH向H發(fā)送分組

A26

H向H發(fā)送分組

c15

分組交換網(wǎng)

分組的存儲轉(zhuǎn)發(fā)過程

最后到達目的主機H5

食我轉(zhuǎn)友表

結(jié)點交換機有多個端口，但在輸入和輸出

端口之間沒有直接連線

結(jié)點交換機的存儲轉(zhuǎn)發(fā)過程

■結(jié)點交換機處理分組的過程是：

■把收到的分組先放入緩存（暫時存儲）；

■查找轉(zhuǎn)發(fā)表，找出到某個目的地址應(yīng)從哪個

端口轉(zhuǎn)發(fā)；

■把分組送到適當?shù)亩丝谵D(zhuǎn)發(fā)出去。

分組交換的優(yōu)點

■高效動態(tài)分配傳輸帶寬，對通信鏈路

是逐段占用。

-靈活以分組為傳送單位和查找路由。

■迅速不必先建立連接就能向其他主機

發(fā)送分組；充分使用鏈路的帶寬。

■可靠完善的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議；自適應(yīng)的路由

選擇協(xié)議使網(wǎng)絡(luò)有很好的生存性。

分組交換帶來的問題

■分組在各結(jié)點存儲轉(zhuǎn)發(fā)時需要排隊，這

就會造成一定的時延。

■分組必須攜帶的首部（里面有必不可少

的控制信息）也造成了一定的開銷。

1.4計算機網(wǎng)絡(luò)在我國的發(fā)展

-JI-----------------------

(1)中國公用計算機互聯(lián)網(wǎng)CHINANET

(2)中國教育和科研計算機網(wǎng)CERNET

(3)中國科學技術(shù)網(wǎng)CSTNET

(4)中國聯(lián)通互聯(lián)網(wǎng)UNINET

(5)中國網(wǎng)通公用互聯(lián)網(wǎng)CNCNET

(6)中國國際經(jīng)濟貿(mào)易互聯(lián)網(wǎng)CIETNET

(7)中國移動互聯(lián)網(wǎng)CMNET

(8)中國長城互聯(lián)網(wǎng)CGWNET(建設(shè)中)

(9)中國衛(wèi)星集團互聯(lián)網(wǎng)CSNET(建設(shè)中)

1.5計算機網(wǎng)絡(luò)的分類

■1.5.1計算機網(wǎng)絡(luò)的不同定義

?最簡單的定義：計算機網(wǎng)絡(luò)是一些互相連接

的、自治的計算機的集合。

■因特網(wǎng)(Internet)是“網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)”。

-1.5.2幾種不同的分類方法

■分別從網(wǎng)絡(luò)的交換功能、拓撲結(jié)構(gòu)、作用范

圍、使用者進行分類

匾］

幾種不同的分類方法

(―)

■從網(wǎng)絡(luò)的交換功能分類

■電路交換

■報文交換

■分組交換

■混合交換

幾種不同的分類方法(二)

-從網(wǎng)絡(luò)的作用范圍進行分類

■廣域網(wǎng)WAN(WideAreaNetwork)

■局域網(wǎng)LAN(LocalAreaNetwork)

■城域網(wǎng)MAN(MetropolitanAreaNetwork)

■接入網(wǎng)AN(AccessNetwork)

廣域網(wǎng)、城域網(wǎng)、接入網(wǎng)以及

局域網(wǎng)的關(guān)系

廣域網(wǎng)

城域網(wǎng)一一城域網(wǎng)

一//）、.

接入網(wǎng)接入網(wǎng)接入網(wǎng)接入網(wǎng)接入網(wǎng)接入網(wǎng)

???I'II-

一LL

局域網(wǎng)校園網(wǎng)企業(yè)網(wǎng)局域網(wǎng)

《幾種不同的分類方法(三)

-從網(wǎng)絡(luò)的使用者進行分類

■公用網(wǎng)(publicnetwork)

■專用網(wǎng)(privatenetwork)

1.6計算機網(wǎng)絡(luò)的主要性能指標

■1.4.1

■1.4.2時延

-1.4.3時延帶寬積和往返時延

■14.4帶寬與寬帶

匾］

1.6.1帶寬

■“帶寬”(bandwidth)的本意:

■信號具有的頻帶寬度，單位是赫(或千赫、

兆赫、吉赫等)。

-數(shù)字信道中的“帶寬”含義：

■數(shù)字信道所能傳送的“最高數(shù)據(jù)率”，即

吞吐量，單位是“比特每秒"，或b/s

(bit/s)o

■也就是數(shù)據(jù)在信道上的發(fā)送速率。

常用的帶寬單位

■更常用的帶寬單位是

■千比每秒，即kb/s(103b/s)

■兆比每秒，即Mb/s(106b/s)

■吉比每秒，即Gb/s(109b/s)

■太比每秒，即Tb/s(1012b/s)

■請注意：K=210=1024

M=220,G=23°,T=240o

數(shù)字信號流隨時間的變化

-在時間軸上信號的寬度隨帶寬的增大而

711K

工乍。

1|LlS

帶寬為||1|0|1|0|1||1|時間

1MJS|ILZlI_ICZZJ”

k---------------------每秒106個比特------------------?

0.25jus

■+H-rijpM時間

rf?范為

4Mb/s

-------每秒4x106個比特

1.6.2時延(delay或latency)

■發(fā)送時延（傳輸時延）發(fā)送數(shù)據(jù)時,

數(shù)據(jù)塊從結(jié)點進入到傳輸媒體所需要的

時間。

發(fā)送時延二數(shù)據(jù)塊長度（比更

信道帶寬（比特/秒）

時延(delay或latency)

■傳播時延電磁波在信道中需要傳播一

定的距離而花費的時間。

■信號傳輸速率（即發(fā)送速率）和信號在

信道上的傳播速率是完全不同的概念。

信道長度（米）

傳播時延=

信號在信道上的傳播速率（米/秒）

時延(delay或latency)

■處理時延交換結(jié)點為存儲轉(zhuǎn)發(fā)而進行

一些必要的處理所花費的時間。

-結(jié)點緩存隊列中分組排隊所經(jīng)歷的時延

是處理時延中的重要組成部分。

-處理時延的長短往往取決于網(wǎng)絡(luò)中當時

的通信量。

■有時可用排隊時延作為處理時延。

時延(delay或latency)

■數(shù)據(jù)經(jīng)歷的總時延就是發(fā)送時延、