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1、计算机网络基础,讲授计算机网络的基础知识和主流技术，包括计算机网络的组成、体系结构及协议、局域网标准及主流局域网技术、广域网、网络互连技术、网络应用等。,内容简介：,教 材：,谢希仁 编著，计算机网络（第4版），电子工业出版社，2001年。,参考书目：,1刘志华 等编著，计算机网络实用教程，清华大学出版社，2001年。2冯博琴 主编，计算机网络，高等教育出版社，1999年。3Kurose,J.F.and Ross,K.W.,Computer Networking，Pearson Education,高等教育出版社，2001年。4.W.Richard Stevens,TCP/IP Illustr
2、ated,Volume 1,China Machine Press,2002.01.,第1章 概 述,基本内容,计算机网络的组成 计算机网络的主要性能指标 ISO/OSI体系结构 TCP/IP体系结构,重点掌握,计算机网络的基本概念，计算机网络的发展、组成、结构、分类及性能指标，计算机网络的体系结构。,1.1 计算机网络及其发展过程,1.1.1 计算机网络的概念,计算机网络(Computer Networks)：用通讯线路将分散在不同地点的具有独立自主的计算机系统相互联接,并按网络协议进行数据通讯和实现资源共享的计算机集合,称为计算机网络。,1.1.2 计算机网络的组成,（1）若干个主机，向用
3、户提供服务，构成资源子网;（2）一个通信子网，由一些专用的结点交换机和连接这些结点的通信链路组成;（3）一系列的协议，用来控制主机之间或主机和子网之间的通信。,1.1.3 计算机网络的发展过程,计算机网络的形成与发展大致可以划分为如下4个阶段:,（1）第一阶段：面向终端的计算机通信网（20世纪50年代）,终端,特点:是“终端-计算机”通信,彼此之间有明显的主从关系（有人认为这还不能算是计算机网络，只能称用联机系统）。缺点:主机负担过重,既要承担数据处理任务又要承担通讯任务;线路利用率低,特别是在终端远离中心计算机时尤为明显。改进:通过前端处理机使主机不用管理通信;终端经过集中器走向主机。,图1
4、-1 面向终端的计算机通信网,前端处理机:通信处理机也称为前端处理机,有时也可简称为前端机。前端处理机分工完成全部的通信任务,而让主机专门进行数据的处理。这样就大大地提高了主机进行数据处理的效率,前端处理机,计算机,终端,图1-2 通过前端处理机使主机不用管理通信,集中器:为了节省通信费用,可在远程终端较密集处加一个集中器。集中器的一端用多条低速线路与各终端相连,其另一端则用一条较高速率的线路与计算机相连。,集中器,终端,图1-3 终端通过集中器走向主机,（2）第二阶段：计算机通信网络(中国未经,20世纪60年代),多个计算机连接起来的用于传输信息的计算机群。以美国的ARPANET与分组交换技
5、术为重要标志。分组交换网是以网络为中心,主机和终端都处在网络的外围,构成了用户资源子网。用户通过分组交换网可共享用户资源子网的许多硬件和各种丰富的软件资源。为了和用户资源子网对比,就将分组交换网称为通信子网。,图1-4 通过分组交换网连接主机和终端,特点:是计算机-计算机通信,没有主从关系；但体系结构差异较大,不利于互联,以通信为主要目的。,（3）第三阶段:计算机网络,在协议的控制下,以实现资源共享为主要目的,借助于通信系统联结的多个计算机集合。特点:全网具有统一的体系结构,以资源共享为主要目的。,（4）第四阶段:计算机互联网(20世纪90年代）,计算机网络向高速化、宽带化(2G)、多媒体方向
6、发展。未来通信和网络的目标是实现5W(3G)的个人通信(任何人who在任何时候when任何地方where都可以和任何一个其他人whomever传送任何信息whatever)。,特点：,开放性:一是相对其直接应用环境的开放和对不同应用的适应,二是相对其互联环境的开发,便于与其他网络和计算机的互联。综合性:体现了系统中各要素间的更紧密结合。智能化:是人工智能技术与网络技术的结合。,1.2 计算机网络的分类,1.2.1 按拓朴结构分,1.2.1.1 计算机网络的拓朴结构,拓扑(topolgy)是从图论演变而来的概念，是一种研究与大小形状无关的点、线、面特点的方法。在计算机网络中抛开网络中的具体设备，
7、把象工作站、服务器、交换机等网络单元抽象为“点”，把网络中的电缆等通信介质抽象为“线”，这样从拓扑学的观点看计算机和网络系统，就形成了点和线组成的几何图形，从而抽象出了网络系统的具体结构。我们称这种采用拓扑学方法抽象的网络结构为计算机网络的拓扑结构。计算机网络拓扑主要是指通信子网的拓扑构型。分为两大类：点点线路通信子网的拓扑;广播信道通信子网的拓扑。点点线路通信子网的拓扑结构有：星型、环型、树型、全连接型、交叉环型、网状型。如图1-5所示。,图1-5 点点线路通信子网的拓朴结构,图1-6 广播信道通信子网的拓朴结构,在采用广播信道的通信子网中,一个公共的通信信道被多个网络结点共享。所有节点共享
8、传输介质,任何一个节点发送到网上的信息可为网中所有其它节点接受。适合于局域网。,1.2.1.2 按拓朴结构分类,计算机网络按拓朴结构分为：星型网络、环型网络、总线型网络、树型网络、网状型网络。,（1）星型网络 组成:各节点间无直接的链路,分节点间的通信必须通过中心节点间接实现。优点:结构简单、构造容易、便于管理和访问协议简单。缺点:中心节点负担过重、扩充困难,对中心节点的可靠性要求高,通信线路总长度长,费用高,安装、维护麻烦。（2）环型网络 组成:各主机经由各自的中继器或转发器和点到点链路组成闭合环。优点:结构简单,传输路径长度较短,最大延迟确定,时实性较好。缺点:某个节点出错可能会终止全网运
9、行,既可靠性较差；同时扩充困难,这是由于此时需要对全网拓扑和访问机制进行调整所致。,（3）总线型网络 组成:采用单根传输线作为传输介质,所有站点都通过相应的硬件接口直接连到传输介质既总线上；任一站点发送的信号都可以沿介质传输且能被其他所有站点接收,但只有目的站点真正接收,其他的站点则把信号丢弃。优点:电缆长度短、可靠性高、易于扩充。缺点:总线的物理长度和容纳的站点数有限,多用于组建局域网。（4）树型网络 组成:各节点按层次进行连接,处于越高层次的节点,其可靠性要求越高。优点:这种结构总线路长度较短,容易扩展和进行故障隔离。缺点:结构比较复杂且对根的依赖性太大（5）网状型网络 组成:一般又分有规
10、则和无规则型 优点:最大特点是可靠性高,因为节点间存在着冗余链路,某个链路出了故障,还可以选择其它。缺点:通信线路长、成本高、路径控制复杂。,1.2.2 按网络的作用范围分,（1）局域网LAN（Local Area Network）:是将小区域如工厂、学校、公司等的计算机、终端和外围设备等互连在一起的通信网络。特点:高数据率(0.11000Mbps)、短距离(0.12.5Km)和低误码率.（2）广域网WAN（Wide Area Network）:大区域的计算机网络,如多个LAN互联而构成的跨市、国家和国际性的计算机网络。广域网有时也称为远程网。特点:数据传输率LAN低得多,一般是数百至数千bp
11、s,近年来随着通信技术进步可提高到数十甚至几百Mbps。（3）城域网MAN（Metropolitan）:作用范围在广域网和局域网之间,例如作用范围是一个城市,其传送速率的范围较宽,其距离范围约为550km。,分为：局域网、广域网、城域网。,1.2.3 按网络的使用范围分,（1）公用网:一般是国家的电信部门建造的网络。公用网也可称为公众网。例：中国公用计算机互联网(CHINANET)、中国金桥信息网(CHINAGBN)。（2）专用网:是某个部门为本系统的特殊业务工作的需要而建造的网络。例：中国科技网(CSTNET)、中国教育和科研计算机网(CERNET)。,分为：公用网、专用网。,1.2.4 按
12、计算机间的关系分,（1）集中式网络:在一个集中式网络里,所有的信息流必须经过中央处理设备(即交换结点)，链路都从中央交换结点向外辐射。这个中心结点的可靠性基本上决定了整个网络的可靠性。集中式网络又称为星形网。（2）分散式网络:分散式网络是集中式网络的扩展,它又称为非集中式网络。分散式网络的特点是它的某些集中器或复用器具有一定的交换功能,因此网络变为星形网与格状网的混合网。分散式网络的可靠性提高了。（3）分布式网络:分布式网络是格状网。也就是说,其中任何一个结点都至少和其他两个结点直接相连,因而分布式网络的可靠性是最高的。现在一些网络常把主要的主干网络做成分布式的,而非主干网络则做成集中式的。,
13、分为：集中式网络、分散式网络、分布式网络。,图1-7 按计算机间的关系划分,1.3 计算机网络的主要性能指标,1.3.1 带宽,带 宽,对信号：指该信号的各种不同频率成份所占据的频率范围。例如，电话信号标准带宽3.1kHz(300Hz3400Hz).,对通信线路：指允许通过的信号频率范围，也称为通频带.,对于数字信道，人们通常把带宽和数据率（吞吐量）不加区别，混为同义。严格地说，两者是有区别的，数据率是指数字信道传送数字信号的速率，单位为：bit/s、bps、kbps、Mbps、Gbps,1.3.2 时延,是指一个报文或分组从一个网络（或一条链路）的一端传送到另一端所需的时间。由三部分组成：发
14、送时延、传播时延、处理时延。,发送时延,是发送数据时使数据块从结点进入到传输媒体所需要的时间，也就是从数据块的第一个比特开始发送算起，到最后一个比特发送完毕所需的时间。也称传输时延。,时 延,定 义,传播时延,是信号（电磁波或光波）在信道中需要传播一定的距离而花费的时间。例如，电磁波在自由空间的速度：3.0105km/s，在铜线电缆中2.3105km/s，在光纤中2.0105km/s。,处理时延,是数据在交换结点为存储转发而进行一些必要的处理所花费的时间。,1.3.3 时延带宽积和往返时延,理 解,带宽,传播时延,链路就好像一个圆柱形管道,往返时延：表示从发送端发送数据开始，到发送端收到接收端
15、的确认信息，总共经历的时延。,1.4 计算机网络的体系结构,1.4.1 计算机网络的体系结构的概念,所谓网络体系结构就是为了完成计算机间的通信合作，把每个计算机互连的功能划分成定义明确的层次，规定了同层次进程通信的协议及相邻层之间的接口和服务。将这样的层次结构模型和通信协议统称为网络体系结构。,计算机网络采用层次结构的优点：（1）各层之间相互独立，高层不需要知道低层是如何实现的，而仅知道该层通过层间的接口所提供的服务。（2）灵活性好。某层的改变，只要层间接口不变，则不影响上下层。（3）结构上可分割开，各层都可以采用最合适的技术来实现。（4）这种结构使得系统的实现和维护变得容易控制。（5）这有利
16、于促进标准化工作。,1.4.2 ISO/OSI参考模型,(1)OSI参考模型的由来:1974年IBM公司的SNA(System Network Architecture)1975年DEC公司的DNA(digital Network Architecture)HP公司的DSN(Distrubuted System Network)、Sperry Univac公司的DDA、Borroughts公司的DNS、Honeywell公司的DSA、日本富士通公司的FNA等。这些种类繁多的网络体系结构,由于各自所定义的层数、每层所采用的协议常常不一样,造成彼此之间不兼容,这些系统常被称为“封闭”系统。1978
17、年,国际标准化组织ISO(International Organization for Standardization)的技术委员会TC97 建立了一个分委员会 SC16 专门研究开放系统互联 OSI(Open System Interconnection),并于1983年春季,使开放系统互联基本参考模型OSI/RM成为正式的国际标准(ISO7498)开放系统互联参考模型(OSI Reference Model:简称OSI/RM).,（2）OSI 参考模型的概念,在OSI标准中，采用的是三级抽象：体系结构（architecture）服务定义（service definition)协议规格说明（
18、protocol specification),（3）OSI 参考模型的层次结构,（4）OSI 参考模型中各层的功能,（5）网络协议（network protocol）,为进行网络中的数据交换而建立的规则、标准或约定。网络协议由三个要素组成：,语法，即数据与控制信息的结构或格式；语义，即需要发出何种控制信息，完成何种动作以及作出何种响应；同步，事件实现顺序的详细说明（这里的同步是广义的，含有时序的意思）。,协议的形式,一种是使用便于人来阅读和理解文字描述。另一种是使用让计算机能够理解的程序代码。,1.4.3 TCP/IP 体系结构,应用层,表示层,会话层,运输层,网络层,数据链路层,物理层,运输层,网际层,应用层（各种应用层协议如FTP,TELNET,SMTP等）,网络接口层,(a)OSI体系结构,(b)TCP/IP体系结构,TCP/IP 协议族是Internet的事实上的国际标准,1.4.4 数据在各层之间的传递过程,主机A,主机B,数据链路层,应用层,数据链路层,物 理 传 输 媒 体,01100010 比 特 流 10011100,数据部分,首部,尾部,数据部分,首部,数据部分,首部,数据部分,首部,应用程序数据,
