第一章 计算机网络概述和计算机网络体系结构

发布于:2021-09-26 08:31:44

第一章计算机网络概述

本章内容
? ? ? ? ? ? ? 计算机网络概念 计算机网络简史 计算机网络的组成 计算机网络的分类 计算机网络的*咏峁 计算机网络的功能和应用概述 计算机网络体系架构和TCP/IP

? 重点:
– 计算机网络的组成 – 计算机网络的*咏峁 – 计算机网络体系架构和TCP/IP

? 难点:
– 计算机网络体系架构和TCP/IP

? 重点内容要求理解 ? 其他内容要求了解

1.1.计算机网络的概念
? 计算机网络就是把分布在不同地点的多个 计算机物理地连接起来,按照网络协议互 相通信,以共享软件、硬件和数据资源为 目标的系统。 ? 计算机互连通常有两种方式:
– 有线连接:双绞线、同轴电缆、电话线、光纤, – 无线连接:微波、红外线和毫米波、光波、地 球卫星通信等。

? 计算机之间的通信是通过通信协议实现的。
– 这是因为计算机网络中可能存在不同地区、不 同的网络提供商、不同种类的计算机,在其上 运行的操作系统也不尽相同,它们在机器字长、 信息的表示方法等多方面都存在差异,这些都 会影响计算机之间的通信所以要制定一定的规 则来协调差异。这些规则称为通信协议。

? 简单的理解可以想象两个商人,一个说西 班牙语,一个说韩国语,他们俩谈生意的 时候,需要一个既懂西班牙语又懂韩国语 的人充当翻译,才有可能谈。 这两个商人就相当于两太要相互通信的计 算机,而翻译就是互联网通信协议。

1.2.计算机网络的发展简史
? 计算机网络的产生和发展经历了从简单到 复杂、从单机系统到多机系统的发展过程, 其演变过程可分为三个阶段:
– 以单计算机为中心的联机系统; – 计算机—计算机网络; – 网络体系结构标准化。

? 第一阶段是从单个网络 ARPANET 向互联 网发展的过程。 ? 1983 年 TCP/IP 协议成为 ARPANET 上的 标准协议。 ? 人们把 1983 年作为因特网的诞生时间。

1、以单计算机为中心的联机系统 20世纪60年代以前
– 用户可远地的终端(Terminal)上输入自己的 程序和数据,由主机进行处理后再由通信线路 将结果返回给用户终端。这种系统也称为终 端—计算机网络,是早期计算机网络的主要形 式。

? 缺点:
– 主机负荷较重,效率较低; – 通信线路的利用率低; – 集中控制方式,可靠性低。

? 为了尽量克服以上的缺点,当时人们又开 发了一些提高使用效率的技术,对后来网 络技术的发展具有很大的启发作用。
– 多点通信线路

– 终端集中器和前端处理机

2、计算机—计算机网络
从20世纪60年代中期到70年代中期 – 第一种形式是通过通信线路将主计算机连接起 来,主机既承担数据处理,又承担通信工作.

– 第二种形式是把通信从主机分离出来,设置通 信控制处理机CCP(Communication Control Processor)主机间的通信通过的中继功能间接 进行。由CCP组成的传输网络称通信子网。

从主机为中心到以网络为中心
以主机为中心 终端 主机 以网络传输为中心 主机

网络

用户通过 ISP 上网
用户

因特网 服务提供者
ISP1

因特网

ISP2 根据提供服务的覆盖面积大小以及所拥有的 IP 地址数目的不同,ISP 也分成为不同的层次。

本地 ISP 本地 ISP 第二层 ISP 本地 ISP 本地 ISP 第二层 ISP 本地 ISP 第二层 ISP

第三层 本地 ISP
第二层 第一层 大公司 本地 ISP 本地 ISP

大公司
第一层 ISP

第一层 ISP

第二层 ISP 本地 ISP

NAP

一级ISP ISP 一级 第一层 ISP

NAP
第二层 ISP

第二层 ISP 本地 ISP 本地 ISP

大公司 本地 ISP

本地 ISP
A 校园网

本地 ISP 公司 校园网 B

校园网

校园网

主机A → 本地 ISP → 第二层 ISP → NAP → 第一层 ISP → NAP → 第二层 ISP → 本地 ISP → 主机B

因特网的发展情况概况
网络数 主机数 用户数 管理机构数 10 102 102 100 103 105 106 101 105 107 108 102 106 108 109 103

1980 1990 2000 2005

关于因特网的标准化工作
因特网协会 ISOC 因特网体系结构 研究委员会 IAB 因特网研究部 IRTF 因特网研究指导小组 IRSG …

因特网工程部 IETF

因特网工程指导小组 IESG
… 领域 领域 WG … WG WG … WG

RG

RG

各种RFC之间的关系
因特网草案

实验的 RFC

建议标准

提供信息的 RFC

草案标准 6 种 RFC 因特网标准

历史的 RFC

3、网络体系结构的标准化 依据标准化水*可分为两个阶段:
– 各计算机制造厂商网络结构标准化 例如:IBM公司在SNA(System Network Architecture)、DEC公司公布了DNA(数字 网络系统结构)Univac公司公布了DCA(数据 通信体系结构)、Burroughs(宝来)公司公 布了BNA(宝来网络体系结构)等。

– 国际网络体系结构标准化 1977年国际标准化组织(ISO)制定了“开放 系统互联参考模型”(OSI)。 OSI模型并没有真正流行开来,为什么呢? – 糟糕的提出时间 – 糟糕的技术 – 糟糕的实现 – 糟糕的策略

? 最主要的问题在于糟糕的提出时间

研究 标 准 提 出

大量$的投资

4、计算机网络的发展趋势
– 综合化 – 智能化 – 高速化

1.3.计算机网络的组成
? 1.3.1.按系统划分
– 网络软件 通常网络软件包括:
? ? ? ? 网络协议和协议软件 网络通信软件 网络操作系统 网络管理及网络应用软件

– 网络硬件
? 传输线路:有线连接:双绞线、同轴电缆、电话线、 光纤,无线连接:微波、红外线和毫米波、光波、 地球卫星通信等。 ? 中继器:信号放大整形等 ? 交换机:建立释放联接路由选择等 ? 多路复用器:提高信道利用率 ? 调*獾髌

? 1.3.2.按逻辑划分
– 资源子网 – 通信子网

因特网的边缘部分与核心部分
因特网的边缘部分 主机 路由器 网络

因特网的核心部分

– 资源子网
? 主计算机(Host)
– 为本地用户访问网络其他主机设备、共享网络资源提供服 务,同时还为网中其他用户(或主机)共享本地资源提供 服务。

? 终端设备(terminal)
– 终端可以是简单的输入、输出设备,也可以是带有微处理 机的智能终端。这种智能终端除具有信息的输入、输出功 能外,自身还具有存储和处理信息的功能

两种通信方式
在网络边缘的端系统中运行的程序之间的通 信方式通常可划分为两大类: ? 客户服务器方式(C/S 方式) 即Client/Server方式 ? 对等方式(P2P 方式) 即 Peer-to-Peer方式

1. 客户服务器方式
? 客户(client)和服务器(server)都是指通信中 所涉及的两个应用进程。 ? 客户服务器方式所描述的是进程之间服务 和被服务的关系。 ? 客户是服务的请求方,服务器是服务的提 供方。

运行 客户 程序
A

网络边缘

运行 服务器 程序 B

客户
网络核心 服务器

客户 A 向服务器 B 发出请求服务, 而服务器 B 向客户 A 提供服务。

客户软件的特点
? 被用户调用后运行,在打算通信时主动向 远地服务器发起通信(请求服务)。因此, 客户程序必须知道服务器程序的地址。 ? 不需要特殊的硬件和很复杂的操作系统。

服务器软件的特点
? 一种专门用来提供某种服务的程序,可 同时处理多个远地或本地客户的请求。 ? 系统启动后即自动调用并一直不断地运 行着,被动地等待并接受来自各地的客 户的通信请求。因此,服务器程序不需 要知道客户程序的地址。 ? 一般需要强大的硬件和高级的操作系统 支持。

2. 对等连接方式
? 对等连接(peer-to-peer,简写为 P2P)是指 两个主机在通信时并不区分哪一个是服务 请求方还是服务提供方。 ? 只要两个主机都运行了对等连接软件(P2P 软件),它们就可以进行*等的、对等连 接通信。 ? 双方都可以下载对方已经存储在硬盘中的 共享文档。

对等连接方式的特点
? 对等连接方式从本质上看仍然是使用客户 服务器方式,只是对等连接中的每一个主 机既是客户又同时是服务器。 ? 例如主机 C 请求 D 的服务时,C 是客户, D 是服务器。但如果 C 又同时向 F提供服 务,那么 C 又同时起着服务器的作用。

运行 P2P 程序

E

网络边缘

C

运行 P2P 程序

F 运行 P2P 程序

网络核心
D 运行 P2P 程序

– 通信子网
? 通信子网主要由网络通信控制处理机、通信线路及 其他通信设备组成。其功能是进行全网的数据传输、 交换及通信控制等通信处理工作。通信子网有三种 组织形式。

– 没有通信子网,网络不能工作;而没有资源子 网,通信子网的传输也失去了意义,两者合起 来组成了统一的资源共享的两层网络。

网络核心部分

H2
路由器 网络 主机

H4 H6

H1
H5 H3

计算机网络的功能和应用
? 计算机网络的功能
– 数据通信 – 资源共享 – 远程传输 – 集中管理 – 实现分布式计算 – 负荷均衡

? 计算机网络的应用
– 信息服务 – 通信与协作服务 – 交易服务与电子商务 – 休闲娱乐服务 – 计算服务 – 分布式控制系统 – 计算机集成与制造系统

1.4 中国的计算机网络发展
(1) 中国公用计算机互联网 CHINANET (2) 中国教育和科研计算机网 CERNET (3) 中国科学技术网 CSTNET (4) 中国联通互联网 UNINET (5) 中国网通公用互联网 CNCNET (6) 中国国际经济贸易互联网 CIETNET (7) 中国移动互联网 CMNET (8) 中国长城互联网 CGWNET (9) 中国卫星集团互联网 CSNET

1.5 计算机网络的分类
? l.5.1根据网络的覆盖范围进行分类
– 局域网LAN(Local Area Network) – 广域网WAN(Wide Area Network) – 城域网MAN(Metropolitan Area Network)

? 局域网LAN
– 局域网用于将有限范围内(如一个实验室、一 幢大楼、一个校园)的各种计算机、终端与外 部设备互连成网。局域网按照采用的技术、应 用范围和协议标准的不同可以分为共享局域网 与交换局域网。局域网技术发展迅速,应用日 益广泛,是计算机网络中最活跃的领域之一。

? 广域网WAN
– 广域网也称为远程网。它所覆盖的地理范围从 几十公里到几千公里。广域网覆盖一个国家、 地区,或横跨几个洲,形成国际性的远程网络。 广域网的通信子网主要使用分组交换技术。广 域网的通信子网可以利用公用分组交换网、卫 星通信网和无线分组交换网,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。

? 城域网MAN
– 城市地区网络常简称为城域网。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,以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。 – 其实城域网基本上是一种大型的局域网,通常使用与 局域网向死的技术,把它单列为一类主要原因是它有 单独的一个标准而且被应用了。DQDB(Distributed queue dual bus扥不是队列双总线)

? 1.5.2按交换方式进行分类
– 线路交换 – 报文交换 – 分组交换

? 线路交换
– 最早出现在电话系统中,早期的计算机网络就 是采用此方式来传输数据的,数字信号经过变 换成为模拟信号后才能在线路上传输。

? 报文交换
– 是一种数字化网络。当通信开始时,源机发出 的一个报文被存储在交换器里,交换器根据报 文的目的地址选择合适的路径发送报文,这种 方式称做存储一转发方式。

? 分组交换
– 采用报文传输,但它不是以不定长的报文作为 传输的基本单位,而是将一个长的报文划分为 许多定长的报文分组,以分组作为传输的基本 单位。灵活性高且传输效率高。

三种交换的比较
电路交换
连接建立 报 文

报文交换

分组交换

数据传送

报文

报 文

连接释放 报 文 t

A
数据传送 的特点

B

C

D

A

B

C

D

A

B

C

D

比特流直达终点

报文 报文 报文

分组 分组 分组

存储 存储 转发 转发

存储 存储 转发 转发

? 1.5.3按网络*私峁菇蟹掷
– 星形网络 – 树形网络 – 总线形网络 – 环形网络 – 网状网络。

*耍═opology)是从图论演变而来的, 是一种研究与大小形状无关的点、线、面 特点的方法。

? 1 星形*私峁
– 星形布局是以中央结点 为中心与各结点连接而 组成的,各个结点间不 能直接通信,而是经过 中央结点控*型ㄐ .

? 特点
优点: – 结构简单 – 便于管理 – 组网容易 – 网络延迟时间短 – 误码率低 缺点 – 共享能力较差 – 通信线路利用率不高 – 中央结点负担过重

? 2 环形*私峁
– 环形网中各结点通过环路接 口连在一条首尾相连的闭合 环形通信线路中,环路上任 何结点均可以请求发送信息。 请求一旦被批准,便可以向 环路发送信息。 – 一个结点发出的信息必须穿 越环中所有的环路接口,信 息流中目的地址与环上某结 点地址相符时,即被该结点 的环路接口所接收,而后信 息继续流向下一环路接口, 一直流回到发送该信息的环 路接口结点为止,

? 特点
优点: – 简化了路径选择的控制 – 可靠性较高 – 实时性强 缺点 – 结点过多时传输效率低 – 故扩充不方便

? 3 总线形*私峁
– 用一条称为总线的中央 主电缆,将相互之间以 线性方式连接的工作站 连接起来的布局方式称 为总线形*恕

? 特点:
优点 – 结构简单灵活 – 便于扩充 – 可靠性高 – 响应速度快;设备量少 – 价格低 – 安装使用方便 – 共享资源能力强 – 便于广播式工作

? 缺点
– 总线长度有一定限制,一条 总线也只能连接一定数量的 结点。

? 4 树形*私峁
– 树形结构是总线形结构 的扩展,它是在总线网 上加上分支形成的,其 传输介质可有多条分支, 但不形成闭合回路。

? 特点
优点 – 具有一定容错能力, – 可靠性强 – 便于广播式工作 – 容易扩充

? 缺点
– 联系固定 – 专用性强

? 5 网状*私峁 ? 特点
– – – – 优点 可靠性高 资源共享方便 有好的通信软件支持下通信 效率高

? 缺点
– 贵! – 结构复杂 – 软件控制麻烦

1.6 计算机网络的性能
1.6.1 计算机网络的性能指标
1. 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。 Bit 来源于 binary digit,意思是一个“二进制 数字”,因此一个比特就是二进制数字中的 一个 1 或 0。 速率即数据率(data rate)或比特率(bit rate)是 计算机网络中最重要的一个性能指标。速率 的单位是 b/s,或kb/s, Mb/s, Gb/s 等 速率往往是指额定速率或标称速率。

2. 带宽
? ―带宽”(bandwidth)本来是指信号具有的频 带宽度,单位是赫(或千赫、兆赫、吉赫 等)。 ? 现在“带宽”是数字信道所能传送的“最 高数据率”的同义语,单位是“比特每 秒”,或 b/s (bit/s)。

常用的带宽单位
? 更常用的带宽单位是
– 千比每秒,即 kb/s (103 b/s) – 兆比每秒,即 Mb/s(106 b/s) – 吉比每秒,即 Gb/s(109 b/s) – 太比每秒,即 Tb/s(1012 b/s)

? 请注意:在计算机界,K = 210 = 1024 M = 220, G = 230, T = 240。

一种错误概念 ——“宽带”相当于“多车道”

多车道公路是并行传输

通信线路上通常都是串行传输
??100101110100100111010001011010

对宽带传输的错误概念
? 有些人愿意用“汽车在公路上跑”来比 喻“比特在网络上传输”,认为宽带传 输的好处就是传输更快,好比汽车在高 速公路上可以跑得更快一样。 ? 对于这种比喻一定要谨慎对待。

常见的错误是混淆了两种速率
? 在网络中有两种不同的速率:
– 信号(即电磁波)在传输媒体上的传播速率 (米/秒,或公里/秒) – 计算机向网络发送比特的速率(比特/秒)

? 这两种速率的意义和单位完全不同。 ? 宽带传输:计算机向网络发送比特的速率 较高。

错误的概念
宽带线路
A

在宽带线路上比特传播得快

窄带线路

A

在窄带线路上比特传播得慢

? ?

B

B

正确的概念
宽带线路 窄带线路
A B

A

B

宽带线路:每秒有更多比特从计算机 注入到线路。 宽带线路和窄带线路上比特的传播速率 是一样的。

比喻:汽车运货
宽带线路 窄带线路

宽带和窄带线路:车速一样 宽带线路:车距缩短

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。
1 ?s

带宽为 1 Mb/s

1

0

1

0

1

1

时间

每秒 106 个比特 0.25 ?s

带宽为 4 Mb/s
每秒 4 ? 106 个比特

时间

3. 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。 ? 吞吐量更经常地用于对现实世界中的网 络的一种测量,以便知道实际上到底有 多少数据量能够通过网络。 ? 吞吐量受网络的带宽或网络的额定速率 的限制。

4. 时延(delay 或 latency)
? 传输时延(发送时延 ) 发送数据时,数 据块从结点进入到传输媒体所需要的时间。 ? 也就是从发送数据帧的第一个比特算起, 到该帧的最后一个比特发送完毕所需的时 间。

发送时延 =

数据块长度(比特) 信道带宽(比特/秒)

时延(delay 或 latency)
? 传播时延 电磁波在信道中需要传播一定 的距离而花费的时间。 ? 信号传输速率(即发送速率)和信号在信 道上的传播速率是完全不同的概念。
传播时延 = 信道长度(米) 信号在信道上的传播速率(米/秒)

时延(delay 或 latency)
? 处理时延 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。 ? 排队时延 结点缓存队列中分组排队所 经历的时延。 ? 排队时延的长短往往取决于网络中当时 的通信量。

时延(delay 或 latency)
? 数据经历的总时延就是发送时延、传播时 延、处理时延和排队时延之和:
总时延 = 发送时延+传播时延+处理时延+排队时延

四种时延所产生的地方
从结点 A 向结点 B 发送数据
在结点 A 中产生 处理时延和排队时延 在发送器产生传输时延 (即发送时延) 数据 在链路上产生 传播时延

1011001 …

队列 结点 A 发送器

链路

结点 B

容易产生的错误概念
? 对于高速网络链路,我们提高的仅仅是 数据的发送速率而不是比特在链路上的 传播速率。 ? 提高链路带宽减小了数据的发送时延。

5. 时延带宽积
时延带宽积
(传播)时延 带宽

链路

时延带宽积 = 传播时延 ? 带宽

? 链路的时延带宽积又称为以比特为单位 的链路长度。

6. 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*均值。 ? 信道利用率并非越高越好。

时延与网络利用率的关系
? 根据排队论的理论,当某信道的利用率增 大时,该信道引起的时延也就迅速增加。 ? 若令 D0 表示网络空闲时的时延,D 表示 网络当前的时延,则在适当的假定条件下, 可以用下面的简单公式表示 D 和 D0之间 的关系:
D0 D? 1?U

U 是网络的利用率,数值在 0 到 1 之间。

时延 D 时延 急剧 增大

D0 0

利用率 U

1

1.6.2 计算机网络的非性能特征
? ? ? ? ? ? 费用 质量 标准化 可靠性 可扩展性和可升级性 易于管理和维护


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