北邮第一讲计算机网络概述

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1、,计算机通信与网络 信息与通信工程学院 张 彬 2013年3月,教学内容,计算机网络概述 协议与体系结构 物理层 数据链路层 信道共享技术 局域网 广域网(网络层) 网络互联(IP及其配套协议) 传输层(TCP、UDP) 应用层,第一讲 计算机网络概述,要点: 计算机网络的概念 计算机网络的发展过程 通信子网和资源子网的概念 三种交换方式 Internet的发展 OSI/RM与TCP/IP的体系结构 标准及其标准组织 计算机网络的分类 有关三网融合 网络的拓扑 计算机网络的主要性能指标,1.1 计算机网络的概念,计算机网络: 利用通信设备和线路将地理位置不同、自主的多个计算机系统互连起来，以功

2、能完善的网络软件实现网络中资源共享和信息传递的系统。,自主的:,autonomous,互连: interconnect,1.2 计算机网络的发展过程,面向终端的的计算机网络，各终端通过通信线路共享主机的硬件和软件资源 以通信子网为中心，用户通过分组交换网可共享用户资源子网的硬件和软件资源 采用标准的分层体系结构,一、面向终端的计算机网络(1),H: Host 主机 T:终端 M:调制解调器 线路控制器: 负责计算机和线路的通信，主要完成串行和并行传 输的转换和简单的差错控制。,一、面向终端的计算机网络(2),多重线路控制器: 控制多条电路，主机负责每条 线路的收发; 通过拨号，多个终端可同时上

3、到主机上。,一、面向终端的计算机网络(3),一、面向终端的计算机网络(4),为了节省通信费用，可在远程终端密集处加一个集中器。集中器的一端用多条低速线路与各个终端相连，其另一端则用一条较高速率的线路和计算机相连。由于集中器不是简单的多路复用器而是一个智能复用器，它可利用一些终端的空闲时间来传送其他处于工作状态的终端的数据。,分组交换的产生,60 年代初，美国国防部领导的远景研究规划局ARPA (Advanced Research Project Agency) 提出要研制一种生存性(survivability)很强的网络。 传统的电路交换(circuit switching)的电信网有一个缺点

4、：正在通信的电路中有一个交换机或有一条链路被炸毁，则整个通信电路就要中断。 如要改用其他迂回电路，必须重新拨号建立连接。这将要延误一些时间。,计算机网络的产生背景,新型网络的基本特点,网络用于计算机之间的数据传送，而不是为了打电话。 网络能够连接不同类型的计算机，不局限于单一类型的计算机。 所有的网络结点都同等重要，因而大大提高网络的生存性。 计算机在进行通信时，必须有冗余的路由。 网络的结构应当尽可能地简单，同时还能够非常可靠地传送数据。,回顾一下电路交换的特点,两部电话机只需要用一对电线就能够互相连接起来。,更多的电话机互相连通,5 部电话机两两相连，需 10 对电线。 N 部电话机两两相

5、连，需 N(N 1)/2对电线。 当电话机的数量很大时，这种连接方法需要的电线对的数量与电话机数的平方成正比。,使用交换机,当电话机的数量增多时，就要使用交换机来完成全网的交换任务。,交换机,“交换”的含义,在这里，“交换”(switching)的含义是： 转接把一条电话线转接到另一条电话线，使它们连通起来。 从通信资源的分配角度来看，“交换”就是按照某种方式动态地分配传输线路的资源。,电路交换的特点,电路交换必定是面向连接的。 电路交换的三个阶段： 建立连接 通信 释放连接,电路交换举例,A 和 B 通话经过四个交换机 通话在 A 到 B 的连接上进行,(,(,(,(,交换机,交换机,交换机

6、,交换机,用户线,用户线,中继线,中继线,B,D,C,A,电路交换举例,C 和 D 通话只经过一个本地交换机 通话在 C 到 D 的连接上进行,(,(,(,(,交换机,交换机,交换机,交换机,用户线,用户线,中继线,中继线,B,D,C,A,电路交换传送计算机数据效率低,计算机数据具有突发性。 这导致通信线路的利用率很低。,二、从主机为中心到以网络为中心,以主机为中心,以分组交换网为中心,以通信子网为中心的计算机网络,通信子网: 负责计算机网络中的信息传递。由网络节点IMP(Interface message Processor)和通信链路组成，将主机、终端连在一起的部分。 资源子网: 负责信息

7、处理，由主机和终端构成。 主机:网络中的设备，运行用户程序的机器。,报文,分组交换的原理（一）,在发送端，先把较长的报文划分成较短的、固定长度的数据段。,数 据,数 据,数 据,分组交换的原理（二）,每一个数据段前面添加上首部构成分组。,首部,首部,首部,请注意：现在左边是“前面”,分组交换的原理（三）,分组交换网以“分组”作为数据传输单元。 依次把各分组发送到接收端（假定接收端在左边）。,分组首部的重要性,每一个分组的首部都含有地址等控制信息。 分组交换网中的结点交换机根据收到的分组的首部中的地址信息，把分组转发到下一个结点交换机。 用这样的存储转发方式，最后分组就能到达最终目的地。,分组交

8、换的原理（四）,接收端收到分组后剥去首部还原成报文。,数 据,首部,数 据,首部,数 据,首部,收到的数据,数 据,数 据,数 据,分组交换的原理（五）,最后，在接收端把收到的数据恢复成为原来的报文。 这里我们假定分组在传输过程中没有出现差错，在转发时也没有被丢弃。,分组交换网的示意图,H1,A,分组交换网,B,D,E,C,H5,H6,H4,H2,H3,H1 向 H5 发送分组,H2 向 H6 发送分组,注意分组路径的变化！,结点交换机,主机,注意分组的存储转发过程,H1,A,分组交换网,B,D,E,C,H5,H6,H4,H2,H3,H1 向 H5 发送分组,结点交换机,主机,在结点交换机 A

9、 暂存 查找转发表 找到转发的端口,在结点交换机 C 暂存 查找转发表 找到转发的端口,在结点交换机 E 暂存 查找转发表 找到转发的端口,最后到达目的主机 H5,三种交换方式(电路交换、报文交换、分组交换), 电路交换 ：电话系统，通信前先建立连接，预先分配资源 报文交换 ：邮政系统，存储转发方式，动态分配资源， 数据传送的单位是较长的报文（message） 分组交换 ：存储转发方式，动态分配资源，数据传送的 单位是较短的分组（packet，包）,三种交换的比较,A,B,C,D,分组交换,报文交换,报 文,报 文,报 文,A,B,C,D,A,B,C,D,报文,t,呼 叫 阶段,数据传送,电路

10、交换,连接释放,三种交换的比较,A B C D,A B C D,A B C D,报文交换,电路交换,分组交换,t,数据传送 的特点,比特流直达终点,报文,报文,报文,分组,分组,分组,存储 转发,存储 转发,存储 转发,存储 转发,三种交换方式比较(1):,1 接续时间: 电路交换: 拨号时间相对长 报文交换: 发送用户不需建立端到端的连接， 接通本地交换机的时间小于1秒。 分组交换:,面向连接:100ms,无连接,三种交换方式比较(2):,2 传播时延: 是指电磁波在信道中传播所需要的时间。取决于电磁波在信道上的传播速率以及传输的距离。 电路交换: 最短，电磁波在电路中传播的速率 为20万公

11、里/秒。 报文交换: 最长; 分组交换:,三种交换方式比较(3):,3 可靠性: 电路交换:,报文交换:,分组交换: 每个分组在网络中传输时可以在中继线和用户 线上分段进行差错校验，使信息在分组交换网络中传输的 比特差错率大大降低，一般可以达到 以下。,三种交换方式比较(4):,4 对系统业务过载的反应: 电路交换: 有呼损; 当对方用户终端设备忙或交换网负 载过重而呼叫不通。 报文交换: 存储-转发，当业务过载，发不出去，在交 换机内部存储，增加了报文传输时延。 分组交换: 有流量控制机制, 通过抑制、控制发送方降低 发送速率，甚至停止发送。,三种交换方式比较(5):,5 信息传输的透明性

12、电路交换: 信息以数字信号形式在数据通路中“透明”传 输，交换机对用户的数据信息不 存储、分析和处理。 报文交换: 不透明 分组交换: 不透明,三种交换方式比较(6):,6 异种终端的互通 电路交换: 通信双方在信息传输、编码格式、 同步方式、通信协议等方面要完全 兼容，这就限制了各种不同速率、 不同代码格式、不同通信协议的用 户终端直接的互通。 分组、报文: 报文(分组)以存储转发方式通过交 换机，输入输出电路的速率、编码 格式等可以不同，很容易实现各种 不同类型终端之间的相互通信。,三种交换方式比较(7):,7 多功能通信 (同文广播) 电路交换: 不支持多功能通信 报文交换、分组交换:

13、根据报文指定的一个或多个目的地址 ，只 需发送一次。从用户的角度来看，支持多 功能通信。,三种交换方式比较(8):,8 电路的利用率 电路交换: 连接建立后，电路资源被通信双方独占(即使无数据)，电路利用率低。电路的接续时间长，当传输较短信息时，通信通路建立的时间可能将大于通信时间，网络利用率低。 报文交换、分组交换: 可实现线路动态统计复用，资源利用率高 一个用户可以同时进行多个通信 （如发E-mail，通话，下载文件可同时进行）,三、开放式标准化网络,ISO/OSI,数据链路层,物理层,通路控制,数据链路控制,物理层,传输控制,端用户,功能管理服务,数据流控制,路由控制,传输组,数据链路控

14、制,物理层,网络服务,端用户,网络应用,会话控制,传输控制,IMP-IMP,物理层,HOST-HOST,用户层,文件传输协议 远程通信协议,源IMP-目的IMP,网络接口层,IP,TCP/UDP,应用,ARPA,SNA,DNA,TCP/IP,ISO/OSI 模型,TCP/IP 体系结构,OSI失败的原因,OSI的专家们缺乏实际经验，他们在完成OSI标准时没有商业驱动力; OSI的协议实现起来过分复杂，而且运行效率很低; OSI标准的制订周期太长，因而使得按OSI标准生产的设备无法及时进入市场,标准提出的时机,研究,投资,活动,时间,标准,原理体系结构,网络层,数据链路层,运输层,应用层,物理层

15、,1.3 因特网发展的三个阶段,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。,Internet的发展,1969年，美国的分组交换网ARPANET投入运行，当时仅有4个node。1983年，连接300台计算机。 1984年， ARPANET分解成两个网络。一个仍称为ARPANET，是民用科研网，另一个是军用计算机网MILNET. 1985年，NSF围绕其6个大型计算中心建设计算机网络。1986年，建成国家自然科学基金网NSFNET,其为一个三级计算机网络，包括主干网、地区网和校园网，覆盖了全美国主要的大学和研究所。NSFNET后来接管了ARPANET，并改为Internet。 最初NSFNET的主干网的速率不高，仅为56kb/s。在1989-1990年，提高为1