CH1 计算机网络概述

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1、计算机网络熊平 中南财经政法大学信息学院计算机系 1.1 计算机网络 在信息时代的作用n21 世纪的一些重要特征就是数字化、 网络化和信息化，它是一个以网络为核 心的信息时代。n网络现已成为信息社会的命脉和发展知 识经济的重要基础。n网络是指“三网”，即电信网络、有线电 视网络和计算机网络。n发展最快的并起到核心作用的是计算机 网络。 因特网(Internet)的发展n进入 20 世纪 90 年代以后，以因特网 为代表的计算机网络得到了飞速的发展 。n已从最初的教育科研网络逐步发展成为 商业网络。n已成为仅次于全球电话网的世界第二大 网络。 n注意，因特网是网络的一个特例。因特网的意义n因特网

2、是自印刷术以来人类通信方面最 大的变革。n现在人们的生活、工作、学习和交往都 已离不开因特网。 n但是，人们对因特网的依赖也带来了一 些安全问题。计算机网络向用户提供的 最重要的功能 n连通性计算机网络使上网用户之间 都可以交换信息，好像这些用户的计算 机都可以彼此直接连通一样。 n共享即资源共享。可以是信息共享 、软件共享，也可以是硬件共享。（共 享这个概念是广义的） 1.2 因特网概述为什么计算机网络的主要内容讲的就 是“因特网”这个个案，而不是广义的“计 算机网络”？计算机网络的产生背景n是 20 世纪 60 年代美苏冷战时期的产物。n60 年代初，美国国防部领导的远景研究规划局 ARP

3、A (Advanced Research Project Agency) 提出要研制一种生存性(survivability)很强的网 络。n传统的电路交换(circuit switching)的电信网有 一个缺点：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 。n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。 IP 网络当部分结点或链路被摧毁时当部分结点或链路被摧毁时 分组交换仍可保持网络畅通分组交换仍可保持网络畅通路由器新型网络的基本特点n网络用于计算机之间的数据传送，而不是为 了打电话。n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

4、机。n所有的网络结点都同等重要，因而大大提高 网络的生存性。n计算机在进行通信时，必须有冗余的路由。n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。 ARPANET的成功使 计算机网络的概念发生根本变 化 n早期的面向终端的计算机网络是以单个 主机为中心的星形网n各终端通过通信线路共享昂贵的中心主机 的硬件和软件资源。 n分组交换网则是以网络为中心，主机都 处在网络的外围。n用户通过分组交换网可共享连接在网络上 的许多硬件和各种丰富的软件资源。 从主机为中心到以网络为中 心主机终端以主机为中心以分组交换网为中心主机分组交换网1.2 因特网概述1.2.1 网络的网络n起源于美国的因

5、特网,现已发展成为世 界上最大的国际性计算机互联网 n网络(network)由若干结点(node)和连接 这些结点的链路(link)组成。 n互联网是“网络的网络”(network of networks)。 n连接在因特网上的计算机都称为主机 (host)。 网络与因特网n网络把许多计算机连接在一起。n因特网则把许多网络连接在一起。 (a)(b)网络互联网（网络的网络）结点链路主机因特网1.2.2 因特网发展的三个阶 段n第一阶段是从单个网络 ARPANET 向 互联网发展的过程。 n1983 年 TCP/IP 协议成为 ARPANET 上的标准协议。n人们把 1983 年作为因特网的诞生时

6、间 。 Internet 和 Internet 的区别n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。 n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。三级结构的因特网 n第二阶段的特点是建成了三级结构的因 特网。 n三级计算机网络，分为主干网、地区网 和校园网（或企业网）。 多层次 ISP 结构的因特 网 n第三阶段的特点是逐渐形成了多层次 ISP 结

7、构的因特网。n出现了因特网服务提供者 ISP (Internet Service Provider)。 用户因特网ISP1ISP2因特网 服务提供者用户通过 ISP 上网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。 一级 ISP一级 ISP第一层 ISP大公司 本地 ISP大公司大公司公司本地 ISP本地 ISP校园网校园网校园网校园网第二层 ISP第二层 ISPNAPNAPAB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第一层 ISP第二层 ISP本地 ISP本地 ISP本地 ISP本

8、地 ISP第一层 ISP第一层第二层第三层本地 ISP第二层 ISP本地 ISP本地 ISP本地 ISP本地 ISP第二层 ISP本地 ISP本地 ISP第二层 ISP万维网 WWW 的问世n因特网已经成为世界上规模最大和增长 速率最快的计算机网络，没有人能够准 确说出因特网究竟有多大。n因特网的迅猛发展始于 20 世纪 90 年 代。由欧洲原子核研究组织 CERN 开 发的万维网 WWW (World Wide Web) 被广泛使用在因特网上，大大方便了广 大非网络专业人员对网络的使用，成为 因特网的这种指数级增长的主要驱动力 。 因特网的发展情况概况网络数 主机数 用户数 管理机构数 19

9、80 10 102 102 100 1990 103 105 106 101 2000 105 107 108 102 2005 106 108 109 1031.2.3 关于因特网的标准化 工作因特网协会 ISOC因特网研究指导小组 IRSG 因特网研究部 IRTF 因特网工程部 IETF 因特网工程指导小组 IESG RGWGRG领域领域因特网体系结构 研究委员会 IAB WGWGWG制订因特网的正式标准要经 过以下的四个阶段 n因特网草案(Internet Draft) 在这个 阶段还不是 RFC 文档。n建议标准(Proposed Standard) 从 这个阶段开始就成为 RFC 文

10、档。n草案标准(Draft Standard)n因特网标准(Internet Standard) 各种RFC之间的关系 因特网草案建议标准草案标准因特网标准历史的 RFC实验的 RFC提供信息的 RFC6 种 RFC1.3 因特网的组成 从因特网的工作方式上看，可以划分为以下的 两大块： (1) 边缘部分 由所有连接在因特网上的主机组 成。这部分是用户直接使用的，用来进行通 信（传送数据、音频或视频）和资源共享。资源子网 (2) 核心部分 由大量网络和连接这些网络的路 由器组成。这部分是为边缘部分提供服务的 （提供连通性和交换）。通信子网因特网的核心部分因特网的边缘部分 主机网络路由器因特网的

11、边缘部分与核心部分1.3.1 因特网的边缘部 分n处在因特网边缘的部分就是连接在因特 网上的所有的主机。这些主机又称为端 系统(end system)。n “主机 A 和主机 B 进行通信”，实际上 是指：“运行在主机 A 上的某个程序和 运行在主机 B 上的另一个程序进行通 信”。n即“主机 A 的某个进程和主机 B 上的另 一个进程进行通信”。或简称为“计算机 之间通信” 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：n客户服务器方式（C/S 方式）即Client/Server方式 n对等方式（P2P 方式）即 Peer-to-Peer方式 1. 客户服务器

12、方式n客户(client)和服务器(server)都是指通 信中所涉及的两个应用进程。n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。n客户是服务的请求方，服务器是服务的 提供方。运行 客户 程序网络边缘网络核心运行 服务器 程序AB 请求服务 得到服务客户服务器客户 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 n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。n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 n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

13、客户的请求。n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。n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 n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。n只要两个主机都运行了对等连接软件（ P2P 软件），它们就可以进行平等的、 对等连接通信。n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n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。n例如

14、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。网络边缘网络核心运行 P2P 程序运行 P2P 程序DCEF运行 P2P 程序运行 P2P 程序1.3.2 因特网的核心部分n网络核心部分是因特网中最复杂的部分 。n网络中的核心部分要向网络边缘中的大 量主机提供连通性，使边缘部分中的任 何一个主机都能够向其他主机通信（即 传送或接收各种形式的数据）。n在网络核心部分起特殊作用的是路由器 (router)。n路由器是实现分组交换(packet switching)的关键构件，其任务是转发收 到的分组，这是网络核心部分

15、最重要的 功能。 1. 电路交换的主要特点n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n5 部电话机两两相连，需 10 对电线。nN 部电话机两两相连，需 N(N 1)/2 对电线。n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n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n在这里，“交换”(switching)的含义就是 转接把一条电话线转接到另一条电 话线，使它们连通起来。n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n电路交换必定是面向连接的。 n电路交换的三个阶段：n建立连接n通信n释放连接电路交换举例nA 和 B 通话经过四个交换机n通话在 A 到 B 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BDCA电路交换举例nC 和 D 通话只经过一个本地交换机n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BDCA电路交换传送计算机数据效 率低n计算机数据具有突发性。n这导致通信线路的利用率很低。报文2. 分组交换的主要特点