1、计算机网络,教材：计算机网络（第七版）谢希仁著,新生入班沟通交流,同学们来自哪些专业？学过什么课程？对信管专业的认知？对计算机网络课程的认知？对专升本的过程有什么感受？有没有考研的想法？,第 1 章 概述,1.1 计算机网络在信息时代中的作用（了解）1.2 互联网概述（了解）1.3 互联网的组成（理解）1.4 计算机网络在我国的发展（了解）1.5 计算机网络的类别（了解）1.6 计算机网络的性能（理解）1.7 计算机网络的体系结构（掌握）,1.1 计算机网络在信息时代中的作用,21 世纪的时代特征：数字化、网络化、信息化。是一个以网络为核心的信息时代。网络现在已经成为信息社会的命脉和发展知识经
2、济的重要基础。,1.1 计算机网络在信息时代中的作用,三大网络：电信网络：（电话、电报及传真）有线电视网络：（电视节目）计算机网络：（计算机之间传送数据文件）,三网融合：电信网络和有线电视网络都逐渐融入了现代计算机网络技术；计算机网络也能够向用户提供电话通信、视频通信以及传送视频节目的服务。,但实现融合并不简单，因为这涉及到各方面的经济利益和行政管辖权的问题。,发展最快并起到核心作用的是计算机网络。,补充：计算机网络的四代发展史,第一代计算机网络是以单个计算机为中心的远程联机系统。典型应用是由一台计算机和全美范围内2000多个终端组成的飞机定票系统。,第二代计算机网络是以多个主机通过通信线路互
3、联起来，为军事提供服务，兴起于60年代后期，典型代表是美国国防部高级研究计划局协助开发的ARPAnet（阿帕网）（军网，Internet的雏形）。,第三代计算机网络是具有统一的网络体系结构并遵循国际标准的开放式和标准化的网络。ISO在1984年颁布了OSI七层模型，公认为新一代计算机网络体系结构的基础，为普及局域网奠定了基础。,第四代计算机网络从80年代末开始，局域网技术发展成熟，出现光纤及高速网络技术，多媒体，智能网络，整个网络就像一个对用户透明的大的计算机系统，发展为以Internet为代表的互联网。,internet与Internet的区别,以小写字母“i”开始的 internet（互连
4、网）是一个通用名词，它泛指由多个计算机网络通过路由器互连而成的网络。以大写字母“I”开始的的 Internet（互联网）则是一个专用名词，它特指当前全球最大的、开放的、由众多网络相互连接而成、覆盖全球的特定计算机网络。,Internet 中文译名,Internet 的中文译名并不统一。现有的 Internet 译名有两种：因特网：官方译名，但却长期未得到推广；互联网：这是目前流行最广的、事实上的标准译名。,“互联网”中文译名能够体现出 Internet 最主要的特征：由数量极大的各种计算机网络互连起来的。本教材采用该译名。,什么是互联网及其基本特点？,互联网是由数量极大的各种计算机网络互连起来
5、而形成的网络。,上网玩游戏看网上视频微信聊天,绝大多数人通过使用互联网而认识了互联网。,互联网两个重要基本特点：,连通性(connectivity),共享(Sharing),互联网的应用：,互联网+,特点：把互联网的创新成果深度融合于经济社会各领域中，从而大大地提升了实体经济的创新力和生产力。,指“互联网+各个传统行业”。例：网上银行、网上办公、网上学习、网上点餐、滴滴打车等,互联网负面影响,互联网也给人们带来了一些负面影响，例如：利用互联网传播计算机病毒利用互联网窃取国家机密和盗窃银行或储户的钱财网上欺诈在网上肆意散布谣言、不良信息和播放不健康的视频节目青少年弃学而沉溺于网络游戏 等,因此，
6、必须加强对互联网的管理。,1.2 互联网概述,1.2.1 网络的网络1.2.2 互联网基础结构发展的三个阶段1.2.3 互联网的标准化工作,补充知识：集线器、交换机、路由器,补充知识：集线器、交换机、路由器,集线器(Hub)-工作在物理层，将一些机器连接起来组成一个局域网。集线器为共享式带宽工作方式。集线器发出数据以广播方式发送到每个接口。,补充知识：集线器、交换机、路由器,交换机(Switch)-工作在数据链路层，主要用于连接计算机等网络终端设备。交换机为独享宽带工作方式。发送的数据可能不再以广播方式发送到每个接口，而是直接到达目的接口。,补充知识：集线器、交换机、路由器,路由器把数据从一个
7、网络发送到另一个网络，这个过程就叫路由。路由器(Router)-工作在网络层，连接不同的网段并且找到网络中数据传输最合适的路径。路由器处理分组的过程是：把收到的分组先放入缓存（暂时存储）；查找转发表（路由表），找出到某个目的地址应从哪个端口转发；把分组送到适当的端口转发出去。,1.2.1 网络的网络,计算机网络（网络）,互连网（网络的网络）,习惯上，与网络相连的计算机常称为主机(host)。主机可以是计算机，也可以是智能手机等智能机器。,互联网,1.2.2 互联网基础结构发展的三个阶段,第一阶段：从单个网络 ARPANET（阿帕网）向互联网发展的过程。1983 年，TCP/IP 协议成为 AR
8、PANET 上的标准协议，使得所有使用 TCP/IP 协议的计算机都能利用互连网相互通信。人们把 1983 年作为互联网的诞生时间。1990年，ARPANET 正式宣布关闭。,1.2.2 互联网基础结构发展的三个阶段,第二阶段：建成了三级结构的互联网。它是一个三级计算机网络，分为主干网、地区网和校园网（或企业网）。,1.2.2 互联网基础结构发展的三个阶段,第三阶段：逐渐形成了多层次 ISP 结构的互联网。ISP：互联网服务提供者(Internet Service Provider)。,互联网的发展情况概况,从 1993 年至 2016 年互联网用户数的增长情况如图所示。在 2005 年互联网
9、的用户数超过了 10 亿，在 2010 年超过了 20 亿，而在2014年 已接近了 30亿。,1993 年至 2016 年互联网用户的增长情况,1.2.3 互联网的标准化工作,互联网的标准化工作对互联网的发展起到了非常重要的作用。,成为互联网正式标准要经过三个阶段,互联网草案(Internet Draft)有效期只有六个月。在这个阶段还不是 RFC 文档。建议标准(Proposed Standard)从这个阶段开始就成为 RFC 文档。互联网标准(Internet Standard)达到正式标准后，每个标准就分配到一个编号 STD xx。一个标准可以和多个 RFC 文档关联。,所有互联网标准
10、都以 RFC 的形式在互联网上发表。RFC（Request For Comments），是一系列以编号排定的文件。,1.3 互联网的组成,1.3.1 边缘部分 1.3.2 核心部分,(1)边缘部分：由所有连接在互联网上的主机组成。用来进行资源共享和通信。(2)核心部分：由网络和路由器组成。为边缘部分提供服务（连通性和交换）。,（端系统）,互联网,1.3 互联网的组成,互联网的核心部分是由许多网络和把它们互连起来的路由器组成，而主机处在互联网的边缘部分。互联网核心部分中的路由器之间一般都用高速链路相连接，而在网络边缘的主机接入到核心部分则通常以相对较低速率的链路相连接。主机的用途是为用户进行信息
11、处理的，并且可以和其他主机通过网络交换信息。路由器的用途则是用来转发分组的，即进行分组交换的。,1.3.1 互联网的边缘部分,主机之间通信的含义“主机 A 和主机 B 进行通信”实际上是指：注：进程指正在运行者的程序。,“主机 A 的某个进程和主机 B 上的另一个进程进行通信”。简称为“计算机之间通信”。,主机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）：Client/Server 例：浏览网页对等方式（P2P）：Peer-to-Peer 例：QQ传送文件,运行客户程序,网络边缘,网络核心,运行服务器程序,A,B,客户,服务器,客户 A 向服务器 B 发出请求服务，服务器 B 向
12、客户 A 提供服务,客户-服务器工作方式,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。,服务请求方和服务提供方都要使用网络核心部分所提供的服务。,客户和服务器软件的特点,客户软件的特点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
13、高级的操作系统支持。,网络边缘,网络核心,运行P2P 程序,运行P2P 程序,D,C,E,F,运行P2P 程序,运行P2P 程序,对等连接工作方式（P2P方式）,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)，它们就可以进行平等的、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是服务器。,重现：互联网的组成,1.3.1 边缘部分 1.3.2 核心部分,(1)边缘部分
14、：由所有连接在互联网上的主机组成。用来进行资源共享和通信。(2)核心部分：由网络和路由器组成。为边缘部分提供服务（连通性和交换）。,（端系统）,互联网,1.3.2 互联网的核心部分,交换“交换”(switching)的含义就是转接：把一条线路转接到另一条线路，使它们连通来。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。在计算机网络及通信系统中常谈到的交换方式电路交换（CS:Circuit Switching）报文交换（MS:Message switching）分组交换（PS:Packet Switching）,补充知识：报文、存储转发,报文（message）是网络
15、中交换与传输的数据单元。报文包含了将要发送的完整的数据信息，其长短很不一致，长度不限且可变。报文组成：报头+正文+报尾存储转发（Store and Forward）：交换机将输入端到来的数据包缓存起来，先检查数据包是否正确，确定包正确后，取出目的地址，通过查找表找到想要发送的输出端口地址，然后将该包发送出去。,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,1.电路交换,N 部电话机两两直接相连，需 N(N 1)/2 对电线。,使用交换机,
16、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,每一部电话都直接连接到交换机上，让电话用户彼此之间可以很方便地通信。,电话机的不同连接方法,(c)用交换机连接许多部电话,电路交换过程,电路交换(circuit switching)是指按照需求建立连接并允许专用这些连接直至它们被释放的一个过程。电路交换分为三个阶段：建立连接 通信 释放连接特点：在通话的全部时间内，通话的两个用户始终占用端到端的通信资源线路的传输效率很低,2.报文交换,报文交换是以报文为数据交换的单位，报文携带有目标地址、源地址等信息，在交换结点采用存储转发的传输方式。优点不独占线路，提高了通信线路的利用率。
17、可以支持多点传输（一个报文传输给多个用户，例：电子邮件系统（E-mail）缺点经历存储、转发这一过程，从而引起时延要求网络中每个结点有较大的存储空间如果传输错误，需重传整个报文,3.分组交换,分组交换（PS:packet switching）是以分组为数据交换的单位，在交换结点采用存储转发的传输方式。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。,报文,添加首部构成分组,每一个数据段前面添加上首部构成分组(packet)。,数 据,数 据,数 据,首部,首部,首部,请注意：现在左边是“前面”,分组交换的传输单元,分组交换以“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
18、在左边）。,以分组为基本单位在网络中传送,分组首部的重要性,每一个分组的首部都含有地址（诸如目的地址和源地址）等控制信息。分组交换网中的结点交换机根据收到的分组首部中的地址信息，把分组转发到下一个结点交换机。每个分组在互联网中独立地选择传输路径。用这样的存储转发方式，最后分组就能到达最终目的地。,收到分组后剥去首部,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,最后还原成原来的报文,最后，在接收端把收到的数据恢复成为原来的报文。,数 据,数 据,数 据,分组交换的优点,分组交换带来的问题,分组在各结点存储转发时需要排队，这就会造成一定的时延。分组必
19、须携带的首部（里面有必不可少的控制信息）也造成了一定的开销。,分组交换网的示意图,H1,A,互联网,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！,路由器,主机,注意分组的存储转发过程,H1,A,互联网,B,D,E,C,H5,H6,H4,H2,H3,H1 向 H5 发送分组,路由器,主机,在路由器 E 暂存查找转发表找到转发的端口,最后到达目的主机 H5,在路由器 C 暂存查找转发表找到转发的端口,在路由器 A 暂存查找转发表找到转发的端口,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
20、,分组交换,t,数据传送特点,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,三种交换的比较,若要连续传送大量的数据，且其传送时间远大于连接建立时间，则电路交换的传输速率较快。报文交换和分组交换不需要预先分配传输带宽，在传送突发数据时可提高整个网络的信道利用率。由于一个分组的长度往往远小于整个报文的长度，因此分组交换比报文交换的时延小，同时也具有更好的灵活性。,1.4 计算机网络在我国的发展,1980 年，铁道部开始进行计算机联网实验。1989 年11 月，我国第一个公用分组交换网 CNPAC 建成运行。1994年4月20日，我国用 64kbit/s
21、 专线正式连入互联网，我国被国际上正式承认为接入互联网的国家。1994年5月，中国科学院高能物理研究所设立了我国的第一个万维网服务器。1994年9月中国公用计算机互联网 CHINANET 正式启动。,1.4 计算机网络在我国的发展,到目前为止，我国陆续建造了基于互联网技术的并能够和互联网互连的多个全国范围的公用计算机网络，其中规模最大的就是下面这五个：(1)中国电信互联网 CHINANET（也就是原来的中国公用计算机互联网）(2)中国联通互联网 UNINET(3)中国移动互联网 CMNET(4)中国教育和科研计算机网 CERNET(5)中国科学技术网 CSTNET,1.4 计算机网络在我国的发
22、展,中国教育和科研计算机网 CERNET(China Education and Research NETwork)始建于1994年，是我国第一个IPv4互联网主干网。2004年2月，我国的第一个下一代互联网 CNGI 的主干网 CERNET2 试验网正式开通，并提供服务。中国互联网络信息中心 CNNIC(Network Information Center of China)每年两次公布我国互联网的发展情况。,1.5 计算机网络的类别,1.5.1 计算机网络的定义1.5.2 几种不同类别的网络,1.5.1 计算机网络的定义,计算机网络的精确定义并未统一。较好的定义：计算机网络主要是由一些通用
23、的、可编程的硬件互连而成的，而这些硬件并非专门用来实现某一特定目的（例如，传送数据或视频信号）。这些可编程的硬件能够用来传送多种不同类型的数据，并能支持广泛的和日益增长的应用。,1.5.1 计算机网络的定义,根据这个定义：(1)计算机网络所连接的硬件，并不限于一般的计算机，而是包括了智能手机。(2)计算机网络并非专门用来传送数据，而是能够支持很多种的应用（包括今后可能出现的各种应用）。,请注意，上述的“可编程的硬件”表明这种硬件一定包含有中央处理机(CPU)。,1.5.2 几种不同类别的网络,计算机网络有多种类别。典型包括：1.从网络的作用范围进行分类2.从网络的使用者进行分类3.用来把用户接
24、入到互联网的网络,1.从网络的作用范围进行分类,广域网 WAN(Wide Area Network)：作用范围通常为几十到几千公里。局域网 LAN(Local Area Network)：作用距离约为5 50 公里。城域网 MAN(Metropolitan Area Network)：局限在较小的范围（如 1 公里左右）。个人区域网 PAN(Personal Area Network)：范围很小，大约在10 米左右,2.从网络的使用者进行分类,公用网(public network)按规定交纳费用的人都可以使用的网络。因此也可称为公众网。专用网(private network)为特殊业务工作的需
25、要而建造的网络。,3.用来把用户接入到互联网的网络,接入网 AN(Access Network)指骨干网络到用户终端之间的所有设备。其长度一般为几百米到几公里，因而被形象地称为最后一公里。由于骨干网一般采用光纤结构，传输速度快，因此，接入网便成为了整个网络系统的瓶颈。接入网的接入方式包括铜线（普通电话线）接入、光纤接入、光纤同轴电缆（有线电视电缆）混合接入和无线接入等几种方式。接入网本身既不属于互联网的核心部分，也不属于互联网的边缘部分。,1.6 计算机网络的性能,1.6.1 计算机网络的性能指标1.6.2 计算机网络的非性能特征,1.6.1 计算机网络的性能指标,计算机网络的性能一般是指它的
26、几个重要的性能指标，主要包括：速率带宽吞吐量时延时延带宽积往返时间 RTT利用率,1.速率,比特（bit）是计算机中数据量的单位，一个比特就是二进制数字中的一个 1 或 0。速率指的是数据的传送速率，它也称为数据率(data rate)或比特率(bit rate)。速率的单位是 bit/s，或kbit/s、Mbit/s、Gbit/s 等。k(千)=103，M(兆)=106，G(吉)=109，T(太)=1012，P(拍)=1015，E(艾)=1018，Z(泽)=1021，Y(尧)=1024数据量的单位是B(byte，字节)，1B=8bit。k(千)=210，M(兆)=220，G(吉)=230，T
27、(太)=240，P(拍)=250，E(艾)=260，Z(泽)=270，Y(尧)=280例：15G的数据块以10G的速率传送。表示有15*230B(或者15*230*8bit)的数据块以10*109bit/s的速率传送。速率往往是指额定速率或标称速率，非实际运行速率。,2.带宽,带宽(bandwidth)用来表示网络中某通道传送数据的能力。表示在单位时间内网络中的某信道所能通过的“最高数据率”。单位是 bit/s，即“比特每秒”。看到家里的上网速度时一定会好奇：为什么ISP声称的都是1M带宽等我们一般看到的下载速度为125KB/S等，难道是ISP欺骗了我们？其实是软件中显示的数据单位，一般用字节
28、来衡量。但是其实我们听到运营商ISP给我们的衡量数据的单位是bit。所以拿1M宽带举个例子：1Mb/s=1000Kb/s=1000/8KB/S=125KB/S,“带宽”越宽，其所能传输的“最高数据率”也越高。,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。,比较：速率、带宽、吞吐量,速率：在数据传输中，两个设备之间数据流动的物理速度，单位为bps。我们平常说的速率是额定速率。带宽：计算机网络中的主机在数字信道上，
29、单位时间内从一端传送到另一端的最大数据量，即最大速率，单位bps。吞吐量：主机之间实际传输速率，被称为吞吐量。就是单位时间内某个（信道、端口）实际的数据量，可以理解为实际的带宽。,4.时延(delay 或 latency),时延(delay 或 latency)是指数据（一个报文或分组，甚至比特）从网络（或链路）的一端传送到另一端所需的时间。有时也称为延迟或迟延。网络中的时延由以下几个不同的部分组成：(1)发送时延(2)传播时延(3)处理时延(4)排队时延,4.时延(delay 或 latency),(1)发送时延也称为传输时延。发送数据时，数据帧从结点进入到传输媒体所需要的时间。也就是从发送
30、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。,4.时延(delay 或 latency),(2)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。,比较：发送时延和传播时延,理解两种时延发生的地方不同发送时延：机器内部的发生器（网络适配器）传播时延：机器外部的传输信道媒体上发送时延与发送速率有关系，与传播速率无关系传播时延与传播速率有关系，与发送速率无关系例如：10辆车从高速收费站入口出发到50公里的目的地，过收费站6秒/辆车，车速100公里/小时。发车时间(发送时延)：6*10=60秒行车时间(传播时延)：50/100=30分钟,4.时延(delay 或 latenc
31、y),(3)处理时延主机或路由器在收到分组时，为处理分组（例如分析首部、提取数据、差错检验或查找路由）所花费的时间。(4)排队时延分组在路由器输入输出队列中排队等待处理所经历的时延。排队时延的长短往往取决于网络中当时的通信量。,4.时延(delay 或 latency),数据在网络中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,必须指出，在总时延中，究竟是哪一种时延占主导地位，必须具体分析。,四种时延所产生的地方,1 0 1 1 0 0 1,发送器,队列,结点 B,结点 A,在结点 A 中产生处理时延和排队时延,数据,假设从结点
32、A 向结点 B 发送数据,链路,几种时延产生的地方不一样,容易产生的错误概念,错误分析光纤传播速度：20.5万平方公里/秒铜线传播速度：23.1万平方公里/秒对于高速网络链路，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。,以下说法是错误的：“在高速链路（或高带宽链路）上，比特会传送得更快些”。例如：光纤代替铜线，就是感觉快。,5.时延带宽积,链路的时延带宽积又称为以比特为单位的链路长度。,（传播）时延,链路,带宽,时延带宽积=传播时延 带宽,只有在代表链路的管道都充满比特时，链路才得到了充分利用。,链路像一条空心管道,6.往返时间 RTT,互联
33、网上的信息不仅仅单方向传输，而是双向交互的。因此，有时很需要知道双向交互一次所需的时间。往返时间表示从发送方发送数据开始，到发送方收到来自接收方的确认，总共经历的时间。在互联网中，往返时间还包括各中间结点的处理时延、排队时延以及转发数据时的发送时延。,7.利用率,分为信道利用率和网络利用率。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。信道(information channels)是信号的传输媒质。网络利用率则是全网络的信道利用率的加权平均值。信道利用率并非越高越好。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。,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：
