計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)教程：第01章 概述

1、 人民郵電出版社高等學(xué)校21世紀(jì)教材計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)教程電子教案退出第1章 概 述1.1 計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)在信息時(shí)代的作用1.2 計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展過(guò)程1.3 計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的分類(lèi)1.4 計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的主要性能指標(biāo)1.1 計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)在信息時(shí)代的作用我們已經(jīng)進(jìn)入了21世紀(jì)。21世紀(jì)的一些重要特征就是數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化和信息化，它是一個(gè)以網(wǎng)絡(luò)為核心的信息時(shí)代。知識(shí)經(jīng)濟(jì)中的兩個(gè)重要特點(diǎn)就是信息化和全球化。這里所說(shuō)的網(wǎng)絡(luò)是指電信網(wǎng)絡(luò)(主要的業(yè)務(wù)是電話，但也有其他業(yè)務(wù)，如傳真、數(shù)據(jù)等)、有線電視網(wǎng)絡(luò)(即單向電視節(jié)目的傳送網(wǎng)絡(luò)，但現(xiàn)已開(kāi)始逐漸向雙向傳輸網(wǎng)絡(luò)改造)和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)。這三種網(wǎng)絡(luò)通常簡(jiǎn)稱(chēng)為“三網(wǎng)”。進(jìn)入20世紀(jì)90年代以來(lái)

2、，以因特網(wǎng)(Internet)為代表的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展速度十分迅猛，已從最初的教育科研網(wǎng)絡(luò)逐步發(fā)展成為商業(yè)網(wǎng)絡(luò)，并已成為僅次于全球電話網(wǎng)的世界第二大網(wǎng)絡(luò)。1.2 計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展過(guò)程1.2.1 計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的產(chǎn)生 一百多年來(lái)，電話交換機(jī)雖然經(jīng)過(guò)多次更新?lián)Q代，但交換的方式一直都是電路交換。當(dāng)電話機(jī)的數(shù)量增多時(shí)，就要使用很多彼此連接起來(lái)的交換機(jī)來(lái)完成全網(wǎng)的交換任務(wù)。用這樣的方法，就構(gòu)成了覆蓋全世界的電信網(wǎng)。這種必須經(jīng)過(guò)“建立連接通信釋放連接”三個(gè)步驟的連網(wǎng)方式稱(chēng)為面向連接的(connection-oriented)。這里我們要指出，電路交換必定是面向連接的。但面向連接的卻不一定是電路交換，因?yàn)榉纸M交

3、換也可以使用面向連接的方式(如廣域網(wǎng)的X.25網(wǎng)絡(luò)和ATM網(wǎng)絡(luò))。圖1-2為電路交換的示意圖。在通話的全部時(shí)間內(nèi)，通話的兩個(gè)用戶始終占用端到端的固定傳輸帶寬。當(dāng)使用電路交換來(lái)傳送計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)時(shí)，其線路的傳輸效率往往很低。分組交換則采用存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)技術(shù)。分組的概念如圖1-3所示。通常我們將欲發(fā)送的整塊數(shù)據(jù)稱(chēng)為一個(gè)報(bào)文(message)。在每一個(gè)數(shù)據(jù)段前面，加上一些必要的控制信息組成的首部(header)后，就構(gòu)成了一個(gè)分組(packet)。分組又稱(chēng)為“包”，而分組的首部也可稱(chēng)為“包頭”。分組交換的特征是基于標(biāo)記(label-based)。不先建立連接而隨時(shí)可發(fā)送數(shù)據(jù)的連網(wǎng)方式，稱(chēng)為無(wú)連接的(conne

4、ctionless)。分組交換網(wǎng)由若干個(gè)結(jié)點(diǎn)交換機(jī)(node switch)和連接這些交換機(jī)的鏈路組成，如圖1-4(a)所示。圖1-4(b)和圖1-4(a)的表示方法是一樣的，但強(qiáng)調(diào)了結(jié)點(diǎn)交換機(jī)具有多個(gè)端口的概念。圖中H1 H6都是可進(jìn)行通信的計(jì)算機(jī)，但在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中常稱(chēng)它們?yōu)橹鳈C(jī)(host)。在ARPANET建網(wǎng)初期，分組交換網(wǎng)中的結(jié)點(diǎn)交換機(jī)曾被稱(chēng)為接口報(bào)文處理機(jī)IMP (Interface Message Processor)。結(jié)點(diǎn)交換機(jī)處理分組的過(guò)程是：將收到的分組先放入緩存，再查找轉(zhuǎn)發(fā)表(轉(zhuǎn)發(fā)表中寫(xiě)有到何目的地址應(yīng)從何端口轉(zhuǎn)發(fā)的信息)，然后由交換機(jī)構(gòu)從緩存中將該分組取出，傳遞給適當(dāng)?shù)亩?/p>

5、口轉(zhuǎn)發(fā)出去。分組交換網(wǎng)的主要優(yōu)點(diǎn)可歸納如表1-1所示。分組交換也帶來(lái)一些新的問(wèn)題。例如，分組在各結(jié)點(diǎn)存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)需要排隊(duì)，這就會(huì)造成一定的時(shí)延。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)通信量過(guò)大時(shí)，這種時(shí)延可能會(huì)很大。此外，各分組必須攜帶的控制信息也造成了一定的開(kāi)銷(xiāo)(overhead)。圖1-5表示電路交換、報(bào)文交換和分組交換的主要區(qū)別。圖1-6(a)所示的是早期的面向終端的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)，它是以單個(gè)主機(jī)為中心的星形網(wǎng)，各終端通過(guò)通信線路共享昂貴的中心主機(jī)的硬件和軟件資源。而分組交換網(wǎng)是以網(wǎng)絡(luò)為中心，主機(jī)和終端都處在網(wǎng)絡(luò)的外圍，如圖1-6(b)所示。用戶通過(guò)分組交換網(wǎng)可共享連接在網(wǎng)絡(luò)上的許多硬件和各種豐富的軟件資源。1.2.2 因特

6、網(wǎng)時(shí)代美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)NSF認(rèn)識(shí)到計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)對(duì)科學(xué)研究的重要性，因此從1985年起，美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)就圍繞其六個(gè)大型計(jì)算機(jī)中心建設(shè)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)。1986年，NSF建立了國(guó)家科學(xué)基金網(wǎng)NSFNET。NSFNET后來(lái)接管了ARPANET，并將網(wǎng)絡(luò)改名為Internet，即因特網(wǎng)。1992年因特網(wǎng)上的主機(jī)超過(guò)100萬(wàn)臺(tái)。1993年因特網(wǎng)主干網(wǎng)的速率提高到45 Mbit/s (T3速率)。到1996年速率為155 Mbit/s的主干網(wǎng)vBNS (very high-speed Backbone Service)建成。1998年又開(kāi)始建造更快的主干網(wǎng)Abilene，數(shù)據(jù)率最高達(dá)2.5 Gbit/s。1

7、999年MCI和Worldcom公司開(kāi)始將美國(guó)的因特網(wǎng)主干網(wǎng)速率提高到2.5 Gbit/s。到1999年底，因特網(wǎng)上注冊(cè)的主機(jī)已超過(guò)1000萬(wàn)臺(tái)。表1-2是因特網(wǎng)上的網(wǎng)絡(luò)數(shù)、主機(jī)數(shù)、用戶數(shù)和管理機(jī)構(gòu)數(shù)的簡(jiǎn)單概括COME00。1.2.3 關(guān)于因特網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)化工作1992年，因特網(wǎng)不再歸美國(guó)政府管轄，因此成立了一個(gè)國(guó)際性組織叫做因特網(wǎng)協(xié)會(huì)ISOC (Internet Society)，以便對(duì)因特網(wǎng)進(jìn)行全面管理以及在世界范圍內(nèi)促進(jìn)其發(fā)展和使用。ISOC下面有一個(gè)技術(shù)組織叫做因特網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)研究委員會(huì)IAB (Internet Architecture Board)，負(fù)責(zé)管理因特網(wǎng)有關(guān)協(xié)議的開(kāi)發(fā)。IAB下

8、面又設(shè)有兩個(gè)工程部。 因特網(wǎng)工程部IETF (Internet Engineering Task Force) 因特網(wǎng)研究部IRTF (Internet Research Task Force)從一個(gè)普通文檔上升到因特網(wǎng)的正式標(biāo)準(zhǔn)要經(jīng)過(guò)四個(gè)階段。（1）因特網(wǎng)草案(Internet Draft)。（2）建議標(biāo)準(zhǔn)(Proposed Standard)。（3）草案標(biāo)準(zhǔn)(Draft Standard)。（4）因特網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)(Internet Standard)。還有三種RFC，即歷史的、實(shí)驗(yàn)的和提供信息的。圖1-8所示的是各種RFC之間的關(guān)系。1.2.4 計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)在我國(guó)的發(fā)展1989年11月，我國(guó)第一個(gè)

9、公用分組交換網(wǎng)CNPAC建成運(yùn)行，在此基礎(chǔ)上，1993年9月建成新的中國(guó)公用分組交換網(wǎng)。在20世紀(jì)80年代后期，公安、銀行、軍隊(duì)以及其他一些部門(mén)也相繼建立了各自的專(zhuān)用計(jì)算機(jī)廣域網(wǎng)。自20世紀(jì)90年代起，我國(guó)陸續(xù)建造了基于因特網(wǎng)技術(shù)的、可以和因特網(wǎng)互連的9個(gè)全國(guó)范圍的公用計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)。表1-3是中國(guó)互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)信息中心公布的我國(guó)最近幾年來(lái)因特網(wǎng)的發(fā)展情況。1.3 計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的分類(lèi)1.3.1 計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的不同定義計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的精確定義并未統(tǒng)一。關(guān)于計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的最簡(jiǎn)單的定義是TANE96：一些互相連接的、自治的計(jì)算機(jī)的集合。最簡(jiǎn)單的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)就只有兩臺(tái)計(jì)算機(jī)和連接它們的一條鏈路。最復(fù)雜的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)就是因特網(wǎng)

10、。它由非常多的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)通過(guò)許多路由器互連而成。因此因特網(wǎng)也稱(chēng)為“網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)”(network of networks)。計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)與分布式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)雖然有相同之處，但二者并不等同。分布式系統(tǒng)的最主要特點(diǎn)是整個(gè)系統(tǒng)中的各計(jì)算機(jī)對(duì)用戶都是透明的。1.3.2 計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的幾種不同分類(lèi)方法1從網(wǎng)絡(luò)的交換功能進(jìn)行分類(lèi)電路交換；報(bào)文交換；分組交換；混合交換。2從網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行分類(lèi)網(wǎng)絡(luò)的管理者非常關(guān)心網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。按網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)劃分，可以分為：集中式網(wǎng)絡(luò)；分散式網(wǎng)絡(luò)；分布式網(wǎng)絡(luò)。3從網(wǎng)絡(luò)的作用范圍進(jìn)行分類(lèi)廣域網(wǎng)WAN (Wide Area Network) 局域網(wǎng)LAN (Local Area N

11、etwork)城域網(wǎng)MAN (Metropolitan Area Network)多個(gè)處理機(jī)互連的系統(tǒng)按其大小的分類(lèi)如表1-4所示。4從網(wǎng)絡(luò)的使用范圍進(jìn)行分類(lèi)從網(wǎng)絡(luò)的使用范圍可分為公用網(wǎng)和專(zhuān)用網(wǎng)兩種。公用網(wǎng)(public network)專(zhuān)用網(wǎng)(private network)1.4 計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的主要性能指標(biāo)1.4.1 帶寬“帶寬”本來(lái)的意思是指某個(gè)信號(hào)具有的頻帶寬度。帶寬的單位是赫茲(Hz)、千赫(kHz)、兆赫(MHz)等。對(duì)于數(shù)字信道，“帶寬”是指在信道上(或一段鏈路上)能夠傳送的數(shù)字信號(hào)的速率，即數(shù)據(jù)率或比特率。比特(bit)是計(jì)算機(jī)中的數(shù)據(jù)的最小單元，它也是信息量的度量單位。帶寬的單

12、位就是比特每秒(bit/s)。帶寬有時(shí)也稱(chēng)為吞吐量。如果我們?cè)诰W(wǎng)絡(luò)中某一個(gè)點(diǎn)上觀察數(shù)字信號(hào)流隨時(shí)間的變化，那么信號(hào)在時(shí)間軸上的寬度就隨著帶寬的增大而變窄。圖1-10是這一概念的示意圖。1.4.2 時(shí)延時(shí)延(delay或latency)是指一個(gè)報(bào)文或分組從一個(gè)網(wǎng)絡(luò)(或一條鏈路)的一端傳送到另一端所需的時(shí)間。時(shí)延是由以下幾個(gè)不同的部分組成的。（1）傳播時(shí)延傳播時(shí)延是電磁波在信道中傳播所需要的時(shí)間。傳播時(shí)延的計(jì)算公式是：傳播時(shí)延 = 信道長(zhǎng)度 電磁波在信道上的傳播速率（2）發(fā)送時(shí)延發(fā)送時(shí)延是發(fā)送數(shù)據(jù)所需要的時(shí)間。發(fā)送時(shí)延的計(jì)算公式是：發(fā)送時(shí)延 = 數(shù)據(jù)塊長(zhǎng)度 信道帶寬（3）排隊(duì)時(shí)延這是數(shù)據(jù)在交換結(jié)點(diǎn)等候發(fā)送在緩存的隊(duì)列中排隊(duì)所經(jīng)歷的時(shí)延。數(shù)據(jù)經(jīng)歷的總時(shí)延就是以上三種時(shí)延之和：總時(shí)延 = 傳播時(shí)延 + 發(fā)送時(shí)延 + 排隊(duì)時(shí)延圖1-11畫(huà)出了三種時(shí)延所產(chǎn)生