计算机网络技术
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计算机网络技术. 第 1 章 计算机网络概论. 第 1 章 计算机网络概论. 前言:如何看待和学习计算机网络 1.1 计算机网络的形成与发展过程 1.2 计算机网络的定义与分类 1.3 计算机网络的组成结构 1.4 计算机网络的拓扑构型. 如何看待和学习计算机网络. 计算机网络协议是由一系列国际标准化组织起草制定的,它值得我们学习,但它和我们研制的飞机汽车等一样都是有缺陷的,我们可以大胆质疑并参与其进一步完善和改进的工作中。 参考书目: 《 计算机网络 》 (第四版),潘爱民译

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计算机网络技术

第1章 计算机网络概论


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第1章 计算机网络概论

前言:如何看待和学习计算机网络

1.1 计算机网络的形成与发展过程

1.2 计算机网络的定义与分类

1.3 计算机网络的组成结构

1.4 计算机网络的拓扑构型


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如何看待和学习计算机网络

计算机网络协议是由一系列国际标准化组织起草制定的,它值得我们学习,但它和我们研制的飞机汽车等一样都是有缺陷的,我们可以大胆质疑并参与其进一步完善和改进的工作中。

参考书目:《计算机网络》(第四版),潘爱民译

1)国际标准化组织ISO(International Standard Organization)

2)国际电信联盟ITU(International Telecommunications Union)

3)美国国家标准协会ANSI(American National Standards Institute)

4)电气和电子工程师协会IEEE(Institute of Electrical and Electronic Engineers)

5)电子工业联合会EIA ( Electronic Industries Alliance )


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国际标准化组织ISO

ISO(International Organization for Standard )

  • 成立于1947年,是世界上最大的国际标准化专门机构,是全球性的非政府组织,是联合国甲级咨询机构。

  • 它的成员是一百多个成员国的国家标准化组织。

  • 美国在ISO中的代表是ANSI,大家所熟悉的ASCII和C语言的工业界标准,就是由ANSI所制定的。

  • ISO在网络领域的最突出贡献就是提出OSI参考模型,该模型是网络发展史上的一个重要里程碑。


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国际电信联盟ITU

  • ITU(International Telecommunication Union)

  • 是电信界最权威的标准制订机构,成立于1865年。1947年成为联合国的一个专门机构,总部设在瑞士的日内瓦。ITU的成员有近200个国家的电信主管部门,以及来自世界各国的各种科研机构、工业组织、电信组织、电话通信等方面的权威人士。ISO也是其成员。

  • ITU分为三个部门:ITU-R负责无线电通信,ITU-D是研发部门,ITU-T是电信标准化部门。

  • ITU-T成立于1993年,它的前身是国际电报和电话咨询委员会(CCITT)。ITU-T研究和制订除无线电以外的所有电信领域标准,已通过的建议书有2600多项。


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电气和电子工程师协会IEEE

IEEE(Institute of Electrical and Electronic Engineers)

  • 是世界上最大的专业技术团体,由计算机和工程学专业人士组成。

  • 它创办了许多刊物,定期举行研讨会,还有一个专门负责制定标准的下属机构。

  • IEEE在计算机网络界的最大贡献就是制定了802标准系列,802标准将局域网的各种技术进行了标准化。

  • http://wirelessman.org/members.html

  • http://ieee802.org/16/private/index.html

  • http://dot16.org/private/contact/members.html


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2.5 计算机网络协议相关的标准化组织

因特网的管理机构

1.因特网协会(Internet Society,ISOC)

2.因特网体系结构委员会(Internet Architecture Board,IAB)

3.因特网工程任务组和(IETF)和 因特网工程指导小组(IESG)

4.因特网研究任务组(Internet Research Task Force,IRTF)和因特网研究指导小组IRSG

5. Internet 赋号管理局(IANA)与Internet 名称与号码分配机构(ICANN)

6.WWW联盟

……


Internet ietf

Internet工程任务组IETF

IETF(Internet Engineering Task Force)

  • 是IAB的附属机构之一。它的主要任务是为因特网工程和发展提供技术支持。

  • IETF的职责范围是解决因特网短期和中期发展所遇到的问题,包括简化现有的标准,采纳新的通信规范,开发新标准等。

  • 其成员包括网络设计者、制造商、研究人员以及所有对因特网的正常运转和持续发展感兴趣的个人或组织。

  • 因为因特网覆盖范围大,连接的成员很多,所以很多组织都希望通过加入IETF使技术向有利于自己的方向发展。

  • Vinton G.Cerf和Robert E.Kahn

  • 我国的参与情况:http://www.arkko.com/tools/allstats/china.html


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有关因特网的文档、草案和标准

RFC文档、Internet草案与Internet协议标准

  • RFC文档(request for comments,RFC)

    • 请求评价RFC文档从1969年ARPANET出现时就开始存在;

    • 它们是用于Internet开发团体的最初的技术文档系列;

    • 任何人都可以提交RFC文档,但它并不是一定会成为标准,事实上很多RFC文档都没有实现;

    • RFC文档草案对于从事Internet技术研究与开发的技术人员是获得技术发展状况与动态的重要信息来源;

    • RFC文档详细描述了各种网络协议和接口,以及Internet相关的新概念的讨论。

  • 因特网草案

    • RFC最初以因特网草案的形式拟定;

    • 因特网草案是临时性的工作文档,有效期仅为6个月。


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阅读RFC文档时的注意事项:

  • 一是需要确定它是最新的文档,二是需要注意RFC文档的类别;

  • 所有的RFC文档都要经历评论和反馈过程,并且在这一段时间内它们会被划分为不同的类别;

  • 主要有:标准追踪类和非标准追踪类(实验性的、报告性或历史性的);

  • RFC文档一旦被提交,IETF和IAB组织将审查RFC文档,通过后可以成为一项标准;

  • 标准追踪类RFC文档按照它发展与成熟的过程可以分为因特网草案、提案标准、草案标准、因特网标准;

  • RFC文档又可以分为必须的、推荐的、可选择的、受限制使用或不被推荐等类别。


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因特网草案与各种RFC之间的关系

因特网草案

建议标准

实验性的 RFC

信息性的 RFC

草案标准

6 种 RFC

因特网标准

历史性的 RFC


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1.1 计算机网络的形成与发展

计算机网络发展阶段的划分:

  • 第一阶段:20世纪50年代~

    • 数据通信技术的研究与发展

  • 第二阶段:20世纪60年代~

    • ARPAnet与分组交换技术的研究与发展

  • 第三阶段:20世纪70年代~

    • 网络体系结构与协议标准化的研究

    • 局域网技术的研究、应用与发展

  • 第四阶段:20世纪90年代~

    • 计算机网络的高速、互连、综合化研究和广泛应用


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中国大陆网民规模与互联网普及率


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1.1 计算机网络的形成与发展

Terminal

Terminal

Host

……

Terminal

第一阶段:1950s~

  • 单主机多终端系统

  • 通信技术与计算机技术结合,产生了以单个主机为中心、面向终端的远程联机系统

  • 典型代表:美国半自动地面防空系统(SAGE)


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远程联机系统——网络的雏形

Terminal

……

……

Host

MODEM

MODEM

Terminal

……

MODEM

MODEM

Concentrator

FEP

Host


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1.1 计算机网络的形成与发展

Host

Terminal

Host

Printer

CCP

CCP

Printer

Host

Terminal

Host

第二阶段:1960s~

——以共享资源为目的,采用分组交换技术的计算机网络

IMP

ARPAnet


Arpanet

ARPAnet的设计思想

  • 支持资源共享

  • 采用分布式控制技术

  • 采用分组交换技术

  • 使用通信控制处理机

  • 采用分层的网络通信协议


Arpanet1

ARPAnet 的贡献:

  • 完成了对计算机网络定义、分类与子课题研究内容的描述;

  • 提出了资源子网、通信子网的两级网络结构的概念;

  • 研究了报文分组交换的数据交换方法;

  • 采用了层次结构的网络体系结构模型与协议体系;

  • 促进了TCP/IP协议的发展;

  • 为Internet的形成与发展奠定了基础。


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1.1 计算机网络的形成与发展

第三阶段:1970s~

  • 计算机网络的体系结构与协议标准化的研究

  • 局域网技术的发展


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计算机网络的标准化

  • 20世纪70年代后期,开始提出发展计算机网络的国际标准化问题。ISO、CCITT、IEEE等都成立了专门的研究机构,研究计算机系统的互连、计算机网络协议标准化等问题。

  • 1984年,ISO正式颁布了一个称为“开放系统互连基本参考模型”(OSI模型)的国际标准ISO7498。


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局域网技术的发展

Ethernet

TokenBus

TokenRing

20世纪80年代是局域网大发展时期,也是局域网的成熟年代,其主要特点是局域网的商品化和标准化。

  • Ethernet

  • Token Ring

  • ARCnet


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1.1 计算机网络的形成与发展

第四阶段:1990s~

  • 高速、互连、综合化和广泛应用阶段

    • Internet技术的广泛应用

    • 网络计算技术的研究与发展

    • 宽带城域网与接入网技术的研究与发展

    • 网络与信息安全技术的研究与发展


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因特网的演进

  • 1969—1983 研究试验阶段

  • 1983—1994 因特网在教育科研领域广泛使用的实用阶段

  • 1994—现在 商业化发展阶段

  • 从用户的角度来看,Internet是一个全球范围的信息资源网;

  • 从网络结构角度看,Internet是一个由路由器互联起来的大型网际网。


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因特网的发展过程

1969 —————— ARPAnet建立,连接四个节点

1977 ——— 发展到57个节点,连接100多台主机

1981———分为民用ARPAnet和军用MILnet

1985 —————— NSFnet组建

1987 ——— NSFnet组建基于TCP/IP协议的主干

1988.9 ———新主干速度达到T1级(1.544Mbps)

1989 ——— CERN推出分布式超媒体技术

1990 ——— NSFnet全面取代ARPAnet

1990 ——— ANS公司成立,建立了T3级主干网

1991 ——— NSFnet 的全部主干与T3级主干连通

1991 ——— CERN发布第一个图形浏览器

1994——————— NSFnet改为ANSnet,正式商业化

因特网主干中心的发展经过三个阶段:

  • ARPAnet阶段(1969~1990)

  • NSFnet阶段(1986~1992)

  • ANSnet阶段(1992年后)


Arpanet2

ARPAnet阶段

  • 1969年11月,实验性的ARPAnet开通,连接四个节点;

  • 1975年,ARPAnet发展到57个节点,连入了100多台主机,并且结束了网络实验阶段,移交美国国防部国防通信局正式运行;

  • 1983年1月,ARPAnet向TCP/IP的转换结束,并分为民用的ARPAnet和军用的MILnet;

  • 1990年,ARPAnet正式退役。


Nsfnet

NSFnet阶段

  • 1984年,NSF决定组建NSFnet,采取层次型结构,分为主干网、地区网与校园网;

  • 1987年,NSFnet组建基于TCP/IP协议的主干网;

  • 1988年,NSFnet主干网的传输速率为T1级(1.544Mbps) ;

  • 1990年,NSFnet全面取代了ARPAnet ;

  • 1990年,ANS公司成立,建立了T3级主干网 ;

  • 1991年,NSFnet的全部主干网与ANS 的T3级主干网连通;

  • 1995年4月,NSFnet退役为研究项目,取而代之的是ANSnet 。


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vBNS

  • 1995年4月1日,NSF和MCI合作创建了vBNS(very high-speed backbone service) ;

  • vBNS主干网运行的速率范围是从622Mb/s(OC12)到4.8G b/s(OC48)。


Intertnet

Intertnet的迅猛发展

Hosts on the Internet

89 90 91 92 93 94 95 96 97

Years

  • 二十世纪九十年代起,Internet进入快速发展时期。现在正以超摩尔定律的速度发展(摩尔定律:芯片容量每18个月翻一番,而成本降低50%)。

  • 现在Internet的规模、业务量和带宽每6~9个月翻一番,而成本降低50%。


Internet2

Internet2

  • 1996年10月,一些大学申请建立Internet2,为其成员组织服务,初始运行速率可达10Gb/s;

  • Internet2可以用于多媒体虚拟图书馆、远程医疗、远程教学、视频会议、视频点播VOD、天气预报等领域;

  • Internet2在网络层运行的是IPv4,同时也支持IPv6业务,希望形成下一代Internet的技术与标准;

  • 人们希望利用更加先进的网络服务技术,开展全球通信、数字地球、环境检测预报、能源与地球资源的利用研究,以及紧急事务的快速反应系统的研究与应用。


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1.2 计算机网络的定义和分类

1.2.1 计算机网络的定义:

  • 以能够相互共享资源的方式互连起来的自主计算机系统的集合。

  • 共享资源:共同使用网络中的软、硬件资源。

  • 互连:计算机之间可以通过某种通信媒体进行相互通信。

  • 自主计算机:指能够自主地完成启动停止和对所属资源进行控制的计算机。


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计算机网络形成的要素

  • 至少具有两台以上的自主计算机,且这些计算机之间有资源共享的需求;

  • 各个计算机之间要使用某种通信线路相互连接;

  • 要制定一套各方认可的通信规则。


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1.2.2 计算机网络的分类


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按网络传输技术进行分类

  • 通信信道的类型有两类:

    广播通信信道:一条公共的通信信道被多个网络节点共享。

    点-点通信信道:每条物理线路连接一对节点。

  • 相应的计算机网络也可以分为两类:

    广播式网络 (broadcast networks):采用广播机制。

    点对点式网络(point-to-point networks):采用分组交换和路由选择机制。


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按网络的覆盖范围分类

  • 按覆盖的地理范围进行分类,计算机网络可以分为:

  • 局域网( local area network,LAN);

  • 城域网( metropolitan area network,MAN);

  • 广域网(wide area network , WAN )。


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局域网

  • 局域网LAN是在一有限区域内将数台计算机及若干外部设备,以某种网络架构连接起来,以实现相互通信和资源共享的多机系统。


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局域网的技术特点

  • 覆盖较小的地理范围;

  • 提供高的数据传输速率(10Mb/s~10Gb/s)、低误码率的高质量数据传输环境;

  • 建网成本低,易于建立、维护与扩展,属于一个单位所有;

  • 局域网的传输模式可以是广播式传输,也可以是点到点的传输。


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城域网的技术特点

  • 城域网MAN是介于广域网与局域网之间的一种高速网络;

  • 城域网设计的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;

  • 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;

  • 城域网在技术上与局域网相似。

  • 典型的城域网是数字有线电视网络


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广域网

  • 广域网WAN是覆盖广阔区域的远程网络。它可以覆盖一个国家、地区,或横跨几个洲,形成国际性的远程网络;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。

  • 典型的广域网有:公共交换电话网PSTN、综合业务数字网ISDN、帧中继网Frame-Relay、异步传输模式ATM等等。


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广域网的技术特点

  • 覆盖广泛的地理范围;

  • 传输速率较低,而误码率较高;

  • 网络设备复杂,建网成本高,属于国家或大企业所有;

  • 通信子网主要使用分组交换技术。


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1.3 计算机网络的组成结构

  • 计算机网络要完成数据处理与数据通信两大基本功能;

  • 早期计算机网络主要是广域网,它从逻辑功能上分为资源子网和通信子网两个部分;

  • 资源子网—负责数据处理的主计算机与终端

  • 通信子网—负责数据通信处理的通信控制处理机与通 信线路


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1.3 计算机网络的组成结构

资源子网

通信子网

主机

Terminal

主机

Printer

CCP

CCP

Printer

主机

Terminal

主机

  • 计算机网络要完成数据处理与数据通信两大基本功能。

  • 计算机网络的各个组成部分,按逻辑功能可分为两级结构:


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通信子网和资源子网

  • 资源子网

    • 由负责数据处理的自主计算机、终端机、终端控制器、连网外设、各种软件资源与数据资源组成。

    • 负责全网的数据处理业务,向网络用户提供各种网络资源与网络服务。

  • 通信子网

    • 由网络通信控制处理机、通信线路、各种网络通信设备以及相关软件组成。

    • 负责全网数据传输、转发等通信处理工作。


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现代网络结构的变化

  • 随着微型计算机的广泛应用,大量的微型计算机是通过局域网连入广域网,而局域网与广域网、广域网与广域网的互连是通过路由器等实现的;

  • 在Internet中,用户计算机需要通过校园网、企业网或ISP联入地区主干网,地区主干网通过国家主干网联入国家间的高速主干网,这样就形成一种由路由器互联的大型、层次结构的网际网的Internet网络结构。


Internet

Internet网络结构示意图


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1.4 计算机网络的拓扑结构

  • 拓扑学是几何学的一个分支,是从图论演变而来。

  • 计算机网络拓扑是通过网中节点与通信线路之间的几何关系表示网络结构,反映出网络中各实体间的结构关系。

  • 计算机网络的拓扑结构是指计算机网络的硬件系统的连接形式,即网络的硬件布局。

  • 注意:计算机网络拓扑主要是指通信子网的拓扑构型。

  • 拓扑设计对网络性能、系统可靠性与通信费用都有重大影响。


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基本的网络拓扑

交换机

总线型

星形

网状

环型


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总线拓扑

  • 用一条中央主电缆将网上的所有计算机节点串接起来。这条电缆就称为总线。网上任一节点的信息均可沿总线向两边传播。

  • 优点:1、结构简单,容易布线,易于扩充;2、设备量少,成本低。

  • 缺点:1、由于信号损耗的影响,总线长度受限制。2、可靠性较低,且故障排查较难。3、当节点过多时,传输效率降低。


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环形拓扑

  • 网络上的所有计算机均串接在一条闭合环路上。信息沿着环路按固定方向在各个节点之间顺序传递。

  • 优点:1、信息沿固定方向流动,节点间的通路唯一,路径控制简单;

  • 缺点:2、环路封闭,介质访问控制较复杂。3、当节点过多时,传输效率降低,网络响应时间变长。4、网络成本较高。


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星形拓扑

  • 网上所有计算机均以“点对点”的形式连接到一个中央节点上。中央节点控制了整个网络的通讯。任何两个节点之间的通讯都必须经过它。

  • 优点:1、结构简单,便于管理,网络检错容易;2、控制简便,易于扩充。

  • 缺点:1、共享能力差,线路利用率不高;2、中央节点负荷太重。


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网形拓扑

  • 网状布局无固定连接方式,网络中任意两个节点之间至少有二、三条通路。

  • 特点:1、容错能力最强。2、信息没有固定流向,网络控制是分布式的。3、建网费用高,布线困难。

  • 网状布局通常只用于大型网络系统和公共的通信主干网。如:帧中继网络、ATM网络等。


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计算机网络的拓扑结构

  • 广播信道通信子网中的基本拓扑结构:

    总线形、环形、星形

  • 点-点线路的通信子网中的基本拓扑结构:环形、星形、网状


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榕树型拓扑

高速公路/铁路等线状网络的拓扑结构----榕树型拓扑示意图


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复习思考题

1.什么是计算机网络?什么是远程联机系统?二者之间有何区别?

2.要形成一个计算机网络应具备哪些条件?

3.计算机网络按规模可分为几类?各有什么特点?

4.计算机网络的发展过程分为哪几个阶段?

5. 什么是拓扑结构?计算机网络中常用的拓扑结构有哪些?各有什么特点?

7.从系统的逻辑功能角度考察,计算机网络分为哪两个子网?他们各自的功能是什么?

8.了解因特网标准的形成过程。


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