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文章目录

• 绪论
• 什么是计算机网络？
• 计算机网络的应用
• 商业应用
• 客户端-服务器(C/S)
• 浏览器-服务器(B/S)
• 家庭应用
• 访问远程信息
• 个人间通信
• 交互式娱乐
• 电子商务
• 移动用户
• 社会问题
• 计算机网络的分类
• 按传输技术进行分类
• 广播式网络
• 点到点式网络
• 按距离大小进行分类
• 局域网LAN
• 城域网MAN
• 广域网
• 无线网
• 家庭网
• 互联网
• 计算机网络的发展
• 早期的计算机网络
• 分组交换网络的产生
• 现代计算机网络产生的背景
• 新型网络的基本特点
• 回顾电路交换
• 分组交换原理
• 报文交换
• Internet时代
• 第一阶段
• 第二阶段
• 第三阶段
• 计算机网络在我国的发展
• 计算机网络性能指标
• 带宽
• 时延
• 利用率
• 计算机网络的标准化

绪论

什么是计算机网络？

• 说法一:自主计算机互联的集合
  • 定义中排除了网络系统中主从关系的可能。
    例如：早期的面向终端的网络就不能算是计算机网络
  • 互联的方式可以有多种，只要能够实现信息交流即可。
    例如：有线方式(同轴电缆、双绞线、光纤等)，无线方式(无线电、微波、红外线、通信卫星等)
    
• 说法二：所谓计算机网络，就是利用通讯设备和线路将地址位置不同的、功能独立的多个计算机系统互连起来，以功能完善的网络软件(即网络通讯协议、信息交换方式和网络操作系统等)实现网络中资源共享和信息传递的系统
  • 从该定义中可以知道计算机的硬件、软件组成以及主要功能
• 计算机网络结构
  • 计算机网络是计算机技术与通信技术相结合的产物
    
• 概念澄清：三网
  • 电信网络
    • 传输声音信号。强调实时性，可靠性要求一般，对带宽要求较低
  • 有线电视网络
    • 传输视频信号。强调实时性，可靠性要求一般，对带宽要求较高
  • 计算机网络
    • 传输数据信号。强调可靠性，实时性和带宽要求一般。发展最快的并起到核心作用的是计算机网络

计算机网络的应用

商业应用

• 资源共享
  可以共享的资源有：硬件、软件、信息等，主要采用==客户-服务器(C/S:Client/Server)或浏览器-服务器(B/S:Browser/Server)==方式进行。资源共享是计算机网络的主要功能
• 数据通信
  • 主要方式有：E-mail、协同工作、视频会议等。数据通信是计算机网络的基本功能。
• 电子商务
  • 通过计算机网络以电子方式在企业之间、企业和消费者之间进行商业活动

共享硬件资源(打印机)

共享信息资源(数据库)

共享软件资源(系统工作)

客户端-服务器(C/S)

• 客户端-服务器(网络环境)
  
  • 客户机(Client)
    运行客户端进程，通过它提出各种服务请求
  • 服务器(Server)
    运行服务器进程，通过它提供服务并对来自客户进程的请求作出响应
• 客户-服务器(工作进程)
  
  • 特点
    独立性强，单独升级客户机或服务器不影响正常工作；优化网络利用率(客户端发送请求，服务器返回最终结果)
• 客户-服务器(例子)
  

浏览器-服务器(B/S)

• C/S(两层结构：客户端/服务器)
  软件分客户端和服务端两部分，服务器端软件安装好后，其他人还需要在客户端的电脑上安装专用的客户端软件才能正常浏览操作
• B/S(三层架构：浏览器/服务器/数据库)
  软件只有服务器端，在服务器上安装相应软件和进行配置，客户端不需要进行任何安装和配置，使用浏览器就可以进行系统访问和系统控制。这样可以实现瘦客户端，大大简化了客户端电脑载荷，减轻了系统维护和升级的成本和工作量，降低了用户的总体成本

家庭应用

访问远程信息

• 网上冲浪
  主要目的：信息/娱乐
• 在线报纸
  主要特色：个性化(针对个人进行定制)
• 在线数字图书馆
  例如：ACM(www/acm.org),IEEE计算机协会(www.computer.org)
• ...

个人间通信

• E-mail
• 聊天室
• 新闻组
• P2P(Peer-to-Peer)
• …

P2P系统
P2P系统中没有固定的客户机和服务器

• 特点和作用
  • 通过P2P计算机可以直接从其他计算机获取所需资源，这样可以提高访问效率和下载速度
  • 例子：在网络电视(沸点网络电视、猫眼网络电视、PPLive、PPStream、QQ直播等)、文件共享(eMule、BitTorrent、百宝、KuGoo等)
  • 分布式计算、网络安全、在线交流(Skype等)等领域都有应用

交互式娱乐

• 电子**
• 视频点播(VOD)
• 网络游戏
• …

电子商务

• 电子商务的一些形式
  
  由于“to”和“2”在英文中有同样的发音，所以在电子商务形式名称中用“2”代替“to”

移动用户

• 无线网络的形式
  
• 无线网络的应用
  • 目前得应用
    • 会议场所、校园、出租车、军事、自动售货机、公共事业中的读表、移动商务、与位置相关的服务如移动地图
  • 潜在的应用
    • 停车管理、个人区域网络、可穿戴计算机

社会问题

• 非法信息(黄色、反政府)
• 发送匿名消息
• 电子邮件垃圾
• 病毒传播
• 身份偷窃
• 版权侵犯
• …

计算机网络的分类

按传输技术进行分类

广播式网络

所有机器共享一条通信通道，信息由任何机器发送并被所有其它的机器接收

提示：目的地址可以是单目地址(单播：Unicasting)、多目地址(多播：multicasting)或全局地址(广播：broadcasting)

点到点式网络

由一堆堆机器之间的多条连接构成，采用储存-转发的原理进行传输

提示：一般来说，小的、地理上处于本地的网络倾向于采用广播传输方式，而大的网络多采用点到点传输方式

按距离大小进行分类

局域网LAN

LAN是处于同一建筑、同一大学或方圆几公里远地域内的专用网络。

• 主要特点：
  • 范围
    小，最坏传输时间受限且预知(这对网络的设计很关键)
  • 传输技术
    多采用广播式，传输速率：10Mb/s~10Gb/s。误码率：一般在10^-11~10^-8以下
  • 拓扑结构
    规则：多采用总线型、环型、树型、网状等
• 常见拓扑结构
  
• 局域网案例
• 

城域网MAN

广域网

• 广域网结构
  
  WAN一般由主机(资源子网)和子网(通信子网)组成，前者是通信的信源和信宿，负责提供和使用网络资源/服务，实现网络的资源共享；后者负责信息的传递
• 工作原理
  
  WAN一般采用点-点传输技术，即：数据传输采用储存-转发(分组交换)。但不是所有WAN都采用分组交换。例如：卫星系统就是采用广播技术

无线网

• 传输介质
  无线电、微波、卫星、红外线、激光等
• 优点
  容易安装、能够满足特殊需要(不能铺设电缆、移动式办公室)
• 缺点
  • 速度慢，一般为1Mbps~50Mbps
  • 差错率比较高
  • 干扰大(例如：不同计算机之间的传输可能会相互影响)
• 分类
  • 系统互连
    
  • 无线LAN(WLAN，802.11)
    
    • 带基站的无线LAN
    • Ad hoc网络
    • 多个蜂窝单元的无线LAN
      
  • 无线WAN
    • 低带宽无线WAN
      例如：蜂窝电话(1G、2G和3G)
    • 高带宽无线WAN
      例如：LMDS(局部多点分发服务)，即：IEEE 802.16

无线网与有线网的结合

家庭网

• 应用
  • 资源共享
    例如，音乐/电影
  • 矫正时针
    例如：夏时制
  • 远程监控
    例如：看护婴儿
  • ...
• 特性
  • 网络和设备要易于安装
  • 网络和设备要易于操作
  • 低价是成功的关键
  • 网络要有充足的带宽
    因为家庭网络的应用主要与多媒体有关
  • 网络接口和布线标准要稳定
  • 安全性和可靠性要提高
• 有线无线？
  无线网络价格低但安全性差，有线网络价格高但安全性高，自行选择

互联网

• 计算机网络和互联网
  
  • 互联网
    
  • 两个术语的区别
    • internet(互联网或互连网)
      以小写字母i开始的是一个通用名词，它泛指由多个计算机网络互连而成的虚拟网络
    • Internet(因特网)
      以大写字母I开始的则是一个专用名词，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，且其前身是美国的ARPANET

计算机网络的发展

早期的计算机网络

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，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

分组交换网络的产生

现代计算机网络产生的背景

• 现在计算机网络的产生式20世纪60年代美苏冷战时期的产物
• 60年代初，美国国防部领导的APRA(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：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。如果改用其他迂回电路，必须重新拨号建立连接。这将延误一些时间

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
• 网络能过直接连接不同类型的计算机，不局限于单一类型的计算机
• 所有的网络节点(node)都同等重要，因为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

回顾电路交换

• 电话数量较少时
  • 两部电话机只需要用一对电线就能互相连接起来，5部电话机两两相连，需10对电线
    
  • N部电话机两两相连，需N(N-1)/2对电线。当电话机地数量很大时，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
• 电话机数量多时
  • 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
  • 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，使它们能够连通起来)。从通信资源的分配角度来看，“交换”就是按照某种方式动态的分配传输线路的资源
• 工作方式
  • 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
      在主叫端和被叫端间建立一条连接(物理通路)
    • 通信
      互相通电话
    • 释放连接
      释放刚才使用的连接(物理通路)
• 例子
  • A和B通话经过四个交换机，通话在A到B的连接上进行
    
• 分析
  • 电路交换传送计算机数据时，其线路的传输效率往往很低。这是因为计算机数据具有突发性，线路上真正用来传输数据的时间往往不到10%甚至1%。这导致通信线路的利用率很低
  • • 通常计算机网络很少采用电路交换技术

分组交换原理

• 发送端
  在发送端，把较长的报文划分成较短的、固定长度的数据段，把每一个数据段前添加上首部构成分组，每一个首部中都含有地址等控制信息
  
• 通信子网
  • 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。用这样的储存-转发方式，最后分组就能到达最终目的地
  • 结点交换机的输入和输出口之间没有直接连线
  • 结点交换机处理分组的过程是：
    • 把收入的分组先放入缓存(暂时储存)
    • 查找转发表，找出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
• 结点交换机
  • 主机使为用户进行信息处理的，并向网络发送分组，从网络接收分组
  • 结点交换机对分组进行储存-转发，最后把分组交付给目的主机
    
• 储存-转发
  
• 例子
  
• 接收端
  接收端收到分组后剥去首部还原成报文。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
  
• 特点
  • 优点
    • 高效：动态分配传输带宽，对通信链路是远程占用
    • 灵活：以分组为传送单位和查找路由
    • 迅速：不必先建立连接就能向其他主机发送分组；充分使用链路的带宽
    • 可靠：完善的网络协议；自适应的路由选择协议使网络有很好的生存性
  • 缺点
    • 分组在各结点储存转发时需要排队，这就会造成一定的时延
    • 分组必须携带的首部(里面有必不可少的控制信息)也造成了一定的开销

报文交换

• 储存-转发原理并非完全新的概念
• 在20世纪40年代，电报通信也采用了基于储存-转发原理的报文交换(message switching)
• 报文交换的时延较长，从几分钟到几小时不等。现在报文交换已经很少有人使用了

三种交换的比较

• 总结
  分组交换网则是以网络为中心，主机都处在网络的外围，用户通过分组交换玩过可共享连接在网络上的许多硬件和各种丰富的软件资源
  

Internet时代

第一阶段

Internet起源于美国的ARPANET

• 1969年：ARPANET由DoD(国防部)下的ARPA(高级研究计划局)负责建立。最初只是一个单个的分组交换网
• 1983年：TCP/IP协议成为ARPANET上的标准协议。同年ARPANET分解为两个网络：ARPANET，进行实验研究的科研网；MILENT，军用计算机网络
• 1983~1984年：Internet形成
• 1990年：ARPANET正式宣布关闭，因为它的实验任务已经完成

第二阶段

• 1986年：NSF建立了国家科学基金网NSFNET。它是一个三级计算机网络
  • 主干网
  • 地区网
  • 校园网
• 1991年：美国政府决定将Internet的主干网转交给私人公司来经营，并开始对接入Internet的单位收费
• 1993年：Internet主干网的速率提高到45Mb/s(T3速率)

三级结构的Internet

各网络之间需要使用路由器来连接。有时在结构图中可不画出路由器

三级结构Internet的通信

第三阶段

• 从1993年开始，由美国政府资助的NSFNET逐渐被若干个商用的ISP网络所代替
• 1994年开始建立了4个分别由4个电信公司经营的网络接入点NAP(Network Access Pointt).NAP就是用来交换Internet上流量的结点。在NAP中安装有性能很好的交换设施。到本世纪初，美国的NAP的数量已达到十几个。
• 从1994年到现在，Internet逐渐演变成多层次ISP结构的Internet，出现了ISP(Internet Service Provider)

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

多层次ISP结构的Internet

主机到主机的通信可能经过多中ISP

万维网WWW的问世

• Internet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Internet究竟有多大
• Internet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Internet的这种指数级增长的主要驱动力

Internet发展情况概括

计算机网络在我国的发展

• 计算机网络在我国的发展

  • 中国共用计算机互联网CHINANET
  • 中国教育和科研计算机网CERNET
  • 中国科学技术网CSTNET
  • 中国联通互联网UNINET
  • 中国网通公用互联网CNCNET
  • 中国国际经济贸易互联网CIETNET
  • 中国移动互联网CMNET
  • 中国长城互联网CGWNET(建设中)
  • 中国卫星集团互联网CSNET(建设中)

• 下一代Internet
  NSFCNET(中国高速互连研究实验网)。目标是建设我国第一个基于密集波分多路复用(DWDM)光传输技术的高速计算机互联学术性试验网络，研究下一代互联网络关键技术和基础理论，开发若干重大应用系统，为我国开展下一代互联网络技术探究提供实验环境

  • NSFCNET网络结构
    

计算机网络性能指标

带宽

什么是带跨？

• “带宽”(bandwidth)本来是指信号具有的频带宽度，单位是Hz(或KHz、MHz、GHz等)。信号的带宽是指该信号的各种不同频率成分所占据的频率范围，线路的带宽是指通信线路允许通过的信号频带范围
• 现在“带宽”是数字信道所能传送的“最高数据率”的同义语，单位是b/s或bps(或Kbps、Mbps、Gbps、Tbps等)，带宽因此有时也成为吞吐量(throughput)

度量单位

单位后缀用首字母表示，表格左边的小写表示，表格右边的大写表示

两个容易混淆的度量单位

• 衡量容量
  采用二进制。如：1KB=1024B=2¹⁰B
• 衡量速率
  采用十进制，如：1Kbps=1000bps=10³bps

带宽和数字信号

随着贷款的增大，数字信号在时间轴上的宽度就越窄

时延

什么是时延？

时延(delay或latency)是指一个报文或分组从一个网络(或一条链路)的一端传送到另一端所需要的时间。时延通常由三部分组成：发送时延、传播时延和处理时延。
总时延=发送时延+传播时延+处理时延

• 发送时延
  发送时延也称为传输时延，是结点在发送数据时使数据块从结点进入到传输媒体所需要的时间
  发送时延=数据块长度(bit)/信道带宽(bps)
  信道带宽：数据在信道上的发送速率。常称为数据在信道上的传输速率
• 传播时延
  传播时延是电磁波在信道中需要传播一定的距离而花费的时间
  传播时延=信道长度(米)/信号在信道上的传播速率(米/秒)
  注意：信号传输速率(即发送速率)和信号在信道上的传播速率是完全不同的概念
• 处理时延
  处理时延是指交换结点为储存转发而进行一些必要的处理所花费的时间。结点缓存队列中分组排队所经历的时延是处理时延中的重要组成部分，因此处理时延的长短往往取决于网络中当时的通信量。有时可用排队时延作为处理时延
• 三种时延所产生的地方
  

容易产生的错误概念

• 错误概念
  初学网络的人容易产生这样的错误概念“在高速(高带宽)”链路上比特应该跑的更快写“
• 错误解释
  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，即：提高链路带宽减小了数据的发送时延，而不影响数据的传播时延

利用率

• 信道利用率
  指出某信道由百分之几的时间是被利用的(有数据通过)，对于完全空闲的信道，其利用率是零
• 网络利用率
  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
• 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司表示D和D₀之间的关系：
    D=D₀/(1-U)
    U是网络的利用率，数值在0到1之间.如图：
    

计算机网络的标准化

• 既成事实的标准
  指那些没有正式计划，仅仅是出现了的标准。例如：IBM PC，UNIX等
• 合法的标准
  是由一些权威标准化实体采纳的正式的、合法的标准。主要由下面几种形式：
  • 根据国家政府间的协议建立的
  • 资源的、非协议组织建立的

常见计算机网络标准

• 电信界最有影响的组织：
  • 国际电信联盟(ITU)
• 国际标准界最有影响的组织
  • 国际标准化组织(ISO)
  • 电气和电子工程师协会(IEEE)
• Internet标准界最有影响力的组织
  • Internet协会(ISOC)

国际电信联盟(ITU)

• 目的：标准化国际电信和电话
• 组织结构
  • 无线通信部门(ITU-R)
    负责为世界范围内的利益竞争组织分配无限频率
  • 电信标准化部门(ITU-T)
    制订电话、电报和数据通信接口的技术建议。注意：1953~1993，ITU-T被称为CCITT
  • 开发部门(ITU-D)
    负责开发新的电信技术

国际标准化组织

• 目的：促进全球范围内的标准化
• 组织结构
  • 技术委员会(TC)
    负责处理专门的主题。例如：TC97处理计算机和信息处理，TC1处理螺钉和螺帽
  • 分技术委员会(SC)
  • 工作组(WG)
• 每个国家可以有一个结构代表其国家参加ISO，参与标准化制定工作，我国是国家标准化管理委员会

** 电气和电子工程师协会(IEEE)**

• IEEE是世界上最大的专业性技术组织
• IEEE在太空、计算机、电信、生物医学、电力及消费性电子产品等领域中度是主要的权威
• IEEE专门设有IEEE标准协会，负责标准化工作

Internet协会(ISOC)
Internnet协会是1992.1由一个民间人士组织起来对Internnet的技术、应用、发展方向、标准制订、资源分配等在国际范围内进行协调和管理的组织。迄今已拥有来自全世界各地的100多个组织成员和20000名个人成员

组织结构

• IAB(Internet体系结构委员会)
  负责监督Internet协议体系结构和发展
• IETF(Internet工程部)
  负责处理短期的工程问题，下设多个工作组(WG),每个工作组解决专门的问题
• IRTF(Internet研究部)
  负责长期的研究问题，下设多个研究组(RG),每个研究组解决专门的问题

建立标准的程序
Internet标准需经过严格的过程(下图),已Internet草案开始，已RFC(请求批注)的形式进行公布，任何人都可以发表，它是在线存放，按编写的时间顺序进行编号

习题

• 习题一
  假设你已经将你的狗训练成可以携带一盒6张DVD，每张DVD的容量是4.7GB，无论你在哪里，狗跑向你的速度是18Km/h。请问：在什么距离范围内狗的数据传输速率会超过一条数据传输速率为150Mbps（不算额外开销）的传输线？
• 习题二
  有5个路由器要连成一个点到点式网络，在每对路由器之间可以设置一条高速线路、或者一条无线线路，也可以不设置任何线路。如果产生和考察每一种拓扑结构要化100ms，问：为了寻找匹配预期负载的拓扑结构而考察所有可能的拓扑结构需用多少时间？