计算机网络教程：第01章 概述

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1、 人民邮电出版社人民邮电出版社计计计计计计算算算算算算机机机机机机网网网网网网络络络络络络教教教教教教程程程程程程第第第第第第1 1 1章章章章章章概概概概概概述述述述述述计计计计计计算算算算算算机机机机机机网网网网网网络络络络络络教教教教教教程程程程程程第第第第第第1 1 1章章章章章章概概概概概概述述述述述述我们已经进入了我们已经进入了21世纪。世纪。21世纪的一些重要特征世纪的一些重要特征就是就是数字化数字化、网络化网络化和和信息化信息化，它它是一个是一个以网络为核以网络为核心的信息时代心的信息时代。知识经济中的两个重要特点就是知识经济中的两个重要特点就是信息化信息化和和全球化全球化。计

2、计计计计计算算算算算算机机机机机机网网网网网网络络络络络络教教教教教教程程程程程程第第第第第第1 1 1章章章章章章概概概概概概述述述述述述这里所说的网络是指这里所说的网络是指电信网络电信网络(主要的业务是电话，主要的业务是电话，但也有其他业务，如传真、数据等但也有其他业务，如传真、数据等)、有线电视网络有线电视网络(即即单向电视节目的传送网络，但现已开始逐渐向双向传单向电视节目的传送网络，但现已开始逐渐向双向传输网络改造输网络改造)和和计算机网络计算机网络。这三种网络通常简称为。这三种网络通常简称为“三网三网”。进入进入20世纪世纪90年代以来，以年代以来，以因特网因特网(Internet)

3、为代为代表的计算机网络的发展速度十分迅猛，已从最初的教表的计算机网络的发展速度十分迅猛，已从最初的教育科研网络逐步发展成为商业网络，并已成为仅次于育科研网络逐步发展成为商业网络，并已成为仅次于全球电话网的世界第二大网络。全球电话网的世界第二大网络。计计计计计计算算算算算算机机机机机机网网网网网网络络络络络络教教教教教教程程程程程程第第第第第第1 1 1章章章章章章概概概概概概述述述述述述 一百多年来，电话交换机虽然经过多次更一百多年来，电话交换机虽然经过多次更新换代，但交换的方式一直都是电路交换。新换代，但交换的方式一直都是电路交换。计计计计计计算算算算算算机机机机机机网网网网网网络络络络络络

4、教教教教教教程程程程程程第第第第第第1 1 1章章章章章章概概概概概概述述述述述述计计计计计计算算算算算算机机机机机机网网网网网网络络络络络络教教教教教教程程程程程程第第第第第第1 1 1章章章章章章概概概概概概述述述述述述当电话机的数量增多时，就要使用很多彼此连接当电话机的数量增多时，就要使用很多彼此连接起来的交换机来完成全网的交换任务。用这样的方法，起来的交换机来完成全网的交换任务。用这样的方法，就构成了覆盖全世界的电信网。就构成了覆盖全世界的电信网。这种必须经过这种必须经过“建立连接建立连接通信通信释放连接释放连接”三三个步骤的连网方式称为个步骤的连网方式称为面向连接的面向连接的(con

5、nection-oriented)。这里我们要指出，。这里我们要指出，电路交换电路交换必定是面向连必定是面向连接的。但面向连接的却不一定是接的。但面向连接的却不一定是电路交换电路交换，因为分组，因为分组交换也可以使用面向连接的方式交换也可以使用面向连接的方式(如广域网的如广域网的X.25网络网络和和ATM网络网络)。计计计计计计算算算算算算机机机机机机网网网网网网络络络络络络教教教教教教程程程程程程第第第第第第1 1 1章章章章章章概概概概概概述述述述述述图图1-2为电路交换的示意图。为电路交换的示意图。在通话的全部时间内，在通话的全部时间内，通话的两个用户始终占用端到端的固定传输带宽通话的两

6、个用户始终占用端到端的固定传输带宽。当使用电路交换来传送计算机数据时，其当使用电路交换来传送计算机数据时，其线路的线路的传输效率往往很低传输效率往往很低。计计计计计计算算算算算算机机机机机机网网网网网网络络络络络络教教教教教教程程程程程程第第第第第第1 1 1章章章章章章概概概概概概述述述述述述计计计计计计算算算算算算机机机机机机网网网网网网络络络络络络教教教教教教程程程程程程第第第第第第1 1 1章章章章章章概概概概概概述述述述述述分组交换则采用分组交换则采用存储转发技术存储转发技术。分组的概念如图。分组的概念如图1-3所示。通常我们将欲发送的整块数据称为一个所示。通常我们将欲发送的整块数据

7、称为一个报文报文(message)。在每一个数据段前面，加上一些必要的控。在每一个数据段前面，加上一些必要的控制信息组成的首部制信息组成的首部(header)后，就构成了一个后，就构成了一个分组分组(packet)。分组又称为。分组又称为“包包”，而分组的首部也可称为，而分组的首部也可称为“包头包头”。分组交换的特征是。分组交换的特征是基于标记基于标记(label-based)。不先建立连接而随时可发送数据的连网方式，不先建立连接而随时可发送数据的连网方式，称为称为无无连接的连接的(connectionless)。计计计计计计算算算算算算机机机机机机网网网网网网络络络络络络教教教教教教程程程程

8、程程第第第第第第1 1 1章章章章章章概概概概概概述述述述述述计计计计计计算算算算算算机机机机机机网网网网网网络络络络络络教教教教教教程程程程程程第第第第第第1 1 1章章章章章章概概概概概概述述述述述述分组交换网由若干个分组交换网由若干个结点交换机结点交换机(node switch)和连和连接这些交换机的链路组成，如图接这些交换机的链路组成，如图1-4(a)所示。图所示。图1-4(b)和图和图1-4(a)的表示方法是一样的，但强调了结点交换机的表示方法是一样的，但强调了结点交换机具有多个端口的概念。具有多个端口的概念。图中图中H1 H6都是可进行通信的计算机，但在计算都是可进行通信的计算机，

9、但在计算机网络中常称它们为机网络中常称它们为主机主机(host)。在。在ARPANET建网初建网初期，分组交换网中的结点交换机曾被称为期，分组交换网中的结点交换机曾被称为接口报文处接口报文处理机理机IMP(Interface Message Processor)。计计计计计计算算算算算算机机机机机机网网网网网网络络络络络络教教教教教教程程程程程程第第第第第第1 1 1章章章章章章概概概概概概述述述述述述计计计计计计算算算算算算机机机机机机网网网网网网络络络络络络教教教教教教程程程程程程第第第第第第1 1 1章章章章章章概概概概概概述述述述述述结点交换机处理分组的过程是：将收到的分组先结点交换机

10、处理分组的过程是：将收到的分组先放入缓存，再查找转发表放入缓存，再查找转发表(转发表中写有到何目的地址转发表中写有到何目的地址应从何端口转发的信息应从何端口转发的信息)，然后由交换机构从缓存中将，然后由交换机构从缓存中将该分组取出，传递给适当的端口转发出去。该分组取出，传递给适当的端口转发出去。分组交换网的主要优点可归纳如表分组交换网的主要优点可归纳如表1-1所示。所示。计计计计计计算算算算算算机机机机机机网网网网网网络络络络络络教教教教教教程程程程程程第第第第第第1 1 1章章章章章章概概概概概概述述述述述述表 1-1 分组交换的优点优 点所采用的手段高效在分组传输的过程中动态分配传输带宽，

11、对通信链路是逐段占用灵活每个结点均有智能，为每一个分组独立地选择转发路由迅速以分组作为传送单位，可以不先建立连接就能向其他主机发送分组；网络使用高速链路可靠完善的网络协议；分布式多路由的分组交换网，使网络有很好的生存性计计计计计计算算算算算算机机机机机机网网网网网网络络络络络络教教教教教教程程程程程程第第第第第第1 1 1章章章章章章概概概概概概述述述述述述分组交换也带来一些新的问题。例如，分组在各分组交换也带来一些新的问题。例如，分组在各结点存储转发时需要排队，这就会造成一定的结点存储转发时需要排队，这就会造成一定的时延时延。当网络通信量过大时，这种时延可能会很大。此外，当网络通信量过大时，

12、这种时延可能会很大。此外，各分组必须携带的控制信息也造成了一定的各分组必须携带的控制信息也造成了一定的开销开销(overhead)。图图1-5表示电路交换、报文交换和分组交换的主要表示电路交换、报文交换和分组交换的主要区别。区别。计计计计计计算算算算算算机机机机机机网网网网网网络络络络络络教教教教教教程程程程程程第第第第第第1 1 1章章章章章章概概概概概概述述述述述述计计计计计计算算算算算算机机机机机机网网网网网网络络络络络络教教教教教教程程程程程程第第第第第第1 1 1章章章章章章概概概概概概述述述述述述图图1-6(a)所示的是早期的面向终端的计算机网络，所示的是早期的面向终端的计算机网络

13、，它是以它是以单个主机为中心单个主机为中心的星形网，各终端通过通信线的星形网，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。而分组交路共享昂贵的中心主机的硬件和软件资源。而分组交换网是换网是以网络为中心以网络为中心，主机和终端都处在网络的外围，主机和终端都处在网络的外围，如图如图1-6(b)所示。用户通过分组交换网可共享连接在网所示。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。络上的许多硬件和各种丰富的软件资源。计计计计计计算算算算算算机机机机机机网网网网网网络络络络络络教教教教教教程程程程程程第第第第第第1 1 1章章章章章章概概概概概概述述述述述述计计计计计

14、计算算算算算算机机机机机机网网网网网网络络络络络络教教教教教教程程程程程程第第第第第第1 1 1章章章章章章概概概概概概述述述述述述美国国家科学基金会美国国家科学基金会NSF认识到计算机网络对科认识到计算机网络对科学研究的重要性，因此从学研究的重要性，因此从1985年起，美国国家科学基年起，美国国家科学基金会就围绕其六个大型计算机中心建设计算机网络。金会就围绕其六个大型计算机中心建设计算机网络。1986年，年，NSF建立了国家科学基金网建立了国家科学基金网NSFNET。NSFNET后来接管了后来接管了ARPANET，并将网络改名为，并将网络改名为Internet，即因特网。，即因特网。计计计计

15、计计算算算算算算机机机机机机网网网网网网络络络络络络教教教教教教程程程程程程第第第第第第1 1 1章章章章章章概概概概概概述述述述述述1992年因特网上的主机超过年因特网上的主机超过100万台。万台。1993年因特年因特网主干网的速率提高到网主干网的速率提高到45 Mbit/s(T3速率速率)。到。到1996年年速率为速率为155 Mbit/s的主干网的主干网vBNS(very high-speed Backbone Service)建成。建成。1998年又开始建造更快的主年又开始建造更快的主干网干网Abilene，数据率最高达，数据率最高达2.5 Gbit/s。1999年年MCI和和Worl

16、dcom公司开始将美国的因特网主干网速率提高到公司开始将美国的因特网主干网速率提高到2.5 Gbit/s。到。到1999年底，因特网上注册的主机已超过年底，因特网上注册的主机已超过1000万台。万台。表表1-2是因特网上的网络数、主机数、用户数和管是因特网上的网络数、主机数、用户数和管理机构数的简单概括理机构数的简单概括COME00。计计计计计计算算算算算算机机机机机机网网网网网网络络络络络络教教教教教教程程程程程程第第第第第第1 1 1章章章章章章概概概概概概述述述述述述表 1-2 因特网的发展情况概况网 络 数主 机 数用 户 数管理机构数1980101021021001990103105

17、1061012000105107108102计计计计计计算算算算算算机机机机机机网网网网网网络络络络络络教教教教教教程程程程程程第第第第第第1 1 1章章章章章章概概概概概概述述述述述述1992年，因特网不再归美国政府管辖，因此成立年，因特网不再归美国政府管辖，因此成立了一个国际性组织叫做了一个国际性组织叫做因特网协会因特网协会ISOC(Internet Society)，以便对因特网进行全面管理以及在世界范围，以便对因特网进行全面管理以及在世界范围内促进其发展和使用。内促进其发展和使用。ISOC下面有一个技术组织叫做下面有一个技术组织叫做因特网体系结构研究委员会因特网体系结构研究委员会IAB

18、(Internet Architecture Board)，负责管理因特网有关协议的开发。，负责管理因特网有关协议的开发。IAB下面下面又设有两个工程部。又设有两个工程部。因特网工程部因特网工程部IETF(Internet Engineering Task Force)因特网研究部因特网研究部IRTF(Internet Research Task Force)计计计计计计算算算算算算机机机机机机网网网网网网络络络络络络教教教教教教程程程程程程第第第第第第1 1 1章章章章章章概概概概概概述述述述述述计计计计计计算算算算算算机机机机机机网网网网网网络络络络络络教教教教教教程程程程程程第第第第第第

19、1 1 1章章章章章章概概概概概概述述述述述述从一个普通文档上升到因特网的正式标准要经过从一个普通文档上升到因特网的正式标准要经过四个阶段。四个阶段。（1）因特网）因特网草案草案(Internet Draft)。（2）建议标准建议标准(Proposed Standard)。（3）草案标准草案标准(Draft Standard)。（4）因特网标准因特网标准(Internet Standard)。计计计计计计算算算算算算机机机机机机网网网网网网络络络络络络教教教教教教程程程程程程第第第第第第1 1 1章章章章章章概概概概概概述述述述述述还有三种还有三种RFC，即历史的、实验的和提供信息的。，即历史

20、的、实验的和提供信息的。图图1-8所示的是各种所示的是各种RFC之间的关系。之间的关系。计计计计计计算算算算算算机机机机机机网网网网网网络络络络络络教教教教教教程程程程程程第第第第第第1 1 1章章章章章章概概概概概概述述述述述述计计计计计计算算算算算算机机机机机机网网网网网网络络络络络络教教教教教教程程程程程程第第第第第第1 1 1章章章章章章概概概概概概述述述述述述1989年年11月，我国第一个公用分组交换网月，我国第一个公用分组交换网CNPAC建成运行，在此基础上，建成运行，在此基础上，1993年年9月建成新的中国公用月建成新的中国公用分组交换网。分组交换网。在在20世纪世纪80年代后期

21、，公安、银行、军队以及其年代后期，公安、银行、军队以及其他一些部门也相继建立了各自的专用计算机广域网。他一些部门也相继建立了各自的专用计算机广域网。自自20世纪世纪90年代起，我国陆续建造了基于因特网年代起，我国陆续建造了基于因特网技术的、可以和因特网互连的技术的、可以和因特网互连的9个全国范围的公用计算个全国范围的公用计算机网络。机网络。计计计计计计算算算算算算机机机机机机网网网网网网络络络络络络教教教教教教程程程程程程第第第第第第1 1 1章章章章章章概概概概概概述述述述述述表表1-3是中国互联网络信息中心公布的我国是中国互联网络信息中心公布的我国最近几年来因特网的发展情况。最近几年来因特

22、网的发展情况。计计计计计计算算算算算算机机机机机机网网网网网网络络络络络络教教教教教教程程程程程程第第第第第第1 1 1章章章章章章概概概概概概述述述述述述表 1-3我国因特网的发展情况统计时间上网计算机数(万)上网用户数(万)WWW 站点数国际线路总容量(Mbit/s)1997.10.3129.962150025.4081998.06.3054.2117.5370084.641998.12.3174.72105300143.2561999.06.3014640099062411999.12.31350890151533512000.12.31892225026540527992001.06.

23、30100226502427393257计计计计计计算算算算算算机机机机机机网网网网网网络络络络络络教教教教教教程程程程程程第第第第第第1 1 1章章章章章章概概概概概概述述述述述述计算机网络的精确定义并未统一。关于计算机网计算机网络的精确定义并未统一。关于计算机网络的最简单的定义是络的最简单的定义是TANE96：一些互相连接的、自一些互相连接的、自治的计算机的集合治的计算机的集合。计计计计计计算算算算算算机机机机机机网网网网网网络络络络络络教教教教教教程程程程程程第第第第第第1 1 1章章章章章章概概概概概概述述述述述述最简单的计算机网络就只有两台计算机和连接它最简单的计算机网络就只有两台计

24、算机和连接它们的一条链路。们的一条链路。最复杂的计算机网络就是因特网。它由非常多的最复杂的计算机网络就是因特网。它由非常多的计算机网络通过许多路由器互连而成。因此因特网也计算机网络通过许多路由器互连而成。因此因特网也称为称为“网络的网络网络的网络”(network of networks)。计算机网络与分布式计算机系统虽然有相同之处，计算机网络与分布式计算机系统虽然有相同之处，但二者并不等同。但二者并不等同。分布式系统分布式系统的最主要特点是的最主要特点是整个系整个系统中的各计算机对用户都是透明的统中的各计算机对用户都是透明的。计计计计计计算算算算算算机机机机机机网网网网网网络络络络络络教教教

25、教教教程程程程程程第第第第第第1 1 1章章章章章章概概概概概概述述述述述述电路交换电路交换；报文交换报文交换；分组交换分组交换；混合交混合交换换。网络的管理者非常关心网络的拓扑结构。按网络网络的管理者非常关心网络的拓扑结构。按网络的拓扑结构划分，可以分为：的拓扑结构划分，可以分为：集中式网络集中式网络；分散式网分散式网络络；分布式网络分布式网络。计计计计计计算算算算算算机机机机机机网网网网网网络络络络络络教教教教教教程程程程程程第第第第第第1 1 1章章章章章章概概概概概概述述述述述述计计计计计计算算算算算算机机机机机机网网网网网网络络络络络络教教教教教教程程程程程程第第第第第第1 1 1章

26、章章章章章概概概概概概述述述述述述广域网广域网WAN(Wide Area Network)局域网局域网LAN(Local Area Network)城域网城域网MAN(Metropolitan Area Network)多个处理机互连的系统按其大小的分类如表多个处理机互连的系统按其大小的分类如表1-4所所示。示。计计计计计计算算算算算算机机机机机机网网网网网网络络络络络络教教教教教教程程程程程程第第第第第第1 1 1章章章章章章概概概概概概述述述述述述表 1-4 多个处理机互连的系统按其大小的分类处理机之间的典型距离处理机所在的范围实 例0.1 m印制板数据流计算机1 m系统多处理机10 m房

27、间100 m建筑物1 km校园局域网、校园网、企业网10 km城市城域网100 km国家广域网1000 km国家，洲广域网，互连的广域网计计计计计计算算算算算算机机机机机机网网网网网网络络络络络络教教教教教教程程程程程程第第第第第第1 1 1章章章章章章概概概概概概述述述述述述从网络的使用范围可分为公用网和专用网两种。从网络的使用范围可分为公用网和专用网两种。公用网公用网(public network)专用网专用网(private network)计计计计计计算算算算算算机机机机机机网网网网网网络络络络络络教教教教教教程程程程程程第第第第第第1 1 1章章章章章章概概概概概概述述述述述述“带宽

28、带宽”本来的意思是指某个本来的意思是指某个信号具有的频带宽信号具有的频带宽度度。带宽的单位是赫兹。带宽的单位是赫兹(Hz)、千赫、千赫(kHz)、兆赫、兆赫(MHz)等。等。对于数字信道，对于数字信道，“带宽带宽”是指在信道上是指在信道上(或一段链或一段链路上路上)能够传送的能够传送的数字信号的速率数字信号的速率，即，即数据率数据率或或比特率比特率。比特比特(bit)是计算机中的数据的最小单元，它也是计算机中的数据的最小单元，它也是是信息信息量的度量单位量的度量单位。带宽的单位就是比特每秒带宽的单位就是比特每秒(bit/s)。带宽有时也称为带宽有时也称为吞吐量吞吐量。计计计计计计算算算算算算机

29、机机机机机网网网网网网络络络络络络教教教教教教程程程程程程第第第第第第1 1 1章章章章章章概概概概概概述述述述述述如果我们在网络中某一个点上观察数字信号流随如果我们在网络中某一个点上观察数字信号流随时间的变化，那么信号在时间轴上的宽度就随着带宽时间的变化，那么信号在时间轴上的宽度就随着带宽的增大而变窄。图的增大而变窄。图1-10是这一概念的示意图。是这一概念的示意图。计计计计计计算算算算算算机机机机机机网网网网网网络络络络络络教教教教教教程程程程程程第第第第第第1 1 1章章章章章章概概概概概概述述述述述述计计计计计计算算算算算算机机机机机机网网网网网网络络络络络络教教教教教教程程程程程程第

30、第第第第第1 1 1章章章章章章概概概概概概述述述述述述时延时延(delay或或latency)是指一个报文或分组从一个是指一个报文或分组从一个网络网络(或一条链路或一条链路)的一端传送到另一端所需的时间。的一端传送到另一端所需的时间。时延是由以下几个不同的部分组成的。时延是由以下几个不同的部分组成的。传播时延是电磁波在信道中传播所需要的时间传播时延是电磁波在信道中传播所需要的时间。传播时延的计算公式是：传播时延的计算公式是：传播时延传播时延=信道长度信道长度 电磁波在信道上的传播速率电磁波在信道上的传播速率计计计计计计算算算算算算机机机机机机网网网网网网络络络络络络教教教教教教程程程程程程第

31、第第第第第1 1 1章章章章章章概概概概概概述述述述述述发送时延发送时延是发送数据所需要的时间是发送数据所需要的时间。发送时延的。发送时延的计算公式是：计算公式是：发送时延发送时延=数据块长度数据块长度 信道带宽信道带宽这是数据在交换结点等候发送在缓存的队列中排这是数据在交换结点等候发送在缓存的队列中排队所经历的时延。队所经历的时延。数据经历的总时延就是以上三种时延之和：数据经历的总时延就是以上三种时延之和：总时延总时延=传播时延传播时延+发送时延发送时延+排队时延排队时延图图1-11画出了三种时延所产生的地方画出了三种时延所产生的地方计计计计计计算算算算算算机机机机机机网网网网网网络络络络络

32、络教教教教教教程程程程程程第第第第第第1 1 1章章章章章章概概概概概概述述述述述述计计计计计计算算算算算算机机机机机机网网网网网网络络络络络络教教教教教教程程程程程程第第第第第第1 1 1章章章章章章概概概概概概述述述述述述网络性能的两个度量网络性能的两个度量传播时延和带宽传播时延和带宽相相乘，就得到另一个很有用的度量：传播乘，就得到另一个很有用的度量：传播时延带宽积时延带宽积，即即(传播时延传播时延)(带宽带宽)。图。图1-12的示意图表示时延带宽的示意图表示时延带宽积。链路的时延带宽积又称为积。链路的时延带宽积又称为以比特为单位的链路长以比特为单位的链路长度度。在计算机网络中，在计算机网络中，往返时延往返时延RTT(Round-Trip Time)也是一个重要的性能指标，它表示从发送端发送也是一个重要的性能指标，它表示从发送端发送数据开始，到发送端收到来自接收端的确认，总共经数据开始，到发送端收到来自接收端的确认，总共经历的时延。历的时延。计计计计计计算算算算算算机机机机机机网网网网网网络络络络络络教教教教教教程程程程程程第第第第第第1 1 1章章章章章章概概概概概概述述述述述述