计算机网络导学案.docx
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计算机网络导学案
计算机网络导学案
第一章计算机网络概述
章节题目：
1.1计算机网络的发展
1.2因特网概述
1.3因特网的组成
1.4计算机网络在我国的发展
1.5计算机网络的类别
1.6计算机网络的性能
1.7计算机网络体系结构
本章教学目的与要求：
对网络的概念、组成、分类、发展过程、主要性能指标等内容要有所了解，同时还要理解分组交换技术及客户机/服务器等概念，掌握ISO/OSI参考模型和TCP/IP模型的区别与联系。
目的要求：
对网络的概念、组成、分类、发展过程等内容要有所了解，同时还要理解网络分层结构、网络层协议、接口、服务等概念，掌握ISO/OSI参考模型和TCP/IP模型的区别与联系。
教学重难点：
重点：
1、计算机网络与因特网概念；2、因特网组成；3、分组交换技术原理；4、客户机/服务器概念；5、计算机网络分类；6、计算机网络主要性能指标；7、计算机网络的体系结构
难点：
分组交换技术；带宽和时延的概念
1.21世纪的一些重要特征就是数字化、网络化和信息化，它是一个以网络为核心的信息时代。
世界经济从工业经济向知识经济转变，知识经济中两个重要特点就是信息化和全球化。
2.网络已成为信息社会的命脉和发展知识经济的重要基础。
3.网络是指“三网”，即电信网络（主要的业务是电话，但也有其他业务，如传真、数据等）、有线电视网络（即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）和计算机网络。
“三网合一”是网络发展的必然趋势。
4.发展最快的并起到核心作用的是计算机网络。
如何设计算机网络，并且将这些网络组织起来，是本课的主题。
二、计算机网络的发展与应用
计算机通信的发展历史并不长，起源于20世纪60年代初，是美苏冷战时期的产物。
它的形成过程，是从简单的为解决远程计算、信息收集和处理而形成的专用联机系统开始的。
随着通信和计算机等多门学科的迅猛发展和服务的需要，在联机系统的基础上发展到把多台中心计算机相互联接起来，实现资源共享为目的的计算机网络。
早期计算机系统是高度集中的。
所有设备安装在同一间房子里，因此“计算机通信”仅局限于计算机房中各个互联设备之间的通信，例如一台计算机和磁带驱动设备、各种输入／输出设备等的通信。
后来发展了批处理和分时系统，一台计算机尽管可以同时为多个用户服务，但没有计算机之间的通信，所以分时系统所连接的多个终端和主计算机仍需放在同一间房里，用户必须在计算机房里使用终端，进行所有的信息处理。
显然，在这种方式中，计算机和通信是分开进行的。
60年代初期，由于计算机技术的迅速发展，使电子计算机越来越广泛地在各个部门得以应用，因此迫切需要对分散在各地的数据进行集中处理，从而出现了联机终端。
通过专门的电缆使远程的用户终端与主机相连，实现了远程终端对主机的访问。
为了减轻主机在通信方面的负担，充分发挥主机在数据处理方面的作用，在主机上增加一个通信接口装置使其增加通信功能，将远地用户的输入／输出装置通过通信线路（模拟的或数字的）直接与计算机的通信控制装置相连。
这样，计算机一边接收从远地站点输人的信息，一边处理信息，最后的处理结果也经过通信线路直接送回到远地的用户终端设备。
计算机与通信的结合就这样开始了。
从通信角度看，这种单主机联机系统（也称多终端系统）只能说是一种计算机数据通信系统。
最初终端设备与计算机之间的连接方式采用专线点—点式，即每个终端都独占一条线路，投资相当昂贵。
随着通信技术的提高，出现了多点连接方式（也称广播式连接方式），即允许多台终端共用一条（或一段）线路与主机相连。
为了减轻主机的负担，后来在中心计算机前面增设一个前端处理机来完成通信的工作；为了提高远程线路的利用率，降低通信费用，通常在终端比较集中的地点设置终端控制器TC。
这样的系统中除了一台中心计算机，其余的终端都不具备自主处理功能。
系统提供终端和中心计算机间的通信，故称为面向终端的计算机通信网。
60年代初，美国国防部领导的远景研究规划局ARPA（AdvancedResearchProjectAgency）提出要研制一种生存性（survivability）很强的网络。
传统的电路交换（circuitswitching）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。
如要改用其他迂回电路，必须重新拨号建立连接。
这将要延误一些时间。
2.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。
网络能够连接不同类型的计算机，不局限于单一类型的计算机。
所有的网络结点都同等重要，因而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。
三、几种数据交换方式
1.电路交换方式：
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。
（1）定义：
电路交换必须经过“建立连接→通信→释放连接”三个步骤实现数据交换。
a）拨号建立连接——>当拨号信令通过许多交换机到达被叫用户所连接的交换机——>被叫用户的电话机振铃——>被叫用户摘机——>摘机信令传送回主叫用户所连接的交换机后——>呼叫完成。
b）从主叫端到被叫端建立了一条连接（物理通路）。
c）通话完毕，挂机，挂机信令告诉交换机，交换机释放刚才使用的这条物理通路。
（2）特点：
电路交换是面向连接的连网方式。
但面向连接的却不一定是电路交换，因为分组交可使用面向连接的式（如广域网的X.25网络和ATM网络）；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；电路交换适合于流媒体的传输。
（3）局限性：
电话网不适合计算机数据传输。
因为：
采用电路交换方式，通话时全部占用线路；且计算机数据是突发式地出现在传输线路上；因此线路的利用率低，不到10%。
在电路交换传输线路上有任一故障，都需重新拨号建立连接。
2.分组交换方式：
（1）产生的背景出于军事上的需要，美国研制出了分组交换网。
20世纪60年代后期，处于美苏冷战时期，为了对付苏联，美国军方一些高层人士提出一种新的设想，要建立一个类似于蜘蛛网（Web）的打不垮的网络系统，使其在现代战争中，如果通信网中的某一个交换节点或线路被破坏，系统能够自动寻找其他路径，从而保证通信的畅通。
1969年12月在美国国防部高级研究计划署（ARPA）的资助下建立了世界上第一个远程分组交换网ARPANE，T该网由通信子网和资源子网组成。
（2）分组交换的过程
①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。
②每一个数据段前面添加上首部构成分组。
分组交换网以“分组”作为数据传输单元。
每一个分组的首部都含有地址等控制信息（如目的地址、源地址）。
③依次把各分组发送到接收端。
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。
用这样的存储转发方式，最后分组就能到达最终目的地。
④接收端收到分组后剥去首部并还原（组装）成报文。
使用分组交换时，在传送数据之前可以不必先建立一条连接。
这样减少了建立和释放连接所需的开销。
使得数据传输效率更高。
这种不先建立连接而随时可发送数据的连网方式，称为无连接（connectionless）式。
（3）分组交换过程中，路由器与主机的作用在因特网核心部分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。
①主机的用途是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。
通过网络和其他主机交换信息。
②路由器则是对分组进行存储转发，最后把分组交付目的主机。
路由器处理分组的过程：
i）把收到的分组先放入缓存（暂时存储）；
ii）查找转发表，找出到某个目的地址应从哪个端口转发；
iii）把分组送到适当的端口转发出去。
（4）分组交换的优点
①高效在分组传输过程中，动态分配传输带宽，对通信链路是逐段占用，共享使用整个通信链路，提高了线路利用率。
②灵活为每一个分组独立地选择转发路由。
③迅速以分组为单位，分组小且不需建立连接就能向其他主机发送分组。
④可靠有完善的网络协议，分布式多路由（有冗余的路由）的分组交换网，使网络有很好的生存性。
（5）缺点
①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。
当网络通信量过大时，这种时延可能会很大。
②分组必须携带的首部（控制信息）也造成了一定的开销。
3.报文交换方式
在分组交换之前，即20世纪40年代的电报通信中，曾出现过报文交换，也是采用存储转发方式，以整份电报为单位发送。
和分组交换相比，报文交换会存在的弊端有：
（1）这种报文发送的时延较长，从几分钟到几小时不等
（2）对缓存要求高；（3）出错重传概率大。
4.三种方式比较电路交换——整个报文的比特流连续地从源点直达终点，好像在一个管道中传送。
报文交换——整个报文先传送到相邻结点，全部存储下来后查找转发表，转发到下一个结点。
分组交换——单个分组（这只是整个报文的一部分）传送到相邻结点，存储下来后查找转发表，转发到下一个结点。
分类电路交换报文交换分组交
四、现代计算机网络概念的形成
ARPANET的成功使计算机网络的概念发生根本变化。
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。
ARPANE：
T第一个真正意义上的计算机网络，再现了分组交换技术。
分组交换网则是以网络为中心，主机都在网络的外围。
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。
1.2因特网概述
1.2.1网络的网络
一、因特网（Internet）的发展
1.进入20世纪90年代以后，以因特网为代表的计算机网络得到了飞速的发展。
这就使得20世纪90年代成为公认的因特网时代，或简称为网络时代。
2.已从最初的教育科研网络逐步发展成为商业网络。
3.已成为仅次于全球电话网的世界第二络。
因特网的意因特网是自印刷术以来人类通信方面最大的变革。
现在人们的生活、工作、学习和交往都已离不开因特网。
1.2.2因特网发展的三个阶段
1、第一阶段是从单个网络ARPANET向互联网发展
从六十年代起，由ARPA（美国国防部高级研究计划署，AdvancedResearchProjectsAgency）提供经费，联合计算机公司和大学共同研制而发展起来的ARPAnet网络。
最初，ARPAnet主要是用于军事研究目的，它主要是基于这样的指导思想：
网络必须经受得住故障的考验而维持正常的工作，一旦发生战争，当网络的某一部分因遭受攻击而失去工作能力时，网络的其他部分应能维持正常的通信工作。
第一个分组交换网ARPAnet只是一单个的分组交换网，所有想连接在它上的主机都直接与就近的结点交换机相连，它规模增长很快，到70年代中期，人们认识到仅使用一个单独的网络无法满足所有的通信问题。
于是ARPA开始研究很多网络互联的技术，这就导致后来的互联网的出现。
ARPAnet在技术上的另一个重大贡献是TCP/IP协议簇的开发和利用。
作为Internet的早期骨干网，ARPAnet的试验并奠定了Internet存在和发展的基础，较好地解决了异种机网络互联的一系列理论和技术问题。
1983年，ARPAnet分裂为两部分，ARPAnet和纯军事用的MILnet。
同时，局域网和广域网的产生和逢勃发展对Internet的进一步发展起了重要的作用。
其中最引人注目的是美国国家科学基金会NSF（NationalScienceFoundation）建立的NSFnet。
2、第二阶段的特点是建成了三级结构的因特网
1986年，NSF建立起六大超级计算机中心，并在全国建立了按地区划分的计算机广域网，并将这些地区网络和超级计算中心相联，最后将各超级计算中心互联起来，形成了NSFnet。
它是个三级网络，分主干网、地区网、校园网。
它代替ARPAnet称为Internet的主干网。
NSFnet对Internet的最大贡献是使Internet向全社会开放，而不象以前的那样仅供计算机研究人员和政府机构使用。
3、第三阶段的特点是逐渐形成了多级ISP结构的因特网：
1993年开始，美国政府资助的NSFnet就逐渐被若干个商用的因特网主干网替代，这种主干网也叫因特网辅助提供ISP，考虑到因特网商用化后可能出现很多的ISP，为了是不同ISP经营的网络能够互通，在1994创建了4个网络接入点NAP分别有4个电信公司经营，本世纪美国的NAP达到了十几个。
NAP是最高级的接入点，它主要是向不同的ISP提供交换设备，是它们相互通信。
现在的因特网已经很难对其网络结构给出很精细的描述，但大致可分为五个接入级：
网络接入点NAP，多个公司经营的国家主干网，地区ISP，本地ISP，校园网、企业或家庭PC机上网用户。
网络接入点NAP（NetworkAccessPoint），NAP又称为对等点（peeringpoint），表示接入到NAP的设备不存在从属关系而都是平等的。
由欧洲原子核研究组织（CERN）开发的万维网WWW（WorldWideWeb）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，成为因特网的这种指数级增长的主要驱动力。
由于因特网存在着技术上和功能上的不足，加上用户数量猛增，使得现有的因特网不堪重负。
“下一代因特网计划”，即“NGI计划”（NextGenerationInternetInitiative）。
NGI计划将使用超高速全光网络，能实现更快速的交换和路由选择，同时具有为一些实时（realtime）应用保留带宽的能力。
在整个因特网的管理和保证信息的可靠性与安全性方面也会有很大的改进。
1.2.3因特网的标准化工作
1．电信领域中最有影响的组织
ITU（InternationalTelecommunicationUnion，国际电信联盟）,任务：
对国际电信进行标准化。
ITU-R（无线通信部门）:
关注全球范围内的无线电频频率分配事宜。
ITU-T（电信标准化部门，CCITT）：
主要关注电话和数据通信系统，对电话、电报和数据通信接口提供一些技术性的建议。
ITU-D（开发部门）。
2.国际标准领域中最有影响的组织
（1）ISO（InternationalStandardsOrganization）,是国际标准的制定和发布者。
ISO
为大量的学科制订标准，从螺钉和螺帽，一直到电话架的外形。
目前已发布了13000多个标准。
（2）IEEE（InstituteofElectricalandElectronicsEngineers，电气和电子工程师协会），它是世界上最大的专业组织。
除每年发行大量的杂志和召开几百次会议以外，IEEE也有一个标准化组，专门开发电气工程和计算领域中的标准。
IEEE的802委员会已经标准化了很多种类的LAN。
3.Internet标准领域中最有影响的组织
ISOC（InternetSociety,因特网协会）1992年成立的一个国际性组织，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。
IAB（InternetArchitectureBoard，因特网体系结构委员会），ISOC下面的一个技术组织，负责管理因特网有关协议的开发。
IAB下面设有两个任务组：
（1）IRTF（InternetResearchTaskForce，因特网研究任务组），任务是进行理论方面研究和开发一些需要长期考虑的问题。
（2）IETF（InternetEngineeringTaskForce，因特网工程任务组），任务是处理短期的工程事项。
IETF被分成很多工作组，每个组解决一个特定的问题。
制定因特网的正式标准的四个阶段：
所有因特网标准都是RFC的形式在因特网上发表。
RFC（RequestForComments）的意思是“请求评论”。
所有RFC文档都可免费下载。
①．标准提案或因特网草案（InternetDraft）——在这个阶段还不是RFC文档。
②．建议标准（ProposedStandard）——从这个阶段开始就成为RFC文档。
③．草案标准（DraftStandard）
④．因特网标准（InternetStandard）
1.3因特网组成因特网虽然在地理上覆盖了全球，但从其工作方式上看，可以把整个因特网的组成划分为两大块，即由所有连接在因特网上的主机组成的因特网的边缘部分，和由大量网络和连接这些网络的路由器组成的因特网核心部分。
1.3.1因特网的边缘部分
一、定义、功能及分类
1.定义：
处在因特网边缘的部分就是连接在因特网上的所有的主机。
这些主机又称为端系统（endsystem），“端”就是“末端”的意思。
“主机A和主机B进行通信”，实际上是指：
“运行在主机A上的某个程序和运行在主机B上的另一个程序进行通信”。
即“主机A的某个进程和主机B上的另一个进程进行通信”。
或简称“计算机之间通信”。
2.功能：
利用核心部分所提供的服务，使这样多的主机之间能够互相通信并交换或共享信息。
3.通信方式分类：
在网络边缘的端系统中运行的程序之间的通信方式通常可划分为两大类：
客户服务器方式和对等方式。
二、两种通信方式
1.客户服务器方式（C/S方式，Client/Server）：
最常用的，也是传统的一种方式。
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。
这里最主要的特征就是：
客户是服务的请求方，服务器是服务的提供方。
（1）客户程序的特点：
被用户调用后运行，在打算通信时主动向远地服务器发起通信（请求服务）。
因此，客户程序必须知道服务器程序的地址。
可与多个服务器进行通信。
不需要特殊的硬件和很复杂的操作系统。
（2）服务器程序的特点：
是一种专门用来提供某种服务的程序，可同时处理多个远地或本地客户的请求。
当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高级的操作系统支持。
2.对等方式（P2P方式，Peer-to-Peer）：
（1）定义：
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。
（2）特点：
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同时是服务器。
1.3.2因特网的核心部分一、定义、功能及分类
1.定义：
网络核心部分是因特网中最复杂的部分。
核心部分要向网络边缘中的主机提供服务，使边缘部分中的任何一个主机都能够向其他主机通信（即传送或接收各种形式的数据）。
2.功能：
实现数据交换。
3.数据交换方式分类：
网络中的数据交换方式主要有三种：
电路交换、分组交换和报文交换。
1.4计算机网络在我国的发展
一、9个全国范围的公用计算机网络
根据2004年1月中国互联网络信息中心CNNIC（《中国互联网络发展状况统计报告》，目前已经建成和正在建设中的基于Internet技术的公用计算机网络有：
1．中国公用计算机互联网（CHINANET）
2．中国教育和科研计算机网（CERNE）T
3．中国科学技术网（CSTNET）
4．中国联通互联网（UNINET）
5．中国网通公用互联网（CNCNE）T
6．中国国际经济贸易互联网（CIETNET）
7．中国移动互联网（CMNE）T
8．中国长城互联网（CGWNE）T（建设中）
9．中国卫星集团互联网（CSNET）（建设中）
此外，还有一个NSFnet，是中科院、北大、清华等单位在北京中关村地区建造的为研究因特网新技术的高速网络。
三、当前Internet的研究热点
1.体系结构—顶层设计
a）NGI与NGN
b）新一代网络协议，IPv6、
c）2.骨干网
a）全光网络
i.光交换（光分组交换，光波长交换，光突发交换）
ii.光传输，例如WDM（wavedivisionmultiplexing）b）MPL多协议标记交换
c）服务质量（QoS）控制,高速路由交换技术
3.接入网：
移动、无线网络
a）802.11,Wi-Mesh，802.16系列，3G（B3G,4G）
b）移动Adhoc网络，传感器网络
4.应用层
a）覆盖网络，P2P（文件共享，流媒体）
5.网络安全
1．5计算机网络的分类
1.5.1计算机网络的不同定义
一、几种不同定义
最简单的定义：
计算机网络是一些互相连接的、自治的计算机的集合。
常见定义：
凡是将分布在不同的地理位置的计算机系统用通信设备连接起来，再配有网络软件，以实现资源共享的系统。
因特网（Internet）是“网络的网络”。
二、网络的特点
1．具有共享信息和资源的能力；
2．具有共享集中管理的能力；
3．具有把个人与众多用户连接在一起的能力。
1.5.2几种不同的分类方法
1、从网络的作用范围进行分类
广域网WAN（WideAreaNetwork）：
可在很宽的地理区域内（几十~几千公里）为用户服务的数据通信网络，是因特网的核心部分，各结点交换机的链路都是高速链路，有较大通信容量。
也叫远程网。
广域网与互联网的区别之一：
在广域网中的传输技术是同一种，中国公用分组交换网CHINAPAK用X.25技术等。
局域网LAN（LocalAreaNetwork）：
随着技术的进步，局域网的范围从一个机房到一栋大楼再到一个校园、社区等。
分布几公里范围的高速低差错率数据网，速率通常在10MB/s，传输延时小于10ms的网络，工作在有限的地理范围；不通过ISP申请网络相关技术：
Ethernet，Tokenring等。
城域网MAN（MetropolitanAreaNetwork）：
作用范围在广域网和局域网之间，如一个城市，可跨越几个街区甚至整个城市。
传送速率比局域网更高，作用距离约为5~50km。
个人区域网PAN（PersonalAreaNetwork）
范围大约在10m左右。
2、按用途分类从网络的使用者进行分类：
公用网：
一般是国家的电信公司出资建造的大型网络。
所有人都可以用。
专用网：
是某个部门为本系统的特殊业务而建造的网络。
如教育、军事、电力、铁路等。
3、宽带接入网AN（AccessNetwork）接入网用来把用户接入到因特网的网络。
它既不属于因特网的核心部分，也不属于因特网的边缘部分。
早期通过电话线拨号接入因特网最近出现了多种宽带接入技术它既不属于因特网的核心部分，也不属于因特网的边缘部分。
1.6计算机网络的主要性能指标
1.6.1计算机网络的性能指标
1.速率
比特（bit，binarydigit，“二进制数字”）是计算机中数据量的单位
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