第 1 章

1. 第1章 计算机网络体系结构

2. 1.1 计算机网络概述 • 是计算机技术和通信技术紧密结合的产物 • 对信息产业的发展有着至关重要的影响 • 成为人们日常生活中不可缺少的工具 • 衡量一个国家综合国力、科技水平和社会信息化的重要标志

3. 1.1.1 计算机网络的概念、组成与功能 1． 计算机网络的定义 • 计算机网络是利用通信线路将地理位置分散的、具有独立功能的许多计算机系统连接起来，按照某种协议进行数据通信，以实现资源共享的信息系统。

4. 1.1.1 计算机网络的概念、组成与功能 2． 计算机网络的组成 • 赖以存在的基础是网络软件系统和网络硬件系统 • 网络软件则是挖掘网络潜力的工具 • 协调系统资源，系统需要通过软件工具对网络资源进行全面的管理、调度和分配 • 网络软件是实现网络功能不可缺少的各种程序

5. 1.1.1 计算机网络的概念、组成与功能 2． 计算机网络的组成 • 网络软件包括以下几种: • 网络协议和通信软件 • 网络操作系统 • 网络管理及网络应用软件 • 网络软件最重要的特征 • 网络软件所研究的重点不是在网络中所互联的各个独立的计算机本身的功能方面，而是在如何实现网络特有的功能方面

6. 1.1.1 计算机网络的概念、组成与功能 2． 计算机网络的组成 • 硬件对网络的选择起着决定性作用 • 网络硬件是计算机网络系统的物质基础。 • 构成一个计算机网络系统，首先要将计算机及其附属硬件设备与网络中的其它计算机系统连接起来。 • 随着计算机技术和网络技术的发展，网络硬件日趋多样化，功能更加强大，更加复杂。

7. 1.1.1 计算机网络的概念、组成与功能 • 逻辑功能上，计算机网络系统由通信子网和资源子网两层构成 • 通信子网负责网络的数据传输、交换及通信控制等通信处理工作 • 资源子网则负责网络的数据处理业务，向网络用户提供各种网络资源和网络服务

8. 1.1.1 计算机网络的概念、组成与功能 图1.1 计算机网络逻辑结构图

9. 1.1.1 计算机网络的概念、组成与功能 3．计算机网络的功能 • 数据通信 • 计算机网络最基本的功能。计算机网络联网之后，便可以相互传输数据，进行通信 • 资源共享 • 计算机网络的主要目的是共享资源。计算机网络突破了地域范围的限制，在网络上的计算机无论远近彼此之间都可以实现资源共享

10. 1.1.1 计算机网络的概念、组成与功能 3．计算机网络的功能 • 集中管理 • 管理信息系统（MIS）、办公自动化系统（OA)等将分散的信息与对象进行集中控制和管理 • 实现分布式处理 • 科学计算和信息处理，可采用适当的算法，把任务分散到不同的计算机上进行处理，然后再集中起来，解决问题

11. 1.1.1 计算机网络的概念、组成与功能 3．计算机网络的功能 • 负荷均衡 • 负荷均衡是指工作被均匀的分配给网络上的多台计算机系统。网络控制中心负责分配和检测，当某台计算机负荷过重时，系统会自动转移负荷到较轻的计算机系统去处理 • 提高计算机可用性 • 网络中的计算机彼此可以互为备用，如果计算机网络中有单个部件或少量计算机失效发生，网络可通过不同路由来访问这些资源，不影响用户对同类资源的访问。

12. 1.1.2 计算机网络的分类 • 按照网络的覆盖范围分类 • 局域网（LAN，Local Area Network ) • 局域网是一种在小范围内实现的计算机网络，一般在一个建筑物内，或一个工厂、一个事业单位内部，为单位独有 • 局域网有三个不同的特征：范围、传输技术、拓扑结构。 传输技术方面局域网主要使用的技术：所有的机器都连接到同一根电缆上，运行速度在10Mbit/s ~10Gbit/s，采用广播式传输方式。广播式局域网的两种主要的拓扑结构是总线型和环型。

13. 1.1.2 计算机网络的分类 图1.2 两种广播式网络

14. 1.1.2 计算机网络的分类 • 城域网（MAN，Metropolitan Area Network） • 城域网是在一个城市内部组建的计算机信息网络，提供全市的信息服务。城域网的范围在WAN与LAN之间，其运行方式与LAN相似。 • 广域网（WAN，Wide Area Network） • 大多数广域网中，子网是由两个独立的部分组成的：传输线和交换单位。传输线用于在机器之间传送数据位。它们可以是由铜线、光纤、甚至无线电链路构成的。交换单元是一种特殊的计算机，它们连接了三条或者更多条传输线。当数据在一条路线上到达的时候，交换单位必须选择一条出线，以便将数据转发出去。

15. 1.1.2 计算机网络的分类 图1.3 LAN上的主机和子网之间的关系

16. 1.1.2 计算机网络的分类 2．按照网络的通信介质分类 • 有线网： • 采用如同轴电缆、双绞线、光纤等物理介质来传输数据的网络 • 无线网： • 采用卫星、微波等无线形式来传输数据的网络。

17. 1.1.2 计算机网络的分类 3．按照网络的使用范围分类 • 公用网： • 公用网又称为公众网, 一般是指电信公司建造的公用网络 • 专用网： • 专门为一个或几个部门所拥有，它只为拥有者提供服务，这种网络不向拥有者以外的人提供服务

18. 1.1.2 计算机网络的分类 4．按照网络的传输技术分类 • 点对点网络： • 以点对点的连接方式把各个计算机连接起来的网络。主要拓扑结构有星形、树形、环形、网状。 • 广播式网络： • 用一个共同的传播介质把各个计算机连接起来的网络，主要有以同轴电缆连接起来的共享总线网络和以无线、微波、卫星方式传播的广播网。

19. 1.1.2 计算机网络的分类 5．按照数据的交换方式分类 • 线路交换网络（CS，Circuit Switching）： • 线路交换最早出现在电话系统中，早期的计算机网络就是采用此方式来传输数据的，数字信号经过变换成为模拟信号后才能在线路上传输。 • 整个通信过程必须经过“建立连接--通信--释放连接”三个过程。 • 使用电路交换来传送计算机数据时，其线路的传输效率往往很低

20. 1.1.2 计算机网络的分类 5．按照数据的交换方式分类 • 报文交换网络（MS，Message Switching）： • 当通信开始时，源主机发出的一个报文被存储在交换器里，交换器根据报文的目的地址选择合适的路径发送报文，这种方式称作存储-转发方式。 • 分组交换网络（PS，Packet Switching）： • 分组交换也采用报文传输， • 不是以不定长的报文做传输的基本单位，而是定长的报文分组，以分组作为传输的基本单位 • 分组交换优于线路交换和报文交换，已成为计算机联网的主流

21. 1.1.2 计算机网络的分类 6．按照网络的拓扑结构分类 • 拓扑（Topology）是从图论演变而来的，它把物理实体抽象成与其大小和形状无关的点，把连接实体的线路抽象成线，进而研究点、线和面之间的关系。 • 计算机网络的拓扑结构反映了网络中各实体间的结构关系，它对网络性能、系统可靠性与通信费用都有重大影响

22. 1.1.2 计算机网络的分类 6．按照网络的拓扑结构分类 • 环形拓扑结构 • 总线形拓扑结构 • 树形拓扑结构 • 全互连型拓扑结构 • 网状拓扑结构

23. 1.1.2 计算机网络的分类 图1.4 网络拓扑结构示意图

24. 1.1.2 计算机网络的分类 6．按照网络的拓扑结构分类 • 星形拓扑结构 • 由一个功能较强的中心结点以及一些通过点到点链路连到中心结点的从结点组成 • 星形结构有两类：一类是中心结点仅完成与各从结点连通的作用。另一类中心结点是有很强处理能力的计算机，从结点是一般计算机或终端，这时中心结点有转接和数据处理的双重功能 • 优点：网络结构简单，便于控制，建网容易，易于扩展。 • 缺点：中心结点是网络可靠性的“瓶颈”，会影响全网的通信。

25. 1.1.2 计算机网络的分类 6．按照网络的拓扑结构分类 • 环形拓扑结构 • 各结点通过环形接口连在一条首尾相连的闭合环形通信线路中，环路上任何结点均可以请求发送信息 • 环形网中的数据传输可以是单向，也可以是双向 • 一个结点发出的信息必须穿越环中所有的环路接口，信息流中目的地址与环上某结点地址相符时，信息便被该结点的环路接口所接受，而后信息继续流向下一环路接口，一直流回到发送该信息的环路接口结点为止。

26. 1.1.2 计算机网络的分类 6．按照网络的拓扑结构分类 • 环形拓扑结构 • 优点是结构简单，实现容易，数据传输延迟确定。 • 缺点是每两个结点之间的通信线路都是网络可靠形的“瓶颈”。环中任何一个结点出现故障，均可造成全网瘫痪。环中有新结点加入或有结点撤出时，环路的恢复工作都较复杂 • 局域网常用的拓扑结构之一，IBM公司推出的令牌环形网（Token Ring）和光纤分布式数据接口（FDDI）

27. 1.1.2 计算机网络的分类 6．按照网络的拓扑结构分类 • 总线形拓扑结构 • 由一条高速公用总线连接若干个结点所形成 • 总线形网络采用广播通信方式，即由一个结点发出的信息可被网络上的多个结点所接收 • 总线结构网络中工作站结点的个数是有限制的，如果工作站结点的个数超出总线负载能力，就需要采用分段等方法 • 简单灵活，可扩充，设备投入量少，成本低，安装使用方便。但工作站点出现故障时，对整个网络系统影响较大。实时性较差，当结点通信量增加时，性能会急剧下降

28. 1.1.2 计算机网络的分类 6．按照网络的拓扑结构分类 • 树形拓扑结构 • 树形结构是总线形结构的扩展，它是在总线形网上加上分支形成的，使联网的计算机按树形或塔形组成，因此也称为层次结构 • 树形结构适用于相邻层通信较多的情况，典型的应用是低层结点解决不了的问题，请求中层解决，中层计算机解决不了的问题请求顶部的计算机来解决

29. 1.1.2 计算机网络的分类 6．按照网络的拓扑结构分类 • 全互连型拓扑结构 • 每一结点和网上其它所有结点都有通信线路连接 • 网络的复杂性随结点数目增加而迅速地增长 • 这种网络连接复杂，适合在结点数少，距离很近的环境中使用 • 网状拓扑结构 • 又称无规则形结构 • 网状拓扑结构的特点是系统可靠性高，但是结构复杂，必须采用路由选择算法与流量控制方法

30. 1.1.3 计算机网络与互联网的发展历史 • 计算机网络源于计算机与通信技术的结合，始于20世纪50年代。 • 它经历了一个从简单到复杂的发展过程，从为解决远程计算、信息收集和处理而形成的专用联机系统开始，发展到把多台中心计算机连接起来，组成以资源共享为目的的计算机网络。

31. 1.1.3 计算机网络与互联网的发展历史 1. 计算机网络的发展过程经历了以下四个阶段。 • 第一阶段是面向终端的计算机网络，可以追溯到20世纪50年代 • 第二阶段是面向通信的计算机网络，应该从20世纪60年代美国的ARPANET与分组交换技术开始 • 第三阶段是局域网和协议的标准化，可以从20世纪70年代中期计起 • 第四阶段是高速和宽带计算机网络从20世纪90年代开始至今

32. 1.1.3 计算机网络与互联网的发展历史 • 面向终端的计算机网络 • 典型特征是：通过主机系统形成大部分的通信流程，构成系统的所有通信协议都是系统专有的，大型主机在系统中起着支配作用，所有控制和管理功能都是有主机来完成。 • 主机是共享，它被用来存储和组织数据、集中控制和管理整个系统。所有用户都通过连接系统的终端输入信息，主机为其处理信息，最后将处理结果再通过通信线路送回到用户。这种以单个计算机为中心的集中式计算机网络称为面向终端的联机系统

33. 1.1.3 计算机网络与互联网的发展历史 图1.5 面向终端的计算机

34. 1.1.3 计算机网络与互联网的发展历史 • 多点通信线路方式: • 多点通信线路就是在一条通信线路上串接多个终端，多个终端可以共享同一条通信线路与主机进行通信。 图1.6 多点通信线路方式

35. 1.1.3 计算机网络与互联网的发展历史 • 使用前端处理器和集中器的通信系统 : • 前端处理机主要负责处理通信任务，它可以减轻主机处理通信量的负担，使主机专门用于数据处理，这样数据处理与通信就由两台机器分工进行 图1.7 使用前端处理器和集中器的通信系统

36. 1.1.3 计算机网络与互联网的发展历史 • 面向通信的计算机网络 • 将分布在不同地点的计算机通过线路互联成为计算机－计算机网络。 • 网络用户可以通过计算机使用本地计算机的软件、硬件与数据资源，使用联网的其他地方计算机的软件、硬件与数据资源，实现计算机资源共享。 面向通信的计算机网络主要有两种形式： 一种是通过通信线路将主计算机直接互联起来，主机既承担数据处理任务又承担通信任务，

37. 1.1.3 计算机网络与互联网的发展历史 图1.8 主机直接互联的网络

38. 1.1.3 计算机网络与互联网的发展历史 • 另一种形式是把通信从主机分离出来，设置通信控制处理机CCP（Communication Control Processor）。 • 通信控制处理机负责网上各主机间的通信控制和通信处理，它们组成的传输网络称为通信子网。网上主机负责数据处理，是计算机网络资源的拥有者，它们组成了网络的资源子网。

39. 1.1.3 计算机网络与互联网的发展历史 图1.9 具有通信子网的计算机网络

40. 1.1.3 计算机网络与互联网的发展历史 • 局域网和协议的标准化 • 20世纪70年代初，计算机组网技术、方法和理论日趋成熟，网络产品与应用发展迅速。各大计算机公司为了促进网络产品的开发，纷纷制定了各自的网络体系结构和网络协议。 • 1977年国际标准化组织（ISO）适应网络标准化发展的形式，成立了TC97（计算机与信息处理标准化委员会）下属的SC16（开放系统互联分技术委员会），开始着手制定开放系统互联的一系列标准，旨在将异种计算机方便地互联，构成网络，该委员会制定了“开放系统互联参考模型”（OSI/RM），缩写为ISO/OSI。

41. 1.1.3 计算机网络与互联网的发展历史 • 高速和宽带计算机网络 • 这一阶段Internet成为计算机网络领域最引人注目也是发展最快的网络技术。 • 计算机网络对数据的传输能力要求越来越高，呈现不断向高速化方向发展的趋势。90年代末期，由于国家信息基础设施的建设工作的广泛开展，这种向高速化发展的势头更为猛烈。 • 网络高速化主要反映在三个方面：线路通信速率呈数量级增长、协议(集)向高速化方向变化和高性能交换机/路由器不断出现。

42. 1.1.3 计算机网络与互联网的发展历史 2. Internet 网络发展历史 • Internet并不是单个网络，而是大量不同的网络的集合，这些不同的网络使用一组公共的协议，并提供一组公共的服务。Internet不是一个普通的系统，也不是由任何一个人规划出来的，不受任何人控制。 • Internet的网络体系结构采用TCP/IP协议集。TCP/IP协议集是一组以TCP和IP为代表的协议构成

43. 1.1.3 计算机网络与互联网的发展历史 • Internet是伴随着计算机网络技术发展而发展起来的，其发展经历了以下几个典型的阶段: • ARPANET阶段 • 1957年美国国防部成立了一个专门的国防研究组织：ARPA，即Advanced Research Project Agency。为寻求一个更好的命令和控制系统，ARPA开始在网络技术方面着手进行思考，经过几年的调查、研究，于1967年决定建立一个研究性网络，该网络称为ARPANET。

44. 1.1.3 计算机网络与互联网的发展历史 图1.10 ARPANET组成图

45. 1.1.3 计算机网络与互联网的发展历史 • NSFNET阶段 • 20世纪70年代后期，美国国家科学基金会（NSF , National Science Foundation）为了使更多的大学能够共享ARPANET的资源，NSF计划建设一个虚拟网络CSNET（Computer Science Network）。

46. 1.1.3 计算机网络与互联网的发展历史 • Internet的飞速发展 • 随着ARPANET引入TCP/IP协议，大量的网络、主机与用户都连入ARPANET，使ARPANET得到了迅速发展，Internet网络的雏形形成。 • 随着NSFNET的发展，由美国高级网络与服务公司建设的ANSNET成为Internet的主干网，其它国家或地区的主干网都是通过ANSNET接入Internet。 • 可视电话、可视图文、图像通信和多媒体等宽带业务的需求，大大地推动了宽带计算机网络的发展和应用。

47. 1.1.4计算机网络的标准化工作及相关组织 • 标准化组织主要有以下几个 : • 国际电信联盟（ITU , International Telecommunication Union） • ITU的任务是对国际电信进行标准化，1947年ITU成为联合国的一个代理机构

48. 1.1.4计算机网络的标准化工作及相关组织 • 国际标准化组织（ISO） • 国际标准化组织（ISO , International Organization for Standardization）成立于1946年，其成员来自世界各地的标准化组织，其宗旨是协商国际网络中使用的标准并推动世界各国间的互通性。 • 电子工业协会（EIA） • 电子工业协会（EIA , Electronic Industries Association）制定的标准RS-232接口在通信中应用十分广泛

49. 1.1.4计算机网络的标准化工作及相关组织 • 电气电子工程师协会（IEEE） • 电气电子工程师协会（IEEE , Institute of Electrical and Electronics Engineers）是国际电子电信行业最大的专业学会 • Internet体系结构委员会（IAB） • Internet体系结构委员会（IAB , Internet Architecture Board）是伴随着ARPANET建立成长起来的委员会，是在ARPANET初期由美国国防部创建的一个非正式委员会，负责监督ARPANET建设。1983年，该委员会更名为IAB（Internet Activities Board, Internet活动委员会），后来IAB被解释为Internet Architecture Board（Internet体系结构委员会）。

50. 1.2 计算机网络体系结构与参考模型 • 计算机网络已迅速发展成为一种复杂、多样和无处不在的大系统 • 结构化程序设计中对复杂问题的模块化分层处理一样，在处理计算机网络这种复杂系统时所采用的方法就是把复杂的大系统分层处理，每层完成特定功能，各层协调起来实现整个网络系统 。