計算機網絡基礎及應用2015～2016春季教師介紹:王曉娜中國石油大學（北京）信息學院軟件工程系

Email:wang_xiao_na@126.com

Office：地質樓606

Phone

number程主要內容計算機網絡的概念計算機網絡的體系結構局域網共享式以太網和交換式以太網IP地址虛擬局域網地址解析協議ARP路由技術課程介紹32學時，10學時上機上機時間：第6/8/10/12/14周周二下午3：30～5：15上機地點：3教402實驗模擬軟件：PacketTracer5.0模擬cisco的交換機和路由器上的實驗參考教材計算機網絡技術別文群，李山偉主編，高等教育出版社，2012計算機網絡（第6版）謝希仁，電子工業出版社講義下載公用郵箱地址wangluo_cup@20152016第一章

緒論：計算機網絡基礎本章知識點1.1計算機網絡的概念1.2因特網概述1.3因特網的組成1.4交換技術1.5網絡的分類1.6網絡的拓撲結構

所謂計算機網絡就是將分布在不同地理位置上的具有獨立工作能力的計算機、終端及其附屬設備用通信設備和通信線路連接起來，并配置網絡軟件，以實現計算機資源共享的系統。計算機網絡的概念1.1計算機網絡的概念計算機網絡是計算機技術與通信技術結合的產物，是自主計算機的互連集合。計算機網絡向用戶提供的最重要的功能連通性——計算機網絡使上網用戶之間都可以交換信息，好像這些用戶的計算機都可以彼此直接連通一樣。共享——即資源共享。可以是信息共享、軟件共享，也可以是硬件共享。

計算機網絡的功能與應用資源與數據共享信息交換娛樂分布式計算…1.2因特網(Internet)的發展進入20世紀90年代以后，以因特網為代表的計算機網絡得到了飛速的發展。已從最初的教育科研網絡逐步發展成為商業網絡。已成為僅次于全球電話網的世界第二大網絡。因特網的意義因特網是自印刷術以來人類通信方面最大的變革?，F在人們的生活、工作、學習和交往都已離不開因特網。1.2因特網概述1.2.1網絡的網絡起源于美國的因特網現已發展成為世界上最大的國際性計算機互聯網網絡(network)由若干結點(node)和連接這些結點的鏈路(link)組成。1.2因特網概述互聯網是“網絡的網絡”(networkofnetworks)。因特網是世界上最大的互連網絡。網絡與因特網網絡把許多計算機連接在一起。因特網則把許多網絡連接在一起。注意：網絡互連并不只是物理上的互連，還隱含互連通信時需要的軟件。主機因特網連接在因特網上的計算機都稱為主機(host)。第一階段:從單個網絡ARPANET向互聯網發展的過程。 (ARPA－美國國防部高級研究計劃局) 1969實驗性運行，四個節點（四所大學）

70年代中期，ARPA開始研究多種網絡互連的技術

1983年TCP/IP協議成為ARPANET上的標準協議。人們把1983年作為因特網的誕生時間。

1984主機超過1000臺

1990ARPANET退役。1.2.2因特網發展的三個階段第二階段：建成了三級結構的因特網三級計算機網絡，分為主干網、地區網和校園網（或企業網）。

NSFNET(NSF－美國國家科學基金會)

1984組建，直接采用TCP/IP協議， 采用三級層次結構（主干網、地區網、校園網)

1986建成，主干網速率：56kb/s

1989主干網速率：1.544Mb/s(T1速率) 1990接管了ARPANET，改名為Internet;

1993主干網速率：4.5Mb/s(T3速率) 1996主干網速率：155Mb/s 1999主干網速率：2.5Gb/s1.2.2因特網發展的三個階段

三級結構的因特網各網絡之間需要使用路由器來連接。路由器國家主干網地區網地區網地區網校園網校園網校園網校園網校園網校園網有時在結構圖中可不畫出路由器。第三階段：多層次ISP結構的因特網出現了因特網服務提供者ISP(InternetServiceProvider)。作為主干的NSFNET已不堪重負，于是美國政府決定把因特網的主干網交給私人公司來經營。從1993年開始，NSFNET逐漸被若干個商用的因特網主干網所代替，這些主干網絡的提供者稱為因特網服務提供商（ISP）。任何人只要向ISP支付一定的費用，就可以接入因特網。用戶因特網ISP1ISP2因特網服務提供者用戶通過ISP上網根據提供服務的覆蓋面積大小以及所擁有的IP地址數目的不同，ISP也分成為不同的層次。一級ISP一級ISP第一層

ISP大公司本地

ISP大公司大公司公司本地

ISP本地

ISP校園網校園網校園網校園網第二層

ISP第二層

ISPNAPNAPAB主機A→本地ISP→第二層ISP→NAP→第一層ISP→NAP→第二層ISP→本地ISP→主機B第一層

ISP第二層

ISP本地

ISP本地

ISP本地

ISP本地

ISP第一層

ISP第一層第二層第三層本地

ISP第二層

ISP本地

ISP本地

ISP本地

ISP本地

ISP第二層

ISP本地

ISP本地

ISP第二層

ISP萬維網WWW的問世因特網已經成為世界上規模最大和增長速率最快的計算機網絡，沒有人能夠準確說出因特網究竟有多大。因特網的迅猛發展始于20世紀90年代。由歐洲原子核研究組織CERN開發的萬維網WWW(WorldWideWeb)被廣泛使用在因特網上，大大方便了廣大非網絡專業人員對網絡的使用，成為因特網的這種指數級增長的主要驅動力。因特網的發展情況概況

網絡數主機數用戶數管理機構數1980101021021001990103105106101

2000105107108102

2005106108109103

1.4我國的發展情況1989.11我國第一個公用分組交換網CNPAC運行;1994.4我國用64kb/s專線正式連入因特網。5月中科院高能物理研究所設立了第一個www服務器。9月CHINANET正式啟動。目前有7大互聯網絡與Internet相連：1.中國公用計算機互聯網(CHINANET)、2.中國科學技術網(CSNET)、3.中國教育和科研計算機網(CERNET)、4.中國國際經濟貿易互聯網(CIENET)、5.中國聯通互聯網(UNINET)、6.中國網通公用互聯網(CNCNET)、7.中國移動互聯網(CIETNET)。

中國的高速計算機網絡研究計劃在2004年2月，我國的第一個下一代互聯網CNGI的主干網CERNET2試驗網正式開通,并提供服務。試驗網目前以2.5-10Gb/s的速率連接北京、上海和廣州三個CERNET核心節點，并與國際下一代互聯網相連接。1.2.3關于因特網的標準化工作因特網協會ISOC因特網研究指導小組IRSG因特網研究部IRTF因特網工程部IETF因特網工程指導小組IESG…RGWG……RG…領域領域因特網體系結構研究委員會IABWGWGWG1.3因特網的組成從因特網的工作方式上看，可以劃分為以下的兩大塊：(1)邊緣部分由所有連接在因特網上的主機組成。這部分是用戶直接使用的，用來進行通信（傳送數據、音頻或視頻）和資源共享。(2)核心部分由大量網絡和連接這些網絡的路由器組成。這部分是為邊緣部分提供服務的（提供連通性和交換）。因特網的核心部分因特網的邊緣部分主機網絡路由器因特網的邊緣部分與核心部分1.3.1因特網的邊緣部分處在因特網邊緣的部分就是連接在因特網上的所有的主機。這些主機又稱為端系統(endsystem)?！爸鳈CA和主機B進行通信”，實際上是指：“運行在主機A上的某個程序和運行在主機B上的另一個程序進行通信”。即“主機A的某個進程和主機B上的另一個進程進行通信”。或簡稱為“計算機之間通信”兩種通信方式在網絡邊緣的端系統中運行的程序之間的通信方式通?？蓜澐譃閮纱箢悾嚎蛻舴掌鞣绞剑–/S方式）即Client/Server方式對等方式（P2P方式）即Peer-to-Peer方式1.客戶服務器方式客戶(client)和服務器(server)都是指通信中所涉及的兩個應用進程。客戶服務器方式所描述的是進程之間服務和被服務的關系?？蛻羰欠盏恼埱蠓?，服務器是服務的提供方。運行客戶程序網絡邊緣網絡核心運行服務器程序AB①請求服務②得到服務客戶服務器客戶A向服務器B發出請求服務，而服務器B向客戶A提供服務?？蛻糗浖奶攸c被用戶調用后運行，在打算通信時主動向遠地服務器發起通信（請求服務）。因此，客戶程序必須知道服務器程序的地址。不需要特殊的硬件和很復雜的操作系統。服務器軟件的特點一種專門用來提供某種服務的程序，可同時處理多個遠地或本地客戶的請求。系統啟動后即自動調用并一直不斷地運行著，被動地等待并接受來自各地的客戶的通信請求。因此，服務器程序不需要知道客戶程序的地址。一般需要強大的硬件和高級的操作系統支持。2.對等連接方式對等連接(peer-to-peer，簡寫為P2P)是指兩個主機在通信時并不區分哪一個是服務請求方還是服務提供方。只要兩個主機都運行了對等連接軟件（P2P軟件），它們就可以進行平等的、對等連接通信。雙方都可以下載對方已經存儲在硬盤中的共享文檔。對等連接方式的特點對等連接方式從本質上看仍然是使用客戶服務器方式，只是對等連接中的每一個主機既是客戶又同時是服務器。網絡邊緣網絡核心運行P2P程序運行P2P程序DCEF運行P2P程序運行P2P程序1.3.2因特網的核心部分網絡核心部分是因特網中最復雜的部分。網絡中的核心部分要向網絡邊緣中的大量主機提供連通性，使邊緣部分中的任何一個主機都能夠向其他主機通信（即傳送或接收各種形式的數據）。在網絡核心部分起特殊作用的是路由器(router)。路由器是實現分組交換(packetswitching)的關鍵構件，其任務是轉發收到的分組，這是網絡核心部分最重要的功能。路由器的重要任務路由器是實現分組交換(packetswitching)的關鍵構件，其任務是轉發收到的分組，這是網絡核心部分最重要的功能。1.4計算機網絡的核心技術——分組交換分組交換是計算機網絡的核心技術，最早使用分組交換技術的網絡是ARPANET。60年代初，美國國防部高級研究計劃局創建ARPNET。創建ARPANET網絡時，電話網絡已經非常普及，電話網絡使用電路交換技術。為什么不使用電路交換建立ARPNET呢？1.電路交換的主要特點兩部電話機只需要用一對電線就能夠互相連接起來。

更多的電話機互相連通5部電話機兩兩相連，需10對電線。N部電話機兩兩相連，需N(N–1)/2對電線。當電話機的數量很大時，這種連接方法需要的電線對的數量與電話機數的平方成正比。

使用交換機當電話機的數量增多時，就要使用交換機來完成全網的交換任務?！?/p>

交換機“交換”的含義在這里，“交換”(switching)的含義就是轉接——把一條電話線轉接到另一條電話線，使它們連通起來。從通信資源的分配角度來看，“交換”就是按照某種方式動態地分配傳輸線路的資源。

電路交換舉例?A和B通話經過四個交換機?通話在A到B的連接上進行A用戶線中繼線交換機中繼線交換機B交換機C交換機

用戶線

D?C和D通話只經過一個本地交換機?通話在C到D的連接上進行電路交換的特點面向連接的特性電路交換的三個階段：建立連接通信釋放連接通信資源的獨占性電路交換傳送計算機數據效率低計算機數據具有突發性。這導致通信線路的利用率很低。報文

分組交換的主要特點采用存儲轉發技術在發送端，先把較長的報文劃分成較短的、固定長度的數據段。1101000110101010110101011100010011010010假定這個報文較長不便于傳輸數據數據數據報文添加首部構成分組每一個數據段前面添加上首部構成分組。首部首部首部分組

1分組

2分組

3請注意：現在左邊是“前面”分組交換的傳輸單元分組交換網以“分組”作為數據傳輸單元。依次把各分組發送到接收端（假定接收端在左邊）。數據首部分組

1數據首部分組

2數據首部分組

3分組首部的重要性每一個分組的首部都含有地址等控制信息。分組交換網中的路由器根據收到的分組的首部中的地址信息，把分組轉發到下一個路由器。用這樣的存儲轉發方式，最后分組就能到達最終目的地。收到分組后剝去首部接收端收到分組后剝去首部還原成報文。數據首部分組

1數據首部分組

2數據首部分組

3收到的數據數據數據數據最后還原成原來的報文最后，在接收端把收到的數據恢復成為原來的報文。這里我們假定分組在傳輸過程中沒有出現差錯，在轉發時也沒有被丟棄。報文1101000110101010110101011100010011010010分組交換網的示意圖H1A互聯網BDECH5H6H4H2H3H1向H5

發送分組H2向H6

發送分組注意分組路徑的變化！路由器主機網絡核心部分注意分組的存儲轉發過程H1A互聯網BDECH5H6H4H2H3H1

向

H5

發送分組路由器主機在路由器

E

暫存查找轉發表找到轉發的端口最后到達目的主機

H5在路由器

C

暫存查找轉發表找到轉發的端口在路由器

A

暫存查找轉發表找到轉發的端口路由器在路由器中的輸入和輸出端口之間沒有直接連線。路由器處理分組的過程是：把收到的分組先放入緩存（暫時存儲）；查找轉發表，找出到某個目的地址應從哪個端口轉發；把分組送到適當的端口轉發出去。

主機和路由器的作用不同主機是為用戶進行信息處理的，并向網絡發送分組，從網絡接收分組。路由器對分組進行存儲轉發，最后把分組交付目的主機。分組交換的優點高效動態分配傳輸帶寬，對通信鏈路是逐段占用。靈活以分組為傳送單位和查找路由。迅速不必先建立連接就能向其他主機發送分組。可靠

保證可靠性的網絡協議；分布式的路由選擇協議使網絡有很好的生存性。分組交換帶來的問題分組在各結點存儲轉發時需要排隊，這就會造成一定的時延。分組必須攜帶的首部（里面有必不可少的控制信息）也造成了一定的開銷。存儲轉發原理

并非完全新的概念在20世紀40年代，電報通信也采用了基于存儲轉發原理的報文交換(messageswitching)。報文交換的時延較長，從幾分鐘到幾小時不等。現在報文交換已經很少有人使用了。三種交換的比較P1P2P3P4P1P2P3P4P3P4報文報文報文ABCDABCDABCD報文交換電路交換分組交換t連接建立數據傳送報文P2P1連接釋放數據傳送的特點比特流直達終點報文報文報文分組分組分組存儲轉發存儲轉發存儲轉發存儲轉發1.5計算機網絡的分類計算機網絡的分類方法主要的是以下兩種：根據網絡所使用的傳輸技術分類根據網絡的覆蓋范圍與規模分類

1.按網絡傳輸技術進行分類通信信道的類型有兩類：

廣播通信信道點-點通信信道相應的計算機網絡也可以分為兩類：

廣播式網絡（broadcastnetworks）點-點式網絡（point-to-pointnetworks）

2.按網絡的覆蓋范圍進行分類

按覆蓋的地理范圍進行分類，計算機網絡可以分為以下三類：局域網（localareanetwork

，

LAN）城域網（metropolitanareanetwork

，

MAN）廣域網（wideareanetwork，WAN）局域網LANLAN是在一個有限的地理范圍（十幾公里以內）內將計算機、外部設備和網絡互連設備連接在一起的網絡系統，常用于一座大樓、一個學?；蛞粋€企業內。常見的局域網有以太網（包括快速以太網、千兆位以太網、萬兆位以太網）、FDDI、ATM等。LAN特點：距離短、延遲小、數據速率高、傳輸可靠LAN設備LAN設備：線纜、網卡、HUB、Switch、RouterHUB交換機路由器ATM交換機城域網MAN城域網覆蓋范圍介于LAN和WAN之間，城域網是在一個城市或地區范圍內連接起來的網絡系統，距離通常在幾十公里之內。城域網的技術特點城域網是介于廣域網與局域網之間的一種高速網絡；