第1章計算機網絡技術基礎知識

Jin&Jiang,無線網絡技術教程：原理、應用與仿真實驗,TsinghuaUniversityPress

2本章內容簡介 ☆計算機網絡技術概述 ☆計算機網絡協議體系 ☆無線通信和無線網絡簡史 ☆無線網絡分類 ☆計算機網絡和無線網絡的應用 ☆計算機網絡技術進展 ☆相關的標準化和權威組織Jin&Jiang,無線網絡技術教程：原理、應用與仿真實驗,TsinghuaUniversityPress

3計算機網絡技術概述計算機網絡的作用 ☆資源共享 ☆信息交換 ☆協同處理“三網”融合 ☆計算機網絡 ☆電信網絡 ☆廣播電視網絡Jin&Jiang,無線網絡技術教程：原理、應用與仿真實驗,TsinghuaUniversityPress

4計算機網絡近年來在我國發展迅速，已從最初的教育科研逐步發展應用于各行各業，包括工業、商業、交通運輸、金融、政府管理、文化娛樂…加速了全球信息革命的進程生活、工作和學習都離不開網絡網絡安全問題及網絡的其他問題值得深思…Jin&Jiang,無線網絡技術教程：原理、應用與仿真實驗,TsinghuaUniversityPress

5計算機網絡的發展與計算機網絡聯系密切的計算機技術發展

☆1946年第一臺計算機ENIAC誕生于美國賓州大學，之后計算機的發展經歷了電子管、晶體管、集成電路和微處理器時代

☆1977年，蘋果個人電腦問世，標志個人計算機時代的到來

☆1981年IBM公司的PC發布，有力促進了微機技術的發展應用

☆其后30年里，在Wintel(Windows操作系統+Intel芯片)平臺的主導下，微機技術發展迅猛Jin&Jiang,無線網絡技術教程：原理、應用與仿真實驗,TsinghuaUniversityPress

6網絡和因特網發展代表性事件 ☆1969年，因特網的前身ARPANET誕生于美國加州大學洛杉磯分校 ☆1971年，首個無線分組交換計算機網絡ALOHAnet在夏威夷大學研制成功 ☆1976年，施樂公司針對局域網提出了以太網原型 ☆20世紀70年代末，TCP/IP協議開始得到應用Jin&Jiang,無線網絡技術教程：原理、應用與仿真實驗,TsinghuaUniversityPress

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☆1980年，以太網開始商用

☆1989年，T.B.Lee提出了萬維網(WWW)的設想

☆1991年，因特網正式開始商業運營

☆1994年，Netscape瀏覽器發布

☆1997年，WiFi無線局域網方案公布

☆1998年，Google搜索引擎誕生

☆2000年，互聯網泡沫達到高峰

☆2004年，社交網站Facebook上線

☆2010年，蘋果公司的iPad平板電腦問世

☆更多詳細內容見教材第2頁Jin&Jiang,無線網絡技術教程：原理、應用與仿真實驗,TsinghuaUniversityPress

8計算機網絡發展的四個階段

1.產生階段 地理上分散的多個終端通過通信線路連接到一臺中心機上，成為第一代計算機網絡。典型的應用是美國的飛機訂票系統。 （詳細內容見教材第2-3頁）Jin&Jiang,無線網絡技術教程：原理、應用與仿真實驗,TsinghuaUniversityPress

9 2.形成階段 多個主機通過通信線路互聯，成為第二代計算機網絡。典型代表就是ARPANET。 （詳細內容見教材第3頁）Jin&Jiang,無線網絡技術教程：原理、應用與仿真實驗,TsinghuaUniversityPress

10 3.互連互通階段 網絡互連遵循統一的技術標準(OSI模型和TCP/IP模型)，成為第三代網絡。例如，因特網。（詳細內容見教材第4頁。）Jin&Jiang,無線網絡技術教程：原理、應用與仿真實驗,TsinghuaUniversityPress

11 4.高速網絡階段 光纖高速網絡、多媒體網絡、智能網絡、無線網絡，成為第四代網絡。Jin&Jiang,無線網絡技術教程：原理、應用與仿真實驗,TsinghuaUniversityPress

12計算機網絡的定義 ●簡單而言，用通信鏈路將分散的多臺計算機、終端、外設等互聯起來，使之能彼此通信，同時共享各種硬件、軟件和數據資源，整個系統可稱為計算機網絡。 ●更準確的定義：計算機網絡是將地理位置不同的具獨立功能的多臺主機、外設或其它設備，通過通信線路進行連接，在網絡操作系統、管理軟件及通信協議的管理協調下，實現資源共享和信息傳遞的完整系統。Jin&Jiang,無線網絡技術教程：原理、應用與仿真實驗,TsinghuaUniversityPress

13通信鏈路(有線和無線) ☆有線鏈路包括雙絞線、電話線、同軸電纜、光纖甚至電力線…

☆無線鏈路包括微波、紅外等無線媒體通信協議 ☆網絡中各方需共同遵守的規則和約定 ☆定義、協調和管理主機間的通信和操作Jin&Jiang,無線網絡技術教程：原理、應用與仿真實驗,TsinghuaUniversityPress

14計算機網絡技術的兩大趨勢 ☆高速：帶寬增長的速度比摩爾定律更快 ☆便捷：Anytime+Anywhere+Anyway摩爾定律 ☆提出：英特爾創始人之一戈登·摩爾 ☆內容：當價格不變時，集成電路上可容納的晶體管數目，約每隔18個月便會增加一倍，性能也將提升一倍。換言之，每一美元所能買到的電腦性能，將每隔18個月翻兩倍以上。這一定律揭示了信息技術進步的速度。Jin&Jiang,無線網絡技術教程：原理、應用與仿真實驗,TsinghuaUniversityPress

15計算機網絡的組成邏輯上將網絡分為通信子網和資源子網兩部分Jin&Jiang,無線網絡技術教程：原理、應用與仿真實驗,TsinghuaUniversityPress

16通信子網

通信子網是網絡通信的基礎，由網絡設備、通信線路與其它通信設備組成，負責數據傳輸、轉發等通信處理任務。資源子網

資源子網包括主機系統、終端及控制器、聯網外設、各種軟件、信息資源

(詳細內容見教材第6頁)Jin&Jiang,無線網絡技術教程：原理、應用與仿真實驗,TsinghuaUniversityPress

17計算機網絡的分類按網絡傳輸技術分類 ☆點對點式網絡：無信道競爭（廣域網鏈路） ☆廣播式網絡：有信道競爭（局域網、無線網）

(詳細內容見教材第7頁)按網絡規模和覆蓋范圍分類

☆局域網(LAN)

☆城域網(MAN)

☆廣域網(WAN) (詳細內容見教材第7-9頁)Jin&Jiang,無線網絡技術教程：原理、應用與仿真實驗,TsinghuaUniversityPress

18按網絡拓撲結構分類 ☆總線型網絡：成本低、安全性低、新增不如星型 ☆星型網絡：易于數據安全性和優先級的控制、易監控，但中心節點故障會使整個網絡癱瘓 ☆環型網絡：易安裝和監控，但容量有限 ☆樹型和網狀型網絡按傳輸介質分類☆有線網絡：同軸電纜、雙絞線、光纖等為介質☆無線網絡：以空氣為傳輸介質，以電磁波為載體Jin&Jiang,無線網絡技術教程：原理、應用與仿真實驗,TsinghuaUniversityPress

19計算機網絡的協議體系網絡協議三要素 ☆語義 協議控制信息的具體含義 ☆語法 數據和控制信息的格式、編碼規則 ☆定時 數據和控制信息的收發同步和排序Jin&Jiang,無線網絡技術教程：原理、應用與仿真實驗,TsinghuaUniversityPress

20網絡體系結構及劃分原則

網絡體系結構就是網絡各層次及對應協議的集合。各層相互獨立、功能明確。某一層的具體功能更新時，只須保持上下層接口不變，不會影響到鄰層。上下層的接口應清晰，接口涉及的信息量應盡量少。層次結構的要點 實際通信運行于物理媒體(介質)之上，其余各層對等實體間進行邏輯通信。各種邏輯通信均有對應協議，本層為上層提供服務，也享受下層的服務。Jin&Jiang,無線網絡技術教程：原理、應用與仿真實驗,TsinghuaUniversityPress

21計算機網絡層次模型

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22實體、協議、服務和服務訪問點 ☆實體表示發送或接收信息的任一硬件或軟件進程 ☆協議是控制兩個或多個對等實體進行通信的規則集合 ☆同一主機相鄰兩層的實體交換信息的位置，通常稱為服務訪問點Jin&Jiang,無線網絡技術教程：原理、應用與仿真實驗,TsinghuaUniversityPress

23計算機網絡協議體系模型ISO/OSI模型OSI參考模型及通信過程Jin&Jiang,無線網絡技術教程：原理、應用與仿真實驗,TsinghuaUniversityPress

24TCP/IP模型

TCP/IP是一組用于實現網絡互連的通信協議，為因特網體系結構核心OSI與TCP/IP層次的對應

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25TCP/IP模型工作過程

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26TCP/IP各層協議網絡接口層

CSMA/CD、CDMA、TDMA…網際互聯層

IP、ICMP、ARP、RARP傳輸層

TCP、UDP…應用層

HTTP、FTP、SMTP…

（詳細內容見教材第13-14頁）Jin&Jiang,無線網絡技術教程：原理、應用與仿真實驗,TsinghuaUniversityPress

27無線網絡的協議層次特點協議體系結構基于分層模型不同類型的無線網絡，各自關注不同的協議層次MAC層協議是許多無線網絡關注的重點無線頻譜管理的復雜性，使得物理層協議成為重點詳細內容見教材第14頁Jin&Jiang,無線網絡技術教程：原理、應用與仿真實驗,TsinghuaUniversityPress

28無線通信和無線網絡的簡史1844年，美國人莫爾斯成功演示了從華盛頓到巴爾的摩(相距60km)的電報傳送1876年，美國人貝爾發明了電話1864年，英國人麥克斯韋提出了完整的電磁波理論1887年，德國人赫茲證實了電磁波的存在1893年，美國人特斯拉在圣路易斯首次公開演示了無線電通信1901年，英國人馬可尼完成了從英國西南到加拿大紐芬蘭的無線電通信試驗1920年，世界上第一個無線廣播電臺誕生于美國匹茲堡Jin&Jiang,無線網絡技術教程：原理、應用與仿真實驗,TsinghuaUniversityPress

291947年，美國貝爾實驗室提出了蜂窩通信的概念1957年，前蘇聯成功地發射了第一顆人造衛。1971年，夏威夷大學的研究人員創建了首個分組無線電網絡——ALOHAnet1983年，蜂窩移動電話系統首次在美國芝加哥開通，隨后歐洲開通了數字移動電話網1995年，美國高通公司開通了第一個CDMA商用移動電話網絡1993-1999年，在DARPA資助下，加州大學洛杉磯分校承擔了首個大規模的無線傳感器項目研究WINSJin&Jiang,無線網絡技術教程：原理、應用與仿真實驗,TsinghuaUniversityPress

301997年，IEEE發布了802.11無線局域網標準20世紀90年代末，移動自組織網絡(MANET)的研究逐漸興起2000年，國際電信聯盟批準WCDMA、CDMA2000和我國自主提出的TDS-CDMA作為第三代移動通信(3G)國際標準2001年，IEEE發布了802.16無線城域網標準2002年，IEEE發布了802.15無線個域網標準2004年，3G技術機構3GPP提出了LTE(長期演進)項目，作為3G與4G間的一個過渡，也稱3.9G標準Jin&Jiang,無線網絡技術教程：原理、應用與仿真實驗,TsinghuaUniversityPress

312007年，Apple公司發布新款手機——iPhone，引起轟動2007年，Google公司發布開源手機平臺——Android2008年，IEEE發布802.20移動寬帶無線網標準2010年，國際電信聯盟最終確定LTE-Advanced(包含TD-LTE-Advanced)和802.16m為新一代移動通信(4G)的國際技術標準Jin&Jiang,無線網絡技術教程：原理、應用與仿真實驗,TsinghuaUniversityPress

32無線網絡的分類按覆蓋范圍分類 ☆無線個域網 ☆無線局域網 ☆無線城域網 ☆衛星通信網 詳細內容見教材第15-17頁從應用角度分類

☆無線傳感器網絡

☆無線網狀網

☆無線穿戴網 詳細內容見教材第17-18頁Jin&Jiang,無線網絡技術教程：原理、應用與仿真實驗,TsinghuaUniversityPress

33計算機網絡和無線網絡的應用計算機網絡的應用 ☆電子商務

☆網上銀行

☆網上辦公

☆交互式娛樂

☆遠程教育

☆遠程醫療

☆視頻監控 詳細內容見教材第18-19頁Jin&Jiang,無線網絡技術教程：原理、應用與仿真實驗,TsinghuaUniversityPress

34無線網絡的應用

☆移動辦公

☆風景名勝區和古建筑群

☆無線網絡在軍事領域

☆礦山采掘領域

☆智能交通領域 詳細內容見教材第19頁Jin&Jiang,無線網絡技術教程：原理、應用與仿真實驗,TsinghuaUniversityPress

35計算機網絡技術的進展高速以太網IPv6和下一代因特網P2P技術網絡安全詳細內容見教材第20-22頁IPv6IPv4header=20byteswithoutoptionsRemovedormovedoutofthebasicheaderchangedheaderVer.identificationTOStotallengthflagfragmentoffsetTTLProtocolChecksum32bitsSourceAddress32bitsDestinationAddress版本頭標長度服務類型分組總長標識符標志報片偏移生存時間協議頭標校驗和源IP地址目的IP地址選項填充域IPv4頭標TheMaximumSizeofIPv4headerOption=20bytesIPv6HopLimit

IPv6header=40byteswithoutextensionsVer.PayloadLengthTraffic

ClassFlowLabelNextHeader128bitsSourceAddress128bitsDestinationAddressNewIPv6:將流標記和信源地址組合，可以分辨網絡中特定的業務量流。流標記是進行路由高速緩存的關鍵：對流的第一個分組根據IP地址尋址，對后面具有相同流標識的分組則可以根據以前所做的處理進行尋址，提高尋址效率。PCATM網路由器小型機工作站Mac流1流2流標記中繼點限制中繼點限制決定了能夠將分組傳送到多遠。主機在生成IP分組時，在中繼點限制域中設置某一初值，然后將IP分組送到網上的路由器。各路由器從該值起逐次減1。如分組到達信宿之前其中繼點限制變為0，該分組就被拋棄掉。路由器工作站PC限制=10限制=9限制=8限制=7限制=6限制=5限制=4限制=3限制=2限制=1利用中繼點限制防止尋路時發生環路路由器中繼點限制的兩個作用防止尋路發生環回(loop)。在健全的網絡中不會發生尋路中的環回現象，但網絡未必總是健全的。一旦發生環回，路由器就會根據錯誤信息進行尋路，導致IP分組不能到達信宿，陷入無限的循環。利用IP中繼點限制查詢最近的服務器PC服務器服務器服務器服務器限制=1限制=2限制=3限制=4限制=5為了減輕網絡負荷，PC希望搜索到離它最近的服務器。中繼點限制的兩個作用0中繼點選項頭標4IP6TCP17UDP43尋路頭標44報片頭標45IDRP46RSVP50封裝化安全凈荷51認證頭標58ICMP59無下一個頭標60信宿選項頭標IP下一頭標值下一頭標用來標識IP分組中的基本IP頭標的下一個頭標。在此頭標中，指示選項的IP頭標和上層協議。當需要新的選項，或開發出新的協議時，就為其分配新的下一頭標值。版本業務量等級流標記凈荷長度下一頭標：0中繼點限制信源地址信宿地址下一頭標：43頭標長度HopByHop選項下一頭標：44頭標長度尋路信息下一頭標：51保留報片偏移M報片標志下一頭標：6頭標長度認證數據TCP頭標及數據IPv6分組的擴展頭標IPv6擴展頭標尋路頭標信源將分組發往信宿時，在某些情況下還希望控制該分組經由的路徑。例如為了使該分組通過最佳路由而對網絡進行提示，也可能為了避開不合適的路由器而需要控制路徑。信源利用尋路頭標與IP基本頭標的目的地址的組合來定義分組通過網絡的路由。下一頭標擴展頭標長度類型：0剩余中繼點數保留地址：[0]地址：[1]地址：[N-1]尋路頭標尋路頭標B公司的ATM網信源工作站路由器B路由器A路由器C路由器D路由器E路由器F信宿工作站專用網A企業的LANA企業的材料供應商例如：兩條通信路徑，指定繞開B公司的ATM網