計算機網絡教程

劉君

計算機科學系第1章概述計算機網絡在信息時代的作用1.1因特網概述1.2因特網的組成1.3計算機網絡在我國的發展1.41.1計算機網絡在信息時代的

作用

我們已經進入了21世紀。21世紀的一些重要特征就是數字化、網絡化和信息化，它是一個以網絡為核心的信息時代。 知識經濟中的兩個重要特點就是信息化和全球化。

這里所說的網絡是指電信網絡(主要的業務是電話，但也有其他業務，如傳真、數據等)、有線電視網絡(即單向電視節目的傳送網絡，但現已開始逐漸向雙向傳輸網絡改造)和計算機網絡。這三種網絡通常簡稱為“三網”。

進入20世紀90年代以來，以因特網(Internet)為代表的計算機網絡的發展速度十分迅猛，已從最初的教育科研網絡逐步發展成為商業網絡，并已成為僅次于全球電話網的世界第二大網絡。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①。這就使得20世紀90年代成為公認的因特網時代，或簡稱為網絡時代。

這種連接到計算機網絡上的計算機通常都稱為主機(host)。圖1-1因特網

(a)表示因特網的方法(b)因特網是“網絡的網絡”因特網是網絡的網絡

(networkofnetworks)。 計算機網絡把許多計算機連接在一起，而因特網則把許多計算機網絡連接在一起。

1.2.2因特網發展的三個階段因特網的基礎結構大體上經歷了三個階段的演進。但這三個階段在時間劃分上并非截然分開而是有部分重疊的，這是因為網絡的演進是逐漸的而不是突然的。第一階段是從單個網絡ARPANET向互聯網發展的過程。以小寫字母i開始的internet（互聯網或互連網）是一個通用名詞，它泛指由多個計算機網絡互連而成的網絡。

以大寫字母I開始的的Internet（因特網）則是一個專用名詞，它指當前全球最大的、開放的、由眾多網絡相互連接而成的特定計算機網絡，它采用TCP/IP族作為通信的規則，且其前身是美國的ARPANET。

第二階段的特點是建成了三級結構的因特網。分為主干網、地區網和校園網（或企業網）。

第三階段的特點是逐漸形成了多級ISP結構的因特網。因特網服務提供者ISP(InternetServiceProvider)。又常稱為因特網服務提供商。圖1-2用戶通過ISP接入因特網圖1-3基于ISP的多級結構的因特網的概念示意圖

網絡接入點NAP(NetworkAccessPoint)，NAP又稱為對等點(peeringpoint)，表示接入到NAP的設備不存在從屬關系而都是平等的。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。網絡數主機數用戶數管理機構數198010102102100199010310510610120001051071081022005106108109103表1-1 因特網的發展情況概況由于因特網存在著技術上和功能上的不足，加上用戶數量猛增，使得現有的因特網不堪重負。“下一代因特網計劃”，即“NGI計劃”(NextGenerationInternetInitiative)。

NGI計劃要實現的一個目標是開發下一代網絡結構，以比現有的因特網高100倍的速率連接至少100個研究機構，以比現有的因特網高1000倍的速率連接10個類似的網點。

NGI計劃將使用超高速全光網絡，能實現更快速的交換和路由選擇，同時具有為一些實時(realtime)應用保留帶寬的能力。在整個因特網的管理和保證信息的可靠性與安全性方面也會有很大的改進。

1.2.3關于因特網的標準化工作

1992年，因特網不再歸美國政府管轄，因此成立了一個國際性組織叫做因特網協會ISOC(InternetSociety)，以便對因特網進行全面管理以及在世界范圍內促進其發展和使用。

ISOC下面有一個技術組織叫做因特網體系結構研究委員會IAB(InternetArchitectureBoard)，負責管理因特網有關協議的開發。IAB下面又設有兩個工程部。

·因特網工程部IETF(InternetEngineeringTaskForce)·因特網研究部IRTF(InternetResearchTaskForce)

從一個普通文檔上升到因特網的正式標準要經過四個階段。

（1）因特網草案(InternetDraft)。（2）建議標準(ProposedStandard)。（3）草案標準(DraftStandard)。（4）因特網標準(InternetStandard)。 還有三種RFC，即歷史的、實驗的和提供信息的。圖1-8所示的是各種RFC之間的關系。1.3因特網的組成

因特網雖然在地理上覆蓋了全球，但從其工作方式上看，可以把整個因特網的組成劃分為兩大塊，即由所有連接在因特網上的主機組成的因特網的邊緣部分和由大量網絡和連接這些網絡的路由器組成的因特網核心部分

圖1-4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)，“端”就是“末端”的意思。

因特網的端系統就是前面提到的主機。邊緣部分的功能就是利用核心部分所提供的服務，使這樣多的主機之間能夠互相通信并交換或共享信息。

主機A和主機B進行通信，主機A的某個進程和主機B上的另一個進程進行通信。這種比較準確的說法通常可以簡稱為“計算機之間通信”。

在網絡邊緣的端系統中運行的程序之間的通信方式可劃分為兩大類：客戶服務器方式和對等方式。

1．客戶服務器方式這種方式在因特網上是最常用的，也是傳統的方式。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。

這里最主要的特征就是：客戶是服務請求方，服務器是服務提供方。服務請求方和服務提供方都要使用網絡核心部分所提供的服務。圖1-5客戶服務器工作方式在實際應用中，客戶程序和服務器程序通常還具有以下一些主要特點。客戶程序：（1）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）。（2）可與多個服務器進行通信。（3）不需要特殊的硬件和很復雜的操作系統。服務器程序：（1）是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。（2）當系統啟動時即自動調用并一直不斷地運行著，被動地等待并接受來自多個客戶的通信請求。（3）一般需要強大的硬件和高級的操作系統支持。客戶和服務器本來都指的是計算機進程（軟件）。運行客戶程序的機器稱為client，把運行服務器程序的機器稱為server。

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。也稱為P2P文件共享。

圖1-6對等連接工作方式

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。網絡核心部分向網絡邊緣中的主機提供服務，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，網絡和網絡的連接要依靠路由器(router)，路由器的具體任務是轉發收到的分組，但從通信的角度看，路由器是實現分組交換(packetswitching)，這是網絡核心部分最重要的功能。

1．電路交換的主要特點從通信資源的分配角度來看，“交換(switching)”就是按照某種方式動態地分配傳輸線路的資源。圖1-7電話機的不同連接方法

(a)兩部電話直接相連(b)5部電話兩兩直接相連(c)用交換機連接許多部電話這種必須經過“建立連接（占用通信資源）→通話（一直占用通信資源）→釋放連接（歸還通信資源）”三個步驟的交換方式稱為電路交換。

而在通話的全部時間內，通話的兩個用戶始終占用端到端的通信資源。圖1-8電路交換的用戶始終占用端到端的通信資源

2．分組交換的主要特點分組交換則采用存儲轉發技術①。將欲發送的整塊數據稱為一個報文(message)。在每一個數據段前面，加上一些必要的控制信息組成的首部(header)后，就構成了一個分組(packet)。分組又稱為“包”，而分組的首部也可稱為“包頭”。分組是在因特網中傳送的數據單元。

圖1-9劃分分組的概念圖1-10(a)強調因特網的核心部分是由許多網絡和把它們互連起來的路由器組成，而主機處在因特網的邊緣部分。主機的用途是為用戶進行信息處理的，并且可以和其他主機通過網絡交換信息。路由器的用途則是用來轉發分組的，即進行分組交換的。討論因特網的核心部分中的路由器轉發分組的過程時，往往把單個的網絡簡化成一條鏈路，而路由器成為核心部分的結點(node)，如圖1-10(b)所示。

(a)核心部分的路由器把網絡互連起來(b)核心部分中的網絡可用一條鏈路表示圖1-10分組交換的示意圖當網絡中的某些結點或鏈路突然出故障時，在各路由器中運行的路由選擇協議(protocol)能夠自動找到其他路徑轉發分組。優點所采用的手段高效在分組傳輸的過程中動態分配傳輸帶寬，對通信鏈路是逐段占用靈活為每一個分組獨立地選擇轉發路由迅速以分組作為傳送單位，可以不先建立連接就能向其他主機發送分組；網絡使用高速鏈路可靠完善的網絡協議；分布式多路由的分組交換網，使網絡有很好的生存性表1-2 分組交換的優點分組交換也帶來一些新的問題，時延，開銷(overhead)。而在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)。

電路交換——整個報文的比特流連續地從源點直達終點，好像在一個管道中傳送。報文交換——整個報文先傳送到相鄰結點，全部存儲下來后查找轉發表，轉發到下一個結點。分組交換——單個分組（這只是整個報文的一部分）傳送到相鄰結點，存儲下來后查找轉發表，轉發到下一個結點。

(a)電路交換(b)報文交換(c)分組交換（P1～P4表示4個分組）圖1-11三種交換方式的比較1.4計算機網絡在我國的發展

下面簡單介紹一下計算機網絡在我國的發展情況。最早著手建設專用計算機廣域網的是鐵道部。鐵道部在1980年即開始進行計算機聯網實驗。

1989年11月我國第一個公用分組交換網CNPAC建成運行。CNPAC分組交換網由3個分組結點交換機、8個集中器和一個雙機組成的網絡管理中心所組成。1993年9月建成新的中國公用分組交換網，并改稱為CHINAPAC，由國家主干網和各省、區、市的省內網組成。在北京、上海設有國際出入口。在20世紀80年代后期，公安、銀行、軍隊以及其他一些部門也相繼建立了各自的專用計算機廣域網。這對迅速傳遞重要的數據信息起著重要的作用。除了上述的廣域網外，從20世紀80年代起，國內的許多單位都陸續安裝了大量的局域網。局域網的價格便宜，其所有權和使用權都屬于本單位，因此，便于開發、管理和維護。局域網的發展很快，對各行各業的管理現代化和辦公自動化已起了積極的作用。 這里應當特別提到的是1994年4月20日我國用64

kbit/s專線正式連入因特網。從此，我國被國際上正式承認為接入因特網的國家。同年5月中國科學院高能物理研究所設立了我國的第一個萬維網服務器。在9月中國公用計算機互聯網(CHINANET)正式啟動。到目前為止，我國陸續建造了基于因特網技術的并可以和因特網互連的9個全國范圍的公用計算機網絡。這就是：（1）中國公用計算機互聯網CHINANET（2）中國教育和科研計算機網CERNET（3）中國科學技術網CSTNET（4）中國聯通互聯網UNINET（5）中國網通公用互聯網CNCNET （6）中國國際經濟貿易互聯網CIETNET（7）中國移動互聯網CMNET（8）中國長城互聯網CGWNET（建設中）（9）中國衛星集團互聯網C