第一章计算机网络课程绪论

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第一章计算机网络课程绪论

中北大学电子与计算机科学技术学院School of Electronics and Computer Science and Technology . NUC

交换交换今日汗水，今日汗水，路由路由明朝辉煌明朝辉煌



课程目标

• 课程目标系统和全面地掌握计算机网络的基本概念、原理和主要先进而实用的技术，了解计算机网络的技术特点、发展和实际应用情况，具备较强的计算机网络理论

• 课程要求• 掌握网络与通信的理论基础• 重点是通信基础知识、网络体系结构、 TCP/IP 协

议• 同时对网络安全、联网设备基础也做初步介绍

总学时： 64 课内实验： 10



教学用书

• 教材 :

《计算机网络》—— 谢希仁

• 参考：《计算机网络技术与应用》—— 浙江大学出版社

《现代计算机教程》张公忠，清华大学出版社

《网络工程师教程》雷震甲，清华大学出版社

《计算机网络三级教程》



成绩评定

• 成绩评定方法

• 平时成绩1 、出勤率2 、课堂（实验）纪律3 、按时交作业（包括实验验收）

平时成绩 20

期末成绩 80

总成绩 100



§1 绪论

• 本章内容• 计算机网络的定义和功能• 计算机网络的分类• 计算机网络的标准• 因特网的发展



§1-1 计算机网络的定义和功能• 在过去的三百年中，每一个世纪都有一种技术占据主

要的地位：• 1 8 世纪工业革命开启了机器时代；• 1 9 世纪是蒸汽机时代；• 计算机则是 2 0 世纪人类发明的最伟大技术。

• 计算机及计算机网络的产生标志着人类开始迈向一个崭新的信息社会，一个根本的变革就是从劳动密集型社会转入到知识密集型社会。



信息时代的计算机网络

• 21 世纪的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。

• 网络现已成为信息社会的命脉和发展知识经济的重要基础。

• 通常我们所说的网络是指“三网”：即电信网络、有线电视网络和计算机网络；发展最快的并起到核心作用的是计算机网络。

• 目前电话、电视及计算机网络正在迅速地融合：信息的获取、存储、传送和处理之间的孤岛现象，随着计算机网络技术的发展而逐渐消失；曾经独立发展的电信网、电视网和计算机网将合而为一。



计算机网络的形成和发展

• 计算机网络的发展过程是计算机与通信的融合过程：

• 20 世纪 60 年代萌芽（面向终端的联机系统）• 70 年代兴起（分组交换数据网）• 70 年代中期至 80 年代局域网发展和网络互联• 90 年代网络计算和国际互联网



计算机网络的形成和发展阶段时间代表技术

萌芽阶段二十世纪五十年代

1951 年，美国麻省理工学院SAGE半自动化地面防空系统（ 1963 ）；1968 年美国通用电气信息服务系统（ GE Information Services ）

兴起阶段六十年代 ARPANET 与分组交换技术局域网和网络互联阶段

七十年代中期至八十年代

网络标准化、微机网络、局域网技术

网络计算和国际互联网阶段九十年代以后 NSFnet 、国际互联网



计算机网络的概念

• 强调信息传输

以计算机之间传输信息为主要目的而连接起来以实现远程信息处理和进一步实现资源共享的计算机系统。



什么是计算机网络

• 强调信息传输• 强调共享资源

以共享资源为主要目的把具有独立功能的计算机连接起来的计算机系统的集合。



什么是计算机网络

• 强调信息传输• 强调共享资源• 强调用户透明性

计算机网络就是一个巨大的计算机系统，用户不会察觉多个计算机系统的存在，不用熟悉资源的分布情况就可以调用计算机各系统的资源。



计算机网络的定义

• 强调信息传输• 强调共享资源• 强调用户透明性

凡是将分布在不同地理位置上的具有独立工作能力的计算机、终端及其附属设备，用通信设备和通信线路连接起来，并配置网络软件和通信协议，以实现数据传输和资源共享的系统就叫做计算机网络计算机网络。



Three Points

• 主机• 通信子网• 通信协议

-Computer/Host

-Connected with media

-Communication protocol and Share

information



计算机网络的组成结构

• 早期的计算机网络是通过远程通信线路将分布在不同地理位置上的大型机或中、小型机互连起来，在结构上分为两个组成部分：

• 负责数据处理的主机与终端；• 负责数据通信处理的通信控制机（ CCP ）与通信

线路。

• 从逻辑功能上早期网络可以分为资源子网和通信子网两个部分



早期计算机网络结构



现代计算机网络结构



计算机网络的功能和应用

• 计算机网络的主要功能为数据通信和资源共享• 就通信角度而言，计算机网络本身其实就是一种通

信系统；• 以文件传输和电子邮件服务为代表的数据通信是计

算机网络最基本的功能之一；• 通过计算机网络可以快速的传递文件和消息，为人

们提供一种无纸化办公的环境。




• 计算机网络的主要功能为数据通信和资源共享• 资源共享包括硬件、软件和数据资源的共享；• 资源共享是指网上用户能够使用全部或部分网络资源，从而大幅度提高各种硬件、软件和数据资源的利用率和使用效果；

• 资源共享是计算机网络目前最基本的功能。




• 计算机网络的主要功能为数据通信和资源共享• 除了数据通信和资源共享的功能之外，计算机网络可以实现系统冗余，有效地提高计算机系统的可靠性和可用性；

• 同时易于进行分布处理，实现协同式的网络计算。



计算机网络的应用

• 办公自动化（ OA， Office Automation ） • 电子数据交换（ EDI， Electronic Data Interchange ）

• 实时控制• 分布式控制系统（ DCS， Distributed Control Syste

m ） • 计算机集成与制造系统（ CIMS， Computer

Integrated Manufacturing System ）

• 远程教育• 信息服务系统



§1-2 计算机网络的分类

按照传输介质有线网络、无线网络

按照经营方式专用网络，公用网络

按照服务类型电信网络、有线电视网络、计算机网络

按照信道方式点－点和广播

按照地理范围局域网、园区网、城域网、广域网

按照拓扑结构总线、星型、环型、树型、网状

按照资源管理对等网络、客户 / 服务器网络



按照地理范围划分

• 广域网• 局域网

Cisco IOS Router Cisco IOS Router

Catalyst Switch Catalyst Switch Catalyst Switch Catalyst Switch

WAN SERVICEISDN、 Frame Replay



局域网

• 局域网（ LAN， Local Area Network ）• 局域网是在微型计算机大量应用后才发展起来的计

算机网络。局域网的分布范围一般在几公里以内，它往往是一个单位或部门组建的网络，实现本地主机之间的连接。

• 一般认为，局域网是所有计算机网络的基础，也是目前计算机网络技术中发展最快的一个分支。



局域网的应用场合

• 同一房间内的所有计算机，覆盖范围一般不超过 10m ；

• 同一楼宇内的所有计算机，覆盖范围一般不超过 100m ；

• 同一校园、厂区、建筑群内的所有计算机，覆盖范围一般不超过 10km ，这种网络又被称为园区网。



局域网的基本特征

• 局域网是限定区域的网络。局域网中的 Local 本身便有限定、有限的含义，“限定区域”（ Local Area ）并无具体大小的确切定义，可以理解为一个在功能上相对独立、组织上相对封闭的空间，例如一个房间、一栋大楼。

• 局域网的线路是专用的。“线路专用”是局域网的一个显著特点，局域网一般不使用公共通信线路，而是自行使用自己的传输介质和设备。



局域网的基本特征

• 局域网具有高速率、低延迟的特点。由于覆盖范围有限，线路较短，所以构建局域网时可选用高性能的传输介质以获取较高的数据通信速率。以目前的以太网为例，数据传输速率可以达到10Mb/s、 100Mb/s、 1Gb/s甚至 10Gb/s 。

• 局域网具有开放性。局域网的体系结构符合 ISO的 OSI 标准，能与任何符合 OSI 标准的系统进行通信。



局域网技术

• 以太网（ IEEE802.3 ）• 令牌总线网（ IEEE802.4 ）• 令牌环网（ IEEE802.5 ）• 光纤分布数据接口（ FDDI， Fiber Destributed Data

Interface ）• ATM 的局域网目前，在局域网市场中占据统治地位的是以太网，不断发展的以太网技术以其特有的兼容性和优良的性价比成为今天局域网建设中几乎是唯一的选择。



广域网

• 广域网（ WAN，Wide Area Network ）• 广域网也称远程网，它的覆盖范围从几十公里到数千公里，一般跨越城市、地区、国家、或者横跨洲际，形成国际性的远程网络。

• 广域网由国家通信部门或 ISP建设，成为公共基础设施，不同地域的局域网或主机系统可以通过相应的接入手段实现彼此间的连接。



广域网的应用场合

• 个人计算机、校园网、企业网用户通过 ISP提供的接入技术实现 Internet访问；

• 企业通过租用专线的方式实现总公司网络和位于不同地域的各分支机构网络之间的连通。



广域网的基本特征

• 传输距离相对较长，一般都在几公里以上。• 不规则的网络拓扑结构。网络结点之间构成点

到点连接，形成无规则的网状结构。• 传输速率较低。传统的广域网技术传输速率低、延迟高，但随着通信技术的迅速发展和多媒体网络业务的需求，人们正在不断迈向更高速的综合网络和宽带网络。



广域网技术

最初的广域网只是为传输语音级业务而开发的，为了适应新的业务需求，早期的模拟网络已经被数字网络所取代。

WAN 技术，如帧中继、 ISDN、 SMDS( 交换多兆位数据服务 )、 DSL （数字用户线路）和 SONET （同步光纤网），目前在世界上许多地区都得到了应用以进行快速的广域网通信。

• X.25 （源自 CCITT 的一种广域网的古老协议）• ISDN （综合业务数字网）• 帧中继• SONET/SDH （同步光纤网）• ATM （异步传输模式）



城域网

• 城域网（ MAN，Metropolitan Area Network ）• 城域网是介于广域网和局域网间的一种高速网络。城域网的设计初衷是用于满足几十公里范围内的企业、机关、公司的多个局域网互连的需求，实现大量用户之间的各种信息的传输功能。

• 随着局域网建设的普及和用户不断增长的 Internet需求，城域网的建设已成为各个地区信息基础设施建设的热门话题。

• 由于各种原因，城域网的特有技术没有顺利应用。采用光纤传输，基于 IP 交换的高速路由交换机或ATM 交换机，由核心交换层、业务汇聚层与接入层构成的体系结构是目前城域网的基本特征。



网络的拓扑结构

• 拓扑学是几何学的分支，它应用图论中的方法，将实体抽象成与大小无关的点，将连接实体的线路抽象为线，进而研究点、线、面之间的关系。

• 计算机网络拓扑通过网络结点与通信线路之间的几何关系来表示网络结构，进而反映出网络中实体之间的结构关系。



网络的拓扑结构

• 网络拓扑可以用来反映网络的物理布局，也可以反映网络结点之间的逻辑关系。

• 拓扑设计是组网规划的基本步骤，是协议规划、网络选型的基础，对于网络性能、系统可靠性与通信费用都有重大影响。

参考指标• 网络设备类型• 设备性能• 网络升级• 网络管理



按照拓扑结构划分



总线型拓扑实现



星型拓扑实现

Hub

• 由中央设备连接• 需要大量缆线• 一台计算机出现问题不影响网络的其余部分• 中央设备出现问题整个网络陷入瘫痪• 易于工程实施



环形拓扑

封闭环路：令牌：

计算机是环的一部分信息发送走完整一周



§1-3 计算机网络的标准

• 网络互连标准：• OSI ：开放式系统互连模型• TCP/IP ：传输控制协议 / 网际互联协议。

在某一个具体的层次中指导实体之间通信的规则。由通信双方共同遵守的通信语义和通信规则的集合称为网络协议网络协议。

Protocol



网络标准化组织简介

国际标准化组织 ISO ISO（ International Standard Organization ）是世界上最大的国际标准化组织，成立于是 1947 年，总部设在瑞士的日内瓦。 ISO 的目标是制定国际技术标准，以促进全球信息交换和无障碍贸易。美国国家标准协会 ANSI ANSI （美国国家标准协会）是由 1000多名来自工业界和政府的代表组成的组织，主要负责制定电子工业的标准，但它也制定其他行业的标准，如化学和核工程、健康和安全以及建筑行业的标准等。




电子工业联盟 EIA EIA （电子工业联盟）是一个商业组织，其代表来自全美各电子制造公司。 1924年 EIA 作为 RMA （无线电生产厂商协会）产生，时至今日，它已涉及到电视机、半导体、计算机以及网络设备。电气与电子工程师学会 IEEE IEEE （电气与电子工程师学会），是一个由工程专业人士组成的国际社团，其目的在于促进电气工程和计算机科学领域的发展和教育。 IEEE 有专门的标准委员会，为电子和计算机工业制定自己的标准，并对其他标准化组织（如 ANSI ）的工作提供帮助。




国际电信同盟 ITU

ITU （国际电信同盟）是联合国特有的管理国际电信的机构，它管理无线电和电视频率、卫星和电话的规范、网络基础设施、全球通信所使用的关税率。国际电话电报咨询委员会 CCITT 成立于 1956 年， 1993年成为国际电信同盟 ITU 的四个常设机构之一。该组织对国际通信用的各种设备及规程的标准化制定了一系列的协议，其中与计算机网络密切相关的协议有著名的X.25 、 X.21、 X.75等。



网络协议• 计算机网络是由多个互连的结点组成的，结点之间要不断

地交换数据和控制信息。要做到有条不紊地交换数据，每个结点都必须遵守一些事先约定好的规则。

• 我们把这种由通信双方共同遵守的通信语义和通信规则的集合称为网络协议。一个网络协议从功能角度讲主要由以下三要素构成：

• 语法：用户数据与控制信息的结构和格式；• 语义：需要发出何种控制信息，以及完成的动作与做

出的响应；• 时序：对事件实现顺序的详细说明和速度匹配。



网络体系结构

• 网络协议是实现计算机网络的必要条件之一。• 对于一个功能完备的计算机网络而言，完整的数据交换需

要建立一套复杂的协议集，复杂的网络协议最好的组织方式是层次结构模型。

• 这种相关协议的集合即构成网络的体系结构。• 第一个网络体系结构是 IBM 公司于 1974 年提出的 SNA（ System Network Architecture ，系统网络体系结构）。



OSI和 TCP/IP



IEEE802 系列标准

802.2 逻辑链路控制 LLC

802.3CSMA/CD

MAC物理层

802.4令牌总线

MAC物理层

802.5令牌环网

MAC物理层

802.6城域网MAC物理层

802.11无线局域网

802.1 网际互连

其它层

数据链路层

物理层

其它层

网络层



OSI 七层参考模型

4.传输层

2.数据链路层

3.网络层

1.物理层

5.会话层

6.表示层

7.应用层

面向用户应用

面向数据传输

• OSI 的核心思想是两个终端用户在远程通讯网络中的通讯可以分成层，每层有自己的功能集。

• 层与层之间相互独立而又相互依靠



§1-4 因特网的发展• 可以说 Internet 就是一个大型的计算机网络。该网络中

的众多计算机通过通信线路和设备连接进行通信，任何个人、公司、学校、企业以及政府将通过 Internet共享全球的网络资源。

• 今天， Internet 发展成为世界上规模最大、用户最多、影响最广的科学教育网和商业信息网



Internet 的发展• Internet 的起源：

Internet 的雏形源于上世纪 60 年代，由美国国防部兴建的 ARPANET 。该网络通过 50Kbps 的电路连接，最初只有四个连接站点。



Internet 的发展• Internet 的第一次飞跃：

80 年代，出现了叫 NSFNET 的网络，该网络是美国国家科学基金会（ NSF ）为鼓励大学和科研机构资源共享出资建立的，它利用了 ARPANET 发展出的 TCP/IP协议。主要完成电子邮件的交换和信息资源的共享。

• Internet 的第二次飞跃：

90 年代拥有雄厚资金的商业组织的介入使得 Internet 的规模有了飞速的发展。



因特网发展历程 -1

• 1969 年 ARPANET ，最初只是一个单个的分组交换网。

• ARPA 研究多种网络互连的技术。• 1983 年 TCP/IP 协议成为标准协议。• 同年， ARPANET 分解成两个网络：

• ARPANET—— 进行实验研究用的科研网• MILNET——军用计算机网络

• 1983~1984 年，形成了因特网 Internet 。• 1990 年 ARPANET 正式宣布关闭。




• 1986 年， NSF 建立了国家科学基金网 NSFNET 。建立三级网络的层次结构：

• 主干网• 地区网• 校园网

• 1991 年，美国政府决定将因特网的主干网转交给私人公司来经营，并开始对接入因特网的单位收费。

• 1993 年因特网主干网的速率提高到 45 Mb/s（ T3 速率）。




• 从 1993 年开始，由美国政府资助的 NSFNET 逐渐被若干个商用的 ISP 网络所代替。

• 1994 年开始创建了 4 个网络接入点 NAP (Network Access Point) ，分别由 4 个电信公司经营。

• NAP 就是用来交换因特网上流量的结点。在 NAP 中安装有性能很好的交换设施。到本世纪初，美国的 NAP 的数量已达到十几个。

• 从 1994 年到现在，因特网逐渐演变成多级结构网络。



多级结构的因特网

大公司

地区 ISP

网络接入点NAP

（对等点）

公司

校园网

主干服务提供者

校园网校园网校园网校园网

本地 ISP

地区 ISP 地区 ISP

地区 ISP

本地 ISP本地 ISP

大公司

大公司

网络接入点NAP

（对等点）



因特网的常用服务• 远程登录（ Telnet ）

远程登录仿真终端共享工具• 电子邮件（ Email ）

电子邮件收发编辑处理• 文件传输（ FTP ）

数据互传用户名和口令 Anonymous FTP

• 万维网（ WWW World Wide Web ）

分布式超媒体链接 HTML B/S



关于因特网的标准化工作

因特网协会 ISOC

因特网研究部 IRTF 因特网工程部 IETF

因特网工程指导小组IESG

…

RG WG… …RG…

领域领域

因特网体系结构研究委员会 IAB

WGWGWG

因特网研究指导小组IRSG



关于因特网的标准化工作• 因特网的正式标准制订要经过以下阶段：

• 因特网草案 (Internet Draft) —— 在这个阶段还不是 RFC 文档。

• 建议标准 (Proposed Standard) —— 从这个阶段开始就成为 RFC 文档。

• 草案标准 (Draft Standard)

• 因特网标准 (Internet Standard)



各种 RFC 之间的关系

因特网草案

建议标准

草案标准

因特网标准

历史的 RFC

实验的 RFC 提供信息的 RFC

6 种 RFC



信息基础设施• 90 年代，美国提出建设“信息高速公路” (Information

Super Highway) 计划 NII （国家信息基础设施）。• 中国的 NII 定名为“中国国家信息基础设施”（ CNI

I ）。• 1995 年，西方七国首脑会议，提出了建立全球信息高

速公路“全球信息基础设施” GII (Global Information Infrastructure ) 。



国家骨干网络

中国科技网 CSTNET 1994年 4月

中国科学院

中国教育与科研网 CERNET 1995年国家教育委员会中国公用计算机互联网

CHINANET1995年 5月

邮电部

中国金桥信息网 CHINAGBN 1996年 9月

电子工业部目前、我国建成了以中国公共计算机互联网为中心，连接中国教育与科研网、国家公共经济信息通信网、中国科技网、中国联通互联网和中国网通网的六大国家骨干网络。



我国建立的十大计算机网络

中文名称英文名称网址中国公用计算机互联网 CHINANET www.chinatelecom.com.cn

中国科技网 CSTNET www.cstnet.net.cn

中国教育与科研网 CERNET www.edu.cn

中国金桥信息网 CHINAGBN www.gb.com.cn

中国联通互联网 UNINET www.chinaunicom.com.cn

中国网通公用互联网 CNCNET www.cnc.net.cn

中国移动互联网 CMNET www.chinamobile.com

中国国际经济贸易互联网 CIETNET www.ciet.net

中国长城互联网 CGWNET www.cgw.net.cn

中国卫星集团互联网 CSNET www.chinasat.com.cn



§1-5 网络实例

• 用于小办公室的最简单的对等网 • 一个典型的基于服务器的局域网• 通过公用电话网进行远程访问的网络 • 校园网络的例子 • 广域网的例子



用于小办公室的最简单的对等网

SD

WS-X2924-XL-V

1 2 3 4

100BaseFX

PC机

PC机PC机

PC机



一个典型的基于服务器的局域网

SD

WS-X2924-XL-V

1 2 3 4

100BaseFX

PC机PC机

PC机

服务器



通过公用电话网进行远程访问的网络

SD

WS-X2924-XL-V

1 2 3 4

100BaseFX

PC机PC机

PC机

服务器

PC机

笔记本电脑ModemPSTN

Modem池网络访问控制服务器

Modem



校园网络的例子

核心交换机

核心路由器

汇聚交换机

交换机

宽带接入控制器

VH-2402S2

100/200M

VH-2402S2

100/200M

防火墙

Internet

VH-2402S2

100/200M

VH-2402S2

100/200M

汇聚交换机

VH-2402S2

100/200M

VH-2402S2

100/200M

VH-2402S2

100/200M

VH-2402S2

100/200M

汇聚交换机

VH-2402S2

100/200M

VH-2402S2

100/200M

VH-2402S2

100/200M

VH-2402S2

100/200M

宽带接入控制器

图书馆核心交换机

VH-2402S2

100/200M

VH-2402S2

100/200M

行政楼核心交换机

VH-2402S2

100/200M

VH-2402S2

100/200M

主机服务器

服务器机群

电子阅览室

数字图书馆

行政办公网综合业务网

教学楼



广域网的例子

ISDN/PSTN

Internet

Switch

Server ServerServer

swi tch

Server

switch

机关及其下属单位

SGW25B

安全网关Fi reWal l +VPN （）

Switch/Hub

“安装安全网”关客户端软

件

网络中心

采用拨号接入的下级机关

DDN/

FR

PC (Win2000)网关

Modem/ISDN/ADSL

VPN加密通道

Switch/Hub

DDN/ FR采用接入的下级机关

DDN/ FRSGW25B

vpn加密通道



网吧典型案例



骨干网典型构建方案

服务器

RG-S6810E RG-S6810E

千兆光纤千兆电缆百兆电缆

RG-S6806E

RG-S6806E教学科研区域

RG-S6806E图书馆区域

RG-S6506学生宿舍区域

RG-S6506教工住宅区域

图例：

校园网络

信息中心

服务器万兆链路

RG-WALL 系列

RSR-08E

服务器群区域

核心区域

汇聚节点区域

网络出口区域



内容回顾

• 课程内容安排及学习要求• 计算机网络的定义、发展、功能及分类• 协议、网络体系结构及网络标准化• Internet 的发展及其现状



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