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《网络原理》word章节教案
第一章 概 述
第二章 计算机网络的体系结构
第三章 物理层
第四章 数据链路层
第五章 信道共享技术
第六章 局域网
第七章 网络层
第八章 网络互连
第九章 运输层
第十章 高层协议

网络原理教案
第一章 概 述
1．1计算机网络的发展过程
1．1．1通信与计算机的结合计算机网络的产生
计算机网络涉及到通信与计算机两个领域。计算机与通信日益紧密的结合，已对人类社会的进步做出了极大的贡献。
计算机与通信的相互结合主要有两个方面。一方面，通信网络为计算机之间的数据传递和交换提供了必要的手段；另一方面，数字计算技术的发展渗透到通信技术中，又提高了通信网络的各种性能。当然，这两个方面的进展都离不开人们在半导体技术上取得的辉煌成就。
在1946年世界上第一台数字电子计算机刚问世后的几年里，计算机和通信并没有什么关系。电子计算机的数量很少，且非常昂贵。用户只能前往计算机房去使用机器。这显然是很不方便的。在1954年，一种叫做收发器（transceiver）的终端制作出来了。人们使用这种终端首次实现了将穿孔卡片上的数据从电话线路上发送到远地的计算机。此后，电传打字机也作为远程终端和计算机相连了。用户可在远地的电传打字机上键入自己的程序，而计算机算出的结果又可从计算机传送到远地的电传打字机打印出来。计算机与通信的结合就这样开始了。
由于当初计算机是为成批处理信息而设计的，所以当计算机在和远程终端相连时，必须在计算机上增加一个接口才行。显然，这个接口应当对计算机原来的硬件和软件的影响尽可能地小些。这样，就出现了线路控制器（line controller）。计算机通过线路控制器与计算机相连时调制解调器是必须加入的，因为电话线路本来是为传送模拟的话音信号而设计的，它不适合于传送计算机的数字信号。调制解调器的主要作用就是：把计算机或终端的数字信号变换成可以在电话线路上传送的模拟信号以及完成相反的变换。
早期的线路控制器只能和一条通信线路相连，同时也只能适用于某一种传送速率。由于在通信线路上是串行传输而在计算机内采用的是并行传输，因此这种线路控制器的主要功能是进行串行和并行传输的转换以及简单的差错控制。计算机主要仍用于成批处理。有时，计算机在一天中的部分时间用作成批处理，而在另一部分时间则收集远地的信息进行处理。
随着远程终端数量的增多，为了避免一台计算机使用多个线路控制器，在60年代初期，出现了多重线路控制器（multiline controller）。它可以和许多个远程终端相连接。这种联机系统也称为面向终端的计算机通信网。有人将这种最简单的计算机网络称为第一代的计算机网络。在这里，计算机是网络的中心和控制者，终端围绕中心计算机分布在各处，而计算机的主要任务也还是进行成批处理。
大家知道，计算机最初只是用来进行科学计算的。然而人们很快就认识到计算机还可用作数据处理。现在计算机的非数值应用已远比纯粹的科学计算广泛得多。这就使得计算机的用户数量迅速增长。但是，每当需要增加一个新的远程终端时，上述的这种线路控制器就要进行许多硬件和软件的改动，以便和新加入的终端的字符集和传输速率等特性相适应。此外，有的程序还要重新编写，还要分配更多的存储空间作为缓冲区之用。然而，这种线路控制器对主机却造成了相当大的负担。也就是说，和远程终端的通信对以成批处理为主要任务的计算机成为一个相当大的额外开销（overhead）。人们终于认识到应当设计出另一种不同硬件结构的设备来完成数据通信的任务。这就导致了通信处理机的出现。通信处理机也称为前端处理机FEP（Front End Processor），有时也可简称为前端机。前端处理机分工完成全部的通信任务，而让主机（即原来的计算机）专门进行数据的处理。这样就大大减小了主机的额外开销，因而显著地提高了主机进行数据处理的效率。由于可以采用比较便宜的小型计算机充当大型计算机的前端处理机，因此从60年代初期起，前端处理机就被广泛地使用着。一直到现在，前端处理机仍然在计算机网络中起着重要的作用。
远程终端的数量不断增长，使通信费用随之增加。为了节省通信费用，可在远程终端较密集处加一个集中器（concentrator）。集中器和前端机相似，也是一种通信处理机。它的一端用多条低速线路与各终端相连，其另一端则用一条较高速率的线路与计算机相连。由于集中器不是简单的多路复用器而是一个智能复用器，它可以利用一些终端的空闲时间来传送其他处于工作状态的终端的数据。这样，所用高速线路的容量就可以小于各低速线路容量的总和，从而明显地降低了通信线路的费用。此外，由于集中器距终端较近，因此在集中器与各终端之间往往可以省去调制解调器。
1．1．2 分组交换网的出现
在研究计算机网络的发展时，必须着重介绍分组交换（packet switching）。分组交换也称为包交换，它是现代计算机网络的技术基础。下面将介绍分组交换的产生过程以及分组交换的要点。
1．传统的电路交换技术不适合计算机数据的传输
在电话出现后不久，人们便认识到，在所有用户之间架设直达的线路对通信线路的资源是极大的浪费。必须依靠交换机实现用户之间的互连。一百多年来，电话交换机经过多次更新换代，从人工接续、步进制、纵横制以至现代的程序控制交换机（即程控交换机），其本质始终未变，都是采用电路交换（circuit switching）。电路交换也可称为线路交换。从通信资源的分配方法来看，电路交换是预先分配传输带宽（这里指的是广义的带宽，即将时分制的时隙宽度也称为带宽）。用户在开始通话之前，先要申请（例如通过拨号）建立一条从发端到收端的物理通路。只有在此物理通路建立之后（即用户占有了一定的传输带宽），双方才能互相通话。在通话的全部时间里，用户始终占用端到端的固定传输带宽。
然而，当这种通信系统用来传送计算机或终端的数据时，就出现了新的问题。这是因为计算机的数据是突发式地和间歇性地出现在传输线路上，而用户应支付的通信线路费用是按占用线路的时间计算的。和打电话传送连续的话音信号不同，在计算机通信时，线路上真正用来传送数据的时间往往不到10％甚至1％。在绝大部分时间里，通信线路实际上是空闲的。例如，当用户正在阅读终端屏幕上的信息或正在用键盘输入和编辑一份文件时，或计算机正在进行处理而结果尚未得出时，宝贵的通信线路资源实际上并未被利用而是白白被浪费了。
不仅如此，电路交换建立通路的呼叫过程对计算机通信也嫌太长。电路交换本来是为打电话而设计的。打电话的平均持续时间约为几分钟，因此其呼叫过程（约10～20秒）就不算太长。但是，1000bit的计算机数据在2400b/s的线路上传送时，只需不到半秒的时间。相比之下，呼叫过程占用的相对时间就大多了。
由此可见，必须寻找出新的适合于计算机通信的交换技术。
2．分组交换网的试验成功
存储转发的概念最初是在1964年8月由巴兰（Baran）在美国兰德（Rand）公司的“论分布式通信”的研究报告中提出的。在1962～1965年，美国国防部远景规划局DARPA（Defense Advanced Research Project Agency）和英国的国家物理实验室NPL都在对新型的计算机通信网进行研究。1966年6月，NPL的戴维斯（Davies）首次提出“分组”（packet）这一名词[DAVI86]。1969年12月，美国的分组交换网ARPANET（当时仅4个结点）投入运行。从此，计算机网络的发展就进入了一个崭新的纪元。
3．分组交换的主要特点
下面简要地介绍一下分组交换的主要特点。例如：结点A，B,…，F以及连接这些结点的链路AB，AC，…等组成了分组交换网，或称为通信子网。H1～H5都是一些独立的并且可以进行通信的计算机。现在习惯上把在通信子网以外的计算机H1～H5称为主机，而把分组交换网中的结点上的计算机称为结点交换机。当主机H1要向主机H2发送数据时，首先要将数据划分为一个个等长的分组（例如每个分组1000 bit长），然后就将这些分组一个接一个地发往与H1相连的结点A。此时，除链路H1-A外，网内其他通信链路并不被目前通信的双方所占用。需要注意的是，即使是链路H1-A，也只是当分组正在此链路上传送时才被占用。在各分组传送之间的空闲时间，链路H1-A仍可为其他主机发送的分组使用。
结点A将收到的分组先放入缓冲区，再按一定的路由算法，确定该分组下一步该发往哪个结点。可见各结点的分组交换机的主要任务是：负责分组的存储、转发以及选择合适的路由。显然，每个发送的分组必须携带一些有关目的地址的信息，否则分组交换机就无法确定每个分组的路由。这里要注意，结点暂时存储的是短分组，而不是整个的长报文。短分组不必存储在磁盘中而是暂存在内存中。这就保证了较高的交换速率。
在传送分组的过程中，由于采取了专门的措施，因而保证了数据的传送具有非常高的可靠性。这些将在今后各章讨论网络协议（protocol）时进行研究。
从以上所述可知，采用存储转发的分组交换，实质上是采用了断续（或动态）分配传输带宽的策略。这对传送实发式的计算机数据是非常合适的，因为这样就可以大大提高通信线路的利用率。
为了提高通信子网的可靠性，常采用复杂的拓扑结构，使得当少数结点或链路出现故障时，不致引起全网的瘫痪。此外，通信网络的主干线路往往由一些高速链路构成，以便迅速地传送大量的计算机数据。
当然，分组交换也带来一些新的问题。例如，分组在各结点存储转发时因要排队总会造成一定的时延。当网络业务量过大时，这种时延可能会很大。此外，各分组必须携带的控制信息也造成了一定的额外开销。整个分组交换网的管理与控制也都比较复杂。
这样，在传送计算机数据时，分组交换网的主要优点可归纳如下：
高 效： 动态或断续分配传输带宽
灵 活： 每个结点均有智能，可根据情况决定路由和对数据做必要的处理
迅 速： 以不太长的分组为传送单位，在每个结点存储时间很短，高速链路
可 靠： 完善的网络协议；分布式多路由的通信子网
若所要传送的数据量很大，且其传送时间远大于呼叫建立时间，则采用预先分配传输带宽的电路交换较为合适。报文交换和分组交换不需要预先分配传输带宽，因而可提高整个网络的信道利用率。分组交换比报文交换的时延小，但其结点交换机必须具有更强的处理能力。对于计算机之间的突发式的数据通信，分组交换显然更为合适些。
我们还可以看出，当端到端的通路是由很多段的链路组成时，采用分组交换传送数据比用电路交换显然要好些。这是因为采用电路交换时，只要整个通路中有一段链路不能使用，通信就不能进行。就像我们给一个很远的用户打电话一样，由于要经过很多次转接，只要整个通路中有一段线路不通，电话就打不通。但分组交换可以将数据一段一段地像接力赛跑那样传过去。
ARPANET的试验成功使计算机网络的概念发生了根本的变化。早期的面向终端的计算机网络是以单个主机为中心的星形网，各终端通过通信线路共享主机的硬件和软件资源。但分组交换网则是以通信子网为中心，主机和终端都处在网络的外围。这些主机和终端构成了用户资源子网。用户不仅共享通信子网的资源，而且还可共享用户资源子网的许多硬件和各种丰富的软件资源。
这种以通信子网为中心的