计算机网络 第一章(rev 1)

1、计算机网络原理计算机网络原理第第1章计算机网络概述章计算机网络概述第第2章计算机网络体系结构章计算机网络体系结构 第第3章物理层章物理层第第4章数据链路层章数据链路层 第第5章网络层章网络层 第第6章传输层章传输层 第第7章应用层章应用层 第第8章局域网技术章局域网技术 第第9章章 实用网络技术实用网络技术 第一章计算机网络概述第一章计算机网络概述本章内容 计算机网络概念 计算机网络简史 计算机网络的组成 计算机网络的分类 计算机网络的拓朴结构 计算机网络的功能和应用概述 计算机网络体系架构和TCP/IP 重点： 计算机网络的组成 计算机网络的拓朴结构 计算机网络体系架构和TCP/IP 难点:

2、 计算机网络体系架构和TCP/IP 重点内容要求理解 其他内容要求了解1.1.计算机网络的概念 计算机网络计算机网络就是把分布在不同地点的多个计算机物理地连把分布在不同地点的多个计算机物理地连接起来，按照网络协议互相通信，以共享软件、硬件和数接起来，按照网络协议互相通信，以共享软件、硬件和数据资源为目标的系统据资源为目标的系统。 计算机互连通常有两种方式： 有线连接： 双绞线、同轴电缆、电话线、光纤 无线连接 微波、红外线和毫米波、光波、地球卫星通信等。 计算机之间的通信是通过通信协议协议实现的 这是因为计算机网络中可能存在不同地区、不同的网络提供商、不同种类的计算机，在其上运行的操作系统也不

3、尽相同，它们在机器字长、信息的表示方法等多方面都存在差异，这些都会影响计算机之间的通信所以要制定一定的规则来协调差异。这些规则称为通信协议。 简单的理解可以想象两个商人，一个说西班牙语，一个说韩国语，他们俩谈生意的 时候，需要一个既懂西班牙语又懂韩国语的人充当翻译，才有可能谈。 这两个商人就相当于两个要相互通信的计两个要相互通信的计算机算机，而翻译就是互联网通信协议互联网通信协议。 1.2.计算机网络的发展简史 计算机网络的产生和发展经历了从简单到复杂、从单机系统到多机系统的发展过程，其演变过程可分为三个阶段： 面向终端的计算机网络-以单计算机为中心的联机系统； 计算机计算机网络； 网络体系结

4、构标准化。1.2.计算机网络的发展简史1、以单计算机为中心的联机系统 20世纪60年代以前 用户在终端（Terminal）上输入自己的程序和数据，由主机进行处理后再由通信线路将结果返回给用户终端。这种系统也称为终端计算机网络，是早期计算机网络的主要形式。 缺点： 主机负荷较重，效率较低; 通信线路的利用率低; 集中控制方式，可靠性低。1.2.计算机网络的发展简史 为了尽量克服以上的缺点，当时人们又开发了一些提高使用效率的技术，对后来网络技术的发展具有很大的启发作用。 多点通信线路：各个站点通过一条公共通信线路连接。在多点线路连接方式中，一条线路被所有的站点共享1.2.计算机网络的发展简史 终端

5、集中器和前端处理机 前端处理机FEP（Front End Processor）:专门负责与终端T之间的通信控制。 TC（Transmission Convergence）传输会聚子层。提供与 ATM层的统一接口。1.2.计算机网络的发展简史 为了使承担数据处理的中心计算机减轻负载，在通信线路 和中心计算机之间设置了一个前端处理机FEP（Front End Processor）或通信控制器CCU（Communication Control Unit），专门负责与终端之间的通信控制，出现处理和通信控制 分工，从而更好地发挥中心计算机的数据处理能力。2、计算机计算机网络从20世纪60年代中期到70年

6、代中期 第一种形式是通过通信线路将主计算机连接起来，主机既承担数据处理，又承担通信工作.图图1.3计算机计算机计算机网络计算机网络1.2.计算机网络的发展简史3、网络体系结构的标准化依据标准化水平可分为两个阶段： 各计算机制造厂商网络结构标准化 例如：IBM公司在SNA（System Network Architecture）、DEC公司公布了DNA（数字网络系统结构）Univac公司公布了DCA（数据通信体系结构）、Burroughs（宝来）公司公布了BNA（宝来网络体系结构）等。1.2.计算机网络的发展简史 国际网络体系结构标准化 1977年国际标准化组织（ISO）制定了“开放系统互联参考

7、模型”（OSI）。OSI模型并没有真正流行开来，为什么呢？ 糟糕的提出时间 糟糕的技术 糟糕的实现 糟糕的策略1.2.计算机网络的发展简史 最主要的问题在于糟糕的提出时间1.2.计算机网络的发展简史4、计算机网络的发展趋势 综合化 智能化 高速化Internet网的发展历史网的发展历史1969年-ARPANET，ARM模型，早于OSI模型，低三层接近OSI，采用TCP/IP协议。1988年-NSFNET ，OSI模型，采用标准的TCP/IP协议，成为Internet的主干网。两种服务公司：进入因特网产品服务公司ISP(Internet Service Provider)，因特网信息服务公司IC

8、P(Internet Content Provider)。1.3.计算机网络的组成 1.3.1.按系统划分 网络软件网络软件 通常网络软件包括： 网络协议和协议软件 网络通信软件 网络操作系统 网络管理及网络应用软件1.3.计算机网络的组成 网络硬件网络硬件 传输线路传输线路:有线连接：双绞线、同轴电缆、电话线、光纤，无线连接：微波、红外线和毫米波、光波、地球卫星通信等。 中继器:信号放大整形等 交换机:建立释放联接路由选择等 多路复用器:提高信道利用率 调制解调器1.3.计算机网络的组成 1.3.2.按逻辑划分 资源子网 通信子网 Communication Control Processo

9、r通信控制端口1.3.计算机网络的组成 资源子网资源子网 主计算机（Host） 为本地用户访问网络其他主机设备、共享网络资源提供服务，同时还为网中其他用户（或主机）共享本地资源提供服务。 终端设备(terminal) 终端可以是简单的输入、输出设备，也可以是带有微处理机的智能终端。这种智能终端除具有信息的输入、输出功能外，自身还具有存储和处理信息的功能 1.3.计算机网络的组成 通信子网通信子网 通信子网主要由网络通信控制处理机、通信线路及其他通信设备组成。其功能是进行全网的数据传输、交换及通信控制等通信处理工作。通信子网有三种组织形式。 没有通信子网，网络不能工作；而没有资源子网，通信子网的

10、传输也失去了意义，两者合起来组成了统一的资源共享的两层网络。 1.4. 计算机网络的拓扑结构计算机网络的拓扑结构拓扑（Topology）是从图论演变而来的，是一种研究与大小形状无关的点、线、面特点的方法。 1.4.1.星形拓扑结构星形拓扑结构 星形布局是以中央结点为中心与各结点连接而组成的，各个结点间不能直接通信，而是经过中央结点控制进行通信. 特点优点： 结构简单 便于管理 组网容易 网络延迟时间短 误码率低缺点 共享能力较差 通信线路利用率不高 中央结点负担过重 1.4.2环形拓扑结构 环形网中各结点通过环路接口连在一条首尾相连的闭合环形通信线路中，环路上任何结点均可以请求发送信息。请求一

11、旦被批准，便可以向环路发送信息。 一个结点发出的信息必须穿越环中所有的环路接口，信息流中目的地址与环上某结点地址相符时，即被该结点的环路接口所接收，而后信息继续流向下一环路接口，一直流回到发送该信息的环路接口结点为止， 1.3.计算机网络的组成 特点优点： 简化了路径选择的控制 可靠性较高 实时性强缺点 结点过多时传输效率低 故扩充不方便1.3.计算机网络的组成 1.4.3总线形拓扑结构 用一条称为总线的中央主电缆，将相互之间以线性方式连接的工作站连接起来的布局方式称为总线形拓扑。 1.3.计算机网络的组成 特点：优点 结构简单灵活 便于扩充 可靠性高 响应速度快；设备量少 价格低 安装使用方

12、便 共享资源能力强 便于广播式工作 缺点 总线长度有一定限制，一条总线也只能连接一定数量的结点。1.3.计算机网络的组成 1.4.4树形拓扑结构 树形结构是总线形结构的扩展，它是在总线网上加上分支形成的，其传输介质可有多条分支，但不形成闭合回路。 1.3.计算机网络的组成 特点优点 具有一定容错能力， 可靠性强 便于广播式工作 容易扩充 缺点 联系固定 专用性强1.3.计算机网络的组成 1.4.5网状拓扑结构 特点 优点 可靠性高 资源共享方便 有好的通信软件支持下通信效率高 缺点 贵！ 结构复杂 软件控制麻烦 1.5 计算机网络的分类 l.4.1根据网络的覆盖范围进行分类根据网络的覆盖范围进

13、行分类 局域网LAN（Local Area Network） 广域网WAN（Wide Area Network） 城域网MAN（Metropolitan Area Network）1.3.计算机网络的组成 局域网LAN 局域网用于将有限范围内（如一个实验室、一幢大楼、一个校园）的各种计算机、终端与外部设备互连成网。局域网按照采用的技术、应用范围和协议标准的不同可以分为共享局域网与交换局域网。局域网技术发展迅速，应用日益广泛，是计算机网络中最活跃的领域之一。1.3.计算机网络的组成 广域网WAN 广域网也称为远程网。它所覆盖的地理范围从几十公里到几千公里。广域网覆盖一个国家、地区，或横跨几个洲，

14、形成国际性的远程网络。广域网的通信子网主要使用分组交换技术。广域网的通信子网可以利用公用分组交换网、卫星通信网和无线分组交换网，它将分布在不同地区的计算机系统互连起来，达到资源共享的目的。1.3.计算机网络的组成 城域网MAN 城市地区网络常简称为城域网。目标是要满足几十公里范围内的大量企业、机关、公司的多个局域网互连的需求，以实现大量用户之间的数据、语音、图形与视频等多种信息的传输功能。 其实城域网基本上是一种大型的局域网，通常使用与局域网相似的技术，把它单列为一类主要原因是它有单独的一个标准而且被应用了。DQDB（Distributed queue dual bus分布式队列双总线）1.3

15、.计算机网络的组成 1.5.2按交换方式进行分类 线路交换 报文交换 分组交换“交换”的含义 “交换交换”(switching)的含义是：的含义是： 转接转接把一条电话线转接到另一条电话线，把一条电话线转接到另一条电话线，使它们连通起来使它们连通起来。 从通信资源的分配角度来看，从通信资源的分配角度来看，“交换交换”就是按就是按照某种方式照某种方式动态地分配动态地分配传输线路的资源。传输线路的资源。 1.3.计算机网络的组成 线路交换 最早出现在电话系统中，早期的计算机网络就是采用此方式来传输数据的，数字信号经过变换成为模拟信号后才能在线路上传输。电路交换ABCD发送呼叫信号发送呼叫信号传输传

16、输1.交换交换2.发送发送 呼叫信呼叫信号号传输传输1.交换交换2.发送发送 呼叫信呼叫信号号传输传输特点： （1）有通话建立的时间 （2）通话建立后，信源与信宿之间有一条专用通信线路 （3）延迟小 （4）通信线路利用率低EF1.3.计算机网络的组成 报文交换 是一种数字化网络。当通信开始时，源机发出的一个报文被存储在交换器里，交换器根据报文的目的地址选择合适的路径发送报文，这种方式称做存储一转发存储一转发方式。报文交换1234567BACDEa1a2a1a2a1a2a1 a2a1 a2报文交换的特点 无需建立连接 多路径 通信线路利用率高 延迟时间较长 结点需要较大的缓冲空间1.3.计算机网

17、络的组成 分组交换 采用报文传输，但它不是以不定长的报文作为传输的基本单位，而是将一个长的报文划分为许多定长的报文分组，以分组作为传输的基本单位。灵活性高且传输效率高。分组交换的原理（一） 在发送端，先把较长的报文划分成较短的、固定长度的数据段。 报文1101000110101010110101011100010011010010假定这个报文较长不便于传输 分组交换是综合了电路交换和报文交换的优点，并克服他们各自的缺点数 据数 据数 据报文分组交换的原理（二） 每一个数据段前面添加上首部构成分组。首部首部首部分组 1分组 2分组 3请注意：现在左边是“前面”分组交换的原理（三） 分组交换网以“

18、分组”作为数据传输单元。 依次把各分组发送到接收端（假定接收端在左边）。数 据首部分组 1数 据首部分组 2数 据首部分组 3分组首部的重要性分组首部的重要性 每一个每一个分组的首部都含有分组的首部都含有地址地址等控制信等控制信息。息。 分组交换网中的结点交换机根据收到的分组交换网中的结点交换机根据收到的分组的首部中的分组的首部中的地址信息地址信息，把分组，把分组转发转发到下一个结点交换机。到下一个结点交换机。 用这样的用这样的存储转发存储转发方式，最后分组就能方式，最后分组就能到达到达最终目的地最终目的地。分组交换的原理（四）分组交换的原理（四） 接收端收到分组后剥去首部还原成报文。数 据首

19、部分组 1数 据首部分组 2数 据首部分组 3收到的数据数 据数 据数 据分组交换的原理（五）分组交换的原理（五） 最后，在接收端把收到的数据恢复成为原来的报文。 这里我们假定分组在传输过程中没有出现差错，在转发时也没有被丢弃。报文1101000110101010110101011100010011010010分组交换的优点分组交换的优点 高效高效 动态分配传输带宽，对通信链路动态分配传输带宽，对通信链路是逐段占用。是逐段占用。 灵活灵活 以分组为传送单位和查找路由。以分组为传送单位和查找路由。 迅速迅速 不必先建立连接就能向其他主机不必先建立连接就能向其他主机发送分组；充分使用链路的带宽。发

20、送分组；充分使用链路的带宽。 可靠可靠 完善的网络协议；自适应的路由完善的网络协议；自适应的路由选择协议使网络有很好的生存性。选择协议使网络有很好的生存性。 分组交换带来的问题 分组在各结点存储转发时需要排队，这就会造成一定的时延。 分组必须携带的首部（里面有必不可少的控制信息）也造成了一定的开销。 1.3.计算机网络的组成 1.5.3按网络拓扑结构进行分类按网络拓扑结构进行分类 星形网络 树形网络 总线形网络 环形网络 网状网络。 1.6计算机网络的功能和应用计算机网络的功能和应用 1.6.1计算机网络的功能 数据通信 资源共享 远程传输 集中管理 实现分布式计算 负荷均衡 1.6.2计算机

21、网络的应用 信息服务 通信与协作服务 交易服务与电子商务 休闲娱乐服务 计算服务 分布式控制系统 计算机集成与制造系统1.7网络体系结构网络体系结构 1.7.1 OSI参考模型 OSI开放系统互连参考模型将整个网络的通信功能划分成七个层次，每个层次完成不同的功能。这七层由低层至高层分别是：物理层、数据链路层、网络层、运输层、会话层、表示层和应用层。 分层的主要目的 ： 将网络技术中的复杂问题尽量简单化。将网络中不同的功能由不同的层次来完成，从而令各层次间相互影响的程度尽量降低。 应用层会话层表示层传输层网络层数据链路层物理层 OSI模型并没有真正流行开来，为什么呢？ 糟糕的提出时间 糟糕的技术

22、 糟糕的实现 糟糕的策略 OSI模型的贡献 提出层次结构 服务透明性 灵活性好 结构上可分割开 易于实现和维护 能促进标准化工作 三个概念 服务 接口 协议 各层之间相互独立； 每层可以选择最为合适的实现技术，各层实现技术改变，不会影响其他层； 易于实现和维护； 易于标准化的实现； 兼容不同厂商的标准接口。为什么要分层？OSI七层模型应用层表示层会话层传输层网络层数据链路层物理层逻辑链路控制介质存取控制应用层表示层会话层传输层网络层数据链路层物理层系统 1系统 27654321报文报文报文报文分组帧比特应用层协议表示层协议会话层协议传输层协议网络层协议链路层协议物理层协议7654312OSI各

23、层的功能（1）物理层 任务是透明地传送比特流。规定与传输介质接口的 机械特性 电气特性 功能特性 规程特性OSI各层功能（2）数据链路层 差错控制：确认帧和否认帧来对接收的帧差错控制 流量控制：发送方和接收方能力速度匹配（3）网络层 路径选择、拥塞控制、网络互联（4）传输层 保证多端口多进程通信； 差错校验和恢复； 信息流控制；（5）会话层 建立、管理、中止不同机器上的应用程序间的会话。 “会话”完成一项任务而进行的一系列相关的信息交换。（6）表示层 数据表示问题：即信息的语法和语义。 如：数据加密、解密；压缩、解压缩等（7）应用层 为用户的应用程序提供网络通信服务 识别、证实目的通信方的可用

24、性； 使协同工作的应用程序之间进行同步； 判断是否为通信过程申请了足够的资源； 计算机 1 向计算机 2 发送数据 5432154321计算机 1AP2AP1计算机 2应用进程数据先传送到应用层加上应用层首部，成为应用层 PDU计算机 1 向计算机 2 发送数据 5432154321计算机 1AP2AP1计算机 2应用层 PDU 再传送到传输层加上传输层首部，成为传输层报文计算机 1 向计算机 2 发送数据 5432154321计算机 1AP2AP1计算机 2传输层报文再传送到网络层加上网络层首部，成为 IP 数据报（或分组）计算机 1 向计算机 2 发送数据 5432154321计算机 1A

25、P2AP1计算机 2IP 数据报再传送到数据链路层加上链路层首部和尾部，成为数据链路层帧计算机 1 向计算机 2 发送数据 5432154321计算机 1AP2AP1计算机 2数据链路层帧再传送到物理层最下面的物理层把比特流传送到物理媒体计算机 1 向计算机 2 发送数据 应用层(application layer) 5432154321物理传输媒体计算机 1AP2AP1电信号（或光信号）在物理媒体中传播从发送端物理层传送到接收端物理层计算机 2计算机 1 向计算机 2 发送数据 5432154321计算机 1AP2AP1计算机 2物理层接收到比特流，上交给数据链路层计算机 1 向计算机 2

26、发送数据 5432154321计算机 1AP2AP1计算机 2数据链路层剥去帧首部和帧尾部取出数据部分，上交给网络层计算机 1 向计算机 2 发送数据 5432154321计算机 1AP2AP1计算机 2网络层剥去首部，取出数据部分上交给运输层计算机 1 向计算机 2 发送数据 5432154321计算机 1AP2AP1计算机 2传输层剥去首部，取出数据部分上交给应用层计算机 1 向计算机 2 发送数据 5432154321计算机 1AP2AP1计算机 2应用层剥去首部，取出应用程序数据上交给应用进程计算机 1 向计算机 2 发送数据 5432154321计算机 1AP2AP1计算机 2我收到

27、了 AP1 发来的应用程序数据！计算机 1 向计算机 2 发送数据 5432154321计算机 1AP2AP1计算机 2应 用 程 序 数 据应用层首部H510100110100101 比 特 流 110101110101注意观察加入或剥去首部（尾部）的层次应 用 程 序 数 据H5应 用 程 序 数 据H4H5应 用 程 序 数 据H3H4H5应 用 程 序 数 据H4传输层首部H3网络层首部H2链路层首部T2链路层尾部计算机 1 向计算机 2 发送数据 5432154321计算机 1AP2AP1计算机 210100110100101 比 特 流 110101110101计算机 2 的物理层收到比特流后交给数据链路层H2T2H3H4H5应 用 程 序 数 据H3H4H5应 用 程 序 数 据计算机 1 向计算机 2