01 计算机网络概述

1、计算机网络林宏基福州大学计算机系8/11/20221 计算机网络 教材： 1.计算机网络（第4版） 谢希仁 编著 电子工业出版社 参考书： 1.计算机网络技术及其应用 汤子瀛等 电子科技大学出版社 2.Web开发技术教程 ASP/ASP.NET/JSP程序设计 林宏基 编著 北京大学出版社8/11/20222第1章 计算机网络概述1.1 计算机网络作用信息时代特征： 数字化、网络化和信息化；以网络为核心。知识经济基础： 网络现已成为21 世纪信息社会的命脉和发展知识经济基础。“三网”： 电信网络、有线电视网络和计算机网络。信息高速公路： 国家信息基础结构NII,全球信息基础结构GII。因特网发

2、展： 人类通信最大变革；现在人们的生活、工作、学习和交往都已离不开因特网8/11/20223第一章 计算机网络基础* 网络的形成: Compunication（计算机+通信）* 网络的发展: 1.以单机为中心的远程联机系统(面向终端的计算机网络) 特征:单机/面向终端分布的计算机/前端处理机FEP/终端控制器TC2.以通信子网为中心的资源共享的计算机网络 特征:多机/主机直接连接/具有通信子网/ARPARnet3.符合国际标准化(OSI/RM)的计算机网络 特征:标准/ OSI/RM /TCP/IP （ Internet/Intranet WWW/HTML/Web/WebSevice）8/11

3、/20224第1章 计算机网络概述* 计算机网络的产生背景：军事刺激与电信发展 20 世纪 60 年代美苏冷战时期的产物-美国国防部领导的远景研究规划局ARPA (Advanced Research Project Agency) 网络。 传统的电路交换(circuit switching)的电信网发展成可靠的新型网络新型网络的基本要求 网络用于计算机之间的数据传送。 网络能够连接不同类型的计算机。 所有的网络结点都同等重要，提高网络的生存性。 计算机通信必须有冗余的路由。 网络的结构简单、可靠传送数据。 8/11/20225第1章 计算机网络概述1.2 网特网概述网络的网络因特网发展的三阶段

4、 因特网发展的第一阶段 第一个分组交换网是ARPANET，最初只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。1984 年形成了因特网 Internet。 因特网发展的第二阶段 1986 年，NSF 建立了国家科学基金网 NSFNET。它是一个三级计算机网络：主干网/地区网/校园网。1993 年因特网主干网的速率提高到 45 Mb/s（T3 速率）。各网络之间使用路由器来连接。8/11/20226第1章 计算机网络概述 三级结构的因特网： 主干网/地区网/校园网。 （各网络之间使用路由器来连接）校园网校园网校园网校园网校园网校园网国家主干

5、网地区网地区网地区网路由器主干网地区网校园网8/11/20227第1章 计算机网络概述 三级结构的因特网： （ 主机到主机的通信经过多种网络）校园网校园网校园网校园网校园网校园网国家主干网地区网地区网地区网8/11/20228第1章 计算机网络概述 因特网发展的第三阶段 ISP 网络出现；网络接入点 NAP (Network Access Point)发展；因特网逐渐演变成多级结构网络。 （主机到主机的通信经过多种 ISP）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

6、公司网络接入点NAP（对等点）8/11/20229第1章 计算机网络概述因特网的标准化： 因特网标准化工作对因特网发展起到非常重要的作用，其最大贡献就是解决了网络互通问题。因特网协会 ISOC因特网研究指导小组IRSG 因特网研究部 IRTF 因特网工程部 IETF 因特网工程指导小组IESG RGWGRG领域领域因特网体系结构研究委员会 IAB WGWGWG8/11/202210第1章 计算机网络概述1.3 网特网组成因特网的边沿部分： 客户服务器方式 客户-服务器方式（C/S） 在 TCP/IP 的应用层协议使用的是 客户-服务器方式 计算机的进程(process) 计算机的进程就是运行着

7、的计算机程序。 应用进程 为解决具体应用问题而彼此通信的进程称为应用进程。 应用层的具体内容就是规定应用进程在通信时所遵循的协议。8/11/202211第1章 计算机网络概述客户和服务器 客户(client)和服务器(server)都是指通信中所涉及的两个应用进程。 客户-服务器方式所描述的是进程之间服务和被服务的关系。 客户是服务的请求方，服务器是服务的提供方。8/11/202212第1章 计算机网络概述* 客户软件的特点 在进行通信时临时成为客户，但它也可在本地进行其他的计算；被用户调用并在用户计算机上运行，在打算通信时主动向远地服务器发起通信；可与多个服务器进行通信；不需要特殊的硬件和很

8、复杂的操作系统。* 服务器软件的特点 专门用来提供某种服务的程序，可同时处理多个远地或本地客户的请求；在共享计算机上运行，当系统启动时即自动调用并一直不断地运行着；被动等待并接受来自多个客户的通信请求；一般需要强大的硬件和高级的操作系统支持。8/11/202213第1章 计算机网络概述* 客户进程和服务器进程使用 TCP/IP 协议进行通信数据链路层物理层运输层网络层数据链路层物理层运输层网络层 客户发起连接建立请求 服务器接受连接建立请求应用层应用层因特网客户服务器以后就逐级使用下层提供的服务(使用 TCP 和 IP）8/11/202214第1章 计算机网络概述* 计算机同时运行多个服务器进

9、程 数据链路层物理层运输层网络层应用层计算机 3服务器1服务器2数据链路层物理层运输层网络层应用层计算机 1客户 1数据链路层物理层运输层网络层应用层计算机 2客户 2因特网8/11/202215第1章 计算机网络概述对等连接方式因特网的核心部分： 路由器 分组交换 路由器实现分组交换8/11/202216第1章 计算机网络概述电路交换 N 部电话机两两相连，需 N(N 1)/2对电线。这种连接方法需要的电线对的数量与电话机数的平方成正比。如：5 部电话机两两相连，需 10 对电线。 电话机的数量增多时，使用交换机来完成全网的交换任务。 交换机8/11/202217第1章 计算机网络概述 交换

10、概念： 从通信资源的分配角度来看，“交换”就是按照某种方式动态地分配传输线路的资源。 电路交换特点： 是面向连接的；电路交换有三个阶段：建立连接/ 通信/ 释放连接 示例：A、B、C、D通信(交换机交换机交换机交换机用户线用户线中继线中继线BDCA(8/11/202218第1章 计算机网络概述分组交换 分组交换采用存储转发技术。 分组概念： 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。每一个数据段前面添加上首部构成分组。 数 据数 据数 据报文首部首部首部分组 1分组 2分组 38/11/202219第1章 计算机网络概述分组的首部的作用： 每一个分组的首部都含有地址等控制信息。分

11、组交换网中的结点交换机根据收到的分组的首部中的地址信息，把分组转发到下一个结点交换机。分组交换采用存储转发技术： 用这样的存储转发方式，分组交换网以“分组”作为数据传输单元，依次把各分组发送到接收端。最后分组就能到达最终目的地。 8/11/202220第1章 计算机网络概述 分组交换网以“分组”作为数据传输单元，依次把各分组发送到接收端。 接收端收到分组后剥去首部还原成报文。数 据首部分组 1数 据首部分组 2数 据首部分组 3收到的数据8/11/202221第1章 计算机网络概述分组交换网 分组的处理交换过程H1A分组交换网BDECH5H6H4H2H3H1 向 H5 发送分组H2 向 H6

12、发送分组结点交换机主机注意分组路径的变化！8/11/202222第1章 计算机网络概述分组的存储转发过程H1A分组交换网BDECH5H6H4H2H3H1 向 H5 发送分组结点交换机主机在结点交换机 A 暂存查找转发表找到转发的端口在结点交换机 C 暂存查找转发表找到转发的端口在结点交换机 E 暂存查找转发表找到转发的端口分组最后到达目的主机 H58/11/202223第1章 计算机网络概述结点交换机 结点交换机是一台小型计算机，有多个端口，可速率转换； 在结点交换机中的输入和输出端口之间没有直接连线。 结点交换机用来进行分组交换和交换路由信息。 结点交换机处理分组的过程是： -收到的分组暂入

13、存缓存； -查找转发表，找出到某个目的地址的转发端口； -把分组送到适当的端口转发出去。主机 主机是为用户进行信息处理的，并向网络发送分组，从网络接收分组。8/11/202224第1章 计算机网络概述分组交换的优点 高效 动态分配传输带宽，对通信链路是逐段占用。 灵活 以分组为传送单位和查找路由。 迅速 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。 可靠 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。 分组交换的新问题 时延 分组在各结点存储转发时排队，造成一定的时延 。 开销 分组必须携带的首部（控制信息）造成一定的开销 。8/11/202225第1章 计算机网络概

14、述报文交换 电报通信采用了基于存储转发原理的报文交换(messageswitching)。报文交换的时延较长，从几分钟到几小时。电路交换、报文交换、分组交换的比较 电路交换优势：连续传送大量数据，传输时间远大于建立连接时间，传输速率快。 报文交换优势：不需预先分配传输带宽，传输突发数据可提高网络信道利用率。 分组交换优势：不需预先分配传输带宽，传输突发数据可提高网络信道利用率。交换时延小。8/11/202226第1章 计算机网络概述三种交换的比较 P1P2P3P4P1P2P3P4P3P4报文报文报文A B C D A B C DA B C D报文交换电路交换分组交换t连接建立数据传送报文P2P

15、1连接释放8/11/202227第1章 计算机网络概述* 以网络为中心的网络逻辑结构通信子网 传输线路（信道） 分组交换器PSE 集中器或多路转换器 分组组装/拆卸设备 PAD 网络控制中心NCC 网间连接器资源子网 主机（HOST） 终端设备 网络操作系统与网络数据库系统 PSEPSE集中器 NCC网关HOSTPAD多路器通信子网资源子网8/11/202228第1章 计算机网络概述1.4 计算机网络在我国的发展我国计算机网络的发展： (1) 中国公用计算机互联网 CHINANET (2) 中国教育和科研计算机网 CERNET (3) 中国科学技术网 CSTNET (4) 中国联通互联网 UN

16、INET (5) 中国网通公用互联网 CNCNET (6) 中国国际经济贸易互联网 CIETNET (7) 中国移动互联网 CMNET (8) 中国长城互联网 CGWNET（建设中） (9) 中国卫星集团互联网 CSNET（建设中）8/11/202229第1章 计算机网络概述1.5 计算机网络分类网络定义定义1： 利用通信设备将分散、独立的计算机系统互联，以网络软件实现资源共享和信息传递的系统 （特征：分散 独立 通信 信息交换）最简单的定义： 计算机网络是一些互相连接的、自治的计算机的集合。 因特网(Internet)是“网络的网络”。网络分类方法以网络交换功能分类 电路交换/报文交换/分组

17、交换/混合交换8/11/202230第1章 计算机网络概述* 以网络作用范围分类 广域网 WAN (Wide Area Network) 局 域网 LAN (Local Area Network) 城域网 MAN (Metropolitan Area Network) 接入网 AN (Access Network ) 网络覆盖区与数据速率的关系：局域网 城域网 广域网覆盖区 1km 100km 1000km 10000km数据速率 0.1mb/s 1mb/s 10mb/s 100mb/s 1000mb/s广域网 城域网 局域网8/11/202231第1章 计算机网络概述 广域网、城域网、接入网

18、以及局域网的关系以网络使用分类公用网 (public network) 专用网 (private network)城域网城域网接入网接入网接入网接入网接入网接入网广域网局域网局域网校园网企业网8/11/202232第1章 计算机网络概述* 以网络拓扑结构分类 网络拓扑结构星型树型总线型 环型 网状型8/11/202233第1章 计算机网络概述1.6 计算机网络主要性能性能指标:速率/ 带宽“带宽”(bandwidth) 本来是指信号具有的频带宽度，单位是赫(或千赫/兆赫/吉赫）。 现在“带宽”是数字信道所能传送的“最高数据率”的同义语，单位是“比特每秒”，或 b/s (bit/s)。常用的带宽

19、单位千比每秒，即 kb/s （103 b/s）兆比每秒，即 Mb/s（106 b/s）吉比每秒，即 Gb/s（109 b/s）太比每秒，即 Tb/s（1012 b/s） 在计算机界 K = 210 = 1024，M = 220，G = 230, T = 2408/11/202234第1章 计算机网络概述数字信号的宽度与带宽关系 （ 在时间轴上信号的宽度随带宽的增大而变窄）每秒 106 个比特时间1 0 1 0 1 11 s带宽为1 Mb/s 时间每秒 4 106 个比特0.25 s带宽为4 Mb/s 8/11/202235第1章 计算机网络概述吞吐量 时延“时延 “(delay 或 laten

20、cy) 指一个报文或分组从一个网络（或一条链路）的一端传送到一端所需要的时间。 信号具有的频带宽度， 位是赫（或千赫、兆赫、吉赫等）。发送时延（传输时延 ） 发送数据时，数据块从结点进入到传输媒体所需要的时间。 信道带宽 数据在信道上的发送速率。常称为数据在信道上的传输速率。发送时延 = 数据块长度（比特）信道带宽（比特/秒）8/11/202236第1章 计算机网络概述传播时延 电磁波在信道中需要传播一定的距离而花费的时间。处理时延 交换结点为存储转发而进行一些必要的处理所花费的时间。 结点缓存队列中分组排队所经历的时延是处理时延中的重要组成部分。 处理时延的长短往往取决于网络中当时的通信量。

21、有时可用排队时延作为处理时延。总时延 数据经历的总时延就是发送时延、传播时延和处理时延之和：传播时延 = 信道长度（米）信号在信道上的传播速率（米/秒）总时延 = 发送时延 + 传播时延 + 处理时延8/11/202237第1章 计算机网络概述时延带宽积和往返时延时延带宽积链路的时延带宽积又称为以比特为单位的链路长度往返时延 RTT (Round-Trip Time) 表示从发送端发送数据开始，到发送端收到来自接收端的确认（接收端收到数据后立即发送确认），总共经历的时延。非性能特征:时延带宽积 = 传播时延 带宽（传播）时延链路带宽8/11/202238第1章 计算机网络概述1.7 计算机网络

22、体系结构网络体系结构形成协调 相互通信两个计算机系统必须高度协调工作。分层 “分层”可将庞大而复杂的问题，转化为若干较小的局部问题，较易于研究和处理互联 （OSI /RM） 只要遵循 OSI 标准，一个系统就可以和位于世界上任何地方的、也遵循这同一标准的其他任何系统进行通信。 ISO 的 OSI /RM最大贡献： -解决互联问题。8/11/202239第1章 计算机网络概述国际标准 国际标准 OSI /RM只获得理论研究成果，并没有得到市场的认可。 TCP/IP 现在是获得了最广泛的应用。被称为事实上的(de facto) 国际标准。划分层次的必要性规则 计算机网络中的数据交换必须遵守事先约定

23、好的规则。这些规则明确规定了所交换的数据的格式以及有关的同步问题（同步含有时序的意思）。网络协议 为进行网络中的数据交换而建立的规则、标准或约定即网络协议(network protocol)，简称为协议。8/11/202240第1章 计算机网络概述协议三要素： 语法 数据与控制信息的结构或格式 。 如何讲 语义 需要发出何种控制信息，完成何种动作以及做出何种响应。讲什么（解释） 同步 事件实现顺序的详细说明 如何做（时序）层次结构的概念 分层法（层次结构模型） 第N层 (N)服务 对等实体 层间接口 层次无关性系统A 系统B 系统CN+1子系统N+1NN实体N子系统N-1物理介质8/11/20

24、2241第1章 计算机网络概述层次结构的示例 计算机 1 向计算机 2 通过网络发送文件。 工作划分： 第一类工作与传送文件直接有关（确信对方做好接收和存储的准备，协调文件格式等），两计算机交换文件。 最高的一层设计文件传送模块（剩下的工作由下面的模块负责）文件传送模块计算机 1计算机 2文件传送模块文件传送模块的文件及文件传送命令是按照水平方向的虚线传送把文件交给下层模块进行发送把收到的文件交给上层模块虚通信8/11/202242第1章 计算机网络概述 第二类工作保证文件和文件命令可靠地传送到对方，为上一层交换文件提供通信服务 下一层设计通信服务模块文件传送模块计算机 1计算机 2文件传送模

25、块通信服务模块直接把文件可靠地传送到对方把文件交给下层模块进行发送把收到的文件交给上层模块通信服务模块通信服务模块虚通信8/11/202243第1章 计算机网络概述 第三类工作负责做与网络接口细节有关的工做，向上一层提供服务（例如，规定传输的帧格式，帧的最大长度等。 ） 再下一层设计网络接入服务模块文件传送模块计算机 1计算机 2文件传送模块通信服务模块通信服务模块网络接入模块网络接入模块通信网络网络接口网络接口8/11/202244第1章 计算机网络概述分层的好处与分层原则 好处： 各层之间是独立的； 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。 原则：层数适当。 若层

26、数太少，就会使每一层的协议太复杂。 层数太多又会在描述和综合各层功能的系统工程任务时遇到较多的困难。8/11/202245第1章 计算机网络概述计算机网络的体系结构(architecture) 网络的体系结构是计算机网络的各层及其协议的集合。 （网络体系结构=层次化的结构模型+网络协议） 体系结构就是这个计算机网络及其部件所应完成的功能的精确定义。 实现(implementation)是遵循这种体系结构的前提下用何种硬件或软件完成些功能的问题。 体系结构是抽象的，而实现则是具体的，是真正在运行的计算机硬件和软件8/11/202246第1章 计算机网络概述开放系统互连参考模型 OSI/RM（七层

27、协议）OSI/RM 提出 OSI/RS定义 开放实系统OSI/RM各层功能划分 物理层 数据链路层 网络层 传输层 会晤层 表示层 应用层物理介质（实通信）帧分组报文中继应用层协议表示层协议会晤层协议应用层表示层会晤层传输层网络层数据链路层物理层7654321比特8/11/202247第1章 计算机网络概述OSI/RM的若干基本概念对等实体间的通信 对等层通信-协议是“水平的”，控制对等实体间通信。 相邻层通信-服务是“垂直的”，由下层向上层通过层间接口提供。信息流： APS 从7-1-7 到 APd数据单元： 比特/帧/分组/报文）帧分组报文数据单元虚通信源目标数据单元数据单元数据单元数据单

28、元数据单元数据单元数据单元LSMLSMAPdAPS物理介质（实通信）11223345566774比特8/11/202248第1章 计算机网络概述数据单元 服务数据单元 SDU 定义（N）SDU 协议数据单元 PDU 定义（N）PDU 组成 (N)PDU=(N)PCI+(N)UD 接口数据单元 IDU 定义（N）IDU 组成 (N)IDU=(N)ICI+(N)ID SDP PDU IDU 间的关系(N)SDU(N)SDU(N)SAP服务访问点 (N)PDU(N)ICI(N)ICI(N+1)PCI (N+1)UD (N+1)PDUN+1层(N-1)SDUN-1层（N）UD(N)PCIN 层（N）ID（N)IDU8/11/202249第1章 计算机网络概述实体、协议、服务和服务访问点实体(entity) 实体表示任何可发送或接收信息的硬件或软件进程。协议 协议是控制两个对等实体进行通信的规则的集合。协议是“水平的”，协议是控制对等实体间通信的规则。 服务 在协议的控制下，两个对等实体间的通信使得本层能够向上一层提供服务。服务是“垂直的”，即服务是由下层向上层通过层间接口提供的。 要实现本层协议，还需要使用下层所提供的服务。 本层的服务用户只能看见服务而无法看见下面的协议。下面的协议对上