计算机网络 教学课件 高殿武 王昊 王登科等 第1章 计算机网络概论

1、在线教务辅导网： :/教材其余课件及动画素材请查阅在线教务辅导网QQ:349134187 或者直接输入下面地址：本章学习要求：掌握：计算机网络的定义和发展 掌握：计算机网络的分类掌握：计算机网络的组成与逻辑结构掌握：计算机网络体系结构的基本概念与原理了解：计算机网络标准化组织 掌握：计算机网络的几个重要性能参数的概念实践: 网络实际考察实例 第一章 计算机网络概论介绍：计算机网络在信息时代的作用21世纪的一些重要特征：数字化、网络化、信息化网络为核心网络是指电信网络、有线电视网络和计算机网络。这三种网络通常简称为“三网”。典型代表：因特网(Internet) 1.1 计算机网络的定义和发展 1

2、.1.1 计算机网络的定义 资源共享观点将计算机网络定义为：以能够相互共享资源的方式互联起来的自治计算机系统的集合。四个方面来理解：（1）计算机网络建立的主要目的是实现资源共享。资源共享：硬件资源共享和软件资源共享要实现这一目的，网络中需配备功能完善的网络软件 （2）互联的计算机是分布在不同地理位置的多台独立的“自治计算机”。主机（Host） 结点（Node）或节点（3）网络中各结点之间的连接需要有一条通道，即，由传输介质实现物理互联。 （4）联网计算机之间的通信必须遵守共同的网络协议。 任何一种新技术的出现都必须具备两个条件：一是强烈的社会需求，二是前期技术的成熟。1.1.2 计算机网络的发

3、展 第一阶段（始于20世纪50年代初）：以单个计算机为中心的远程联机系统面向终端的计算机通信网第二阶段（始于20世纪60年代末）：多台主机通过通信线路互联资源共享的计算机网络第三阶段（始于20世纪70年代末）：具有统一的网络体系结构、遵循国际标准化协议的计算机网络第四阶段（始于20世纪80年代末）：向互连、高速方向发展的计算机网络计算机网络发展可分为四个阶段其基本特征：地理位置分散的多个终端一台中心计算机面向终端的计算机通信网 单机系统与多机系统 1面向终端的计算机通信网 通信线路单机系统两个主要缺点多机系统对单机系统的改善背景：资源共享需求典型代表：ARPANET 、公用数据网 、局域计算机

4、网络 2多台主机通过通信线路互联的计算机网络 美国国防部高级研究计划局（Advanced Research Projects Agency，ARPA）研制 在1969年ARPANET只有个结点1973年ARPANET发展到40个结点1983年已经达到100多个结点ARPANET通过有线、无线与卫星通信线路，使网络覆盖了从美国本土到欧洲的广阔地域。ARPANET是计算机网络技术发展的一个重要里程碑ARPANET（1）完成了对计算机网络定义、分类与子课题研究内容的描述（2）提出了资源子网、通信子网的两级网络结构的概念（3）研究了报文分组交换的数据交换方法（4）采用了层次结构的网络体系结构模型与协议

5、体系（5）促进了TCP/IP协议的发展（6）为Internet的形成与发展奠定了基础ARPANET主要贡献 在20世纪70年代中期，世界上便出现了由邮电部门或通信公司统一组建和管理的公用分组交换网，即公用数据网（Public Data Network，PDN）。 采用的技术公用数据网在20世纪70年代初期，一些大学和研究所为实现实验室或校园内多台计算机共同完成科学计算与资源共享的目的，开始了局域计算机网络的研究背景1972年美国加州大学研制了Newhall环网1976年美国Xerox公司研究了总线拓扑的实验性Ethernet网1974年英国剑桥大学研制了Cambridge Ring环网局域计算

6、机网络计算机网络的体系结构与协议的标准研究和制定IBM公司的系统网络体系结构（System Network Architecture，SNA）、DEC公司的数字网络体系结构（Digital Network Architecture，DNA）UNIVAC公司的分布式计算机体系结构（Distributed Computer Architecture，DCA）不同公司网络体系结构与协议标准不统一，将会限制计算机网络自身的发展和应用，网络体系结构与网络协议必须走国际化、标准化道路 3遵循国际标准化协议的计算机网络 国际标准化组织ISOInternational Organization for Sta

7、ndardization1984年ISO正式颁布了一个称为“开放系统互连基本参考模型”的国际标准 ISO/OSI参考模型与协议的研究成果对推动网络体系结构理论的发展起了很大的作用。国际标准与业内事实标准 OSI RM（Open System Interconnection Basic Reference Model） 在1969年ARPANET的实验性阶段：研究人员就开始了TCP/IP协议雏形的研究在1979年：越来越多的研究人员投入到TCP/IP协议的研究与开发中在1980年前后：ARPANET所有的主机都转向了TCP/IP协议到1983年1月：ARPANET向TCP/IP的转换全部结束TC

8、P/IP协议与体系结构 业内事实标准：在ISO/OSI参考模型制定过程中，TCP/IP协议已经成熟并开始应用，且赢得了大量的用户和投资TCP/IP协议的成功促进了Internet的发展，Internet的发展又进一步扩大了TCP/IP协议的影响IBM、DEC等大公司纷纷宣布支持TCP/IP协议，网络操作系统与大型数据库产品都支持TCP/IP协议。 TCP/IP协议与体系结构 20世纪80年代：在局域网技术领域中以太网（Ethernet）令牌总线（token bus）令牌环（token ring）产品形成三足鼎立之势，并且已经形成了相应的国际标准局域网国际标准 FDDI采用光纤作为传输介质的光纤

9、分布式数据接口（Fiber Distributed Data Interface，FDDI）产品在高速与主干网应用方面起了重要的作用。在20世纪90年代：局域网技术在传输介质、网络操作系统与客户机/服务器计算模式等方面取得了重要进展。 局域网国际标准 Internet被广泛应用信息高速公路NII1993年9月美国公布了国家信息基础设施（National Information Infrastructure，NII）建设计划，NII被形象地称为信息高速公路。Internet 2与NGI美国政府又分别于1996年和1997年开始研究发展更加快速可靠的互联网2（Internet 2）和下一代互联网（

10、Next Generation Internet）4. 互联网络与高速网络 高速网络技术迅速发展宽带综合业务数字网ISDN异步传输模式ATM高速局域网、交换局域网与虚拟网络基于光纤通信技术的宽带局域网与宽带接入网技术 4. 互联网络与高速网络 分类的标准不同，类别也不一样。按覆盖的地理范围划分，计算机网络可以分为以下3类：局域网（Local Area Network，LAN）城域网（Metropolitan Area Network，MAN）广域网（Wide Area Network，WAN）。 1.2 计算机网络分类1.2.1 按网络的覆盖范围进行分类 局域网用于将有限范围内（如一个实验室，

11、一幢大楼，一个校园）的各种计算机、终端与外部设备互联成网。从局域网应用的角度看，局域网的技术特点主要表现在以下几个方面：（1）局域网覆盖有限的地理范围（2）局域网提供高数据传输速率（10Mb/s10Gb/s）、低误码率（一般在10-810-11之间）的高质量数据传输环境1局域网 （3）局域网一般属于一个单位所有，易于建立、维护与扩展（4）从介质访问控制方法的角度，局域网可分为：共享介质式局域网交换式局域网两类局域网还可以用于：个人计算机局域网大型计算设备群的后端网络存储区域网络高速办公室网络企业与学校的主干局域网城市地区网络常简称为城域网城域网是介于广域网与局域网之间的一种高速网络城域网设计的

12、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联的需求从技术上看，很多城域网采用的是以太网技术，由于城域网与局域网使用相同的体系结构，一般并入局域网进行讨论2城域网 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，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它将分布在不同地区的计算机系统互联起来，达到资源共享的目的3广域网 在通信技术中，通信信道的类型有两类：广播通信信道点对点通信信道计算机网络所采用的传输技术也只可能有两类：广播方式点对点方式相应的计算机网络也可以分为两类：广播式网络与点对点式网络1.2.2 按网络

13、传输技术进行分类 当一台计算机利用共享通信信道发送报文分组时，所有其他的计算机都会“收听”到这个分组目的地址与源地址接收规则 在广播式网络中，发送的报文分组的目的地址可以有3类：单一结点地址多结点地址广播地址1广播式网络 在点对点式网络中，每条物理线路连接一对计算机假如两台计算机之间没有直接连接的线路，那么它们之间的分组传输就要通过中间结点的接收、存储与转发，直至目的结点采用分组存储转发与路由选择机制是点对点式网络和广播式网络的重要区别之一 2点对点式网络 公用网（public network）简称公网，是指国家的电信公司（国有或私有）出资建造的大型网络 “公用”的意思就是所有愿意按电信公司的

14、规定交纳费用的人都可以使用，因此公用网也称为公众网。 1.2.3 按网络的使用者进行分类1公用网 专用网（private network）简称专网，是某个部门为单位的特殊业务工作的需要而建造的网络这种网络不向本单位以外的人提供服务2专用网 对等网：最简单的网络网络中不需要专门的服务器，接入网络的每台计算机没有工作站和服务器之分，都是平等的比较适合于部门内部协同工作的小型网络，适于小于 10 台的网络连接1.2.4 按网络的管理方式分类 1对等网络 对等网络优点：组建简单不需要专门的服务器各用户分散管理自己机器的资源，因而网络维护容易缺点：较难实现数据的集中管理与监控整个系统的安全性较低1.2.

15、4 按网络的管理方式分类 1对等网络 在客户机/服务器网络中（简称C/S结构）：有一台或多台高性能的计算机专门为其它计算机提供服务，这类计算机称之为服务器其他与服务器相连的用户计算机通过向服务器发出请求可获得相关服务，这类计算机称之为客户机一般实现某种服务时，服务器端的安装软件和客户端的安装软件不同2客户机/服务器网络（Client/Server） C/S方式是最常用、最重要的一种网络类型，不仅适合于同类计算机联网，也适合于不同类型的计算机联网优点：适用于较大网络，便于网络管理员管理缺点：服务器操作与应用较复杂随着Internet技术的发展与应用，出现的一种对C/S结构的改进结构：B/SB/S

16、中：客户机上只要安装一个浏览器（Browser），如Netscape Navigator或Internet Explorer服务器安装Oracle、Sybase、Informix或SQL Server等数据库浏览器通过Web Server与数据库进行数据交互浏览器/服务器结构B/S（Browser/Server） B/S最大的优点：可以在任何地方进行操作而在客户端不用安装任何专门的软件只要有一台能上网的电脑就能使用，客户端零维护系统的扩展非常容易，只要能上网，再由系统管理员分配一个用户名和密码，就可以使用了浏览器/服务器结构B/S（Browser/Server） 拓扑 计算机网络拓扑结构：在计

17、算机网络中，为了便于对计算机网络的结构进行研究和设计，人们借用拓扑学的概念，通常把计算机、终端、通信处理机等设备抽象为“点”，把连接这些设备的通信线路抽象为“线”，并将这些“点”和“线”构成的拓扑称为计算机网络拓扑结构。在实际应用中，网络的拓扑结构往往指网络的物理结构或逻辑结构1.2.5 按网络的拓扑结构进行分类 结点与链路：计算机及通信设备是拓扑结构中的结点（也称节点），两个结点间的连线称为链路计算机网络拓扑结构反映了：计算机网络中各设备结点之间的内在结构关系，对计算机网络的性能、网络的可靠性与通信费用都有很大的影响构建网络时要慎重考虑选择哪种网络拓扑结构。常见的计算机网络拓扑结构：总线型、

18、星型、环型、树型和网状型星型、总线型、环型是三种基本的拓扑结构结构特点、传输特点、优缺点讨论 计算机网络组成：网络硬件网络软件从逻辑功能上典型的计算机网络又可分为（逻辑组成）：资源子网通信子网1.3 计算机网络的组成 网络硬件包括：计算机系统服务器工作站传输介质有线传输介质有线传输介质包括同轴电缆、双绞线和光纤无线传输介质无线传输介质包括无线电波、微波、红外线和激光网络设备调制解调器、网卡、集线器、中继器、交换机、路由器、网关等1.3.1 网络硬件和网络软件 网络软件网络操作系统网络协议和通信软件网络管理及网络应用软件计算机网络要完成两大基本功能：数据处理数据通信计算机网络在逻辑结构上必然分成

19、两个部分：负责数据处理的主计算机与终端，即资源子网资源子网负责全网的数据处理业务，向网络用户提供各种网络资源与网络服务负责数据通信的通信控制处理机（Communication Control Processor，CCP）与通信线路，即通信子网通信子网完成网络数据传输、转发等通信处理任务1.3.2 资源子网和通信子网 资源子网：主计算机系统终端终端控制器联网外设各种软件资源与信息资源通信子网：通信控制处理机通信线路其他通信设备1.3.2 资源子网和通信子网 需要指出的是：广域网可以明确的划分出资源子网与通信子网局域网由于采用的工作原理与结构的限制，不能明确地划分出资源子网与通信子网随着微型计算机

20、的广泛应用，现代网络结构已经发生变化：大量的微型计算机通过局域网连入广域网，而局域网与广域网、广域网与广域网的互联是通过路由器实现的。 为网络数据交换而制定的规则、约定与标准被称为网络协议（protocol）网络协议主要由以下三个要素组成：（1）语法：是用户数据与控制信息的结构与格式（2）语义：是需要发出何种控制信息，以及要完成的动作与应做出的响应（3）时序：是对事件实现顺序的说明，解决何时进行通信的问题1.4 计算机网络体系结构 1.4.1 协议与层次 1网络协议的概念 2协议的组织与分层 对于非常复杂的计算机网络协议，其组织结构应该是层次化的（即分层的），否则网络协议的设计由于过于复杂而无

21、法实现。层次化的思想 （1）各层之间是独立的实现接口服务复杂问题分解（2）灵活性好层内变化允许对某一层提供的服务的修改网络分层可以带来的很多好处 （3）结构上可分割开各层都可以采用最合适的技术来实现（4）易于实现和维护因为整个的系统己被分解为若干个相对独立的子系统（5）能促进标准化工作因为每一层的功能及其所提供的服务都已有了精确的说明分层时应注意的问题 （1）差错控制（2）流量控制（3）分段和重装（4）复用和分用（5）连接建立和释放（6）寻址网络各层所要完成的主要功能 网络体系结构（Network Architecture）：网络层次模型和各层协议的集合，它是计算机网络及其构件所应完成的功能的

22、精确定义实现（Implementation）问题 3网络体系结构的概念 4层次模型 （1）实体：在每一层中，任何可以发送或接收信息的硬件或软件进程称为实体实体在许多情况下是一个特定的软件模块不同结点上位于同一层次、完成相同功能的实体被称为对等实体（2）服务：在网络分层模型中，每一层为相邻的上一层所提供的功能称为服务层次模型中的一些概念（3）协议：协议是控制两个（或多个）对等实体进行通信的规则的集合（4）接口：在同一系统中，相邻两层的实体交换信息的地方称为接口或服务访问点SAP（Service Access Point） 服务是垂直的服务定义了两层之间的接口上层是服务对象（用户），下层是服务提供

23、者协议是水平的协议是定义同层对等实体之间交换的帧、包（分组）和报文的格式及意义的一组规则协议和服务的关系 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要实现本层协议，还需要使用下面一层所提供的服务只要不改变提供给用户的服务，实体可以任意地改变它们的协议协议和服务的关系 服务用户与服务提供者之间要进行交互，交互的信息称为服务原语。 任何相邻两层之间的关系 主机A和主机B通过网络进行的通信 在物理传输媒体（也叫传输介质）上的实通信基础上，通过对等层（peer layers）之间的虚通信来完成的（对等通信）1.4.2 OSI与TCP/IP模型1OSI模型 7层由低3层（物理层、数

24、据链路层和网络层）一起组成通信子网，高3层（会话层、表示层和应用层）一起组成资源子网，中间的传输层起着“承上启下”的作用开放 OSI失败的原因 OSI模型最重要的贡献：将服务、接口、协议3个概念区分清楚 2TCP/IP协议与五层模型 （1）开放、免费（2）独立于特定的计算机硬件与操作系统（3）独立于特定的网络硬件可以运行在局域网、广域网，更适用于互联网中（4）统一的网络地址分配方案整个TCP/IP设备在网络中都具有唯一的地址（5）标准化的高层协议，可以提供可靠的用户服务TCP/IP协议主要有以下几个特点 （6）在服务、接口与协议的区别上不很清楚（7）TCP/IP模型不适合于其它非TCP/IP协

25、议族（8）主机网络层问题（9）物理层与数据链路层的划分问题核心特点：开放、简单、实用、兼容从目前的计算机网络技术来看，所采用的是一种五层的协议结构：网络层、传输层和应用层采用TCP/IP协议栈数据链路层和物理层协议标准由不同的组织或厂商制订五层模型 应用层的基本任务和功能：直接为用户的应用进程提供服务应用层包括了所有的高层协议，并且总是不断有新的协议加入。Telnet File Transfer Protocol，FTPSimple Mail Transfer Protocol，SMTPDomain Name System，DNS Simple Network Management Proto

26、col，SNMP Hyper Text Transfer Protocol，HTTP 3五层模型各层的主要功能（1）应用层（Application Layer） 传输层的基本任务和功能：在源主机与目的主机的对等实体间建立用于会话的端到端连接负责向两个主机中进程之间的通信提供服务传输层的复用和分用的功能：复用：多个应用层进程可同时使用下面传输层的服务分用：传输层把收到的信息分别交付给上面应用层中的相应的进程（2）传输层（Transport Layer） 面向连接 可靠的，即有差错控制和流量控制 字节流数据单元：报文段Transmission Control Protocol，TCP无连接 不可靠

27、 主要用于：不要求分组顺序到达的传输中，分组传输顺序检查与排序由应用层完成也被广泛地应用于只有一次的客户服务器模式的请求应答查询快速递交比准确递交更重要的应用程序 数据传输的单位是用户数据报 User Datagram Protocol，UDP 网络层基本任务和功能：为分组交换网上的不同主机提供通信服务即将源主机的报文分组发送到目的主机，源主机与目的主机可以在一个网上，也可以在不同的网上网络层的主要功能包括以下几点：处理来自传输层的报文段或用户数据报发送请求处理接收的数据报 处理互联的路由选择、流量控制与拥塞问题数据单元： IP数据报 、数据报分组和包（3）网络层（Network Layer）

28、 IP协议：一种提供不可靠、无连接的数据报传送服务的协议，它提供的是一种“尽力而为（best-effort）”的服务。网络层也叫做网络互连层、网际层或IP层 IP（Internet Protocol）协议 数据链路层基本任务和功能：将物理层提供的可能出错的物理连接改造成为逻辑上无差错的数据链路，向网络层提供透明的、可靠的数据传送服务链路：从一个结点到相邻结点的一段物理线路一条链路只是一条通路的组成部分，因此，链路又称为物理链路将实现规程和协议的硬件和软件加到物理线路上，这样就构成了数据链路数据单元：帧 （4）数据链路层（Data Link Layer） 链路管理 帧的封装帧的同步 差错控制 流

29、量控制 透明传输 物理寻址数据链路层必须具有以下主要功能 物理层的基本任务和功能：利用传输介质为通信的网络结点之间建立、管理和释放物理连接并实现比特流的透明传输为数据链路层提供数据传输服务物理层的数据传输单元：比特（bit）（5）物理层（Physical Layer） 典型问题：用多少伏特电压表示“1”，多少伏特电压表示“0”一个比特持续多少微秒传输是否在两个方向上同时进行最初的物理连接如何建立和完成，通信后连接如何终止网络接插件有多少针以及各针的用途处理接口的4个基本功能特性：机械的、电气的、功能的和规程的功能特性物理传输介质 （5）物理层（Physical Layer） 在五层的体系结构中

30、各层协议间的关系 1.4.3 具有五层的体系结构数据的传输 五层体系结构同样采用对等通信的模式，其数据的传输过程可以总结：源主机的封装，再通过物理层的实通信到达目的主机，并在目的主机进行解封装（也叫拆装）的过程相同的两个层被叫做“对等层”，各层协议实际上就是在各个对等层之间传递数据时的各项规定计算机网络中的标准可以分为两大类：事实标准法定标准1.5 标准化组织 1国际电信联盟ITU（International Telecommunication Union）ITU-T的任务是制定 、电报和数据通信接口的技术建议例如：V系列建议和X建议，、ITU有3个主要部门：（1）无线通信部门（ITU-R）（

31、2）电信标准化部门（ITU-T）19531993年，ITU-T曾被称为CCITT（国际电报 咨询委员会）（3）开发部门（ITU-D）1.5.1 电信界最有影响的组织 2电子工业协会EIA（Electronic Industries Association）EIA的成员包括电子公司和电信设备制造商EIA主要定义设备间的电气连接和数据的物理传输如RS-232（或称EIA-232） 1国际标准化组织ISO（International Standards Organization）国际标准是由国际标准化组织ISO制定的，它是在1946年成立的一个自愿的、非条约的组织例如：计算机网络的七层模型 2美国国

32、家标准协会ANSI（American National Standards Institute）美国在ISO中的代表是美国国家标准协会ANSI 典型应用有：美国标准信息交换码（ASCII）和光纤分布式数据接口（FDDI）等 1.5.2 国际标准界最有影响的组织 3电器和电子工程师协会IEEE （Institute of Electrical and Electronics Engineers） IEEE是世界上最大的专业组织，建会于1963年，由从事电气工程、电子和计算机等有关领域的专业人员组成，是世界上最大的专业技术团体。每年出版大量的杂志和召开很多次会议IEEE下设许多专业委员会，其定义或

33、开发的标准在工业界有极大的影响和作用力例如IEEE802系列，就是关于局域网的标准。计算机网络的性能一般是用几个重要的性能指标来衡量。除了这些性能指标外，还有一些非性能特征也对计算机网络的性能有很大的影响例如网络的价格、网络的质量、是否遵循通用的国际标准、可靠性、可扩展性和可升级性、是否易于管理和维护等1.6 计算机网络的性能特性 网络技术中的速率：连接在计算机网络上的主机在数字信道上传送数据的速率，它也称为数据率（data rate）或比特率（bit rate）单位：b/s 、bps 、kb/s、Mb/s，Gb/s，Tb/s 1.6.1 速率与带宽 1速率 （1）信号的带宽：该信号所包含的各种不同频率成份所占据的频率范围例如，在传统的通信线路上传送的 信号的标准带宽是（从300 Hz到3.4 kHz）。这种意义的带宽的单位：赫（或千赫、兆赫、吉赫等）。（2）计算机网络的带宽：用来表示网络的通信线路所能传送数据的能力网络带宽表示在单位时间内从网络中的某一点到另一点所能通过的“最高数据率”这种意义的带宽的单位：b/s。2带宽 延迟（delay或latency）：指数据（一个报文或分组