计算机网络-教学课件-2

1、第一章 计算机网络概述第一章 计算机网络概述1 计算机网络在信息时代的作用2 计算机网络的发展过程3 计算机网络的定义和分类4 计算机网络的主要性能指标5 计算机网络协议与体系结构6 本章小结7 本章作业1 计算机网络在信息时代的作用21世纪的特征：数字化、网络化和信息化它是以网络为核心的信息时代农业时代工业时代信息时代三网融合：电信网络（电话、传真等）有线电视网络（单向电视节目的传送）计算机网络发展最快、核心作用1 计算机网络在信息时代的作用20世纪90年代，因特网（Internet）从最初的教育科研网络逐步发展成为商业网络成为仅次于全球电话网的世界第二大网络自印刷术以来人类通信方面最大的变

2、革人们的生活、工作、学习和交往都离不开它1 计算机网络在信息时代的作用20世纪90年代，因特网（Internet）2 计算机网络的发展过程计算机网络的产生计算机与通信技术相互渗透、紧密结合一方面，计算机技术渗透到通信技术中，提高了通信网络的各种性能另一方面，通信技术为计算机之间的数据传递和数据交换提供了必要的手段交换：按照某种方式动态地分配传输线路资源实现交换的方法电路交换报文交换分组交换2 计算机网络的发展过程早期：面向终端的计算机通信网50年代，计算机诞生不久，极其昂贵的资源以单个计算机为核心，采用电路交换方式保护计算机线路控制器计算资源重用多重线路控制器计算资源专用前端处理机阶段1阶段2

3、阶段3降低通信负担集中器阶段42 计算机网络的发展过程早期：面向终端的计算机通信网50年代，计算机诞生不久，极其昂贵的资源以单个计算机为核心，采用电路交换方式阶段1阶段2阶段3阶段42 计算机网络的发展过程早期：面向终端的计算机通信网50年代，计算机诞生不久，极其昂贵的资源以单个计算机为核心，采用电路交换方式阶段1阶段2阶段3阶段42 计算机网络的发展过程早期：面向终端的计算机通信网50年代，计算机诞生不久，极其昂贵的资源以单个计算机为核心，采用电路交换方式阶段1阶段2阶段3阶段42 计算机网络的发展过程早期：面向终端的计算机通信网50年代，计算机诞生不久，极其昂贵的资源以单个计算机为核心，采

4、用电路交换方式阶段1阶段2阶段3阶段42 计算机网络的发展过程电路交换工作方式建立连接传输数据释放连接交换机2 计算机网络的发展过程电路交换工作方式建立连接传输数据释放连接交换机2 计算机网络的发展过程电路交换工作方式建立连接传输数据释放连接交换机2 计算机网络的发展过程电路交换工作方式建立连接传输数据释放连接交换机2 计算机网络的发展过程电路交换的特点 在通信的全部时间内，用户始终占用端到端的固定传输带宽，面向连接的（connection-oriented）设备及操作简单线路接通后，数据直通，延时小信息能按顺序传送接通线路时间较长接通后，线路独占，效率低，费用高 不适合计算机网络：突发性、利

5、用率低2 计算机网络的发展过程解决办法：存储转发（报文交换）整个Message（报文）作为整体一起发送节点A节点C节点D节点G节点E节点B节点FMM2 计算机网络的发展过程报文交换的优点：通信线路的利用率高报文交换的缺点报文大小不一，缓冲区管理复杂大报文存储转发的延时过长出错后整个报文全部重发解决办法：分组交换 将报文划分为较小的数据单元分组，每个分组作为独立的信息单位发送。结点交换机进行存储、转发和路由选择。2 计算机网络的发展过程分组交换原理在发送端，有一个较长的报文。报文1111010假定这个报文较长不便于传输2 计算机网络的发展过程分组交换原理先把长报文划分成较短的、固定长度的数据段。

6、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 3请注意：现在左边是“前面”2 计算机网络的发展过程分组交换原理分组交换网以“分组”作为数据传输单元。依次把各分组发送到接收端。数 据首部分组 2数 据首部分组 3数 据首部分组 12 计算机网络的发展过程分组交换原理分组交换网以“分组”作为数据传输单元。依次把各分组发送到接收端。数 据首部分组 1数 据首部分组 2数 据首部分组 32 计算机网络的发展过程分组交换原理在接收端收到分组后剥去首部后还原成报文。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2 计算机网络的发展过程分组交换

7、原理分组交换网中的结点交换机根据分组首部中的地址信息，把分组转发到下一个结点交换机MMMACBDEM2 计算机网络的发展过程分组交换方式数据报（datagram）方式 通信时不必事先建立一条连接，可以随时发送数据，无连接的（connectionless）虚电路（virtual circuit）方式 通信时同样存在建立连接、传送数据、断开连接，面向连接的（connection-oriented）2 计算机网络的发展过程分组交换的优点高效动态分配传输带宽，逐段占用通信链路灵活为每一个分组独立地选择转发路由迅速不必先建立连接就能向其它主机发送分组；充分使用链路带宽可靠完善的网络协议；自适应的路由选择

8、协议使网络有很好的生存性2 计算机网络的发展过程电路交换、报文交换、分组交换比较P1P2P3P4P1P2P3P4P3P4报文报文报文报文交换电路交换分组交换t连接建立数据传送报文P2P1连接释放ABCDABCDABCD2 计算机网络的发展过程分组交换对计算机网络的影响主机终端以主机为中心以网络为中心主机分组交换网2 计算机网络的发展过程分组交换对计算机网络的影响2 计算机网络的发展过程因特网（Internet）的发展历程阶段一：从单个网络ARPANET向互联网发展 1969年， ARPANET诞生，单一的分组交换试验网研究多种网络互连技术1983年 ，TCP/IP 协议成为ARPANET的标准

9、协议同年，ARPANET分成两个网络：ARPANET进行实验研究用的科研网MILNET军用计算机网络19831984 年，形成了因特网 Internet1990 年 ，ARPANET 正式宣布关闭2 计算机网络的发展过程因特网（Internet）的发展历程阶段二：建成三级结构的因特网 1986 年，NSF 建立了国家科学基金网NSFNET，三级计算机网络：主干网地区网校园网1991 年，美国政府决定将因特网主干网转交给私人公司经营，并开始对接入因特网的用户收费。1993 年因特网主干网的速率提高到 45 Mb/s（T3 速率）。2 计算机网络的发展过程三级结构的NSFNET校园网校园网校园网校

10、园网校园网校园网国家主干网地区网地区网地区网2 计算机网络的发展过程因特网（Internet）的发展历程阶段三：多级结构的因特网的形成 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。1994 年至今，因特网逐渐演变成多级结构网络。2 计算机网络的发展过程多级结构的Internet网络接入点NAP国家主干网

11、（主干ISP）地区ISP本地ISP校园网、企业网或PC机上网用户2 计算机网络的发展过程多级结构的Internet大公司地区 ISP网络接入点NAP（对等点）公司企业网主干服务提供者企业网校园网校园网企业网本地 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）3 计算机网络的定义和分类 计算机网络指将地理位置不同，并具有独立功能的多个计算机系统通过通信设备和线路连接起来，在网络协议、网络管理软件及网络操作系统等网络软件的管理和协调下，实现资源共享和信息传递的计算机系统。计算机网络的基本特征计算机资源共享自治计算机统一的通信协议3 计算机网

12、络的定义和分类计算机网络的基本特征计算机资源共享3 计算机网络的定义和分类计算机网络的基本特征计算机资源共享联网打印3 计算机网络的定义和分类计算机网络的基本特征计算机资源共享信息共享3 计算机网络的定义和分类计算机网络的基本特征计算机资源共享信息共享3 计算机网络的定义和分类一个简单的计算机网络3 计算机网络的定义和分类一个相对复杂的计算机网络3 计算机网络的定义和分类计算机网络的基本特征自治计算机3 计算机网络的定义和分类计算机网络的基本特征统一的通信协议3 计算机网络的定义和分类计算机网络与分布式系统的区别计算机网络是自主计算机的互联集合，用户必须指定网络中哪一台计算机来完成什么操作，操

13、作系统不提供透明性。分布式系统通常也给予自主计算机的互联，但由一个操作系统统一管理，对用户来说，具有高度的整体性和透明性。物理结构基本相同，高层软件不同；3 计算机网络的定义和分类基于网络的交换功能的分类电路交换报文交换分组交换混合交换3 计算机网络的定义和分类基于网络使用者的分类企业网络（专用网 private network ）公众网络（公用网 public network ） 3 计算机网络的定义和分类基于网络使用者的分类企业网络资源共享：网上的资源，无论在哪，都可随时取用高可靠性：任何资源都可有多个副本节约经费：不必每台自主计算机上都配备所有的软硬件资源3 计算机网络的定义和分类基于网

14、络使用者的分类企业网络硬件平台3 计算机网络的定义和分类基于网络使用者的分类公众网络公众网络首先是一个互联网访问远程信息：Web Server的浏览、网上购物个人间的通信：E-Mail BBS交互式娱乐：网上游戏、VOD点播3 计算机网络的定义和分类基于网络使用者的分类互联网络硬件平台3 计算机网络的定义和分类基于传输技术的分类广播式网络 所有计算机共享一个公共信道，一个计算机发送报文，其它计算机都能“收听”到，若报文中的目的地址与本节点相同，则接收，否则放弃点到点式网络全连接结构 每一节点和其它所有节点都有通信线路直接连接，无需路由选择，通信方便，但网络连接复杂，代价高昂部分连接结构 采用分

15、组存储转发与路由选择技术3 计算机网络的定义和分类基于作用范围的分类局域网 (Local Area Network，LAN)城域网 (Metropolitan Area Network，MAN)广域网 (Wide Area Network， WAN)接入网 (Access Network，AN)3 计算机网络的定义和分类几种网络的关系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3 计算机网络的定义和分类基于作用范围的分类局域网 (Local Area Network，LAN)传输技术：总线型 IEEE802.3（以太网）CSMA/CD 10M环 型 IEEE8

16、02.5（IBM令牌环）4M 16M总线型 IEEE802.4（令牌总线） 10M3 计算机网络的定义和分类基于作用范围的分类城域网 (Metropolitan Area Network，MAN)大型的LAN：私有网络： 一个连锁超市，有十几个或几十个分布在市内公众网络：上海科技网3 计算机网络的定义和分类基于作用范围的分类广域网 (Wide Area Network， WAN)跨越地域较大的网络：通信子网（communication subnet）资源子网（ resource subnet）3 计算机网络的定义和分类基于作用范围的分类接入网 (Access Network，AN)骨干网络到用

17、户终端之间的所有设备：Modem 拨号 LAN接入XDSL：数字用户环路 HFC(光纤同轴混合网) 无线接入3 计算机网络的定义和分类基于作用范围的分类接入网 (Access Network，AN)拨号接入：通过电话线路访问远程服务器使用调制解调器将数字信号转换成模拟信号必须在某ISP注册成为合法用户服务器端采用DHCP协议，为接入者分配一个临时的IP地址3 计算机网络的定义和分类基于作用范围的分类接入网 (Access Network，AN)拨号接入：3 计算机网络的定义和分类基于作用范围的分类接入网 (Access Network，AN)ADSL接入：使用常规的电话线路，本地局端的滤波器将

18、限制带宽为4 kHz但本地回路通常采用的是3类UTP，带宽远远大于4kHz如局端滤波器的限制策略为按需可调，则给定的带宽可增加高于4kHz的服务称为宽带服务DSL：数字用户线A：Asymmetric非对称3 计算机网络的定义和分类基于作用范围的分类接入网 (Access Network，AN)ADSL接入模型：3 计算机网络的定义和分类基于作用范围的分类接入网 (Access Network，AN)ADSL接入：DMT：Discrete MultiTone modulation 将本地回路的可用带宽（约1.1MHz)分成256个4312.5Hz的独立信道，信道0 给传统的电话，1 5保留，剩下

19、的250个信道中一个给上行控制，一个给下行控制，其余全部给数据传输，由提供者分配哪些给上行，哪些给下行3 计算机网络的定义和分类基于传输信道介质的分类有线网双绞线、同轴电缆、光纤等。无线网无线电波、微波、红外线、激光等。实现方案：无线LAN基于GSM (全球移动通信系统)3 计算机网络的定义和分类基于拓扑结构分类总线环形星形网状3 计算机网络的定义和分类4 计算机网络的主要性能指标带宽：信号具有的频带宽度，单位： b/s、kb/s、Mb/s、bbit、BByte、k1000、K=1024=210时延：发送时延 传播时延 处理时延往返时延RTT：从发送数据开始，直到收到信息确认所经历的时间。 计

20、算机网络的带宽是指网络可通过的最高数据率 发送数据时，数据块从结点进入到传输媒体所需要的时间。（也称传输时延） 发送时延 = 数据块长度（比特）信道带宽（比特/秒） 电磁波在信道中需要传播一定的距离而花费的时间。 传播时延 = 信道长度（米）信号在信道上的传播速率（米/秒） 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。 总时延 = 发送时延 + 传播时延 + 处理时延4 计算机网络的主要性能指标1 0 1 1 0 0 1发送器队列在链路上产生传播时延结点 B结点 A在发送器产生发送时延(即传输时延)在队列中产生处理时延数据从结点 A 向结点 B 发送数据链路5 计算机网络协议与体系结构

21、网络协议 为网络数据交换而制定的规则、标准或约定5 计算机网络协议与体系结构网络协议的三大要素：语法： 数据与控制信息的结构或格式语义： 需要发出何种控制信息，完成何种动作以及做出何种响应同步： 事件实现顺序的详细说明网络接入模块网络接入模块通信服务模块通信服务模块5 计算机网络协议与体系结构计算机网络的层次模型层次化方法的目的：将复杂问题简化计算机1计算机2文件传输模块文件传输模块文件及文件传输命令通信网与通信有关的报文网络接口网络接口确信对方已做好接收和存储文件的准备双方协商好一致的文件格式 规定连接种类与形式 对文件进行格式化封装 发起传输，对传输进行控制 寻址与路由 规定传输的帧格式

22、实施流量控制与差错控制5 计算机网络协议与体系结构计算机网络的层次模型分层的好处 ：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 5 计算机网络协议与体系结构层次模型在日常生活中邮政系统发信者活动邮局服务邮局转送运输部门的邮件运输业务收信者活动邮局服务邮局转送寄信人收信人书写信件贴邮票投入邮箱收集信件盖邮戳分拣信件信件打包送运输部门路由选择运输转送邮局接收邮包分发邮件邮件拆包信件投递信件分拣阅读信件5 计算机网络协议与体系结构计算机网络层次模型 传输介质最高层最低层N+1层N层N-1层计算机1最高层最低层N+1层N层N-1层计算机2虚通信虚通信同等层协议N+1层

23、协议N层协议N-1层协议实通信N层/N+1层接口N-1层/N层接口5 计算机网络协议与体系结构计算机网络层次模型相关术语接口：系统层次间的通信规则 接口定义了服务原语操作，可以实现层与层之间的交互，向上层提供服务。服务原语：上层与下层之间的交换命令 请求request指示indication 响应response证实confirm服务访问点(SAP)：相邻两层信息交换的位置5 计算机网络协议与体系结构计算机网络层次模型相关术语5 计算机网络协议与体系结构服务原语实例5 计算机网络协议与体系结构假设，两座楼上有两位行动不便的老人（服务用户）要进行通信 建立连接A小姐请拨B幢电话CONNECT.r

24、equest连接请求CONNECT.indication连接指示CONNECT.response连接响应CONNECT.confirm连接证实PDUB奶奶，有您的电话请讲吧A大爷，B奶奶请您讲话5 计算机网络协议与体系结构假设，两座楼上有两位行动不便的老人（服务用户）要进行通信 通话5 计算机网络协议与体系结构假设，两座楼上有两位行动不便的老人（服务用户）要进行通信 结束通话5 计算机网络协议与体系结构相邻层之间的关系服务用户服务用户服务提供者N+1层N层提供服务协议交换原语交换原语SAPSAP5 计算机网络协议与体系结构相邻层之间的关系示例： N+1层向N层传递SDUPDUICIIDU接口数

25、据单元SAPSDUICISDUHeadPDUPDUPDU IDU：接口数据单元 ICI：接口控制信息SDU：层与层次之间交换的数据单位PDU：在对等层次上传送的数据N+1层N层接口SDUPDU协议数据单元5 计算机网络协议与体系结构数据封装传输介质最高层最低层N+1层N层N-1层最高层最低层N层N-1层同等层协议N+1层计算机1计算机25 计算机网络协议与体系结构计算机网络体系结构计算机网络的层次和各层协议的集合即：计算机网络及其保证所应完成的功能的精确定义体系结构是抽象的，而实现 (运行的计算机软硬件)是具体的体系结构相当于对象的类型，而具体的网络结构则相当于对象的一个实例。5 计算机网络协

26、议与体系结构计算机网络体系结构的形成1974，IBM提出第一个网络体系结构SNA(系统网络体系结构)；1977，由ISO提出OSI/RM；1983，形成正式文件(ISO 7498国际标准)；ISO/OSI参考模型ISO国际标准化组织(International Standardization Organization)OSI开放系统互连(Open System Interconnection)5 计算机网络协议与体系结构OSI参考模型三级抽象参考模型服务定义协议规范定义层次结构、层间关系及所有可能的服务，框架性描述定义并详细描述各层所提供的服务精确描述双方约定的通信规则5 计算机网络协议与体系

27、结构OSI参考模型分层原则： 每层的功能应是明确的，并且相互独立的。 层间接口清晰 层数应适中 5 计算机网络协议与体系结构OSI参考模型OSI的层次结构传输介质7层1层5层4层3层6层2层应用层物理层会话层传输层网络层表示层数据链路层同等层协议4/5层接口3/4层接口2/3层接口1/2层接口6/7层接口5/6层接口1层3层2层1层3层2层本地系统 通信子网网络环境 5 计算机网络协议与体系结构OSI参考模型OSI各层主要功能概述： 物理层：与传输媒体的接口，完成传输媒体的信号于二进制数据间的转换物理接口上发送或接收的是一串以某种规则表示的二进制的数据物理层定义了接口的机械特性、电气特性、功能

28、和过程特性等 例如：插头、插座的几何尺寸，每根引脚的功能定义，逻辑【0】和【1】的电平定义，信号带宽定义5 计算机网络协议与体系结构OSI参考模型OSI各层主要功能概述： 数据链路层：提供点到点的可靠传输，通常把数据分帧，并且保证帧的正确接收识别帧的标志帧的接收要检验、要确认发送方在超时或收到否定性确认后，要重发重复帧要丢弃还要解决信道共享问题 等等 5 计算机网络协议与体系结构OSI参考模型OSI各层主要功能概述： 网络层：一台主机与另一台主机通过网络进行通信，其间可能存在多条通路，网络层将实现的功能包括：选择路由拥塞控制协议的转换分段和重组对用户的分组、字符等计数 等等5 计算机网络协议与

29、体系结构OSI参考模型OSI各层主要功能概述： 传输层：应用程序到应用程序的通路传输层将把高层要求传输的数据分成若干个报文报文和帧不一样，帧只有帧标志（起始标志、结束标志），而报文有信源和信宿的地址及端口、报文的顺序号、确认号等等低三层的通信对象通常是路由器，传输层是端到端的，必须考虑报文怎样才能从源端正确地传输到目的端5 计算机网络协议与体系结构OSI参考模型OSI各层主要功能概述： 会话层：建立有关会话的机制，或双向对话，或双向对话要有切换等如：说的一方应说一段就听一下对方的反应，因为，可能线路已断5 计算机网络协议与体系结构OSI参考模型OSI各层主要功能概述： 表示层：信息的语法转换，

30、即数据格式转换为公共表示。代码转换格式转换文件压缩文件加密和解密等5 计算机网络协议与体系结构OSI参考模型OSI各层主要功能概述：应用层：确定进程之间通信的性质，以满足用户的需要。HTTPSMTPFTP等数据链路层会话层表示层数据链路层表示层5 计算机网络协议与体系结构OSI参考模型OSI模型数据传输传输介质应用层物理层会话层传输层网络层应用层物理层传输层网络层应用层协议发送进程接收进程bits数据AHPHSHTHNHDHDT表示层协议会话层协议数据数据数据数据数据5 计算机网络协议与体系结构OSI参考模型OSI模型数据传输示例信信封邮政信袋邮政袋箱应用层传输层网络层数据链路层、物理层5 计

31、算机网络协议与体系结构TCP/IP参考模型发展过程 1974，由Cerf和Kahn定义 1985，由Leiner等开展研究 1986，NSFNET采用 90年代，Internet迅速发展，使之成为事实上的工业标准或国际标准。主要功能：实现异种机及异种网的互连。5 计算机网络协议与体系结构TCP/IP参考模型OSI参考模型7 应用层6 表示层5 会话层4 传输层3 网络层2 数据链路层1 物理层应用层传输层网际层网络接口层TCP/IP参考模型一般认为，TCP/IP划分为4个层次，但是TCP/IP基于与具体的物理传输介质无关的考虑，没有对最低二层做出规定，所以，实际上只有3个层次。5 计算机网络协

32、议与体系结构TCP/IP参考模型网际层 基于无连接的分组交换的方式 网际层定义了正式的分组格式和协议，即IP协议（Internet Protocol），每个IP包的路由问题是网际层要解决的问题 网际层与OSI中的网络层相对应 一个报文的各个不同的分组（称为IP包），可以通过不同的路径到达目的地，其到达顺序可能与发送顺序不一致5 计算机网络协议与体系结构TCP/IP参考模型传输层 位于网际层的上层，与OSI中的传输层相对应 其功能是使源端和目的端主机的对等实体进行对话定义了两个端到端的协议传输控制协议TCP（transmission control protocol）用户数据包协议UDP（user datagram protocol）5 计算机网络协议与体系结构TCP/IP参考模型应用层 TCP/IP模型的应用层包括所有的高层协议（实际上，OSI模型中的会话层和表示层在很多应用中是没用的） 应用层常用协议Ftp：文件传输协议Smtp：简单邮件传输协议Telnet：标准终端仿真协议Dns：域名系统服务5 计算机网络协议与体系结构TCP/IP参考模型网络接口层 在网际层以下，TCP/IP参