计算机网络第一章

1、计算机网络课程内容概述从计算机网络结构：体系结构(OSI/RM)体系结构中各个层：物理层(OSI/RM)、数据链路层、网络层、运输层、高层从网络本身：局域网技术广域网（网络互连）技术具体内容安排计算机网络概述OSI/RM 物理层数据链路层信道共享技术局域网广域网TCP/IP体系IP协议TCP(UDP) TCP/IP的应用层DNSFTPTELNETSMTP基本要求掌握计算机网络的体系结构各层的主要协议、工作原理及相关概念、理论和技术参考教材第4版或第5版 谢希仁 著 电子工业出版社第一章 概论计算机网络的概念计算机网络定义的主要观点以相互共享资源方式连接起来，且各自具有独立功能的计算机系统的集合

2、利用各种通信手段，把地理分散的计算机互联起来，互相通信且共享资源的系统计算机网络定义的综合归纳：以共享资源为目的，相互连接的自治计算机的集合自治：能独立运行，不依赖于其他计算机主控从属？主机终端（第一代终端网络）？互连：以任何通信方式有线方式：铜线、光纤无线方式：红外、无线电波、微波、卫星计算机网络与分布式系统的区别分布式系统在分布式OS统一调度下，各计算机协调工作，共同完成一项任务，如并行计算。用户面对的是一台逻辑上的计算机，组成分布式系统的各计算机怎样协同工作，对用户透明用途主要是科学计算和事务处理计算机网络与分布式系统的区别（续）计算机网络 非协调性的各计算机对用户非透明，用户必须指定资

3、源的位置用途主要是资源共享分布式系统往往是基于计算机网络来实现的。计算机网络能做什么数据通信(Communication Medium)文件传输、IP电话、email、视频会议、信息发布、交互式娱乐、音乐资源共享(Resource Sharing)软件、硬件、数据（数据库）高可靠性(High Reliability)利用可替代的资源，提供连续的高可靠服务节省投资(Save Money)替代昂贵的大中型机系统分布式处理(Distributed Processing)计算机网络的分类:1 按网络的交换功能 电路交换,报文交换,分组交换。2 按网络的拓扑结构（见下页图） 集中式网络,分散式网络,分布

4、式网络。3 按网络的使用范围 公用网和专用网。4 按网络的作用范围 广域网,局域网和城域网。 局域网: 一般用于有限距离内计算机之间数据和信息的 传递。 城域网: 大小通常覆盖一个城市或地区，地理范围几十 公里到上百公里，对硬件、软件的要求比局域 网高。 广域网:可把众多的局域网和城域网连接起来。计算机网络按地域范围分类局域网(Local Area Network ， LAN)范围：小传输技术：基带，10-1000Mbps，延迟低，出错率低（10-11）拓扑结构：总线，环城域网(Metropolitan Area Network ， MAN)范围：中等传输技术：宽带/基带拓扑结构：总线广域网(

5、Wide Area Network ， WAN)范围：大传输技术：宽带，延迟大，出错率高拓扑结构：不规则，点到点按拓扑结构分类星形有一个中心节点，其它节点与其构成点到点连接树形一个根结点、多个中间分支节点和叶子节点构成星形拓扑树形拓扑总线所有节点挂接到一条总线上，广播式信道需要有介质访问控制规程以防止冲突环形所有节点连接成一个闭合的环，结点之间为点到点连接总线形拓扑环形拓扑计算机网络的发展:面向终端的的计算机网络，各终端通过通信线路共享主机的硬件和软件资源（第一阶段） 终端用户通过I/O串口连到主机上，不具备单独数据处理能力，它是靠cpu把系统主存的一部分分给终端用户，并使用CPU为每个用户划

6、分时间片来执行终端用户的应用程序。以通信子网为中心，用户通过分组交换网可共享用户资源子网的硬件和软件资源（第二阶段）从面向终端的的计算机网络到以通信子网为中心的计算机网络从电路交换到报文交换、分组交换电路交换主要优点:1 信息的传输时延小，对于一次接续，传输时延固定不变。2 交换机对用户的数据信息不存储、分析和处理。交换机在处理方面的开销比较小，信息传输效率比较高。主要缺点: 1 电路的接续时间较长，短报文通信效率低。 2 电路资源被通信双方独占，电路利用率低。适用范围:传输信息量较大，通信对象比较固定的用户。 报文交换:基本原理: “存储-转发” A用户要向B用户发送信息，A不需要先叫通与B

7、用户之间的电路，而只需与交换机接通，由交换机暂时把A用户要发送的报文接收和存储起来，交换机根据报文中提供的B用户的地址在交换网内确定路由，并将报文送到输出线的队列上排队，等到该输出线空闲时立即将该报文送到下一个交换机，最后送到终点用户B。报文交换主要优点:1报文以存储转发方式通过交换机，很容易实现各种不同类型终端之间的相互通信。 2不同用户的报文可以在一条线路上以报文为单位多路复用，大大提高了线路的利用率。 3用户不需要叫通对方就可以发送报文。可动态分配网络资源。主要缺点: 1信息通过交换机时产生的时延大，不利于实时通信。 2当报文很长时，要求交换机要有高速处理能力和大的存储容量，一般要配备磁

8、盘和磁带存储器。交换机的设备比较庞大，费用较高。 分组交换:基本原理:“存储-转发” 以分组为单位， 由于分组长度较短，具有统一的格式，便于在交换机中存储和处理，“分组”进入交换机后只在内存中停留很短的时间间，进行排队和处理，一旦确定了新的路由，就很快输出到下一个交换机或用户终端，时延小，能满足绝大多数数据通信用户对信息传输的实时性要求。缺点: 网络附加的传输信息较多，对长报文通信的传输效率比较低。层次体系结构的形成（第三代）连接在网络上的两台计算机相互通信必须高度协调工作才行，这种协调相当复杂，为清晰，出现网络分层设计：1974年 IBM 宣布其研制的SNA, 按照分层的方法1977年 IS

9、O开始制定 OSI/RM网络协议分层处理的优点层之间是独立的 ;灵活性好;易于实现和维护;能促进标准化工作。计算机网络体系结构相关概念计算机通信与数据通信除了传输，还需要收发双方的协调合作(例如：文件传输)计算机(通信)网络通过通信网互连的多台计算机或数据处理设备，为实现通信，需要的协调合作更为复杂。这种协调合作是如何可能进行的？都遵守某种约定：协议协议不同系统中的实体为了能成功地进行通信而应该遵守的共同的约定上述解释中的术语定义实体：能接收或发送信息（数据）的任何东西，如用户应用程序系统：包含一个或多个实体的物理对象，如某台终端计算机协议的要素语法：如数据格式等语义：如控制信息等同步：如事件

10、实现顺序等协议的分类（按功能）拆分和组合：协议数据单元封装：增加控制信息连接控制：面向连接的数据传输流量控制：收方限制发方的发送速率出错控制：寻址：复用：传输服务：协议体系结构由于通信任务的复杂性，由单个协议完成所有的功能十分不利于管理，因此，需要有多个协议，这样就有一个多个协议如何组织起来的问题。这种具有某种特定组织方式的多个协议的集合就称为协议体系结构，也即计算机网络的体系结构。计算机网络的体系结构=协议s+组织结构已有的多种体系结构协议可能十分不同，但组织结构基本上都是采用分层的方式IBM的系统网络体系结构SNAISO的开放系统互连OSI/RMARPANET的TCP/IPOSI/RMSN

11、A是第一个分层体系结构分层不是十分严格，5层，存在集中控制针对IBM公司的产品互连随后一些公司分别制定自己的协议结构，如Digital 的DNA，不同厂家 的设备分别按各自的标准，因此，不利于网络的互连、互通和互操作，不利于网络规模的扩大1977年开始制定OSI/RM，1983年ISO 7498一、为什么是七层？划分OSI/RM七层的基本原则是（13点，ISO 7498）把相似的功能放在相同的层当不需要多分层时，就不要增加层层数太少，会使每一层协议太复杂；不应创建太多的层，这样会使综合各层功能时太困难选择的边界点应是有过成功试验的.并不一定是唯一的方案，更不一定是最好方案不一定是七层（现实标准

12、TCP/IP非七层）甚至不一定是层次结构二、每个层的协议是如何规定的？（参见下页图）对等层两个系统中的相同层称为对等层，通常用（n）表示第n层对等实体两个处于对等层的实体第N层的协议（记作（N）协议）第N层的对等实体进行通信的规则集合称为（N）协议层与层之间是功能独立的，边界确定，因此各层内协议的修改不会影响其他层每层协议的关键内容应包括：协议说明规范：规定对等实体合作协调的方法、协议数据单元等服务定义：寻址：三、各层协议如何协调工作的？除了最低层，任何对等层都不会直接通信，而是向其直邻的下层发送数据并从该下层获得其对等层的数据。（N）协议：规定对等实体的通信，它并不表明对等层实体直接通信，而

13、是表明任意实体只能处理其对等层实体的数据因此，相邻两层之间的接口是高层通信所必须的。服务是相邻两层之间的接口（N）服务：定义两个（N）实体间在（N）协议的控制下的通信，使（N）层能够向上一层提供的功能，就称为（N）服务。接受（N）服务的是上一层的实体，即（N+1）实体，也称为（N）服务用户但为了向它的上层（N+1）实体提供（N）服务，（N）实体需要使用它的下一层（N-1）提供的（N-1）服务来实现（N）协议。（N）服务是组织各层协议的信息交互接口，它实现对(N)协议的屏蔽，使得(N)协议对（N）服务用户是透明的。（N）服务：实现（N）服务：实现服务原语：上层使用下层所提供的服务是通过交换服务原

14、语来实现的服务原语：服务用户（N+1实体）与服务提供者（N实体）之间进行交互时所交换的信息，用以通知服务用户采取某种行动，或向服务用户报告其服务提供者的对等实体采取的行动。一个完整的服务原语包括：原语名称原语类型原语参数例如一个运输连接请求原语：T-CONNECTrequest(被叫地址、主叫地址、)四种原语类型反映了一次通信的过程：请求(Request)：一个实体表示希望得到某种服务，源（N+1）实体 源（N）实体指示(Indication)：把信息告知某实体，目的（N）实体 目的（N+1）实体响应(Response)：一个实体表示愿意响应某一事件，目的（N+1）实体 目的（N）实体证实(C

15、onfirm)：确认一个服务请求并通知，源（N）实体 源（N+1）实体一个简单的面向连接服务示例连接请求（CONNECT.request）： 主叫方服务用户请求建立连接连接指示（CONNECT.indication）：被叫方服务提供者向其服务用户报 告有连接建立请求 连接响应（CONNECT.response）： 被叫方服务用户表示接受连接请求 连接证实（CONNECT.confirm）： 主叫方服务提供者通知其服务用户 连接已建立 数据请求（DATA.request）： 服务用户请求其服务提供者把数据 传送给对方 数据指示（DATA.indication）： 服务提供者向其服务用户报告 数据

16、到达 断连指示（DISCONNECT.request）： 服务用户请求释放连接断连指示（DISCONNECT.indication）：服务提供者通知服务用户对方已 释放连接服务访问点：服务原语的交换点称为服务访问点（SAP）（port, socket）， 是（N）实体与（N+1）实体交换信息的逻辑接口。服务访问点：两层之间可以允许有多个服务访问点一个(N)服务访问点只能被一个(N)实体所使用，并且也只能为一个(N+1)实体所使用一个(N)实体可以向多个(N)服务访问点提供服务一个(N+1)实体也可以使用多个(N)服务访问点服务的数据流视图：协议数据单元(PDU)通过网络接口传到下一层时不是PD

17、U本身，而是以接口信息单元进入接口信息单元(IDU)：相邻两层信息交互时，通过接口的信息单元，通常是PDU+接口控制信息，并有适当的大小控制而导致对PDU的分割。数据通过接口后，还要还原PDU。服务数据单元(SDU)：实现一个(N)服务所要传送的总的数据，是一个逻辑数据单元。实现一个(N)服务可能需要传送一个或多个PDU。协议（水平）和服务（垂直）多层通信的实质对等层实体之间虚拟通信；下层向上层提供服务；实际通信在最低层完成。OSI参考模型介绍OSI参考模型示意图物理层数据链路层网络层传输层会话层表示层应用层物理层数据链路层网络层传输层会话层表示层应用层物理层数据链路层网络层分组帧位流TPDU

18、SPDUPPDUAPDU应用协议表示协议会话协议传输协议网络协议数据链路协议物理协议端到端点到点物理层的位置是在物理媒体之上，在数据链路层之下物理层的主要任务是确定与传输媒体接口的一些特性，以便无差别地利用不同物理媒体来进行数据传输，这些特性为：机械特性电气特性功能特性规程特性物理层的作用是屏蔽掉计算机网络中种类繁多的具体物理设备和传输媒体的差异，向上层（数据链路层）提供一致的服务。物理层的协议数据单元为比特数据链路的位置是在物理层之上，在网络层之下数据链路层的主要任务是在链路上为上层提供出错检测和控制。数据链路层的作用是使得在两个相邻结点间能无差错地传送数据。数据链路层的协议数据单元是帧网络

19、层的位置在数据链路层之上，在运输层之下网络层的主要任务路由选择和存储转发通过网络连接在主机之间提供分组交换功能差错控制和流量控制网络层的作用：网络层是通信子网的最高层。对上层用户屏蔽了子网通信的全部细节，如拓扑结构和子网数目等，以向上层提供一致的服务，统一的寻址。网络层的协议数据单元是分组运输层在网络层之上，在会话层之下运输层的主要任务根据通信子网的特征最佳地利用网 络资源，并以可靠和经济的方式，在源系统和目的系统的会话层之间，建立一条运输连接，以透明地传送报文。运输层的作用为上一层（会话层）提供一个可靠的端到端的服务运输层的协议数据单元是报文会话层以上不再参与数据传输，而是管理数据传输。在不

20、同计算机上的两个应用进程之间建立、使用和终止连接，该连接就是所谓的会话。比如确定该连接是全双工还是半双工，中断的会话从何处重新开始等会话层以及以上层数据传送的单位都可称为报文。表示层主要解决用户信息的语法表示问题。表示层将欲交换的数据从适合某一用户的语法变换为适合于ISO系统内部使用的传送语法。这样就屏蔽了不同应用进程的不同数据表示。应用层是OSI参考模型中的最高层，是用户访问OSI环境的接口包含各种各样的协议，这些协议往往直接针对用户的需要。TCP/IP参考模型模型TCP/IP网络接口层是最底层，它包括那些能使TCP/IP与物理网络进行通信的协议。TCP/IP标准并没有定义具体的网络接口协议

21、，而是旨在提供灵活性，以适应各种网络类型。网际层是在TCP/IP标准中正式定义的第一层。网际层所执行的主要功能是消息寻址以及把逻辑地址和名称转换成物理地址。通过判定从源计算机到目标计算机的路由，该层还控制子网的操作网际层常用的协议是网际协议(IP)，然而在此操作中也有许多其他协议协助IP的操作。包括: 网际控制报文协议(ICMP):传送各种信息，包括与包交付有关的错误报告。 Internet组管理协议(IGMP):报告主机组从属关系，以便依靠路由器支持多播发送。 运输层负责主机到主机之间的端对端通信该层有两种协议可用来支持两种数据传送方法。这两个传输层协议是: 传输控制协议(TCP):它使用面

22、向连接的通信提供可靠的数据传送。对于大量数据的传输或者主机之间的扩展对话，通常都要求有可靠的传送。TCP能够进行消息分段和差错检验及恢复，以消除这些因素的影响。 用户数据报协议(UDP):提供高效的离散数据报传送，但是不能保证传送被完成。运用UDP的应用程序必须执行自己的错误检验和恢复。 应用层是TCP/IP模型中的最高层。在该层中，有大量的TCP/IP应用程序和协议文件传输协议(FTP)远程登录(Telnet)域名服务(DNS)简单网络管理协议(SNMP)计算机网络术语带宽带宽是通信信道的宽度，是信道频率上界与下界之间之差，是介质传输能力的度量，在传统的通信工程中通常以赫兹（Hz）为单位计量

23、。在计算机网络中，一般使用每秒位数(b/s 或bps) 作为带宽的计量单位。主要单位：kb/s，Mb/s，Gb/s例如：一个以太局域网每秒可以传输1千万比特，它的带宽相应为10Mb/s。计算机网络术语（续）时延信息从网络的一端传送到另一端所需的时间时延之和=处理时延+排队时延 +发送时延+传播时延处理时延=分组首部和错误校验等处理（微秒）排队时延=数据在中间结点等待转发的延迟时间发送时延=数据位数/信道带宽传播时延=d/s（毫秒）d:距离 s:传播速度光速时延带宽乘积某一链路所能容纳的比特数时延带宽乘积=带宽传播时延例如，某链路的时延带宽乘积为100万比特，这意味着第一个比特到达目的端时，源端已发送了100万比特。链路带宽传播时延体积=时延带宽乘积往返时延 (Round-Trip Time ，RTT)从信源发送数据开始，到信源收到信宿确认所经历的时间RTT2传播时