计算机网络原理第章教学教材

计算机网络原理第章什么是计算机网络？将分布在不同地理位置上的具有独立处理能力的多台计算机连接起来，按照统一的规则协同工作，实现资源共享和信息通信，这样的计算机系统称为计算机网络。因特网(Internet)成为计算机网络的代表，在最近的10多年中发展迅速。现在人们的生活、工作、学习和交往都已经离不开因特网。1.2计算机网络的发展过程计算机网络的产生计算机网络涉及到通信和计算机两个领域，两者相互结合。计算机与通信的相互结合主要有两个方面一方面，通信网络为计算机之间的数据传递和交换提供了必要的手段；另一方面，数字计算技术的发展渗透到通信技术中，有提高了通信网络的各种性能。1.2.1分组交换的产生现代计算机网络实际上是20世纪60年代美苏冷战时期的产物。传统的电路交换的电信网存在可靠性差的缺陷。在60年代初，美国国防部领导的远景研究规划局ARPA提出要研制一种崭新的、能够适应现代战争的、生存性很强的网络。新型网络必须满足的基本要求：用于计算机之间的数据传送；能够连接不同类型的计算机；所有的网络结点都同等重要；必须有冗余的路由；尽可能地简单，非常可靠地传送数据；每条路径的流量基本相同。根据以上要求，一批专家终于设计出了使用分组交换的新型计算机网络。电路交换交换机(a)两部电话机直接连接(b)5部电话机两两直接连接

N(N-1)/2对电线(c)用交换机连接许多部电话机图1-1电话机的不同连接方法电路交换交换设备在通信双方找出一条实际的物理线路的过程。最早的电路交换连接是由电话接线员通过插塞建立的，现在则由计算机化的程控交换机实现。特点：数据传输前需要建立一条端到端的通路。呼叫—建立连接—传输—挂断

优缺点：建立连接的时间长；一旦建立连接就独占线路，线路利用率低；无纠错机制；建立连接后，传输延迟小。电路交换形式空分交换交换比特流所经过的端口号时分交换交换比特流所经过的时隙波分交换交换载荷比特的光的波长面向连接的(connection-oriented)建立连接–通信–释放连接电路交换的示意图在通话的全部时间内用户始终占用端到端的固定传输带宽。交换机交换机交换机中继线中继线交换机用户线用户线ACDB图1-2电路交换的示意图报文交换在这种交换方式中,两个端点之间无需建立专用的信道。如果一个端点想要发送报文(数据传输单位)，则需要把目的端地址添加在报文中一起发送出去。报文将从一个节点被传送到另一个节点。在每个节点上,要接收整个报文并进行暂时存储，待信道空闲时再转发出去，一级一级中转，直到目的地。这种数据传输技术称为存储-转发。报文交换的优点与电路交换方式相比，报文交换方式具有如下优点:线路利用率高。因为节点之间的信道可被报文所共享。这样,对相同的流量要求,所需的总传输容量要小些。接收者和发送者无需同时工作,当接收者处于“忙”时,中间节点可将报文暂时存储起来。当流量加大时,在电路交换网络中可能导致一些呼叫被阻塞;而在报文交换网络中,报文仍然可以接收,但延时会增加。报文交换的缺点报文交换方式也存在一些缺点：报文大小不一，造成缓冲区管理复杂；大报文造成存储转发的延时过长；出错后整个报文全部重发；不适于实时通信或交互式通信，网络的延时比较长，波动范围比较大。分组交换将报文划分为若干个大小相等的分组(Packet)进行存储转发。分组(包)的构成：首部+数据段首部(header,包头)：包含目的地址、源地址等控制信息数据段长度相等，例如，每个数据段为1024bit101001110101100···········001010011101000数据首部分组数据首部分组数据首部分组发送在前报文图1-3分组的概念数据数据数据数据分组11010011101•

•••••••00101001110报文发送端首部分组数据首部分组首部数据发送发送发送在前发送接收端数据首部数据首部数据首部11010011101•

•••••••00101001110分组交换分组交换网分组交换网由若干结点交换机(nodeswitch)和连接这些交换机的链路组成。主机(host)是为用户进行信息处理的，并且可以通过网路和其他主机交换信息。结点交换机则是进行分组交换的，用来转发分组的。各结点交换机之间也要经常交换路由信息，但这是为了进行路由选择，即为转发分组找出一条最好路径。分组交换网的示意图ABDCEH1H2H4H6H3H5分组交换网12341234H1123412341234H2H4H6H5H3结点交换机高速链路ABDCE(a)分组交换网(b)具有两组端口的结点交换机图1-4分组交换网的示意图结点交换机结点交换机处理分组的过程：将收到的分组先放入缓存，再查找转发表，找出某个目的地址应从哪个端口转发，然后由交换机构将改分组传递给适当的端口转发出去。图1-4中有两对主机在进行通信：H1和H5H2和H6分组交换的优点高效：在分组传输的过程中动态分配传输带宽，对通信链路是逐段占用。灵活：每个结点均有智能，为每一个分组独立地选择转发的路由。迅速：以分组作为传送单位，通信之前可以不先建立连接就能发送分组；网络使用高速链路。可靠：完善的网络协议；分布式多路由的通信子网。分组交换存在的问题分组在各结点存储转发时需要排队，这会造成一定的时延；各分组必须携带的控制信息也造成了一定的开销(overhead)。电路交换报文交换分组交换t连接建立数据传送连接释放报文报文报文P1P2P3P4P1P2P3P4P1P2P3P4报文直达终点报文报文报文分组分组分组存储转发存储转发存储转发存储转发ABCDABCDABCD三种交换的比较图1-5三种交换的比较三种交换的比较电路交换：在数据传送开始之前必须首先建立一条独占的信道;在电路释放以前,该信道将被一对端点完全占用;对于猝发式的通信,电路利用率不高。报文交换：报文从源端传送到目的端采用存储-转发方式。在传送报文时,同时只占一段信道;在交换节点中需要缓冲存储,报文需要排队。因此,报文交换不能满足实时通信的要求。分组交换：报文被分成若干分组进行传输,并规定了最大的分组长度。由于一个分组的长度往往远小于整个报文的长度，因此分组交换比报文交换的时延小，但其结点交换机必须具有更强的处理能力。三种交换的比较若要连续传输大量的数据，且其传送时间远大于呼叫建立时间，则采用在数据通信之前预先分配传输带宽的电路交换较为合适。报文交换和分组交换不需要预先分配传输带宽，在传送突发数据时可提高整个网络的信道利用率。分组交换比报文交换的时延小，但其结点交换机必须具有更强的处理能力。应用现状分组交换技术是一种广泛应用于网络中的交换技术。现有的公共数据交换网都采用分组交换技术，如X.25网络等。局域网也采用分组交换技术。电路交换技术主要用于ISDN(IntegratedServicesDigitalNetwork,综合业务数字网)中。从以主机为中心演变成以网络为中心图1-6从以单个主机为中心(a)演变到以通信子网为中心(b)分组交换网主机主机终端(a)(b)1.2.2因特网时代ARPANET的诞生美国国防部国防前沿研究项目署（ARPA）于1969年建成第一个分组交换网ARPANET;1973年ARPA网扩展成互联网，第一批接入的有英国和挪威计算机。1974年ARPA的鲍勃·凯恩和斯坦福的温登·泽夫提出TCP/IP协议。1983年1月1日，ARPA网将其网络核心协议由NCP改变为TCP/IP协议。因特网时代NSFnet网的建立1986年，美国国家科学基金会（NationalScienceFoundation，NSF）建立了大学之间互联的骨干网络NSFnet，这是因特网历史上重要的一步。NSFnet采用TCP/IP协议作为统一的标准协议;1994年，NSFNET转为商业运营。三级结构的因特网国家主干网地区网校园网企业网地区网校园网企业网地区网校园网企业网图1-7三级结构的因特网基于ISP的多级结构的因特网的概念示意图一级ISP

大公司

大公司

二级ISPNAPNAP

二级ISP

二级ISP

二级ISP

大公司

本地ISP

本地ISP

公司

本地ISP校园网校园网校园网校园网网络接入点AB图1-8基于ISP的多级结构的因特网的概念示意图因特网时代Internet–因特网1990年代，整个网络向公众开放。在1991年8月，在蒂姆·贝纳斯-李(TimBerners-Lee)在瑞士创立HTML、HTTP和欧洲粒子物理研究所(CERN)的最初几个网页之后两年，他开始宣扬其万维网(WorldWideWeb)项目。在1993年，Mosaic网页浏览器版本1.0被推出在1994年晚期，互联网开始逐步发展。1996年，“Internet”（因特网）一词被广泛的流通，不过是指几乎整个的万维网。1.2.3关于因特网的标准化工作因特网管理机构: 因特网协会(InternetSociety,简称为ISOC)因特网体系结构研究委员会IAB(InternetArchitectureBoard)，负责管理因特网有关协议的开发。因特网工程部IETF下设一些工作组，集中研究短期和中期的工程问题，主要针对协议的开发和标准化。因特网研究部IRTF下设一些研究组，侧重于从理论方面研究和开发一些需要长期考虑的问题。IETFRFC所有的因特网标准都是以RFC的形式发表。RFC（RequstForComments)的中文意思就是“请求评论”。制定因特网的正式标准要经过一下的四个过程：因特网草案 -在这个阶段还不是RFC文档建议标准 -从这个阶段开始就成为RFC文档草案标准因特网标准RFC文档可以在/rfc.html查阅1.2.4计算机网络在我国的发展1989年11月我国第一个公用分组交换网CNPAC建成运行。1993年9月建成新的中国公用分组交换网，并改称CHINAPAC，由国家主干网和各省、区、市的省内网组成，在北京和上海设有国际出入口。1994年4月20日，我们用64kb/s专线正式接入因特网。同年5月，中科院高能物理所设立我国的第一个万维网服务器。1994年9月，中国公用计算机互联网CHINANET正式启动。我国主要的公用计算机网络中国公用计算机互联网CHINANET(中国电信)中国教育和科研计算机网CERNET中国科学技术网CSTNET中国联通互联网UNINET(中国联通)中国网通互联网CNCNET(中国网通)中国国际经济贸易互联网CIETNET中国移动互联网CMNET(中国移动)中国长城互联网CGWNET中国卫星集团互联网CSNET(中国卫通)中国铁通互联网CRNET(中国铁通)我国因特网的发展情况统计时间上网计算机数(万)上网用户数(万)Cn下注册的域名数WWW站点数国际线路总容量(Mb/s)1997.1029.9624,0661,50025.4081999.174.721018,3965,300143.2562000.135089048,69515,1533512001.18922,250122,099265,4052,7992002.11,2543,370127,319277,1007,597.52003.12,0835,910179,544371,6009,3802004.13,0897,950340,040595,55027,2162005.14,1609,400432,077668,90074,4292006.14,95011,1001,096,924694,200136,1062007.15,94013,7001,803,393843,000256,696数据来源：中国互联网络信息中心公布的《中国互联网络发展状况统计报告》1.3计算机网络的分类1.3.1计算机网络的不同定义最简单的定义：一些互相连接的、自治的计算机的集合。最庞大的计算机网络就是因特网，它由非常多的计算机网络通过许多路由器互连而成。因此因特网也成为“网络的网络”计算机网络的定义利用通信线路将地理上分散的、具有独立功能的计算机系统通信设备按不同形式连接起来以功能完善的网络软件实现资源共享信息传递的系统。计算机网络定义的含义计算机网络涉及三方面内容：至少2台计算机互联通信设备和线路介质网络软件，是指通信协议和网络操作系统1.3.2几种不同的分类方法按网络的交换功能分类，常用的交换方法有：电路交换报文交换分组交换混合交换在一个数据网中同时采用电路交换和分组交换。1.3.2几种不同的分类方法按网络的作用范围分类广域网WAN(WideAreaNetwork)几十到几千公里局域网LAN(LocalAreaNetwork)<1公里，≥10Mb/s。校园网、企业网。城域网MAN(MetropolitanAreaNetwork)5~50公里，速率更高，和局域网采用相同的体系结构。接入网AN(AccessNetwork)个人计算机、局域网和城域网之间的接口。广域网、城域网、接入网和局域网之间的关系广域网城域网城域网接入网接入网接入网接入网接入网接入网局域网校园网企业网个人计算机图1-9广域网、城域网、接入网和局域网之间的关系1.3.2几种不同的分类方法按网络的使用者分类公用网国家的电信公司出资建造的大型网络，公众付费使用，所以也称公众网。专用网某个部门为本单位的特殊业务工作的需要二建造的网络，这种网络不向本单位以外的人提供服务。例如：军队、铁路、电力、银行等系统均有本系统的专用网。1.4计算机网络的主要性能指标计算机网络的最主要的两个性能指标是：带宽（bandwidth）时延（delay或latency）1.4.1带宽带宽通常指信号所占据的频带宽度。一个信号的带宽是指该信号所包含的各种不同频率成分所占据的频率范围。对于模拟信号而言，带宽又称为频宽，以赫兹（Hz）为单位。例如模拟语音电话的信号带宽为3.1KHz（从300Hz到3.4KHz）。1.4.1带宽习惯上将“带宽”作为数字信道所能传送的“最高数据率”的同义词。数字信道上数据的发送速率等于数字信道的带宽。数字信道传送数字信号的速率成为数据率或比特率。度量单位：比特每秒,b/s或bit/s。kb/s,Mb/s,Gb/s,Tb/s。通常把后面的b/s省略，如：10M,10G1.4.1带宽1秒钟有106个比特时间1μs1010111秒钟有4x106个比特时间0.25μs图1-10随着带宽的增大，数字信号在时间轴上的宽度变窄1.4.2时延时延（delay或latency）指一个报文或分组从一个网络（或一条链路）的一端传送到另一端所需的时间。时延是由以下几个不同的部分组成：发送时延。传播时延处理时延发送时延发送时延：结点在发送数据时使数据块从结点进入到传输媒体所需要的时间也就是从数据块的第一比特开始发送算起，到最后一个比特发送完毕所需的时间。发送时延也称传输时延，它的计算公式：发送时延=数据块长度信道带宽传播时延传播时延：电磁波在信道中需要传播一定的距离二花费的时间。传播时延的计算公式是：传播时延=信道长度电磁波在信道中的传播速率电磁波在自由空间的传播速率是光速，即3.0x105km/s。电磁波在网络传输媒体中的传播速率比在自由空间略低：在铜线电缆中的传播速率约为2.3x105km/s，在光纤中的传播速率约为2.0x105km/s。处理时延处理时延：数据在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。在结点缓冲队列中，分组排队所经历的时延是处理时延中的重要组成部分。因此，处理时延的长短往往取决于网络中当时的通信量。有时可用排队时延作为处理时延。1.4.2时延总时延=传播时延+发送时延+处理时延1011001…队列结点A结点B发送器在这里产生发送时延（即传输时延）在这里产生处理时延在这里产生传播时延链路图1-11三种时延产生的地方不同时延计算例子假定有一个长度为100MB的数据块，在带宽为1Mb/s的信道上的发送时延是：

100*1024*1024*8÷106=838.9s然而若将这样的数据用光纤传送到1000km远的计算机，那么传播时延是：

1000÷(2.0x105)=5x10-3s=5ms如果传播距离减小到1km，那么传播时延只有5μs。时延计算例子要传送的数据仅1字节，在1Mb/s的信道上的发送时延是：

1*8÷106=8μs然而若将这样的数据用光纤传送到1000km远的计算机，那么传播时延是：

1000÷(2.0x105)=5x10-3s=5ms总时延是： 5.008msABAB宽带线路窄带线路宽带线路：每秒有更多比特从计算机注入到线路。宽带线路和窄带线路上比特的传播速率是一样的。正确的概念比喻：汽车运货宽带线路窄带线路宽带和窄带线路：车速一样宽带线路：车距缩短一种错误概念

——“宽带”相当于“多车道”多车道公路是并行传输……100101110100100111010001011010通信线路上通常都是串行传输1.4.3时延带宽积和往返时延传播时延带宽积：

时延带宽积=传播时延X带宽链路带宽（传播）时延图1-12链路像一条空心管道1.4.3时延带宽积和往返时延往返时延RTT(Round-TripTime)它表示从发送端发送数据开始，到发送端接收到来自接收端的确认，总共经历的时延。1.5计算机网络的体系结构1.5.1计算机网络体系结构的形成为了保证网络中的计算机系统之间能高度协调地工作，它们必须都遵循某种网络标准。计算机网络体系结构就是网络标准。1974年IBM宣布了它研制的系统网络体系结构SNA。1977年ISO成立了专门研究网络体系结构的机构，并提出了著名的开放系统互连基本参考模型OSI/RM，简称OSI。连接在网络上的两台计算机之间互相传送文件发起通信的计算机必须将数据通信的通路进行激活。要告诉网络如何识别接收数据的计算机。发起通信的计算机必须查明对方计算机是否已准备好接收数据。发起通信的计算机必须弄清楚，在对方计算机中的文件管理程序是否已做好文件的接收和存储文件的准备工作。若计算机的文件格式不兼容，则至少其中的一个计算机应完成格式转换功能。对出现的各种差错和意外事故，如数据传送错误、重复或丢失，以及网路中某个结点交换机出故障，应当有可靠的措施保证对方计算机最终能够接收到正确的文件。1.5.2划分层次的必要性网络协议：为进行网络的数据交换而建立的规则、标准或约定。网络协议包括：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应答，即操作同步—事件实现顺序的详细说明，即时序网络协议是计算机网络的不可缺少的组成部分。网络接口网络接入模块通信服务模块文件传送模块网络接入模块通信服务模块文件传送模块通信网络网络接口文件及文件传送命令与通信有关的报文计算机1计算机2划分层次图1-13划分层次的举例划分层次的好处各层之间是独立的。某一层并不需要知道它的下一层是如何实现的。灵活性好。当任何一层发生变化，只要层间接口关系保持不变，则这层以上、以下各层均不受影响。结构上可分割开。各层都可以采用最合适的技术实现。易于实现和维护。系统分解为若干个相对独立的子系统。能促进标准化工作。每一层的功能及其所提供的服务都已有了精确的说明。计算机网络体系结构的概念计算机网络的各层及其协议的集合，称为网络的体系结构(architecture)。计算机网络的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)具体的计算机硬件和软件。1.5.3具有五层协议的体系结构层次的划分1物理层：传送比特流(bit)2数据链路层：传送帧(frame)3网络层：传送分组(packet)4运输层：传送报文(message)5应用层：为应用进程提供信息交换和远地操作协议栈(protocolstack)图1-14五层协议的体系结构应用层运输层网络层数据链路层物理层54321数据在各层之间的传递过程物理传输媒体电信号或光信号

1

2

3

4

5AP1计算机112345AP2计算机2应用程序数据数据部分H5数据部分H4数据部分H3数据部分H210100110100101…比特流…11010111010T2首部尾部图1-15数据在各层之间的传递过程1.5.4实体、协议、服务和服务访问点实体任何可发送或接受信息的硬件或软件进程。协议控制两个对等实体进行通信的规则的集合。协议是水平的，是控制对待实体间通信的规则。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，还需要使用下一层所提供的服务。服务是垂直的，是由下层向上层通过层间接口提供的。服务访问点在同一系统中相邻两层的实体进行交互的地方，通常称为服务访问点SAP(ServiceAccessPoint)。SAP是一个抽象的概念，它实际上就是一个逻辑接口。服务提供者服务用户服务用户提供服务服务原语服务原语SAPSAP第n层第n+1层协议图1-16相邻两层之间的关系1.5.5面向连接服务与无连接服务面向连接服务所谓连接，就是两个对等实体为进行数据通信而进行的一种结合。三个阶段：连接建立数据传输连接释放。适合于在一定期间要向同一目的地发送许多报文的情况。对于发送很短的零星报文，面向连接的开销就显得过大了。1.5.5面向连接服务与无连接服务无连接服务两个实体间不需要先建立好一个连接，资源在传输时动态地进行分配。不需要通信的两个实体同时是活跃的。当发送端的实体在进行发送是，它才必须是活跃的。只有当接收端的实体正在进行接收时，它才必须是活跃的。无连接服务的优点是灵活方便和比较迅速，但无连接不能防止报文的丢失、重复和失序。无连接服务不需要接收端做任何响应，因而是一种不可靠的服务。1.5.6TCP/IP与OSI体系结构的对比无连接分组交付服务IPTCP或UDP网络接口层网际层IP运输层(TCP或UDP)1物理层2数据链路层3网络层

4运输层5会话层6表示层7应用层OSI的体系结构(a)OSI体系结构应用层(各种应用层协议如TELNET,FTP,SMTP等)各种应用服务(b)TCP/IP体系结构(c)TCP/IP提供的三种服务TCP/IP的体系结构TCP/IP的三个服务层次图1-17TCP/IP与OSI体系结构的对比OSI的体系结构将前面原理体系结构中的应用层再划分为三个层次：应用层对应用过程进行抽象。表示层主要解决用户信息的语法表示。会话层不参与具体的数据传输，但它对数据传输进行管理。TCP/IP与OSI体系结构的对比TCP/IP一开始就考虑到多种异构网的互连