第1章计算机网络概论课件

1主讲人：熊建设联系电话-mail:xiongjs@办公室：信息学院南楼B211数据通信与计算机网络2第一章计算机网络概论3第1章计算机网络概论主要学习内容

：1.1计算机网络的发展过程1.2计算机网络的定义和功能1.3计算机网络的组成1.4计算机网络的分类1.5计算机网络的拓扑结构1.6计算机网络体系结构简介1.7计算机网络协议相关的标准化组织

41.1计算机网络的发展过程1.1.1计算机网络的产生与发展第一阶段：1950s~1960s面向终端的远程联机系统

50年代中期：具有通信功能的单主机多终端系统它实际是一台计算机，而不是一个计算机网络5网络的雏形：1.1计算机网络的发展过程远程联机系统主机FEPMODEMMODEMConcentratorTerminal………………主机MODEMMODEMTerminal它实际是一台计算机，而不是一个计算机网络PSTNPSTN61.1计算机网络的发展过程第二阶段：1960s~1970s——以共享资源为目的的计算机网络主机CCPCCPTerminal主机PrinterPrinterTerminal主机主机ARPAnetCCP（CommunicationControlProcessor）,通信控制处理机ARPAnet的设计思想：支持资源共享采用分布式控制技术采用分组交换技术使用通信控制处理机采用分层的网络通信协议1.1计算机网络的发展过程ARPA(Advancedresearchprojectagency，美国国防部高级研究计划署)8ARPAnet的贡献：完成了对计算机网络定义、分类与子课题研究内容的描述；提出了资源子网、通信子网的两级网络结构的概念；研究了报文分组交换的数据交换方法；采用了层次结构的网络体系结构模型与协议体系；促进了TCP/IP协议的发展；为Internet的形成与发展奠定了基础。1.1计算机网络的发展过程91.1计算机网络的发展过程第三阶段：1970s~1980s计算机网络的体系结构与协议标准化的研究(OSI模型)局域网技术的发展（802工程规模）10计算机网络的标准化20世纪70年代后期，开始提出发展计算机网络的国际标准化问题。ISO、CCITT、IEEE等都成立了专门的研究机构，研究计算机系统的互连、计算机网络协议标准化等问题。1984年，ISO正式颁布了一个称为“开放系统互连基本参考模型”（OSI模型）的国际标准ISO7498。1.1计算机网络的发展过程11局域网技术的发展20世纪80年代是局域网大发展时期，也是局域网的成熟年代，其主要特点是局域网的商品化和标准化。Ethernet（802.3）TokenRing（805.5）ARCnet（802.4））1.1计算机网络的发展过程Token

RingToken

BusEthernet121.1计算机网络的发展过程第四阶段：1990s~现在高速、互连、智能化和广泛应用阶段Internet技术的广泛应用网络计算技术的研究与发展宽带城域网与接入网技术的研究与发展网络与信息安全技术的研究与发展131.1计算机网络的发展过程1.1.2Internet简介因特网的演进1969—1983研究试验阶段1983—1994因特网在教育科研领域广泛使用的实用阶段1994—现在商业化发展阶段14Intertnet的发展过程美国主干网是因特网的主干中心，其发展经过三个阶段:ARPAnet阶段(1969～1990)NSFnet阶段(1986～1992)ANSnet阶段(1992年后)1969——————ARPAnet建立，连接四个节点1977———发展到57个节点，连接100多台主机1981

———

分为民用ARPAnet和军用MILnet1985——————NSFnet组建1987———NSFnet组建基于TCP/IP协议的主干1988.9———

新主干速度达到T1级(1.544Mbps)1989

———CERN推出分布式超媒体技术1990———NSFnet全面取代ARPAnet1990———ANS公司成立，建立了T3级主干网1991———NSFnet的全部主干与T3级主干连通1991———CERN发布第一个图形浏览器1995———————NSFnet改为ANSnet，正式商业化

Internet的发展引起了商家的极大兴趣。1992年，美国IBM、MCI、MERIT三家公司联合组建了一个高级网络服务公司（ANS），建立了一个新的网络，叫做ANSnet，成为Internet的另一个主干网。它与NSFnet不同，NSFnet是由国家出资建立的，而ANSnet则是ANS公司所有，从而使Internet开始走向商业化。NGN15Intertnet的迅猛发展二十世纪九十年代起，Internet进入快速发展时期。现在正以超摩尔定律的速度发展（摩尔定律：芯片容量每18个月翻一番，而成本降低50%）。现在Internet的规模、业务量和带宽每6~9个月翻一番，而成本降低50%。YearsHostsontheInternet899091929394959697161.2计算机网络的定义和功能1.2.1计算机网络的定义定义：以能够相互共享资源的方式互连起来的自主计算机系统的集合。共享资源：共同使用网络中的软、硬件资源。互连：计算机之间可以通过某种通信媒体进行相互通信。自主计算机：指能够自主地完成启动停止和对所属资源进行控制的计算机。17计算机网络形成的要素至少具有两台以上的自主计算机，且这些计算机之间有通信和共享的需求；各个计算机之间要使用某种通信线路相互连接；要制定一套各方认可的通信规则。181.2.2计算机网络的功能资源共享

资源共享是计算机网络的核心功能。数据通信

数据通信是计算机网络的最基本的功能之一。分布式处理

大型的综合问题，可以通过一些算法分解成一系列的小问题，分散到网上的不同计算机上，进行分布式处理。负载均衡

当网上某一台计算机负担过重时，可将作业转交给网上空闲的计算机去处理，均衡负载，提高网络系统的可用性。提高可靠性

网上的各计算机通过网络可以互为后备，使网络系统的可靠性大大地高于单独的计算机系统。1.2计算机网络的定义和功能191.3计算机网络的组成

1.3.1计算机网络的硬件组成1．网络服务器2．网络工作站3．传输介质4．网络连接设备传输介质：双绞线以太网卡集线器/交换机/路由器各种工作站网络服务器20网络服务器(Server)网络服务器是网络中的核心控制部件。其主要功能是管理和调度网络中的共享设备，为网络用户提供各种网络服务。运行网络操作系统NOS管理和调度网络中的共享资源监控用户工作站的活动，协调网络用户的需求网络服务器通常分为四类：文件服务器打印服务器应用系统服务器通信服务器21网络工作站(Workstation)

网络工作站是一台连网的自主计算机。它是网络用户的工作场所。网上各站点的用户可以通过网络相互通信，可以共享网络中的资源。网络操作系统中的客户端程序就运行在工作站的操作系统之上。22传输介质

传输介质是计算机网络

中连接各个节点之间的

物理通路。计算机网络中常用的传

输介质分为：

1、有线传输介质——

双绞线

同轴电缆

光纤

2、无线传输介质——

激光、红外线

微波和卫星线路23网络连接设备

网络连接设备种类繁多，提供的功能各不相同，它们共同具有的功能是信号的接收和发送。常用的网络连接设备有：

网络适配器、调制解调器、集线器、交换机、路由器等。241.3计算机网络的组成1.3.2计算机网络的软件组成1．网络操作系统网络操作系统除了具有常规操作系统所应具有的功能外，还应具有网络通信、网络资源管理和各种网络服务功能。2．网络协议软件网络适配器驱动程序、子网协议和应用协议251.3计算机网络的组成1.3.3通信子网和资源子网计算机网络的各个组成部分，按逻辑功能可分为两级结构：主机CCPCCPTerminal主机PrinterPrinterTerminal主机主机通信子网资源子网26通信子网和资源子网资源子网

由负责数据处理的自主计算机、终端机、终端控制器、连网外设、各种软件资源与数据资源组成。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。通信子网

由网络通信控制处理机、通信线路、各种网络通信设备以及相关软件组成。负责全网数据传输、转发等通信处理工作。271.4计算机网络的分类分类方法：分类标准网络名称物理范围

局域网、城域网、广域网管理方法基于客户机/服务器的网络、对等网

网络操作系统Windows网络、Netware网络、UNIX网络网络协议NETBEUI网络、IPX/SPX网络、TCP/IP网络等拓扑总线型网络、星型网络、环型网络等

体系结构以太网、令牌环网、AppleTalk网络等

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1.4.1按网络的覆盖范围分类按覆盖的地理范围进行分类，计算机网络可以分为以下三类：局域网（localareanetwork

，

LAN）；城域网（metropolitanareanetwork

，

MAN）；广域网（wideareanetwork，WAN）。1.4计算机网络的分类29LAN、MAN、WAN的距离标准30局域网的技术特点覆盖较小的地理范围；提供高的数据传输速率（10Mb/s～10Gb/s）、低误码率的高质量数据传输环境；一般属于一个单位所有，易于建立、维护与扩展；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与交换式局域网两类。31局域网的应用领域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办公室与实验室的网络企业与学校的主干网

32城域网的技术特点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连的需求；实现大量用户之间的数据、语音、图形与视频等多种信息的传输功能；城域网在技术上与局域网相似。33广域网的技术特点广域网也称为远程网。覆盖的地理范围从几十公里到几千公里；覆盖一个国家、地区，或横跨几个洲，形成国际性的远程网络；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连起来，达到资源共享的目的。341.4.2按网络传输技术进行分类通信信道的类型有两类：

广播通信信道：一条公共的通信信道被多个网络节点共享。

点-点通信信道：每条物理线路连接一对节点。相应的计算机网络也可以分为两类：

广播式网络（broadcastnetworks）：采用广播机制。

点-点式网络（point-to-pointnetworks）：采用分组交换和路由选择机制。

1.4计算机网络的分类351.5计算机网络的拓扑结构计算机网络的拓扑结构：

是指计算机网络的硬件系统的连接形式，即网络的硬件布局。计算机网络拓扑是通过网中节点与通信线路之间的几何关系表示网络结构，反映出网络中各实体间的结构关系。计算机网络拓扑主要是指通信子网的拓扑构型。拓扑设计对网络性能、系统可靠性与通信费用都有重大影响。常用的网络拓扑有：总线形、环形、星形、网状、树形、混合型。36基本的网络拓扑

星形总线型环型网状交换机37总线拓扑用一条中央主电缆将网上的所有计算机串接起来。这条电缆就称为总线。网上任一节点的信息均可沿总线向两边传播。优点：

1、结构简单，容易布线，易于扩充；

2、设备量少，成本低。缺点：

1、由于信号损耗的影响，总线长度受限制。

2、可靠性较低，且故障排查较难。

3、当节点过多时，传输效率降低。总线型注意使用终结器38环形拓扑网络上的所有计算机均串接在一条闭合环路上。信息沿着环路按固定方向在各个节点之间顺序传递。优点：

1、信息沿固定方向流动，节点间的通路唯一，路径控制简单；缺点：

2、环路封闭，介质访问控制较复杂。

3、当节点过多时，传输效率降低，网络响应时间变长。

4、网络成本较高。39星形拓扑网上所有计算机均以“点对点”的形式连接到一个中央节点上。中央节点控制了整个网络的通讯。任何两个节点之间的通讯都必须经过它。优点：

1、结构简单，便于管理，网络检

错容易；

2、控制简便，易于扩充。缺点：

1、共享能力差，线路利用率不高；

2、中央节点负荷太重。40网形拓扑网状布局无固定连接方式，网络中任意两个节点之间至少有二、三条通路。特点：

1、容错能力最强。

2、信息没有固定流向，网络控制是分布式的。

3、建网费用高，布线困难。网状布局通常只用于大型网络系统和公共的通信主干网。如：

帧中继网络、ATM网络等。411.5计算机网络的拓扑结构广播信道通信子网中的基本拓扑结构：总线形、环形点-点线路的通信子网中的基本拓扑结构：

环形、星形、网状、混合421.6计算机网络体系结构简介1.6.1协议和体系结构的概念1.协议网络协议是为网络数据交换而制定的规则、约定与标准。网络协议的三要素：语法、语义与时序。语法（Syntax）：是用户数据与控制信息的结构与格式、数据编码、电平信号等。语义（Semantics）：控制信息的内容，需要做出的动作及响应；时序（Timing）：事件实现（信息交流）顺序的详细说明。431.6计算机网络体系结构简介2.网络体系结构计算机网络是一种非常复杂的系统，因此连网的计算机之间的通信过程是一个非常复杂的过程。为了实现这一过程，通常以分层的观点来分析网络的各个组成部分的功能。计算机网络体系结构是网络层次结构模型与各层协议的集合。网络体系结构对计算机网络应该实现的功能进行了精确的定义。44分层的好处降低网络的复杂性标准化部件接口便于模块化设计保证不同类型部件的互操作性加快了发展速度简化了教学通过“分而治之”，使复杂问题简单化！45邮政系统中的通信过程461.6计算机网络体系结构简介1.6.2ISO/OSI参考模型为了解决各种不同类型的计算机系统和网络之间的互连问题，国际标准化组织ISO提出了开放系统互连的参考模型OSI/RM

(OpenSystemInterconnectionReferenceMode)47ISO/OSI参考模型OSI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.物理层传输介质bitsframespacketssegments虚拟通信48OSI/RM分层的原则网络中各节点都具相同的层次；不同节点的相同层具有相同的功能；同一节点内各相邻层之间通过接口通信；每一层可以使用下层提供的服务，并向其上层提供服务；不同节点的对等层通过协议来实现对等层之间的通信。49OSI/RM的特性它是一种异构系统互连的分层结构；提供了控制互连系统交互规则的标准框架；定义了一种抽象结构，而非具体实现的描述；不同系统的对等实体之间的通信由该层的协议管理；同一系统相邻层之间的接口定义了原语操作和低层向高层提供的服务；定义了面向连接和无连接的数据交换服务；直接的数据传送仅在最底层实现；每层完成所定义的功能，修改本层功能并不影响其它层。50层的概念层是开放系统的逻辑划分，代表功能上相对独立的一个子系统。（N）层表示OSI层次结构中的任一层，（N＋1）层表示指定层次的相邻上层，（N－1）层表示指定层次的相邻下层。层的功能各层具有的通信能力，是内在的通信能力，由标准指定。每一层的通信实体都向相邻上层提供一定的服务。

本层的服务应是相邻下层的服务与本层功能的综合。

即：（N）层服务＝（N）层功能＋（N－1）服务51服务（service）服务

分层体系结构中，下层通信实体（服务提供者）为上层实体（服务用户）提供的通信功能。

Service:whatistobedone,butnothowtodoit.服务原语（serviceprimitive）

服务是通过一组所谓“服务原语”来执行。服务原语可划分为以下四类，每种代表一种通信操作：

request（请求）,用户实体要求服务做某项工作

indication（指示），用户实体被告知某事件发生

response（响应），用户实体表示对某事件的响应

confirm（证实），用户实体收到关于它的请求的答复52实体和用户实体所谓实体，指能够发送和接收信息的任何软硬件设施。实体是层功能实现的真正承担者(相应的硬软件)。

一个系统可以包含一至多个实体。

不同系统中处在同一层的实体为对等实体。为了实现资源共享，网络中不同实体之间应能相互通信。用户相邻上层的实体是本层服务的使用者，称为层的用户。53OSI层间通信相邻层之间通信：

相邻的上下层之间的通信属于局部问题，OSI模型中只定义了通信的内容（服务原语），未规定这些内容的具体表现形式和层间通信实现的具体方法。对等层之间通信：

对等层是指不同开放系统中的相同层次，对等层之间通信发生在不同开放系统的相同层次之间。对等层之间的通信是目的，相邻层之间的通信是手段。通过相邻层之间的通信，实现对等层之间的通信。54OSI数据类型数据单元（DU）：OSI环境中交换的数据。服务数据单元（SDU）：

相邻层间交换的数据单元，SDU为服务原语的表现形式。接口数据单元（IDU）：

相邻层界面上体现的数据单元，IDU＝SDU＋接口控制信息ICI。

协议数据单元（PDU）：对等层间交换的数据单元，

PDU的内容和格式由协议精确地定义。

N层的PDU作为N－1层的SDU传递给下层，直至对等层实体。55OSI参考模型各层的功能物理层的主要功能：实现比特流的透明传输，为数据链路层提供数据传输服务；利用传输介质为通信的网络节点之间建立、管理和释放物理连接；物理层的数据传输单元是“比特”。56数据链路层的主要功能：采用差错控制与流量控制方法，使有差错的物理线路变成无差错的数据链路。在物理层提供的服务基础上，数据链路层在通信的实体间建立数据链路连接；传输以“帧”为单位的数据包。OSI参考模型各层的功能57网络层的主要功能：通过路由选择算法为分组通过通信子网选择最适当的路径；为数据在节点之间传输创建逻辑链路；实现拥塞控制、网络互连等功能；向传输层提供面向连接或无连接的服务；数据传输单元是“分组”（包）。OSI参考模型各层的功能58传输层的主要功能：向用户提供可靠端到端（end-to-end）服务；处理数据包错误、数据包次序，以及其他一些关键传输问题；传输层向高层屏蔽了下层数据通信的细节，是计算机通信体系结构中关键的一层；传输的数据单元是“段”。OSI参考模型各层的功能59会话层的主要功能：负责维护两个节点之间会话连接的建立和管理管理数据交换。表示层的主要功能：用于处理在两个通信系统中交换信息的表示方式；数据格式变换、数据加密与解密、数据压缩与恢复。应用层的主要功能:为各种应用程序提供了网络服务。OSI参考模型各层的功能60Application提供各种网络应用接口Presentation数据表示、压缩与加密Session主机间的会话管理Transport端到端的可靠传输Network寻址和路由选择DataLink相邻节点间的可靠传输Physical二进制比特流传输资源子网通信子网OSI参考模型各层的功能611.6计算机网络体系结构简介1.6.3TCP/IP参考模型什么是TCP/IP?TCP/IP是TransmissionControlProtocol/InternetProtocol的缩写。它是一组通信协议的代名词。TCP/IP最初是为ARPAnet开发的，其目的是为了使由不同类型的操作系统所组成的网络环境中的相异节点可以相互通信。后来伯克利大学将它包含在BSDUNIX中实现。由于UNIX的发展，经过多年的研制和改进，TCP/IP已成为目前国际上异种机、异种网相互连接的一个工业标准。62TCP/IP协议的特点开放的协议标准;独立于特定的计算机硬件与操作系统；独立于特定的网络硬件，可以运行在局域网、广域网，更适用于互连网中；统一的网络地址分配方案，使得整个TCP/IP设备在网中都具有惟一的地址；标准化的高层协议，可以提供多种可靠的用户服务。63TCP/IP的层次结构TCP/IP与OSI体系结构的比较：64TCP/IP的各层功能网络接口层（主机-网络层）该层负责通过网络发送和接收IP数据报;允许主机连入网络时使用多种现成的与流行的协议;充分体现出TCP/IP协议的兼容性与适应性，它也为TCP/IP的成功奠定了基础。互连层相当于OSI模型网络层的无连接网络服务；处理互连的路由选择、流控与拥塞问题；IP协议是无连接的、提供“尽力而为”服务的网络层协议。65TCP/IP的各层功能传输层主要功能是在互连网中源主机与目的主机的对等实体间建立用于会话的端-端连接；传输控制协议TCP是一种可靠的面向连接协议；用户数据报协议UDP是一种不可靠的无连接协议。应用层该层包括了OSI模型的应用层、表示层和会话层的大部分功能向用户提供一组常用的应用协议，如：FTP、Telnet、SMTP、SNMP、HTTP和DNS等等。66TCP/IP的工作原理数据封装的过程Data0111111010101100010101101010110001FTPmessageFrame(mediumdependent)

DataSegmentPacketBitsDataSegmentHeaderDataSegmentHeaderNetworkHeaderFrameTrailerFrameHeaderDataSegmentHeaderNetworkHeader(Bytes)67TCP/IP的工作原理在源主机端是一个数据逐层封装的过程；在目的主机则是一个逐层拆封的过程。NET1NET3Router1Router2HostAHostBNet1Net3应用层传输层网际层接口层网际层接口层应用层传输层网际层接口层HaHbR1Net2网际层接口层R2681.7计算机网络协议相关的标准化组织

1.7.1网络协议标准化组织1．国际标准化组织ISO（InternationalStandardOrganization）2．国际电报电话咨询委员会CCITT（ConsultativeCommitteeonInternationalTelegraphandTelephone）3．国际电信联盟ITU（InternationalTelecommunicationsUnion）4．电气和电子工程师协会IEEE（InstituteofElectricalandElectronicEngineers）5．美国国家标准学会（ANSI）69国际标准化组织ISOISO(InternationalOrganizationforStandard)成立于1947年,是世界上最大的国际标准化专门机构，是联合国甲级咨询机构。它的成员是89个成员国的国家标准化组织。美国在ISO中的代表是ANSI，大家所熟悉的ASCII和C语言的工业界标准，就是由ANSI所制定的。ISO在网络领域的最突出贡献就是提出OSI参考模型，该模型是网络发展史上的一个重要里程碑。70电气和电子工程师协会IEEEIEEE（InstituteofElectricalandElectronicEngineers）是世界上最大的专业技术团体，由计算机和工程学专业人士组成。它创办了许多刊物，定期举行研讨会，还有一个专门负责制定标准的下