计算机网络CH1绪论(V08)

计算机网络主讲：朱毅zhuyi@2023/1/31教材及参考书目《计算机网络（第五版）》作者：谢希仁电子工业出版社出版。第1章概述本章主要内容

1.1计算机网络的定义和功能1.2计算机网络的发展概况1.3计算机网络的组成1.4计算机网络的分类

1.5计算机网络的主要性能指标1.6计算机网络体系结构

基本要求：

1.掌握计算机网络的体系结构的相关概念

2.掌握计算机网络的主要性能指标

3.了解计算机网络的定义、功能、组成和发展计算机网络基础知识1.1计算机网络的定义和功能

1.1.1定义广义的观点：计算技术与通信技术相结合，实现远程信息处理或进一步达到资源共享的系统。资源共享的观点：以能够相互共享资源（硬件、软件和数据等）的方式连接起来，并且各自具备独立功能的计算机系统之集合。用户透明性的观点：存在一个能为用户自动管理资源的网络操作系统，由它来调用完成用户任务所需的资源，而整个网络象一个大的计算机系统一样对用户是透明的。定义：计算机网络是用通信线路将分散在不同地点并具有独立功能的多个计算机系统互相连接,按照网络协议进行数据通信,实现共享资源的计算机之集合。1.1计算机网络的定义和功能

※定义的要点：

◆计算机是独立；◆在协议(Protocol)的支持下进行工作；◆目的是实现资源共享；◆互连的手段是各种各样的。可以是有线连接，也可以是无线连接。1.1计算机网络的定义和功能

1.1.2

计算机网络的功能

(1)实现资源共享；

(2)提高系统的可靠性和可用性；

(3)能够进行分布处理。1.1计算机网络的定义和功能

1.2计算机网络的发展概况计算机网络发展的四个阶段以单个计算机为中心的远程连机系统，构成面向终端的计算机网络。多个主机互连，各主机相互独立，无主从关系的计算机网络。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。网络互联与高速网络。计算机网络=硬件系统+软件系统※硬件系统计算机网络设备:如路由器，交换机，集线器等；传输介质:如双绞线、光纤、电磁波（无线）等1.3计算机网络的组成物理组成1.3计算机网络的组成※软件系统◆

协议软件，如TCP/IP、IPX/SPX协议等。◆网络操作系统。如Windows2K、UNIX等。◆设备驱动软件。◆通信软件。◆管理软件。

◆网络应用软件。1.3计算机网络的组成1.3计算机网络的组成计算机网络=通信子网+资源子网逻辑构成

◆通信子网完成信息分组的传递工作，每个通信节点具有存储转发功能。◆资源子网包含所有由通信子网连接的主机，向网络提供各种类型的资源。

◆通信子网和资源子网可分别建设。1.3计算机网络的组成计算机网络的分类与性能指标内容：计算机网络的分类；计算机网络的主要性能指标重点：电路交换、报文交换、报文分组交换带宽、时延1.4计算机网络的分类※按距离划分◆

局域网(LAN，LocalAreaNetwork)

工作范围：10m～几km，同一个楼房、校园◆城域网(MAN，MetropolitanAreaNetwork)

工作范围：几km～几十km,同一城市◆广域网(WAN，WideAreaNetwork)工作范围：几十km～几千km,同一国家、州、全球※按拓扑结构划分

网络的拓扑结构是指抛开网络中的具体设备，用点和线来抽象出网络系统的逻辑结构。星形环形总线型分布式1.4计算机网络的分类※按传输技术划分◆广播式网络：总线型网、环形网等。适用场合：小的、地理上处于本地的网络多采用广播方式。◆点到点网络※按应用划分◆公用网：如CHINAPAC◆专用网：如军队、金融系统、铁路系统的内部网络1.4计算机网络的分类※按传输速率划分◆低速网络

传输速率为几十至10Kbps◆中速网络

传输速率为几万至几十Mbps◆高速网络

传输速率为100M至几个Gbps

1.4计算机网络的分类※按传输媒体划分

◆有线计算机网

传输介质可以是双绞线、同轴电缆和光纤等。◆无线计算机网传输介质有：无线电波、微波、红外线、激光等。1.4计算机网络的分类※按交换方式划分◆电路交换如电话系统◆报文交换如电报◆报文分组交换如因特网、ATM网络

什么是电路交换、报文交换和报文分组交换？1.4计算机网络的分类问题的引入：全连接网络将使用大量的通信线路。如：N部电话两两连接，将使用N×(N－1)/2条线路。

交换：在多结点通信网络中，为有效利用通信设备和线路，一般希望动态地设定通信双方间的线路。动态地接通或断开通信线路的过程，称为“交换”。 1.4计算机网络的分类

（1）电路交换（Circuitswitching）

计算机终端之间进行通信时，一方发起呼叫，独占一条物理线路。当交换机完成接续，对方收到发起端的信号，双方即可进行通信。在整个通信过程中双方一直占用该电路。D((((交换机交换机交换机交换机用户线用户线中继线中继线BCA经过“建立连接→通信→释放连接”三个步骤的连网方式称为“面向连接”的。电路交换是面向连接的。1.4计算机网络的分类优点：实时性强，时延小（建立连接后）交换设备成本较低缺点：线路利用率低传输效率低电路接续时间长适用于信息量大、长报文，经常使用的固定用户之间的通信。独占物理线路计算机数据往往是突发式地传输（传输数据的时间10％，甚至1％）1.4计算机网络的分类

（2）报文交换（MessageSwitching）

原理：信息以报文（逻辑上完整的信息段）为单位进行存储转发

特点：

(1)线路利用率高；

(2)要求中间结点（网络通信设备）缓冲大；

(3)延迟时间长。核心：存储转发1.4计算机网络的分类

(3)分组交换（PacketSwitching）

原理：信息以分组为单位进行存储转发。源结点把报文分为分组，在中间结点存储转发，目的结点把分组合成报文。

分组：比报文还小的信息段，可定长，也可变长。

核心：存储转发无连接方式1.4计算机网络的分类特点：

(1)延迟短，线路利用率高；

(2)结点存储器利用率高；

(3)易于重传，可靠性高；

(4)易于开始新的传输，让紧急信息优先通过；

(5)额外信息增加。

分组交换分为：数据报（Datagram）和虚电路（VirtualCircuit）1.4计算机网络的分类三种方式的传送数据比较1.4计算机网络的分类1.4计算机网络的分类1.5计算机网络的主要性能指标主要性能指标:带宽、时延1、带宽

带宽：传输数字信号时，将信道的数据率习惯性地称为“带宽”。

数据率（数据传输率）：单位时间内传送数字信号的比特数。单位是：bit/s（b/s或bps），[Kbps/Mbps/Gbps/Tbps(103/106/109/1012)]

此称谓不严格，沿用了模拟信道的叫法。原来的意义：通信线路允许通过的信号频率范围称为线路的带宽，单位是：赫兹（Hz）

吞吐量：单位时间内传送的比特数（字节数、帧数）

2、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经历的时间。包括：发送时延发送数据时，使数据块从结点进入到传输媒体所需时间。

发送时延＝数据块长度/信道带宽1.5计算机网络的主要性能指标传播时延

电磁波（电信号）在信道(线路)中传播一定距离而花费的时间。传播时延＝信道长度/传播速度

电磁波的传播速度自由空间中：3.0×105km/s

铜线电缆中：2.3×105km/s

光纤中：2.0×105km/s

处理时延数据在结点为存储转发而进行一些必要的处理所花费的时间。排队时延1.5计算机网络的主要性能指标

四种时延产生示意图总时延=发送时延＋传播时延＋处理时延＋排队时延A传播时延发送时延处理和排队时延B1.5计算机网络的主要性能指标

分析：

产生时延的主要因素，视具体情况而定。

例：100MB的数据，通过带宽1Mbps的信道传输，距离1000km，光纤线路。发送时延：220×100×8/106＝838.9s＝14分钟传播时延：1000km/2×105＝5×10-3s＝5ms

显然，此时产生时延的主要原因是发送时延

链路的带宽只影响发送时延，而不影响传播时延。提高信道带宽仅能减小发送时延。传播时延与线路长度有关，而与信道带宽无关。1.5计算机网络的主要性能指标3、时延带宽积和往返时延时延带宽积

定义：时延带宽积＝传播时延×带宽

物理意义：在传播时延这个时间段中，链路中可容纳的比特数例：某段链路传播时延20ms，带宽10Mbps，则：时延带宽积＝20×10-3s×10×106bit/s＝2×105bit

意味着：发送端连续发送数据，第一比特即将到达终点时，发送端已发送了20万个比特，即有20万个比特正在链路上传输。往返时延RTT

从发送端发送数据开始，到发送端收到来自接收端的确认为止，总共经历的时间。1.5计算机网络的主要性能指标计算机网络协议与分层内容：网络的分层体系结构；OSI/RM参考模型；各层的主要功能；

OSI/RM模型中的数据传输；

TCP/IP参考模型；课程中所用模型

既是重点，也是难点1.6

计算机网络体系结构一、网络的分层体系结构

体系结构：对计算机网络及其部件所完成功能的精确的定义，即从功能的角度描述计算机网络的结构。它是层次和协议的集合。

注意:

仅仅定义了网络及其部件通过协议应完成的功能；不定义协议的实现细节和各层协议之间的接口关系。采用分层体系结构思想基础：基于结构化设计思想1.6

计算机网络体系结构1、分层结构与基本术语1.6

计算机网络体系结构协议：为进行网络中的数据交换而建立的规则、标准或约定。主要有以下三个要素组成：

1.语法:规定数据与控制信息的结构或格式；

2.语义:规定需要发出何种控制信息，完成何种动作以及做出何种应答；

3.同步:规定事件实现顺序的详细说明，确定通信过程中状态的变化。协议栈：某一系统内的各层协议集。实体：任何可以发送或接收信息的硬件或软件进程。对等实体：位于不同系统内同一层次的两个实体。1.6

计算机网络体系结构协议作用在对等实体之间接口：相邻两层之间交互的界面，定义相邻两层之间的操作及下层对上层的服务。服务：某一层及其以下各层的一种能力，通过接口提供给其相邻上层。服务提供者和服务用户：N层向N+1层提供服务，N层实体称为服务提供者；N+1层实体为服务用户。服务访问点（SAP)：接口上相邻两层实体交换信息之处1.6

计算机网络体系结构说明：

(1)服务表示层与层间的关系，协议则代表两台机器对等实体间的关系。

(2)对于第N层协议来说，它有如下特性：*不知道上、下层的内部结构；*独立完成某种功能；*为上层提供服务；*使用下层提供的服务。

(3)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*实际通信在最底层完成1.6

计算机网络体系结构2、服务分类分为：面向连接的服务和无连接服务

面向连接的服务

当使用服务传送数据时，首先建立连接，然后使用该连接传送数据。使用完后，关闭连接。

特点：顺序性好。

无连接服务

直接使用服务传送数据，每个包独立进行路由选择。

特点：顺序性差。注意：连接并不意味可靠，可靠要通过确认、重传等机制来保证。1.6

计算机网络体系结构3、分层结构的优势层之间是独立的

某一层并不需要知道它的下一层如何实现的，而仅仅需要知道该层通过层间的接口所提供的服务。由于每一层只实现一种相对独立的功能，因而可将一个难以处理的复杂问题分解为若干个较容易处理的更小一些的问题。这样，整个问题的复杂程度就下降了。灵活性好

当任何一层发生变化时（例如由于技术的变化），只要层间接口关系保持不变，则在这层以上或以下各层均不受影响。此外，对某一层提供的服务还可进行修改。当某层提供的服务不再需要时，甚至可以将这层取消。结构上可分割开

各层都可以采用最合适的技术来实现。易于实现和维护

这种结构使得实现和调试一个庞大而又复杂的系统变得易于处理，因为整个的系统已被分解为若干个相对独立的子系统。能促进标准化工作

1.6

计算机网络体系结构总结：计算机网络从抽象的角度考虑，具有纵向分层体系结构体系结构定义功能（做什么），协议描述如何实现功能（怎么做），软件和硬件则具体实现某种功能。协议是水平的，服务是纵向的。1.6

计算机网络体系结构二、OSI/RM参考模型

OSI/RM（OpenSystemInterconnection/ReferenceModel）

开放系统互连参考模型一个七层模型。如图所示。1.6

计算机网络体系结构应用层表示层会话层传输层网络层链路层物理层应用程序：FTP、E-mail、Telnet数据结构表示、数据转换、加密、压缩进程间会话管理、提供同步服务将数据传给正确的应用程序，提供可靠的数据传输将包传给正确的主机，数据分组、路由选择将数据组成帧，差错控制、流量控制、媒体访问控制规定物理信号、接口、信号形式、速率比特帧分组,包段,报文1.6

计算机网络体系结构三、各层的主要功能

1）物理层

作用是在通信信道上传输原始的数据比特流。功能是为在物理媒体上建立、维持和终止物理连接提供机械的、电气的、功能的和过程的手段。

2）数据链路层

*

装配成帧和帧同步；*差错控制；*流量控制；*数据链路管理。1.6

计算机网络体系结构

3）网络层

*路由选择；*拥塞控制；*网际互连；*记帐功能；*网络连接管理。

4）传输层

在网络中起到承上启下的作用，对通信子网的服务进行加强和弥补。提供可靠的端到端（主机到主机）的数据传送，包括端到端的差错控制和流量控制等。1.6

计算机网络体系结构

5）会话层

会话层是进程到进程之间的层次。功能有①组织和管理进程间的会话；②提供同步服务。

6）表示层

进行普遍适用的数据转换、提供标准的应用接口和通用的通信服务，如文本压缩、安全加密、文件格式转换等。

7）应用层

应用层是OSI参考模型中的最高层。为用户提供诸如网络管理、文件传输、事务处理、电子邮件等服务。1.6

计算机网络体系结构四、OSI/RM模型中的数据传输

发送端

数据从发送端向下通过协议栈的每一层，直到传输介质。每一层在把数据传送到低一层之前在数据前面附加一些控制信息，称为协议头部。

接收端

在接收端向上通过协议栈的每一层。接收方收到数据之后先分析相应头部的信息，然后卸掉头部提交给上一层。1.6

计算机网络体系结构

演示1.6

计算机网络体系结构五、TCP/IP参考模型

1.TCP/IP历史

1969年建立的ARPAnet开始采用

TCP/IP，当时使用的是一种称为网络控制协议(NCP)的协议。

1973年，引进了传输控制协议(TCP)。

1981年，引进了网际协议(IP)。

1982年，TCP和IP被标准化成为TCP/IP协议组，