第1章计算机网络概述

计算机网络

第1章计算机网络概述计算机网络在信息时代中的作用

21世纪的重要特征：数字化、网络化、信息化网络化：电信网络、有线电视网络、计算机网络

传送数据文件、获取资料

计算机网络向用户提供的功能：（1）连通性（connectivity）:用户之间可以交换信息。（2）共享性（sharing）:资源共享——信息、软件及硬件。1.2因特网概述1.2.1

网络的网络网络：由若干结点(node)+连接这些结点的链路(link)构成计算机（主机）、集线器、交换机、路由器同轴电缆、双绞线、光纤、红外线、蓝牙(a)(b)网络互联网（网络的网络）结点链路?结点因特网是世界上最大的计算机网络什么是因特网？构成细节描述端系统接入设备非传统设备—Arethese“Cool”？CoolEndSystem网络设备网络产品和制造商局域网总线型拓扑结构优点：（1）所需电缆数量较少。2）结构简单，无源工作有较高可靠性。（3）易于扩充。缺点：（1）总线传输距离有限，通信范围受到限制。100M（2）故障诊断和隔离比较困难。（3）分布式协议不能保证信息的及时传送，不具有实时功能，站点必须有介质访问控制功能，从而增加了站点的硬件和软件开销。总线型拓扑结构适用于计算机数目相对较少的局域网络，通常这种局域网络、的传输速率在100Mbps，网络连接选用同轴电缆。总线型拓扑结构曾流行了一段时间，典型的总线型局域网有以太网！环型拓扑结构优点：1.电缆长度短。2.增加或减少工作站时，仅需简单的连接操作。3.可使用光纤。缺点1.节点的故障会引起全网故障。2.故障检测困难。3.环形拓扑结构的媒体访问控制协议都采用令牌传达室递的方式，在负载很轻时，信道利用率相对来说就比较低。星型拓扑结构优点：（1）控制简单。任何一站点只和中央节点相连接，因而介质访问控制方法简单，致使访问协议也十分简单。易于网络监控和管理。（2）故障诊断和隔离容易。中央节点对连接线路可以逐一隔离进行故障检测和定位，单个连接点的故障只影响一个设备，不会影响全网。（3）方便服务。中央节点可以方便地对各个站点提供服务和网络重新配置。缺点：（1）需要耗费大量的电缆，安装、维护的工作量也骤增。（2）中央节点负担重，形成“瓶颈”，一旦发生故障，则全网受影响。总的来说星型拓扑结构相对简单，便于管理，建网容易，局域网普遍采用的一种拓扑结构。采用星型拓扑结构的局域网，一般使用双绞线或光纤作为传输介质，符合综合布线标准，能够满足多种宽带需求。树型拓扑结构树形拓扑从总线拓扑演变而来，形状像一棵倒置的树，顶端是树根，树根以下带分支，每个分支还可再带子分支。树形网络的特点：树形网络也叫多星级型网络。树形网络是由多个层次的星型结构纵向连接而成，树的每个节点都是都是计算机或转接设备。一般来说，越靠近树的根部，节点设备的性能就越好。与星型网络相比，树形网络总长度短，成本较低，节点易于扩充，但是树形网络复杂，与节点相连的链路由故障时，对整个网络的影响较大。树形拓扑的优点：（1）易于扩展。（2）故障隔离较容易。树形拓扑的缺点：各个节点对根的依赖性太大。网状拓扑结构网状拓扑的优点(1)网络可靠性高。一般通信子网中任意两个节点交换机之间，存在着两条或两条以上的通信路径，这样，当一条路径发生故障时，还可以通过另一条路径把信息送至节点交换机。(2)网络可组建成各种形状，采用多种通信信道，多种传输速率。(3)网内节点共享资源容易。(4)可改善线路的信息流量分配。(5)可选择最佳路径，传输延迟小。网状拓扑的缺点(1)控制复杂，软件复杂。(2)线路费用高，不易扩充。网状拓扑结构一般用于Internet骨干网上，使用路由算法来计算发送数据的最佳路径。

因特网发展的三个阶段第一阶段：从单个网络ARPANET（阿帕网）向互联网发展的过程。1983年，TCP/IP协议成为ARPANET上的标准，因此把1983年作为因特网的诞生时间。第二阶段：建成了三级结构的因特网。美国国家基金会NSF（NationalScienceFoundation）建成国家科学基金会网NSFNET，它是一个三级结构的网络，分为主干网、地区网、校园网（企业网）。第三阶段：1991年以后形成多层次ISP（InternetServiceProvider，因特网服务提供者）结构的因特网。用户通过ISP上网用户因特网ISP1ISP2因特网服务提供者Internet和广域网计算机网络的分类几种不同类别的网络（1）不同作用范围的网络广域网WAN(WideAreaNetwork):几十～几千km城域网MAN(MetropolitanAreaNetwork):5～50km局域网LAN(LocalAreaNetwork):1km个人区域网PAN(PersonalAreaNetwork)

:10m（2）不同使用者的网络公用网(publicnetwork)专用网(privatenetwork)一级ISP一级ISP第一层ISP大公司本地ISP大公司公司本地ISP本地ISP校园网校园网校园网校园网第二层ISPIXPIXPAB第一层ISP第二层ISP本地ISP第一层ISP本地ISP第二层ISP本地ISP第二层ISP第二层ISP

ISP是分等级的IXP:因特网交换点（InterneteXchangePoint），向各ISP提供交换设施，使它们能够直接通信。国家IXP数量美国85巴西19日本16法国15德国14中国大陆3中国互联网IXPIXPIXP

计算机网络在我国的发展(1)

中国公用计算机互联网CHINANET(2)

中国教育和科研计算机网CERNET(3)

中国科学技术网CSTNET(4)中国联通互联网UNINET(5)中国网通公用互联网CNCNET(6)中国国际经济贸易互联网CIETNET(7)中国移动互联网CMNET(8)中国长城互联网CGWNET（建设中）中国卫星集团互联网CSNET（建设中）(10)中国高速互连研究试验网NSFnet因特网三要素1.3因特网的组成从工作方式：边缘部分：由所有连接在因特网上的主机组成，是用户直接使用的，用来进行通信（发送数据、音频或视频）和资源共享。端系统的涵盖核心部分：由大量网络和连接这些网络的路由器组成，为边缘部分提供服务（提供连通性和交换转发）。因特网的边缘与核心部分核心部分边缘部分

主机网络路由器通信子网资源子网1.3.1

边缘部分

主机A和主机B通信：本质上是“运行在主机A上的某个程序和主机B的另一个程序进行通信”，即“A的某个进程和B的另一个进程进行通信”，通常简称为“计算机之间的通信”。

在网络边缘的主机（端系统）中运行的程序之间的通信方式可划分为两大类：

1.客户/服务器方式（C/S）：Client/Server2.对等方式（P2P）：Peer-to-Peer

C/S模式Client和Server是指通信中所涉及的两个应用进程;C/S方式描述的是进程之间服务和被服务的关系;Client是服务的请求方，Server是服务的提供方。运行客户程序边缘核心运行服务器程序CS①请求服务②得到服务客户服务器P2P（Peer-to-Peer）P2P：两个主机在通信时并不区分服务请求方和服务提供方。只要两个主机都运行了对等连接软件（P2P软件），它们就可以进行平等的对等连接。每一个主机既是客户机又是服务器。边缘核心运行P2P程序运行P2P程序DBAC运行P2P程序运行P2P程序C/SVSP2P1.3.2

因特网的核心部分在核心部分起特殊作用的是路由器(router)；路由器是实现分组交换(packetswitching)的关键构件，其任务是转发收到的分组，这是网络核心部分最重要的功能。1.电路交换（为每次呼叫分配一条专用线路：电话网）2.分组交换（数据被拆散为离散的“数据块”通过网络传送）传统电路交换电路交换的特点:电路交换是面向连接的电路交换的三个阶段：建立连接通话释放连接

…

电话交换机N(N-1)/2((((交换机交换机交换机交换机用户线用户线中继线中继线BDCA((((交换机交换机交换机交换机用户线用户线中继线中继线BDCA传统电路交换电路交换:FDMA和TDMA电路交换的缺点：传送数据效率低？建立连接（5）：

(1)用户拨号

(2)拨号信令通过交换机到达被叫用户所连接的交换机

(3)该交换机向被叫电话机振铃

(4)被叫用户摘机

(5)摘机信令回到主叫交换机，即建立连接。

在通话的全部时间内，通话的两个用户始终占用端到端的通信资源，而真正用来传送数据的时间往往很短。

网络核心：分组交换分组交换的特点：采用存储转发技术；把较长的报文（message）划分成一个个较小的数据段；在每一个数据段前面，加上由必要的控制信息组成的首部（header），然后构成分组（packet）；首部包含了源地址、下一站地址、目的地址等控制信息；接收端收到分组后剥去首部还原成报文。报文11010001101010101101010111000100110100100011101假定这个报文较长不便于传输数据数据数据报文首部首部首部分组1分组2分组310M的以太网:1500B；

4M的令牌环网:4500B；

16M的令牌环网:18000B网络核心：分组交换因特网的核心部分核心部分是由许多网络和路由器组成；路由器是核心部分的结点，用来进行分组交换。H1H5H2H4H3H6路由器

核心部分H1H5H2H4H3H6发送的分组路由器AEDBC主机假定在某一个分组的传送过程中，链路A-C的通信量太大，那么路由器A可以把分组沿另一条路由转发到路由器B，再转发到E，最后把分组送到主机H5。（演示！）分组交换中存在的问题路由器

路由器处理分组的过程是：把收到的短分组先放入缓存（暂时存储）；查找转发表，找出到某个目的地应从哪个端口转发；把分组送到适当的端口转发出去。网络核心：分组交换分组交换的优点：高效：断续（动态）分配传输带宽，对通信链路逐段占用；灵活：以分组为传送单位，为分组查找路由；迅速：不必先建立连接就能向其他主机发送分组；可靠：保证可靠性的网络协议；分布式（网状）的路由选择协议使网络有很好的生存性。分组交换的缺点：分组在各结点存储转发时需要排队，这就造成一定的时延；分组必须携带的首部（控制信息）也造成了一定的开销。分组交换与电路交换比较交换技术的分类存储转发原理并非全新的概念

在20世纪40年代，电报通信也采用了基于存储转发原理的报文交换(messageswitching)。报文交换的时延较长，从几分钟到几小时不等，现在报文交换已经很少有人使用了。三种交换的比较存储转发存储转发P1P2P3P4P1P2P3P4P3P4报文报文报文ABCDABCDABCD报文交换电路交换分组交换t连接建立数据传送报文P2P1连接释放数据传送特点比特流直达终点报文报文报文分组分组分组存储转发存储转发回顾1.计算机网络向用户提供的最重要两个功能是：连通性（用户的涵盖），共享性（硬件和软件），三网合一2.客户程序P9

服务器程序3.报文(message):整块数据4.分组(packet):因特网中传送的数据单元4.电路交换5.分组交换1.速率比特（bit）是计算机中数据量的基本单位。Bit意思是一个“二进制数字”，因此一个比特就是二进制数字中的一个1或0。网络中的速率(数据率或比特率)，是连接在计算机网络上的主机在数字信道上传送数据的速率。速率的单位是b/s，kb/s,Mb/s,Gb/s等。计算机网络的7个性能指标2.带宽“带宽”(bandwidth)：本来是指某个信号具有的频带宽度，即信号所包含的各种不同频率成分所占据的频率范围，单位是赫（或千赫、兆赫、吉赫等）。在计算机网络中，带宽用来表示网络通信线路所能传送数据的能力，表示在单位时间内从一点到另一点所能通过的“最高数据率”，单位是b/s。更常用的带宽单位：千比特每秒，即Kb/s（103b/s）兆比特每秒，即Mb/s（106b/s）吉比特每秒，即Gb/s（109b/s）太比特每秒，即Tb/s（1012b/s）计算机网络的7个性能指标3.吞吐量吞吐量(throughput)表示在单位时间内通过某个网络、信道或接口的数据量。吞吐量受网络带宽或网络的额定速率的限制。计算机网络的7个性能指标概念区别：

两者的单位都是b/s带宽：Maxnetbitrate；吞吐量：throughput。带宽：链路上每秒所能传送的比特数，它取决于链路时钟速率和信道编码，在计算机网络中又称为线速。可以说以太网的带宽是10Mbps。带宽：链路上的可用带宽吞吐量：实际链路中每秒所能传送的比特数因为受各种低效率因素的影响，所以一段带宽为10Mbps的链路可能只达到2Mbps的吞吐量。吞吐量﹤带宽计算机网络的7个性能指标

4.时延时延(delay)

：数据（一个报文、分组或比特）从网络的一端传送到另一端所需的时间，由以下几个不同的部分组成：

（1）发送时延（transmissiondelay）：主机或路由器发送数据帧的第一个比特到最后一个比特发送完毕所需要的时间。发送时延=

数据帧长度（b）

信道带宽（b/s）计算机网络的7个性能指标

（2）传播时延（propagationdelay）:电磁波在信道中传播一定的距离而花费的时间。传播时延=

信道长度（m）

信号在信道上的传播速率（m/s）信号在不同介质中的传播速率：自由空间：3.0×105km/s铜缆：2.3×105km/s光纤：2.0×105km/s计算机网络的7个性能指标

（3）处理时延：交换结点（主机、路由器）收到分组后要花费一定的时间进行处理。

【分析分组的首部、提取数据部分、进行差错检验、查找路由等】

（4）排队时延：在结点的缓存队列中分组排队所经历的时延。

【分组进入路由器后，先要在输入队列中排队等待处理，路由器确定了转发接口后，分组还要在输出队列中排队等待转发】总时延=发送时延+传播时延+处理时延+排队时延计算机网络的7个性能指标四种时延所产生的地方1011001…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（网络适配器）产生发送时延在结点上产生排队时延和处理时延数据链路计算机网络的7个性能指标判断：1.数据的发送速率越高，传送得就越快。2.光纤信道的传播速度比铜线快。

光纤信道发送数据的速率很高，而传播速率（20.5万公里/秒）实际上比铜线（23.1万公里/秒）还略低一些。

练习题：1-105.时延带宽积

时延带宽积：又称以比特为单位的链路长度,即表示这样的链路可容纳多少个比特。（传播）时延链路带宽时延带宽积=传播时延（s）

带宽(b/s)计算机网络的7个性能指标

6.往返时间RTT（Round-TripTime）

往返时间：从发送方发送数据开始，到发送方收到来自接收方的确认，总共经历的时间。7.利用率信道利用率：某信道有百分之几的时间是被利用的（有数据通过）计算机网络的7个性能指标计算机网络的性能非性能指标1.费用2.质量3.标准化4.可靠性5.可扩展性6.可升级性7.管理与维护1.6.1计算机网络的性能指标1.7计算机网络的体系结构1.7.1

计算机网络体系结构的形成相互通信的两个计算机系统必须高度协调才能工作，而这种“协调”是相当复杂的。（1）激活通路（2）告诉网络如何识别接收数据的计算机（3）发送主机要查明接收方是否开机（4）发送端的程序要确定对方的程序是否做好接收的准备（5）格式要一致（6）要有可靠的措施保证接收方收到正确的文件“分层”可将庞大而复杂的问题，转化为若干较小的局部问题，而这些较小的局部问题就比较易于研究和处理。早在最初的ARPANET设计时，即提出了分层的方法。关于开放系统互连参考模型

1977年，国际标准化组织ISO成立了专门机构，提出了一个试图使各种计算机在世界范围内互连成网的标准框架，即开放系统互连基本参考模型OSI/RM（OpenSystemsInterconnectionReferenceModel），简称OSI。只要遵循OSI标准，一个系统就可以和位于世界上任何地方的、也遵循同一标准的其他系统进行通信。在市场化方面OSI

却失败了：OSI的专家们在完成OSI标准时没有商业驱动力；OSI的协议实现起来过分复杂，且运行效率很低；OSI标准的制定周期太长，因而使得按OSI标准生产的设备无法及时进入市场；OSI的层次划分也不太合理，有些功能在多个层次中重复出现。

两种国际标准法律上的国际标准OSI并没有得到市场的认可；而非国际标准TCP/IP现在却获得了最广泛的应用。

TCP/IP常被称为事实上的国际标准

网络中的数据交换必须遵守事先约定好的规则；这些规则明确规定了所交换数据的格式以及有关同步问题（同步含有时序的意思）；网络协议(networkprotocol)，简称协议，是为进行网络中的数据交换而建立的规则、标准或约定；网络协议的组成要素：

—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；

—语法数据与控制信息的结构或格式；

—同步事件实现顺序的详细说明。规定发送数据的计算机按照什么顺序发送，接收数据的计算机按照什么顺序接收，使他们保持同步1.7.2

协议与划分层次分层的好处

各层之间是独立的：每一层只实现一种相对独立的功能；灵活性好：任何一层发生变化时，只要层间接口关系保持不变，其他各层不受影响；

结构上可分割开：各层都可采用最合适的技术；

易于实现和维护：整个系统被分解成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。5应用层4运输层3网络层2数据链路层1物理层4应用层3运输层2网际层1网络接口层1物理层5会话层4传输层3网际层2数据链路层6表示层7应用层OSI7层体系结构5层体系结构TCP/IP4

层体系结构几种分层模型比较OSI参考模型应用层

所有能产生网络流量的程序表示层

在传输之前是否进行加密或压缩处理二进制ASCII会话层

为多个进程建立会话（端口号的作用）传输层

可靠传输流量控制；不可靠传输网络层

负责选择最佳路径规划IP地址数据链路层

帧的开始和结束透明传输差错校验物理层

接口标准电器标准如何在物理链路上传输更快的速度五层协议的体系结构应用层(applicationlayer)运输层(transportlayer)网络层(networklayer)数据链路层(datalinklayer)物理层(physicallayer)数据链路层5应用层4运输层3网络层2数据链路层1物理层应用层（applicationlayer）：直接为用户的应用进程提供服务，如HTTP协议。运输层（transportlayer）：负责向两个主机中进程之间的通信提供服务，如：

—传输控制协议TCP（TransmissionControlProtocol）

—用户数据报协议UDP（