计算机网络(第 4 版)

电子工业出版社计算机网络（第4版）谢希仁编著第1章概述

1.1计算机网络在信息时代中的作用1.2计算机网络的发展过程1.3计算机网络的分类1.4计算机网络的主要性能指标1.5计算机网络的体系结构的比较1.6应用层的客户-服务器方式1.1计算机网络在信息时代的作用21世纪的一些重要特征就是数字化、网络化和信息化，它是一个以网络为核心的信息时代。网络现已成为信息社会的命脉和发展知识经济的重要基础。网络是指“三网”，即电信网络、有线电视网络和计算机网络。发展最快的并起到核心作用的是计算机网络。因特网（Internet）的发展进入20世纪90年代以后，以因特网为代表的计算机网络得到了飞速的发展。已从最初的教育科研网络逐步发展成为商业网络。已成为仅次于全球电话网的世界第二大网络。其意义表现在：因特网是自印刷术以来人类通信方面最大的变革。现在人们的生活、工作、学习和交往都已离不开因特网。1.2计算机网络的发展过程1.2.1分组交换的产生1.2.2因特网时代1.2.3关于因特网的标准化工作1.2.4计算机网络在我国的发展1.2.1分组交换的产生计算机网络的产生背景：是20世纪60年代美苏冷战时期的产物。60年代初，美国国防部领导的远景研究规划局ARPA提出要研制一种生存性很强的网络。其目的是对付来自前苏联的核进攻威胁。传统的电路交换的电信网有一个缺点：正在通信的电路中有一个交换机或有一条链路被炸毁，则整个通信电路就要中断。

新型网络的基本特点网络用于计算机之间的数据传送，而不是为了打电话。网络能够连接不同类型的计算机，不局限于单一类型的计算机。所有的网络结点都同等重要，因而大大提高网络的生存性。计算机在进行通信时，必须有冗余的路由。网络的结构应当尽可能地简单，同时还能够非常可靠地传送数据。

电路交换两部电话机只需要用一对电线就能够互相连接起来。

5部电话机两两相连，需10对电线。

N部电话机两两相连，需N(N–1)/2对电线。当电话机的数量很大时，这种连接方法需要的电线对的数量与电话机数的平方成正比。使用交换机

当电话机的数量增多时，就要使用交换机来完成全网的交换任务。

…

交换机“交换”的含义“交换”(switching)的含义是：转接——把一条电话线转接到另一条电话线，使它们连通起来。从通信资源的分配角度来看，“交换”就是按照某种方式动态地分配传输线路的资源。电路交换的特点：电路交换必定是面向连接的。电路交换的三个阶段

建立连接→通信→释放连接面向连接的操作和无连接的操作面向连接的操作，是指网络中相互通信的两个节点在操作开始前先要建立连接，然后进行通信操作，操作完成后必须释放连接。面向连接的操作为两个节点提供的是可靠的信息传输服务。面向连接的操作注重的是服务的可靠而不是时效。但是对于某些服务来说，确认过程引起的传输延迟不可忍受，而传输过程中丢失一些信息反而可以接受。在无连接的操作中，信息发送节点送入网络的每个数据包都包含完整的目的节点地址，每个数据包都独立于其他数据包，各自经系统选择的路径传输。无连接的操作注重的是服务的时效性而不是可靠性。电路交换举例（一）

A和B通话经过四个交换机通话在A到B的连接上进行((((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电路交换举例（二）

C和D通话只经过一个本地交换机通话在C到D的连接上进行((((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分组交换的原理（一）在发送端，先把较长的报文划分成较短的、固定长度的数据段。报文1101000110101010110101011100010011010010假定这个报文较长不便于传输分组交换的原理（二）每一个数据段前面添加上首部构成分组。数据数据数据报文首部首部首部分组

1分组

2分组

3分组交换的原理（三）分组交换网以“分组”作为数据传输单元。依次把各分组发送到接收端。数据首部分组

1数据首部分组

2数据首部分组

3分组首部的重要性每一个分组的首部都含有地址等控制信息。分组交换网中的结点交换机根据收到的分组的首部中的地址信息，把分组转发到下一个结点交换机。用这样的存储转发方式，最后分组就能到达最终目的地。分组交换的原理（四）接收端收到分组后剥去首部还原成报文。数据首部分组

1数据首部分组

2数据首部分组

3收到的数据分组交换的原理（五）最后，在接收端把收到的数据恢复成为原来的报文。这里我们假定分组在传输过程中没有出现差错，在转发时也没有被丢弃。数据数据数据报文1101000110101010110101011100010011010010分组的存储转发过程H1A分组交换网BDECH5H6H4H2H3H1向H5发送分组结点交换机主机分别在结点交换机A、C、E暂存查找转发表找到转发的端口，最后到达目的主机H5。注意结点交换机有多个端口ABCDEH1H5H2H4H3H6高速链路结点交换机123412341

2

3

412

3

41

2

3

4主机和结点交换机结点交换机在结点交换机中的输入和输出端口之间没有直接连线。结点交换机处理分组的过程是：把收到的分组先放入缓存（暂时存储）；查找转发表，找出到某个目的地址应从哪个端口转发；把分组送到适当的端口转发出去。主机和结点交换机的作用不同主机是为用户进行信息处理的，并向网络发送分组，从网络接收分组。结点交换机对分组进行存储转发，最后把分组交付给目的主机。分组交换的优点和带来的问题优点：

高效动态分配传输带宽，对通信链路是逐段占用。灵活以分组为传送单位和查找路由。迅速不必先建立连接就能向其他主机发送分组；充分使用链路的带宽。缺点：

分组在各结点存储转发时需要排队，这就会造成一定的时延。分组必须携带的首部（里面有必不可少的控制信息）也造成了一定的开销。

三种交换的比较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连接释放计算机网络的概念的变化早期的面向终端的计算机网络是以单个主机为中心的星形网。各终端通过通信线路共享昂贵的中心主机的硬件和软件资源。

分组交换网则是以网络为中心，主机都处在网络的外围。用户通过分组交换网可共享连接在网络上的许多硬件和各种丰富的软件资源。从主机为中心到以网络为中心主机终端以主机为中心以分组交换网为中心主机分组交换网1.2.2因特网时代因特网的基础结构大体上经历了三个阶段的演进。但这三个阶段在时间划分上并非截然分开而是有部分重叠的，这是因为网络的演进是逐渐的而不是突然的。第一阶段只是单个分组交换网ARPANET。

第二阶段是建成了三级计算机网络。第三阶段是多级结构的因特网。三级结构的因特网校园网校园网校园网校园网校园网校园网国家主干网地区网地区网地区网主干网地区网校园网多级结构的因特网大公司地区ISP网络接入点NAP（对等点）公司校园网主干服务提供者校园网校园网校园网校园网本地ISP地区ISP地区ISP地区ISP本地ISP本地ISP大公司大公司网络接入点NAP（对等点）网络接入点

NAP

国家主干网（主干ISP）

地区ISP

本地ISP

校园网、企业网或PC机上网用户1.2.4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）(9)中国卫星集团互联网CSNET（建设中）1.3计算机网络的分类什么是计算机网络？最简单的定义：计算机网络是一些互相连接的、自治的计算机的集合。最简单计算机网络是两台计算机连接。因特网（Internet）是“网络的网络”。与分布式计算机系统不同。

1.3.2几种不同的分类方法从网络的交换功能分类电路交换、报文交换、分组交换、混合交换从网络的作用范围进行分类广域网、局域网、城域网、接入网从网络的使用者进行分类公用网、专用网广域网、城域网、接入网以及局域网的关系城域网城域网接入网接入网接入网接入网接入网接入网广域网局域网局域网校园网企业网……1.4计算机网络的主要性能指标带宽的概念：从电子电路角度，带宽指的是电子电路中存在一个固有频带，各类复杂的电子电路都存在电感、电容的储能元件，这些都会对信号起着阻滞作用从而消耗信号能量，严重的会影响信号品质。这种效应与交流电信号的频率成正比关系，当频率高到一定程度、令信号难以保持稳定时，整个电子电路自然就无法正常工作。为此，就提出了“带宽”的概念，它指的是电路可以保持稳定工作的频率范围。而属于该体系的有显示器带宽、通讯/网络中的带宽等等。第二种带宽的概念所指的是数据传输率，是以“字节/秒”为单位。尽管它与电子电路中“带宽”的本意相差很远。1.4计算机网络的主要性能指标带宽

“带宽”本来是指信号具有的频带宽度，单位是赫（或千赫、兆赫、吉赫等）。现在“带宽”是数字信道所能传送的“最高数据率”的同义语，单位是“比特每秒”，或b/s。

常用的带宽单位是千比每秒，即kb/s（103b/s）兆比每秒，即Mb/s（106b/s）吉比每秒，即Gb/s（109b/s）太比每秒，即Tb/s（1012b/s）

注意：在计算机界，K=210=1024M=220,G=230,T=240。数字信号流随时间的变化在时间轴上信号的宽度随带宽的增大而变窄。每秒

106

个比特时间1

01

0

111s带宽为1Mb/s时间每秒

4

106

个比特0.25s带宽为4Mb/s1.4计算机网络的主要性能指标时延

发送时延：发送数据时，数据块从结点进入到传输媒体所需要的时间。传播时延电磁波在信道中需要传播一定的距离而花费的时间。处理时延：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。发送时延=数据块长度（比特）信道带宽（比特/秒）传播时延=信道长度（米）信号在信道上的传播速率（米/秒）注意：传输速率和传播速率的区别三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在发送器产生发送时延(即传输时延)在队列中产生处理时延数据从结点A向结点B发送数据链路数据经历的总时延就是发送时延、传播时延和处理时延之和：总时延=发送时延+传播时延+处理时延容易产生的错误概念对于高速网络链路，我们提高的仅仅是数据的发送速率而不是比特在链路上的传播速率。提高链路带宽减小了数据的发送时延。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1.5.2划分层次的必要性1.5.3具有五层协议的体系结构1.5.4实体、协议、服务和服务访问点1.5.5面向连接服务和无连接服务1.5.6OSI与TCP/IP体系结构的比较1.5.1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工作才行，而这种“协调”是相当复杂的。“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。计算机网络的各层及其协议的集合称为网络的体系结构，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。体系结构是抽象的，而实现则是具体的，是真正在运行的计算机硬件和软件。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。是非国际标准TCP/IP现在获得了最广泛的应用。

TCP/IP常被称为事实上的国际标准。1.5.2划分层次的必要性计算机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的数据的格式以及有关的同步问题（同步含有时序的意思）。为进行网络中的数据交换而建立的规则、标准或约定即网络协议(networkprotocol)，简称为协议。网络协议的组成要素：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响应。同步事件实现顺序的详细说明。划分层次的概念举例网络接入模块通信服务模块文件传送模块计算机1网络接入模块通信服务模块文件传送模块计算机2文件及文件传送命令与通信有关的报文网络接口网络接口通信网络划分层次的概念举例计算机1向计算机2通过网络发送文件。可以将要做的工作进行如下的划分。第一类工作与传送文件直接有关。确信对方已做好接收和存储文件的准备。双方协调好一致的文件格式。两个计算机将文件传送模块作为最高的一层。剩下的工作由下面的模块负责。两个计算机交换文件文件传送模块计算机

1计算机

2文件传送模块只看这两个文件传送模块好像文件及文件传送命令是按照水平方向的虚线传送的把文件交给下层模块进行发送把收到的文件交给上层模块再设计一个通信服务模块文件传送模块计算机

1计算机

2文件传送模块只看这两个通信服务模块好像可直接把文件可靠地传送到对方把文件交给下层模块进行发送把收到的文件交给上层模块通信服务模块通信服务模块通信服务模块用来保证文件和文件传送命令可靠地在两个系统之间交换。再设计一个网络接入模块文件传送模块计算机

1计算机

2文件传送模块通信服务模块通信服务模块网络接入模块网络接入模块通信网络网络接口网络接口网络接入模块负责做与网络接口细节有关的工作例如，规定传输的帧格式，帧的最大长度等。分层的好处各层之间是独立的。灵活性好。结构上可分割开。易于实现和维护。能促进标准化工作。注意：若层数太少，就会使每一层的协议太复杂。层数太多又会在描述和综合各层功能的系统工程任务时遇到较多的困难。1.5.3具有五层协议的体系结构

TCP/IP是四层的体系结构：应用层、运输层、网际层和网络接口层。最下面的网络接口层并没有具体内容。采取折中的办法，即综合OSI和TCP/IP的优点，采用一种只有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物理层一、应用层(applicationlayer)应用层是体系结构中的最高层。应用层确定进程之间通信的性质以满足用户的需要（这反映在用户所产生的服务请求）。支持应用层协议有HTTP、SMTP和FTP等。二、运输层(transportlayer)运输层的任务就是负责主机中两个进程之间的通信，其数据传输的单位是报文段或用户数据报。因特网的运输层可使用两种不同协议。即面向连接的传输控制协议TCP(TransmissionControlProtocol)，和无连接的用户数据报协议UDP(UserDatagramProtocol)。三、网络层(networklayer)网络层负责为分组交换网上的不同主机提供通信。网络层将运输层产生的报文段或用户数据报封装成分组或包进行传送，数据的传送单位是分组或包。在TCP/IP体系中，分组也叫作IP数据报，或简称为数据报。四、数据链路层（datalinklayer）数据链路层的任务是在两个相邻结点间的线路上无差错地传送以帧(frame)为单位的数据。每一帧包括数据和必要的控制信息。数据链路层有时也常简称为链路层。数据链路层就把一条有可能出差错的实际链路，转变成为让网络层向下看去好像是一条不出差错的链路。五、物理层（physicallayer）物理层的任务就是透明地传送比特流。“透明”是一个很重要的术语。它表示：某一个实际存在的事物看起来却好像不存在一样。 计算机1向计算机2发送数据5432154321计算机

1AP2AP1计算机

2应用进程数据先传送到应用层加上应用层首部，成为应用层的数据单元计算机1向计算机2发送数据5432154321计算机

1AP2AP1计算机

2应用层数据单元再传送到运输层加上运输层首部，成为运输层报文计算机1向计算机2发送数据5432154321计算机

1AP2AP1计算机

2运输层报文再传送到网络层加上网络层首部，成为IP数据报（或分组）计算机1向计算机2发送数据5432154321计算机

1AP2AP1计算机

2IP数据报再传送到数据链路层加上链路层首部和尾部，成为数据链路层帧计算机1向计算机2发送数据5432154321计算机

1AP2AP1计算机

2数据链路层帧再传送到物理层最下面的物理层把比特流传送到物理媒体计算机1向计算机2发送数据应用层(applicationlayer)5432154321物理传输媒体计算机

1AP2AP1电信号（或光信号）在物理媒体中传播从发送端物理层传送到接收端物理层计算机

2计算机1向计算机2发送数据5432154321计算机

1AP2AP1计算机

2物理层接收到比特流，上交给数据链路层计算机1向计算机2发送数据5432154321计算机

1AP2AP1计算机

2数据链路层剥去帧首部和帧尾部取出数据部分，上交给网络层计算机1向计算机2发送数据5432154321计算机

1AP2AP1计算机

2网络层剥去首部，取出数据部分上交给运输层计算机1向计算机2发送数据5432154321计算机

1AP2AP1计算机

2运输层剥去首部，取出数据部分上交给应用层计算机1向计算机2发送数据5432154321计算机

1AP2AP1计算机

2应用层剥去首部，取出应用程序数据上交给应用进程计算机1向计算机2发送数据5432154321计算机

1AP2AP1计算机

2收到了

AP1

发来的应用程序数据！计算机1向计算机2发送数据5432154321计算机

1AP2AP1计算机

2应用程序数据应用层首部H510100110100101比特流110101110101注意观察加入或剥去首部（尾部）的层次应用程序数据H5应用程序数据H4H5应用程序数据H3H4H5应用程序数据H4运输层首部H3网络层首部H2链路层首部T2链路层尾部计算机1向计算机2发送数据5432154321计算机

1AP2AP1计算机

210100110100101比特流110101110101计算机2的物理层收到比特流后交给数据链路层H2T2H3H4H5应用程序数据计算机1向计算机2发送数据H3H4H5应用程序数据5432154321计算机

1AP2AP1计算机

2数据链路层剥去帧首部和帧尾部后把帧的数据部分交给网络层H2T2H3H4H5应用程序数据计算机1向计算机2发送数据H4H5应用程序数据H3H4H5应用程序数据5432154321计算机

1AP2AP1计算机

2网络层剥去分组首部后把分组的数据部分交给运输层计算机1向计算机2发送数据H5应用程序数据H4H5应用程序数据5432154321计算机

1AP2AP1计算机

2运输层剥去报文首部后把报文的数据部分交给应用层计算机1向计算机2发送数据应用程序数据H5应用程序数据5432154321计算机

1AP2AP1计算机

2应用层剥去应用层首部后把应用程序数据交给应用进程计算机1向计算机2发送数据5432154321计算机

1AP2AP1计算机

2收到了

AP1

发来的应用程序数据！1.5.4实体、协议、服务和服务访问点实体(entity):协议的实现要落实到一个个具体的硬件和软件模块，在网络中将这些实现特定功能的模块称为实体。协议是控制两个对等实体（同一层中实现同一协议的两个实体）进行通信的规则的集合。除了最底层的对等实体外，其它的对等实体间的通信并不是直接进行的。在协议的控制下，两个对等实体间的通信使得本层能够向上一层提供服务。要实现本层协议，还需要使用下层所提供的服务。1.5.4实体、协议、服务和服务访问点本层的服务用户只能看见服务而无法看见下面的协议。下面的协议对上面的服务用户是透明的。协议是“水平的”，即协议是控制对等实体之间通信的规则。服务是“垂直的”，即服务是由下层向上层通过层间接口提供的。指网中低层实体向高层实体提供功能性的支持。对等层实体通过协议进行通信，完成一定的功能，从而为上层实体提供相应的服务；

同一系统相邻两层的实体进行交互的地方，称为服务访问点SAP(ServiceAccessPoint)。协议与服务的关系

服务是各层向它的上一层提供的一组服务原语，服务定义了两层之间的接口，上层是服务用户，下层是服务提供者。协议是定义同层对等实体之间的交换帧、分组和报文的格式及意义的一组规则。实体利用协议来实现它们的服务定义。只要不改变提供给用户的服务，实体可以任意地改变它们的协议。1.5.4实体、协议、服务和服务访问点协议交换原语交换原语服务用户提供服务服务提供者第n层第n+1层服务用户SAPSAP这里有两个信息在流动：

纵向信息：真实的物理传输，层与层之间是透明的；纵向信息流是物理的。横向信息：逻辑的信息在流动，而横向信息流则是逻辑的。协议很复杂协议必须将各种不利的条件事先都估计到，而不能假定一切情况都是很理想和很顺利的。必须非常仔细地检查所设计协议能否应付所有的不利情况。应当注意：事实上难免有极个别的不利情况在设计协议时并没有预计到。在出现这种情况时，协议就会失败。因此实际上协议往往只能应付绝大多数的不利情况。著名的协议举例占据两个山顶的蓝军与驻扎在这山谷的白军作战。力量对比是：一个山顶上的蓝军打不过白军，但两个山顶的蓝军协同作战就可战胜白军。一个山顶上的蓝军拟于次日正午向白军发起攻击。于是发送电文给另一山顶上的友军。但通信线路很不好，电文出错的可能性很大。因此要求收到电文的友军必须发送确认电文，但确认电文也可能出错。试问能否设计出一种协议，使得蓝军能实现协同作战因而一定(即100%)取得胜利？著名的协议举例明日正午进攻，如何？同意收到“同意”收到：收到“同意”………………这样的协议无法实现！1.5.5面向连接服务与无连接服务面向连接服务(connection-oriented)

面向连接服务具有连接建立、数据传输和连接释放这三个阶段。面向连接服务在网络层中又称为虚电路服务。无连接服务(connectionless)

两个实体之间的通信不需要先建立好连接。是一种不可靠的服务。这种服务常被描述为“尽最大努力交付”或“尽力而为”。1.5.6OSI与TCP/IP体系结构的比较应用层运输层网络层表示层会话层数据链路层物理层7654321OSI的体系结构应用层网络接口层网际层IP(各种应用层协议如TELNET,FTP,SMTP等)运输层(TCP

或

UDP)TCP/IP的体系结构无连接分组交付服务运输服务(可靠或不可靠)各种应用服务TCP/IP

的三个服务层次1.5.6OSI与TCP/IP体系结构的比较

OSI的七层协议体系结构既复杂又不实用，但其概念清楚，体系价格低廉，理论较完整。TCP/IP的协议现在得到了全世界的承认，但它实际上并没有一个完整的体系结构。TCP/IP是一个四层的体系结构，它包含应用层、运输层、网际层和网络接口层。但从实质上讲，TCP/IP只有三层，即应用层、运输层和网际层，因为最下面的网络接口层并没有什么具体内容。TCP/IP可以为各式各样的应用提供服务，也可应用到各式各样的网络上HTTPSMTPDNSRTPTCPUDPIP网际层网络接口层运输层应用层………网络接口

1网络接口

2网络接口

31.6应用层的客户-服务器方式在TCP/IP的进程之间的通信经常使用客户–服务器方式。应用层协议并不是解决用户各种具体应用的协议，而是为最终用户提供服务。为了解决具体的应用问题而彼此通信的进程就称为“应用进程”。而应用层的具体内容就是规定应用进程在通信时所遵循的协议。客户(client)和服务器(server)都是指通信中所涉及的两个应用进程。客户-服务器方式所描述的是进程之间服务和被服务的关系。客户是服务请求方，服务器是服务提供方。1.6应用层的客户-服务器方式客户软件的特点：在进行通信时临时成为客户，但它也可在本地进行其他的计算。被用户调用并在用户计算机上运行，通信时主动向远地服务器发起通信。可与多个服务器进行通信。不需要特殊的硬件和很复杂的操作系统。服务器软件的特点：专门用来提供某种服务的程序，可同时处理多个远地或本地客户的请求。在共享计算机上运行。当系统启动时即自动调用并一直不断地运行着。被动等待并接受来自多个客户的通信请求。一般需要强大的硬件和高级的操作系统支持。客户进程和服务器进程使用TCP/IP协议进行通信数据链路层物理层运输层网络层数据链路层物理层运输层网络层①

客户发起连接建立请求②

服务器接受连接建立请求应用层应用层因特网客户服务器以后就逐级使用下层提供的服务(使用TCP和IP）客户与服务器的通信关系一旦建立，通信就可是双向的，客户和服务器都可发送和接收信息。大多数的应用进程都是使用TCP/IP协议进行通信。

作业：P311-03、1-10、1-18、1-201-3试从多个方面比较电路交换、报文交换和分组交换的主要优缺点。（1）电路交换电路交换就是计算机终端之间通信时，一方发起呼叫，独占一条物理线路。当交换机完成连接，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。它的特点是实时性强，时延小，交换设备成本较低。但同时也带来线路利用率低，电路连接时间长，通信效率低，不同类型终端用户之间不能通信等缺点。电路交换比较适用于信息量大、长报文，经常使用的固定用户之间的通信。作业讲解：（2）报文交换将用户的报文存储在交换机的存储器中。当所需要的输出电路空闲时