计算机导论PPT第六章-计算机网络要点

6计算机网络ComputerNetworks描述网络标准、物理结构和网络分类状况描述作为因特网网络模型的TCP/IP协议族定义TCP/IP协议族中各层以及它们的关系探讨因特网的客户/服务器体系结构了解三种因特网应用：电子邮件、文件传输、远程登录了解作为因特网最常见应用的万维网及其组成区分三种因特网文档：静态文档、动态文档、活动文档列出其他因特网应用，如视频会议、分组探讨、闲聊目标通过本章的学习，同学们应当能够:引言网络标准物理结构网络分类、互联网、因特网TCP/IP协议族及分层TCP/IP协议应用层、传输层、网络层、数据链路层、物理层因特网的应用电子邮件、FTP、WWW其他因特网的应用6-1引言INTRODUCTION计算机网络硬件和软件的组合，它把数据从一个地方发送到另一个地方。硬件：把信号从网络中的一点传送到另一点的物理设备。软件：由指令组成，这些指令使得从网络获得服务成为可能。网络标准（评价指标）

Networkcriteria网络必需符合一系列标准。最重要的包括：性能：多种方式度量，包括传输时间和响应时间。传输时间：信息从一个设备传输到另一个设备所需的时间总量。响应时间：查询和响应的时间间隔。网络的性能依靠很多因素，包括：用户数、传输介质、硬件连接实力、软件效率等。牢靠性：包括：发送精确性、发生故障的频率、从故障中复原的时间、网络健壮性等。平安：包括爱护数据，防止非授权访问、损坏、修改，实现从数据破坏和数据丢失中复原的策略和程序。物理结构

Physicalstructures物理结构—连接类型链路：链路是数据从一个设备传输到另一个设备的通信通道。为了进行通信，两个设备必需运用某种方式同时连接到同一个链路。网络连接类型：点对点（两个设备专用一个链路，信道容量被二者拥有）多点连接（两个以上设备共享一个链路，信道容量被共享）物理结构

PhysicalstructuresFigure6.1连接类型：点对点、多点物理结构—连接类型物理结构—拓扑物理拓扑：网络在物理上的布置方式。两个或多个设备连接到一个链路，一个或多个链路形成拓扑。网络拓扑：全部链路和设备（节点）之间关系的几何表示。基本结构：网状型、星型、总线型、环型物理结构

PhysicalstructuresFigure6-2四种物理拓扑物理结构

Physicalstructures网状拓扑每个设备都有专用的点对点链路与其他每个设备相连。每个连接都能传输自身的数据。网状拓扑优点：一条链路不行用，不会影响整个网络，健壮性好。缺点：结构困难，建设成本较高。应用：网状拓扑结构一般用于Internet骨干网上，运用路由算法来计算发送数据的最佳路径。星型拓扑每个设备都有专用的点对点链路，只与集线器相连。属于集中限制型网络。发送节点将要发送的数据发送到中心节点，再由中心节点将数据送到目的节点。优点：限制简洁。任何节点只和中心节点相连，易于网络监控和管理。故障诊断和隔离简洁。中心节点可以逐一对连接线路进行故障检测和定位，单个节点的故障只影响一个设备，不会影响全网。便利服务。中心节点可便利地对节点供应服务和网络重新配置。缺点：中心节点负担重，一旦发生故障，则全网受影响。应用：是目前局域网普遍接受的一种拓扑结构。星型拓扑总线拓扑运用多点链路。一根长电缆（总线）把网络中全部设备连接在一起，即接受总线传输作为共用的传输介质。网络中全部计算机运用分支线和连接头与共享总线相连。优点：安装简洁，骨干电缆可以放置在最有效的路径上，通过长度不一的分支线与节点相连。缺点：总线电缆故障或断裂将终止全部传输，即使故障发生在同一侧的两个设备也不能传输。应用：适用于较少计算机的局域网，常见的总线拓扑结构是以太网（接受共享总线型传输媒体方式的局域网）总线拓扑环型拓扑每个设备有专用的点对点链路，只与两边设备相连。信号沿着环按确定方向从一个设备传输到另一个设备。令牌（Token）沿着环形总线在计算机间依次传递，令牌是特殊格式的帧，本身并不包含信息，仅限制数据发送，确保在同一时刻只有一个节点能够发送数据。优点：简洁安装和重构，全部节点公允访问网络。缺点：环的断裂会导致整个网络不行用。应用：IBM引入局域网令牌环时，环型拓扑占主导地位。环型拓扑环型拓扑当环上节点都空闲时，令牌绕环行进。节点只有取得令牌后才能发送数据，因此不会发生碰撞。当设备收到要传输到另一个设备的信号时，由中继器（放大）重新生成二进制位，并传输。网络分类Categoriesofnetworks局域网(local-areanetworks，LANs)城域网(metropolitanareanetworks，MANs)广域网(wide-areanetworks，WANs)

局域网(local-areanetworks，LANs)

局域网的大小局限于几公里内，通常连接办公室、大楼或校内里的设备。Figure6.3将8台计算机连接到一个集线器的孤立LANFigure6.4点对点WAN和骨干WANWAN供应长距离的多媒体信息的传输。骨干WAN是由服务供应商运营的困难网络，通常连接因特网服务供应商。点对点的WAN是两个设备间的单一连线，如拨号线路或电缆线。广域网(wide-areanetworks，WANs)

城域网大小介于LAN和WAN之间，通常须要覆盖一个镇或一个城市。MAN用来为那些须要高速连接（通常是连接因特网），且终端分布在一个城市或城市的一部分客户服务。城域网

(metropolitanareanetworks，MANs)

互联网internet当两个或多个网络连接在一起时,它们就变成互联网,或internet(小写的“i”).Figure6.5由WAN、LAN和路由器构成的互联网

网络是一组连接在一起的通信设备，互联网是能够相互通信的两个或多个网络。因特网Internet最著名的互联网是因特网，由成千上万个网络组成。大多数用户运用因特网服务供应商(ISPs)的服务，ISP是具有一台或多台通过高速链路连到因特网的服务器的组织。Figure6.6因特网的层次组织因特网是把信息资源带到人们的指尖，并为人们所用的通信系统，影响生活的方方面面。6-2TCP/IP协议族TCP/IPPROTOCOLSUITE计算机解决问题的基础工作是由硬件完成的。若只运用硬件，任务繁杂；若有软件可用，任务就简洁多了。在最高层，程序能指挥问题求解过程。实际硬件如何来完成的细微环节问题，留给了被高层调用的软件。这可与计算机网络供应的服务进行比较。在世界上，从一个地方到另一个地方的数据传输（如电子邮件的发送）可以被分解成几个任务，每层完成一个任务。每层运用更低层的服务。在最底层，信号或信号组被从源传输到目的。TCP/IP为了分解完成所需的服务，创建了一组规则，称为协议。这些协议允许运用不同技术的局域网和广域网相互连接到一起，从一点向另一点传送信息。限制因特网的一组协议称为TCP/IP协议族。分层：分解任务、每层完成一个任务、每层运用更低层的服务。TCP/IP协议族原始的TCP/IP协议族被定义成四层：主机到网络层、网络层、传输层、应用层。如今的TCP/IP协议族通常定义成五层。Figure6.7TCP/IP协议族TCP/IP协议的分层当消息从设备A发送到设备B时涉及的层。可能经过很多路由器，路由器只运用前三层。Figure6.8TCP/IP协议族的层间交互TCP/IP协议的分层包交换与分层协议包：在网络中，将文件和信息分解成包（Packet），在这些包上打上信息源和目的地址的电子标签.包交换：在计算机通信中，数据是以包为单位进行传输的。节点在交换数据时要确定包的传输路径，并处理数据在传输中发生的差错。ABCDFEG6-3层(LAYERS)描述TCP/IP协议族中每一层的功能。显示消息如何通过不同的层直至物理层以及消息是如何通过传输介质发送的。

应用层Applicationlayer应用层负责向用户供应服务。

i应用层允许用户（人或软件）访问网络。它供应对电子邮件、远程文件访问和传输、阅读万维网等服务的支持。应用层是唯一一个大多数因特网用户能够看到的层。计算机间通信—两种体系结构对等体系结构：资源对等客户/服务器体系结构（客户端程序和服务器端程序，S-始终运行，C-须要时运行）运行在该结构中的程序称为进程客户端程序和服务端程序间的通信称为进程到进程的通信须要服务器进程服务的客户运行客户端程序，客户端服务恳求进程，该服务将被服务器进程响应客户/服务器体系结构Figure6.9应用层的通信应用层地址Application-layeraddressFigure6.10应用层地址当用户须要向服务器发送恳求时，须要服务器应用层的地址。为了识别一个HTTP站点，运用统一资源定位符UniformResourceLocator(URL)。服务器应用层地址不是用来发送消息的，它只是帮助客户找到服务器计算机的实际地址（通过DNS）。（类似知道人名投信）应用层地址Application-layeraddressURL构成：协议+IP地址+端口+书目+文件<协议名称>://<主机名>:<端口>/<路径>/…/文件名例如：://baidu:80/view/2136.html:协议名称(超文本传输协议)baidu:主机名称(指定Web服务器的IP地址或域名地址)80：端口地址view:存放书目（要访问的文件在服务器上的位置，分级（/））2136.html:文件名称（要访问的文件名称）应用层地址Application-layeraddressURL构成：协议+IP地址+端口+书目+文件在URL语法格式中，协议名称及主机名称是确定必需有的之外，其余像端口地址、存放书目等都可以不要。telnet代表运用远程登录的服务telnet://ftp通过互联网传输文件ftp://ftp.microsoft/传输层Transportlayer传输层负责整个消息的进程到进程的传输：建立客户和服务器计算机的传输层的逻辑通信。虽然物理通信是两个物理层间的通信（通过很多可能的链路和路由器），但两个应用层把传输层看成是负责消息传输的代理。传输层负责客户和服务器进程间的消息的逻辑传输

iFigure6.11传输层的通信传输层地址（端口号）

Transport-layeraddresses(portnumbers)服务器的IP地址对于通信是必需的。但服务器可能同时运行多个进程，例如FTP和HTTP服务器进程。当消息到达服务器端时，它必需被指向正确的进程。须要另一个地址来标识服务器进程，称为端口号。IP地址－大楼地址，端口号－房间号。传输层地址（端口号）

Transport-layeraddresses(portnumbers)Figure6.12传输层地址服务器端口地址已设定，客户端端口号由运行客户端进程的计算机临时确定(d4为端口号，s4为临时端口号).FTP：21，Telnet：23，HTTP：80，QQ：1080，SMTP：25（限制临时端口地址范围）多路复用和解多路复用传输层为不同的进程做相同的工作，从进程中收集要发出的信息(多路复用，类似门卫收信件)，并将到达的信息分发给进程(解多路复用，类似分发信件)。运用端口号（唯一）完成多路复用和解多路复用（服务器运用众所周知的端口号，客户端运用临时端口号）拥塞限制下层网络可能发生拥塞，导致数据包丢失运用缓冲区，检测到拥塞，暂缓发送（类似交通信号灯）传输层功能

流量限制发送端监控接收端接收到的数据包是否过量（确认机制）差错限制消息在传输过程中可能被：损坏、丢失、重复、乱序。可以在缓冲区保留消息副本，直到从接收端收到包确认。为每个包加上次序号，为每个确认加上确认号。传输层功能

传输层协议Transport-layerprotocols定义了三种传输层协议:UDP：用户数据报协议（UserDatagramProtocol）TCP：传输限制协议（TransmissionControlProtocol）SCTP：流限制传输协议（StreamControlTransmissionProtocol）UDP：用户数据报协议UserDatagramprotocolUDP也称无连接协议，是三个协议中最简洁的：通过给数据包增加源和目的端口号，完成多路复用和解多路复用。给包增加校验和来进行差错限制（是与否）。若该包被损坏，则丢弃，而不通知发送者重新发送。因缺乏序号，UDP中每个包是单独实体（与其他无关）。不供应属于单个消息的数据包间的逻辑连接。传送更少的信息，速度快，效率高。主要应用：刚好性比精确性更重要的应用。实时图像、音频视频在两个传输层间供应逻辑连接，面对连接的协议支持传输层全部职责。没有UDP快。TCP运用序号、确认号、检验和。在发送方运用缓冲区，供应了多路复用、解多路复用、流量限制、拥塞限制、差错限制。TCP的牢靠性按序无差错不丢失、不重复不适合音频和视频的实时传输，重新发送数据包会破坏数据包的同步。正确投递数据TCP：传输限制协议TransmissionControlProtocol差错限制检测：校验和、确认、超时订正：重传确认机制——带重传的确定确认接收方收到正确的数据后，向源站回送ACK报文发送方重传错误数据（受损报文、丢失报文）序号的运用维持了连接，若数据包到达的依次出错或丢失，都将重传。TCP的拥塞限制TCP的拥塞表现为时延增加超时重传机制会进一步加重网络拥塞TCP：传输限制协议TransmissionControlProtocolSCTP面对连接的协议。为了一些预期的因特网服务而设计的，如因特网电话和视频流。结合了UDP和TCP的优点。包括适当的拥塞限制、防止泛滥和伪装攻击、更优的实时性能和多归属性支持。应用：像UDP，SCTP适于音频和视频的实时传输。像TCP，SCTP供应差错限制和流量限制。SCTP：流限制传输协议StreamControlTransmissionProtocol网络层Thenetworklayer网络层负责从源到目的地（主机到主机）的数据包发送，它可能跨越多个网络（链路）。网络层保证每个数据包从源到目的地。网络层负责单个数据包从源主机到目的主机的发送

i网络层地址Network-layeraddressesFigure6.13网络层地址从客户端到服务器的数据包和从服务器返回的数据包须要网络层地址。服务器地址由服务器供应，而客户端地址是客户端计算机所知道的。网络层运用路由表找到下一跳的逻辑地址，把该地址传给数据链路层，运用这个逻辑地址来找下一个路由器的数据链路层地址。路由选择Routing网络层有一个特殊的职责：路由选择。即确定数据包的部分或全部路径。因特网是LANs,WANs,MANs的集合，因此，从源到目的的数据包发送可能是几个发送的组合：源到路由器的发送、路由器到路由器的发送、路由器到目的地的发送。路由基于目的地址和可用的最佳路径来选择。路由选择的确定是由每个路由器做出的。当路由器A收到数据包时，检查路由表，找寻最佳路途，路由表供应了下一跳路由器B的IP，当数据包到达B时，B再做出新的确定。Figure6.14网络层的路由选择网络层协议Network-layerprotocolsInternetProtocol(IP)TCP/IP协议族中,网络层的主协议是因特网协议InternetProtocol(IP).（IPV4、IPV6）IP地址是通过一个唯一的号码和一个名字

识别机器的方法。INTERNETPROTOCOL（32位）000010100001100110101100000011115（点分十进制）在消息头部，IPv4把源和目的的IP地址加到从应用层发来的数据包中，之后数据包准备传输。

IPv6长度：128位，一个IP地址由8部分组成，每一部分含16个地址位，以4个16进制书写。转换：IPv696个0位+32位IPv40000:0000:0000:0000:0000:0000:c038:0101IPv4网络层Network-layerprotocolsIP供应了尽力而为的服务，它不保证数据包无误到达或依次到达。可以运用TCP或本身实现差错限制来补充IP供应的服务。类似平信和挂号信.数据链路层

Datalinklayer网络层数据包从源传输到目的可经过多个路由器。从一个节点到另一个节点传送数据是数据链路层的职责。(这个节点可以是计算机或路由器)源A确定将数据包发送到路由器R1后，用数据帧封装数据包，在包头增加R1的数据链路层地址作为目的地址，源地址是A的数据链路层地址，然后发送数据包每个连接到该LAN的设备都收到该包，但只有R1打开它数据链路层负责数据帧的节点到节点的发送

iFigure6.15数据链路层的通信

数据链路层地址Data-linklayeraddressesFigure6.16数据链路层地址计算机A如何知道路由器R1的数据链路层地址？路由器R1如何知道路由器R4的数据链路层地址？可以静态或动态地找到设备的数据链路层地址：静态:设备创建两列表，存储网络层和数据链路层地址动态:设备广播一个包含有下一设备IP地址的特定数据包，并用这个IP询问邻居节点，邻居返回其数据链路层地址。与IP地址不同，数据链路层地址不是通用的。每个数据链路层协议可能运用不同的地址格式和大小。以太网协议（主流局域网）运用48位地址，通常被写成十六进制格式（分成6部分，每部分2位十六进制），如：通常称为物理地址或介质访问限制（MAC）地址数据链路层地址Data-linklayeraddresses物理层Physicallayer物理层完成在物理介质上传输二进制流所须要的功能数据链路层负责从一个节点到另一个节点的帧传送物理层负责组成帧的二进制位从一个节点到另一个节点的传送帧中的每个位被转化为电磁信号，通过物理介质传播Figure6.17物理层的职责层的总结SummaryoflayersTCP/IP协议中每层的职责和每层涉及的地址如图所示.Figure6.18因特网中的四层地址Figure6.19运用TCP/IP模型的信息交换层的总结Summaryoflayers6-4因特网应用INTERNETAPPLICATIONSE-mail：电子邮件FTP：文件传输TELNET：远程登录WWW：万维网其他：视频会议、分组探讨、闲聊电子邮件Electronic-mailFigure6.20电子邮件体系结构邮件发送：接受简洁邮件传输协议SMTP，完成MTA客户端向服务器端发送邮件邮件接收：发送过来的Email保留在邮件服务器中，接收者运用邮件访问协议（POP3/IMAP）可以取走邮件电子邮件Electronic-mail邮件接收：POP（邮局协议）：客户端发送用户名和密码来访问邮箱取走邮件。不足：不允许在服务器上组织Email、不允许用户在下载邮件前检查其内容IMAP（因特网邮件访问协议）：更强大、更困难。优势：下载前可检查Email的头下载前可搜寻Email的内容部分下载Email在邮件服务器上创建或删除邮箱电子邮件Electronic-mailFigure6.21电子邮件地址邮件地址：本地部分@域名本地部分：定义了指定文件的名字，即用户的邮箱域名：赐予每个邮件服务器的名字，来自域名系统DNS（Domainnamesystem）电子邮件Electronic-mail多用途因特网邮件扩充协议Multi-purposeInternetMailExtension(MIME)SMTP不能为不支持7位ASCII字符的语言(如：汉、法、日、德)运用，也不能用来发送音频或视频多用途因特网邮件扩充协议(MIME)是补充协议，允许非ASCII数据通过SMTP传输。MIME不是电子邮件协议，只是SMTP的扩展，不能替代SMTPFigure6.22多用途因特网邮件扩充协议

文件传输协议FileTransferProtocol(FTP)FTP是因特网上最常见任务的标准机制，用于从一台计算机到另一台计算机拷贝文件。在两主机间建立两个连接：一个传输数据，一个限制信息。吩咐和数据的分开传输使FTP效率更高。客户端：用户接口、客户端限制进程、数据传输进程。服务器端：服务器限制进程、服务器数据传输进程。Figure6.23文件传输协议远程登录Remotelogin–TELNET用户须要能在远程站点运行不同的应用程序，并把结果返回本地站点。一种方案是为每个服务创建不同的客户/服务器应用程序，但是为每个特殊应用编写客户/服务器程序是不行能的。TELNET（terminalnetwork）多用途客户/服务器程序，允许用户访问远程计算机的任何应用程序。允许用户登录远程PC，登录后可运用远程PC上可用的服务，并把结果返回到本地PC(PcAnywhere)TELNET使得可以建立与远程系统的连接，让本地终端看起来就像是直连到远程系统的终端一样。Figure6.24本地登录当用户登录本地分时系统时，称为本地登录用户在运行终端仿真程序的终端或工作站打字时，击键被终端驱动程序接收，再把字符传给操作系统。操作系统依次说明字符组合，调用所需的应用程序或工具。远程登录Remotelogin–TELNETFigure6.25远程登录远程登录Remotelogin–TELNET用户传送击键给终端驱动程序，本地操作系统接收但不说明它们，将ASCII字符传给TELNET客户端，转化为网络虚拟终端NVT中的字符，发给本地TCP/IPTELNET服务器把每个NVT转回ASCII，传送给伪终端驱动程序。万维网TheWorldWideWeb(WWW)WWW：万维网WorldWideWeb(WWW“Web”)连接分布在世界各地信息的学问库。WWW是一种分布式客户/服务器服务，其中，客户运用阅读器访问服务器的服务。不同于因特网供应的其它服务，WWW具有敏捷性、可移植性和用户友好等特点。WWW供应的服务分布在很多地方，称为Web站点。超文本和超媒体

HypertextandhypermediaWWW运用超文本和超媒体的概念。超文本:在超文本环境中，信息存储在一种用链接连接在一起的文档中，一个项通过链接与另一个文档相关。正在阅读文档的用户可以通过选择（点击）链接到另一个文档的项，而转到其他文档中。超媒体:超媒体可包含图片、声音、视频等。在Web上可用的超文本或超媒体的基本单元称为页面。超文本和超媒体Hypertextandhypermedia例子中有5个文档可通过链接相互连接在一起。Figure6.26超文本WWW组成Figure6.27阅读器结构阅读器：限制器（接收来自键盘或鼠标的输入）、客户端程序（存取文档）、说明器（在屏幕上显示文档）Web服务器：存储全部属于Web站点的页面。超文本传输协议(HTTP)：用来存取万维网中数据的协议Figure6.28HTTP事务HTTP用纯文本、超文本、音频、