第1章+计算机网络概述

21世纪高等学校

计算机规划教材精品系列之一

计算机网络

课件

杨心强制作

人民邮电出版社，2010年6月1课件制作人声明本课件是“21世纪高等学校计算机规划教材”精品系列之一——《计算机网络》的配套教辅资料。

本课件共有9个Powerpoint文件(每章一个)。教师可根据教学需要，自行修改或增删此课件内容，但不能自行出版销售。对于课件中存在的缺点和错误，欢迎读者提出宝贵意见，以便及时修订。课件制作人的电邮地址：yang_xinqiang@163.com。课件制作人杨心强2010年6月2计算机网络

第1

章概述3第1章概述教学目的了解计算机网络的发展过程了解因特网的组成了解计算机网络的定义、分类、功能、应用掌握计算机网络的性能指标掌握计算机网络体系结构的成因、OSI/RM、TCP/IP，以及若干重要概念了解标准及其制定机构学习内容计算机网络的发展过程因特网的组成计算机网络的定义及分类计算机网络的功能与应用计算机网络的性能指标计算机网络的体系结构标准及其制定机构4第1章内容提纲*1.1计算机网络的发展过程*1.2因特网的组成

1.3计算机网络的定义及分类

1.4计算机网络的功能与应用*1.5计算机网络的性能指标*1.6计算机网络的体系结构

1.7标准及其制定机构5现代社会已步入以网络为核心的信息时代。信息时代的三个重要特征：数字化、网络化和信息化。网络已成为现代社会的命脉和发展知识经济的重要基础，对社会经济的发展都将产生非常深远的影响。网络为用户提供了两个重要功能：连通性（connectivity）和资源共享。

网络指“三网”，即电信网络、有线电视网络和计算机网络。计算机网络发展最快，并呈现“网络融合”的态势。第1章概述61.1

计算机网络的发展过程计算机网络是通信技术与计算机技术密切结合的产物。这两种技术既相互渗透又密切结合，主要体现在两个方面：

(1)通信技术为多台计算机之间进行交换信息提供了必要的手段；

(2)计算机技术应用于各个通信领域，极大地提高了通信系统的各项性能。计算机网络已经历了由单一网络向互联网发展的过程。71.1.1单一计算机网络的发展过程计算机问世之初，因数量少、价格贵、设置集中、使用不便。用户在终端上输入数据通过线路送往远地计算机，是计算机与通信相结合的开始。单一计算机网络的发展过程分两个阶段第一阶段早期的计算机为了提高资源利用率，采用批处理的工作方式。为适应终端与计算机的连接，出现了多重线路控制器。以单个计算机为中心的远程联机系统，称为面向终端的计算机通信网络。81.1.1单一计算机网络的发展过程(续1)计算机多重线路控制器终端调制解调器···采用多重线路控制器的计算机网络公用电话网随着终端个数的增多，终端与计算机的通信对批数据处理构成了很大的额外开销，因而出现了前置处理机FEP来取代多重线控制器，同时在终端密集处设置集中器或复用器。91.1.1单一计算机网络的发展过程(续2)第二阶段60年代后期，又出现多台主计算机通过通信线路互连构成的计算机网络。主计算机承担着数据处理和通信双重任务。为了提高主计算机的数据效率，出现了通信控制处理机CCP。CCP负责通信控制任务，而主计算机仅负责数据处理。从而引成了处于内层的各CCP构成的通信子网，而处于外层的主计算机和终端构成的资源子网。101.1.1单一计算机网络的发展过程(续3)通信控制处理机CCP主计算机通信子网资源子网ARPA网是以通信子网为中心的典型代表。在ARPA网中，负责通信控制处理的CCP称为接口报文处理机IMP(或称结点机)，以存储转发方式传送分组的通信子网称为分组交换网。111.1.1单一计算机网络的发展过程(续4)单一计算机网络产生了很好的经济效益和社会效益，它的主要不足是没有统一的网络体系结构。使得不同制造商生产的计算机及网络产品进行互连造成困难。

1977年国际标准化组织为适应计算机网络向标准化发展的趋势，成立了专门研究机构。并提出了“开放系统互连参考模型OSI/RM”。OSI是一个设计计算机网络的国际标准化的框架结构。因多种原因，后来又出现非标准化的而事实上的国际标准TCP/IP。121.1.2因特网的发展过程因特网的发展分三个阶段第一阶段从单一的APRANET发展为互联网。

1969年，创建的第一个分组交换网ARPANET只是一个单个的分组交换网(不是互联网)。

20世纪70年代中期，ARPA开始研究多种网络互连的技术，这导致互联网的出现。互联网是“网络的网络”(networkofnetworks)。

1983年，ARPANET分解成两个：一个实验研究用的科研网ARPANET(人们常把1983年作为因特网的诞生之日)，另一个是军用的MILNET。

1990年，ARPANET正式宣布关闭，实验完成。131.1.2因特网的发展过程(续1)互联网的概念示意图单一的计算机网络主机路由器H6互联网H1H2H3H4H5141.1.2因特网的发展过程(续2)Internet和Internet的区别以小写字母i

开始的internet(互联网或互连网)是一个通用名词，它泛指由多个计算机网络互连而成的网络。以大写字母I开始的的

Internet(因特网)则是一个专用名词，它指当前全球最大的、开放的、由众多网络相互连接而成的特定计算机网络，它采用TCP/IP

协议族作为通信规则，且其前身是美国的ARPANET。151.1.2因特网的发展过程(续3)第二阶段建成三级结构的因特网。

1986年，NSF建立了国家科学基金网NSFNET。它是一个三级计算机网络，分为主干网、地区网和校园网。

1991年，美国政府决定将因特网的主干网转交给私人公司来经营，并开始对接入因特网的单位收费。

1993年因特网主干网的速率提高到45Mb/s(T3速率)。161.1.2因特网的发展过程(续4)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路由器171.1.2因特网的发展过程(续5)第三阶段建立多层次ISP结构的因特网。从1993年开始，由美国政府资助的

NSFNET逐渐被若干个商用的因特网主干网(即服务提供者网络)所替代。出现了因特网服务提供者

ISP(InternetServiceProvider)。用户通过ISP上网。

根据提供服务的覆盖面积大小以及所拥有的IP地址数目的不同，ISP也分成为不同的层次。因特网ISPISP181.1.2因特网的发展过程(续6)

1994年开始创建了4个网络接入点NAP(NetworkAccessPoint)，分别由4个电信公司经营。

NAP就是用来交换因特网上流量的结点。在NAP中安装有性能很好的交换设施。到本世纪初，美国的NAP的数量已达到十几个。

1994年起，因特网逐渐演变成多层次ISP结构的网络。

1996年，主干网速率为155Mb/s(OC-3)。

1998年，主干网速率为2.5Gb/s(OC-48)。万维网WWW的出现更促进了因特网的发展(见表1-1)。191.1.2因特网的发展过程(续7)

基于ISP三多层结构的因特网概念示意图

201.1.2因特网的发展过程(续8)注意，上述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。下一代因特网计划由于因特网存在着技术上和功能上的不足，加上用户数量猛增，使得现有的因特网不堪重负。1996年美国的一些研究机构和34所大学提出研制和建造新一代因特网的设想。同年10月美国总统克林顿宣布在今后5年内用5亿美元的联邦资金实施“下一代因特网计划”，即“NGI计划”(NextGenerationInternetInitiative)。211.1.2因特网的发展过程(续8)下一代因特网计划(NGI)目标开发下一代网络结构，以比现有的因特网高100倍的速率连接至少100个研究机构，以比现在的因特网高1000倍的速率连接10个类似的网点。端到端的传输速率要超过100Mb/s至10Gb/s。使用更加先进的网络服务技术和开发许多带有革命性的应用，如远程医疗、远程教育、有关能源和地球系统的研究、高性能的全球通信、环境监测和预报、紧急情况处理等。

NGI计划使用超高速全光网络，能实现更快速的交换和路由选择，同时具有为一些实时(realtime)应用保留带宽的能力。在整个因特网的管理和保证信息的可靠性和安全性方面也会有很大的改进。221.1.3

计算机网络在我国的发展过程我国计算机网络起步于20世纪70年代。铁道部在1980年进行联网试验。之后，各单位组建广域网和局域网。1989年11月，第一个公用分组交换网CNPAC建成运行。1993年9月，建成新公用分组交换网CHINANET。

80年代后期，相继建成各行业的专用广域网。1994年4月，我国利用专线接入因特网(64kb/s)。1994年5月，设立第一个WWW服务器。1994年9月，中国公用计算机互联网CHINANET启动。目前已建成9个全国性公用性计算机网络(2个在建)。2004年2月，建成我国下一代互联网CNGI主干试验网CERNET2开通，并提供服务(2.5-10Gb/s)。这标志着我国的互联网技术已达到了国际先进水平。23第1章：内容提纲*1.1计算机网络的发展过程*1.2因特网的组成

1.3计算机网络的定义及分类

1.4计算机网络的功能与应用*1.5计算机网络的性能指标*1.6计算机网络的体系结构

1.7标准及其制定机构241.2

因特网的组成根据因特网的工作方式，它由两大部分组成。

①

核心部分由大量的各种网络和连接这些网络的路由器组成。它为周边部分提供连通和交换服务。②

周边部分由所有连接在因特网上的主机组成。它为用户提供通信(传送数据、音频或视频)和资源共享服务。

251.2

因特网的组成(续1)因特网组成的示意图网络主机路由器因特网周边部分因特网核心部分261.2.1

因特网的核心部分因特网的核心部分相当复杂，其中包含着类型、结构完全不同的网络，以及连接这些网络的路由器。核心部分向周边部分提供连通性和交换服务，使得位于周边部分的任何一台主机都可以与其他主机进行通信。在核心部分起特殊作用的是路由器(router)。路由器是一种专用计算机，它的主要功能是转发接收到的分组，是因特网上实现分组交换(packetswitching)的关键部件。

271.2.1

因特网的核心部分(续1)1、电路交换的基本原理电路交换源于电话交换原理。它根据一方的请求在一对站(或数据终端)之间建立的电气连接过程，在该连接被拆除之前，所建立起来的电路一直被占用着。电路交换属于电路资源的预分配。

电路交换进行数据通信要经历三个阶段：建立电路、传送数据和拆除电路。电路交换的特点是接续路径采用物理连接。电路交换进行数据通信存在着两个限制：①欲通信的两个站必须同时处于激活可用的状态；②两个站之间的通信资源必须可用，而且必须专用。281.2.1

因特网的核心部分(续2)电路交换的主要优点：①传输时延小。②处理开销少。③对数据信息的格式和编码类型没有限制。电路交换的主要缺点：①电路的接续时间较长；②电路利用率低；③通信双方必须完全兼容，这不利于用户终端之间实现互通；④当一方用户终端设备忙或交换网负载过重时，可能会出现呼叫不通(即呼损)的现象。电路交换适用于传输信息量大，通信对象比较确定的场合。291.2.1

因特网的核心部分(续3)2、分组交换的基本原理报文交换的基本原理：当Ａ用户欲向Ｂ用户发送数据时，Ａ用户并不需要先接通至Ｂ用户的整条电路，而只需与直接连接的交换机接通，并将需要发送的报文作为一个独立的实体，全部发送给该交换机。然后该交换机将存储着的报文根据报文中提供的目的地址，在交换网内确定其路由，并将报文送到输出线路的队列中去排队，一旦该输出线路空闲，就立即将报文传送给下一个交换机。依次类推，最后送到Ｂ用户。AB301.2.1

因特网的核心部分(续4)报文交换报文交换的特点：交换机采取“存储—转发”技术对报文进行存储和处理。适用于电报业务和电子信箱业务。报文交换的主要优点：①线路利用率较高；②交换机以“存储—转发”方式传输数据信息，可起到匹配速率、防止呼叫阻塞、平滑通信业务量峰值的作用；③易于实现各种不同类型终端之间的互通；④不需要发、收两端同时处于激活状态。⑤便于实现多种服务功能等。报文交换的主要缺点：①数据信息通过交换网的时延较长，这不利于实时或交互型业务；②交换机必须具有存储报文的大容量和高速分析处理报文的功能，从而增大了交换机的投资费用。311.2.1

因特网的核心部分(续5)分组交换分组交换(又称包交换)，是综合了电路交换和报文交换两者优点的一种交换方式。仍采用“存储-转发”技术。分组交换的特点同电路交换。分组交换将一份较长的报文分解成若干个定长的“分组”，并在每个分组前都加上报头和报尾。报头中含地址和分组序号等内容，报尾是该分组的校验码。分组作为一个独立的规定格式的实体，便于交换机存储、分析和处理。既可以断续地传送，也可以经历不同的传输路径。AB321.2.1

因特网的核心部分(续6)分组交换的主要优点：①传输时延较小，能满足交互型实时通信的要求；②易实现统计时分多路复用，提高了线路的利用率；③易建立灵活的通信环境，便于在不同类型的数据终端之间实现互通；④可靠性好。分组作为独立的传输实体，便于实现差错控制，误码率，一般可达10-10以下；⑤经济性好。分组交换的主要缺点：①由于网络附加的传输信息较多，影响了传输效率；②实现技术复杂。331.2.1

因特网的核心部分(续7)三种交换技术的通信过程数据传送ABCD电路交换呼叫请求呼叫应答报文释放请求释放应答连接建立连接释放比特流直接传送ABCD分组交换P2P1P3P1P1P2P2P3P3分组存储转发tABCD报文交换报文报文报文报文存储转发341.2.2

因特网的周边部分因特网的周边部分由连接在因特网上的所有主机组成。位于因特周边部分任何两台主机之间的通信，实际上是指：“主机A的某个进程和主机B上的另一个进程进行通信”。通常把这些主机称为端系统（endsystem）。端系统之间的通信有两种模式：⑴

客户/服务器模式（Client/Servermodel）

⑵

对等模式（Peer-to-Peer）351.2.2

因特网的周边部分(续1)1、客户/服务器模式客户/服务器模式的两个特点：①非对等服务；②通信完全异步。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。客户是服务的请求方，服务器是服务的提供方。361.2.2

因特网的周边部分(续2)主机A（客户）向主机B（服务器）发出请求服务，主机B（服务器）B向主机A（客户）提供服务。运行客户程序因特网核心部分①请求服务②提供服务运行服务器程序主机A主机B371.2.2

因特网的周边部分(续3)客户软件的特点①被用户调用后运行，在打算通信时主动向远地服务器发起通信（请求服务）。因此，客户程序必须知道服务器程序的地址。②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①一种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。②系统启动后即自动调用并一直不断地运行着，被动地等待并接受来自各地的客户的通信请求。因此，服务器程序不需要知道客户程序的地址。③一般需要强大的硬件和高级的操作系统支持。381.2.2

因特网的周边部分(续4)2、对等模式对等连接(peer-to-peer，简写

P2P)是指两个主机在通信时并不区分哪一个是服务请求方还是服务提供方。两个主机都运行对等连接软件（P2P软件），它们就可以进行平等的、对等连接通信。双方都可以下载对方已经存储在硬盘中的共享文档。对等模式的特点：从本质上看仍然是使用客户/服务器方式，但是对等连接中的每一个主机既是客户又同时是服务器。391.2.2

因特网的周边部分(续5)假设主机A请求主机B服务，则A是客户，而B是服务器。与此同时，若主机B又向主机C请求服务，那么C是服务器，而B却成为客户了。因此，对等模式中的同一台主机既是客户又同时是服务器。运行P2P程序因特网核心部分①请求服务②提供服务运行P2P程序主机B运行P2P程序主机A主机C①请求服务②提供服务40第1章：内容提纲*1.1计算机网络的发展过程*1.2因特网的组成

1.3计算机网络的定义及分类

1.4计算机网络的功能与应用*1.5计算机网络的性能指标*1.6计算机网络的体系结构

1.7标准及其制定机构411.3

计算机网络的定义及分类

1.3.1

计算机网络的定义计算机网络至今没有统一、确切的定义。计算机网络最简单的定义：以实现远程通信为目的，一些互连的、独立自治的计算机的集合。“互连”是指各计算机之间通过有线或无线通信信道彼此交换信息。“独立自治”则强调它们之间没有明显的主从关系。

美国信息学会联合会（1970）的定义：以相互共享资源（硬件、软件和数据）方式而连接起来，且各自具有独立功能的计算机系统之集合。

421.3.1

计算机网络的定义(续1)计算机网络与分布式系统两者有相似之处，但是不等同。两者的最主要区别：整个系统中的各计算机对用户的透明性。在计算机网络中，用户必须先在欲运行程序的计算机上登录，然后按照该计算机的网络地址，将程序通过网络传送给该计算机去运行，最后根据用户的命令将结果由运行的计算机送回用户指定的计算机。这就是说，计算机网络范围内的一切活动均需用户参与管理。计算机网络不一定是分布式系统，但分布式系统却是一种颇具特色的计算机网络。

431.3.2

计算机网络的分类对计算机网络分类方法有多种，常见的分类方法有：

1、不同拓扑结构的网络

441.3.2

计算机网络的分类(续1)2、不同覆盖范围的网络

分为互联网、广域网、城域网、局域网和个人区域网。

3、不同服务对象的网络分为分用网和专用网。4、不同通信方式的网络分为广播网络和点到点网络。5、把用户接入因特网的网络451.3.2

计算机网络的分类

(续2)把用户接入到因特网的网络——接入网

又称为本地接入网或居民接入网，这是一类比较特殊的计算机网络。由于把用户从家中接入到因特网可采用多种技术，于是就出现了可以使用多种接入网技术连接到因特网的情况。通常ISP只是起到让用户能够与因特网连接的“桥梁”作用。在因特网发展初期，多数用户利用电话线拨号接入因特网，速率很低（每秒几千比特到几十千比特。近年来，由于出现了多种宽带接入技术，宽带接入网才成为因特网领域中的一个热门课题。46第1章：内容提纲*1.1计算机网络的发展过程*1.2因特网的组成

1.3计算机网络的定义及分类

1.4计算机网络的功能与应用*1.5计算机网络的性能指标*1.6计算机网络的体系结构

1.7标准及其制定机构471.4

计算机网络的功能及应用

1.4.1

计算机网络的功能

计算机网络的功能资源共享数据通信提高了可靠性均衡负荷提供灵活的工作环境计算机网络的应用在工业、农业、交通、邮电、教育、金融、科研、军事等领域都获得了越来越广泛的应用。481.5

计算机网络的性能指标计算机网络的性能常用若干个性能指标来描述。主要性能指标，包括速率、带宽、吞吐量、时延、时延带宽积和利用率。此外，还有一些非性能特征，如费用、质量、标准化、可靠性、可扩性、可升级性和可维性等，也对计算机网络的性能有很大的影响。491.5

计算机网络的性能指标(续1)1、速率速率是计算机网络中最重要的一个性能指标。指计算机网络中的主机在信道上单位时间内传输的数据量。其单位是b/s(bit/s或bps)。有时也用kb/s,Mb/s,Gb/s

等。又称数据率(datarate)或比特率(bitrate)。比特(bit)是计算机中数据量的单位，也是信息论中使用的信息量的单位。bit来源于binarydigit，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。速率指的是额定速率或标称速率。它与许多因素（如主机的处理能力、信道容量、信道的拥塞状况等）有关。501.5

计算机网络的性能指标(续2)2、带宽带宽(bandwidth)原指某个信号所占有的频带宽度。单位是赫(或千赫、兆赫、吉赫等)。过去通信线路传送模拟信号，通信线路允许传送的信号频率范围称为线路的带宽。如话音信号的带宽是3.1kHz(300Hz～

3400Hz)。如今网络的通信线路传送数字信号，带宽表示网络的通信线路传送数据的能力，即从网络中的某一点到另一点所能达到的最高数据传输速率，单位是比特/秒(b/s)。更常用的单位是：千比/秒或kb/s(103b/s)；兆比/秒或Mb/s(106b/s)；吉比/秒或Gb/s(109b/s)和太比/秒或Tb/s(1012b/s)。511.5

计算机网络的性能指标(续3)数字信号流随着时间的变化关系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/s521.5

计算机网络的性能指标(续4)3、吞吐量吞吐量(throughput)指单位时间内通过某个网络(或信道、接口)的数据量，其单位是比特/秒(b/s)。有时也可用字节/秒(B/s)或帧/秒。吞吐量常用于对某个实际网络的进行性能测试。吞吐量受网络的带宽或网络的额定速率的限制。如100M以太网，典型的吞吐量仅为70Mb/s。531.5

计算机网络的性能指标(续5)4、时延指数据(一个报文或分组或比特)从网络(或链路)的一端传送到另一端所需要的时间。时延由四个部分组成：(1)发送时延(transmissiondelay)

指主机或路由器发送数据帧所需要的时间，也就是从发送数据帧的第一个比特算起，到该帧的最后一个比特发送完毕所需的时间。发送时延=数据帧长度（比特）信道带宽（比特/秒）541.5

计算机网络的性能指标(续6)(2)传播时延

指电磁波在信道中传播一定距离所花费的时间。例：自由空间中电磁波的传播速率为3.0×105km/s

铜线电缆中电磁波的传播速率为2.3×105km/s

光缆中电磁波的传播速率为2.0×105km/s注意：发送速率和信号在信道上的传播速率是两个完全不同的概念。传播时延=信道长度（米）电磁波在信道上的传播速率（米/秒）551.5

计算机网络的性能指标(续7)(3)处理时延

指主机或路由器为处理分组所花费的时间。包括分析分组的首部、从分组中提取数据部分、进行差错检验或查找适当的路由等。

(4)排队时延指分组进入路由器后，需先在输入队列中排队等待处理，以及处理完毕后在输出队列中排队等待转发的时间。排队时延的长短往往与网络中当时的通信量有关。当网络的通信量很大时，会发生队列溢出，使分组丢失，这相当于处理时延为无穷大。注意：上述哪一种时延在总时延中占主导地位，必须具体分析。561.5

计算机网络的性能指标(续8)数据在网络中经历的总时延就是传输时延、传播时延和处理时延和排队时延之和：总时延=发送时延+传播时延+处理时延+排队时延发送时延传播时延发送器处理时延结点B100110101101010010┅输入队列结点A输出队列处理器排队时延571.5

计算机网络的性能指标(续9)传播时延发送时延处理和排队时延时间tA站B站581.5

计算机网络的性能指标(续10)例：一个100MB(M表示220=1048576)的数据块在带宽为1Mb/s(M表示106)的光纤信道上传输时的各种时延：发送时延10010485768/106=838.9s

传播时延1000km为5ms，1km为5s

处理时延视计算机处理速度而定。结论：总时延基本上取决于发送时延。

591.5

计算机网络的性能指标(续11)往返时延往返时延

RTT(Round-TripTime)表示从发送端发送数据开始，到发送端收到来自接收端的确认应答所经历的时延。如果接收端收到数据后立即发送确认，这相当于传播时延的两倍。例：设某段链路的传播时延为20ms，则它的往返时延RTT＝40ms。在复杂的互联网中，往返时延应包括各中间结点的处理时延和转发数据的发送时延。601.5

计算机网络的性能指标(续12)5、时延带宽积时延带宽积是指时延与带宽之乘积。时延带宽积=传播时延带宽(传播)时延链路带宽链路的时延带宽积又称为以比特为单位的链路长度。例：设某段链路的传播时延为20ms，带宽为10Mb/s。则时延带宽积为2010-310106=20105

bit

。611.5

计算机网络的性能指标(续13)6、利用率利用率分为信道利用率和网络利用率。信道利用率指在规定时间内信道上用于传输数据的时间比例。完全空闲的信道的利用率是零。网络利用率指全网络的信道利用率的加权平均值。通常，信道利用率力求高些，但并非越高越好。621.4.5

计算机网络的性能指标(续14)时延与网络利用率的关系根据排队论的理论，当某信道的利用率增大时，该信道引起的时延也就迅速增加。若令

D0表示网络空闲时的时延，D表示网络当前的时延，则在适当的假定条件下，可以用下面的简单公式表示

D和

D0之间的关系：U

是网络的利用率，数值在0到1之间。

631.4.5

计算机网络的性能指标(续15)时延D利用率U10D0时延急剧增大时延与利用率的关系64第1章：内容提纲*1.1计算机网络的发展过程*1.2因特网的组成

1.3计算机网络的定义及分类

1.4计算机网络的功能与应用*1.5计算机网络的性能指标*1.6计算机网络的体系结构

1.7标准及其制定机构651.6

计算机网络的体系结构本节讲述分层次的体系结构是计算机网络最基本的概念，这些概念虽然较为抽象，但它是计算机网络的基础内容。因此，大家一定要很好地掌握这些基本概念，这将对今后的学习和提高大有帮助。661.6.1

层次型的体系结构计算机网络是一个非常复杂的系统。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。以两台计算机通过网络互相传送文件为例，除两者之间必须有一条物理链路外，还涉及到许多工作要做，如：⑴源端用命令“激活”一条数据通路；⑵源端确认连接正常，目的端已做接收准备；⑶源端与目的端传输文件的格式必须一致；⑷当网络出现故障时，应有适当措施来保证目的端能够正确接收到文件。671.6.1

层次型的体系结构(续1)这些工作需要通信双方密切配合和协同工作。在具体工程实现上，是将它分解成若干个子任务，然后再独立实现每个子任务。这就“分层”设计的思想。早在设计APRANET时就提出了分层的方法，“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。681.6.1

层次型的体系结构(续2)划分层次的概念假设两台计算机通过网络传送文件。可以将要做的工作划分为如下三类：

(1)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。

(2)第二类工作与通信服务有关，设立通信服务模块。便于上层模块利用它所提供的通信服务。

(3)第三类工作与网络接入有关，构造网络接入模块。负责与网络接口细节有关的工作，并向上层提供服务。691.6.1

层次型的体系结构(续3)设计一个交换文件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701.6.1

层次型的体系结构(续4)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711.6.1

层次型的体系结构(续5)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。721.6.1

层次型的体系结构(续6)网络协议计算机网络中的各主机之间要做到有条不紊地交换数据，必须遵循事先约定好的规则。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。731.6.1

层次型的体系结构(续7)网络协议主要包括以下三个要素：

(1)语法数据与控制信息的结构或格式。

(2)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。

(3)同步事件实现顺序的详细说明。协议有两种类型：一种是文字描述，另一种是程序代码。无论哪种协议都需对交换的信息作出精确解释。741.6.1

层次型的体系结构(续8)分层的原则⑴当需要有一个抽象的不同等级时，就应设立有一个相应的层次。⑵每一层的功能应有确切的定义。⑶层间接口关系要清晰。层与层的边界应该选择得使通过这些边界的信息量尽量地少些。⑷层的数目应适当。层次太少会使每一层协议太复杂，太多则在描述和综合各层的系统工程任务时产生较大困难。751.6.1

层次型的体系结构(续9)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。分层设计法的缺点不同层次可能出现功能重复，产生不必要的开销。761.6.1

层次型的体系结构(续10)计算机网络的体系结构计算机网络的体系结构(architecture)是计算机网络的各层及其协议的集合。换句话说，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。实现(implementation)是在遵循这种体系结构的前提下，用何种硬件或软件完成这些功能的问题。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。771.6.2OSI参考模型1974年，IBM公司最先宣布了按照分层方法制订的系统网络体系结构SNA(SystemNetworkArchitecture)。1977年，ISO专门研究不同体系结构的计算机互连问题，并成立专门机构。1983年，形成了开放系统互连基本参考模型OSI/RM的正式文件，即ISO7498国际标准。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、也遵循这同一标准的其他任何系统进行通信。20世纪80年代，许多大公司和一些国家政府机构都支持OSI。781.6.2OSI参考模型(续1)数据链路层物理层网络层运输层会话层表示层应用层数据链路层物理层网络层数据链路层物理层网络层主机A主机B应用层协议表示层协议会话层协议运输层协议主机网络层-路由器协议路由器路由器通信子网层间接口层次7654321主机物理层-路由器协议主机数链层-路由器协议通信子网内部协议数据链路层物理层网络层运输层会话层表示层应用层791.6.2OSI参考模型(续2)OSI模型有七个层次(7)应用层(6)表示层(5)会话层(4)运输层(3)网络层(2)数据链路层(1)物理层低层，构成开放的网络服务平台，实现面向通信的功能。用

硬件和软件来实现。高层，构成用户服务平台，面向用户的应用进程，进行分布式信息处理。用软件来实现。801.6.3TCP/IP参考模型因特网使用的TCP/IP参考模型应用层传输层互联网层网络接入层1234811.6.3TCP/IP参考模型(续1)TCP/IP参考模型有四个层次(4)应用层该层向用务提供一组常用的应用程序，为不同主机上的进程或应用之间提供通信。(3)传输层该层提供端对端系统的数据传送服务。(2)互联网层该层使用网际协议实现穿越多个网络的路由选择功能。(1)网络接入层该层是端系统和通信子网之间的接口，实现端系统与其相连的网络进行数据交换。821.6.4OSI与TCP/IP的比较TCP/IP参考模型应用层传输层互联网层网络接口层OSI参考模型应用层表示层会话层运输层网络层数据链路层物理层831.6.4OSI与TCP/IP的比较(续1)OSI与TCP/IP的相同点均采用层次结构；均以协议栈为基础；栈中协议彼此相互独立；各层功能大体相似。841.6.4OSI与TCP/IP的比较(续2)OSI与TCP/IP的不同点对服务、接口和协议这三个概念的处理上，OSI非常明确，但TCP/IP且未加区分，这使得OSI中的协议具有更好的隐蔽性。OSI是模型在先协议在后，这意味着模型具有通用性，而TCP/IP却相反。这使得后者未必能够适合其他的协议栈。OSI和TCP/IP的层次不同。OSI的网络层同时支持面向连接和无连接服务，但运输层只支持面向连接服务。而TCP/IP的网络层只有一种无连接服务模式，但在运输层同时支持两种服务模式。TCP/IP较早就有较好的网络管理。OSI后来才考虑网管问题。851.6.4OSI与TCP/IP的比较(续3)到20世纪90年代初，整套OSI国际标准都制订出来了，但却几乎找不到有什么厂家生产出符合OSI标准的商用产品。因为因特网抢先覆盖了世界相当大的范围。这说明：OSI虽获得了一些理论研究的成果，但在市场化方面已失去了竞争能力。OSI失败的原因可归纳为：①OSI标准的制定周期太长，无法及时进入市场，使得按OSI标准生产的设备失去了良好的投资时机。②OSI的层次划分并也不太合理，有些功能在多个层次中重复出现。③OSI模型及相应服务和协议过于复杂，难以实现，即便实现，运行效率也很低。④主管机构未能把握正确的发展方向，运用技术箦略不当。⑤OSI本身存在的不足。861.6.4OSI与TCP/IP的比较(续4)两种国际标准

(1)法律上的(dejure)国际标准OSI

，但没有得到市场的认可。

(2)非国际标准TCP/IP且获得了最广泛的应用，成为事实上的(defacto)

国际标准。人们在实践中认识到OSI存在的不足，吸取了TCP/IP获得成功的经验，综合

OSI和

TCP/IP

的优点，认为OSI的上三层(会话层、表示层和应用层)可合而为一，但下四层(物理层、数据链路层、网络层和运输层)必不可少。于是，就采取折中的办法，采用只有5个层次的结构简洁、概念清楚的网络体系结构。871.6.4OSI与TCP/IP的比较(续5)五层协议的体系结构数据链路层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)运输层(transportlayer)网络层(networklayer)数据链路层(datalinklayer)物理层(physicallayer)

881.6.4OSI与TCP/IP的比较(续6)各层的主要功能应用层(applicationlayer)

确定进程间通信的性质以满足用户的需求，直接为用户的应用进程提供服务。进程是指正在运行的程序。应用层为应用进程提供所需要的信息交换和远地操作。应用层还要为作为互相作用的应用进程的用户代理(useragent)，来完成一些为进行语义上有意义的信息交换所必须的功能。因特网中的应用层协议很多，如支持万维网应用的HTTP协议，支持email的SMTP，支持文件传送的FTP协议等。891.6.4OSI与TCP/IP的比较(续7)运输层(transportlayer，传输层，传送层)负责主机中两个进程之间的通信(端到端通信)。端到端传输：多个进程复用网络层的传输功能、分用功能。运输层协议仅存在于主机之中，结点交换机中没有。因特网的运输层使用两种协议：面向连接的传输控制协议(TCP)和无连接的用户数据报协议(UDP)。面向连接服务提供可靠的交付，而无连接服务不保证提供可靠的交付(即“尽最大努力交付”)。901.6.4OSI与TCP/IP的比较(续8)网络层(networklayer)负责为分组交换网上的不同主机提供通信。将运输层产生的报文段或用户数据报封装成分组或包，或将数据链路层送来的帧（除去头和尾）拆卸成分组或包。路由选择：选择合适的路由，使发送站的运输层所传下来的分组能够按照地址找到目的主机。由广播信道构成的分组交换网，路由选择很简单。拥塞控制：控制进入网络的流量。因特网主要的网络层协议：网际协议IP(InternetProtocol)和其他协议(如ARP、RARP、ICMP和IGMP)。911.6.4OSI与TCP/IP的比较(续9)数据链路层(datalinklayer，简称链路层)在两个相邻结点间的线路上无差错地传送以帧为单位的数据。把一条有可能出错的实际链路，转变为让网络层向下看去好像是一条不出错的链路。将网络层送来的分组组装成帧，或将物理层上交的比特流作为帧进行处理。数据链路层还具有链路管理、差错控制、流量控制、同步、透明传输、寻址等功能。921.6.4OSI与TCP/IP的比较(续10)物理层(physicallayer)透明地传送比特流。考虑用多大的电压代表“1”或“0”，以及当发送端发出比特“1”时，在接收端如何识别出这是比特“1”而不是比特“0”。确定连接电缆的插头应当有多少根脚以及各个脚应如何连接。“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。931.6.5若干重要概念1、应用进程间的通信下面以五层体系结构为例，说明两个进程之间的通信。假设计算机1的应用进程AP1与计算机2的应用进程AP2进行通信。941.6.5若干重要概念(续1)计算机1向计算机2发送数据(续1)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

PDU(报文)AP1

发送应用程序的数据！1、应用进程间的通信951.6.5若干重要概念(续2)1、应用进程间的通信5432154321计算机

1AP2AP1计算机

2应用层PDU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(续2)961.6.5若干重要概念(续3)1、应用进程间的通信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(续3)971.6.5若干重要概念(续4)1、应用进程间的通信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(续4)981.6.5若干重要概念(续5)1、应用进程间的通信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(续5)991.6.5若干重要概念(续6)1、应用进程间的通信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(续6)1001.6.5若干重要概念(续7)1、应用进程间的通信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(续7)1011.6.5若干重要概念(续8)1、应用进程间的通信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(续8)1021.6.5若干重要概念(续9)1、应用进程间的通信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(续9)1031.6.5若干重要概念(续10)1、应用进程间的通信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(续10)1041.6.5若干重要概念(续11)1、应用进程间的通信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(续11)1051.6.5若干重要概念(续12)1、应用进程间的通信5432154321计算机

1AP2AP1计算机

2我收到了

AP1

发来的应用程序数据！计算机1向计算机2发送数据(续12)1061.6.5若干重要概念(续13)1、应用进程间的通信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(续12)1071.6.5若干重要概念(续14)1、应用进程间的通信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(续12)1081.6.5若干重要概念(续15)1、应用进程间的通信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(续12)1091.6.5若干重要概念(续16)1、应用进程间的通信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(续12)1101.6.5若干重要概念(续17)1、应用进程间的通信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(续12)1111.6.5若干重要概念(续18)1、应用进程间的通信应用程序数据H5应用程序数据5432154321计算机

1AP2AP1计算机

2应用层剥去应用层PDU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(续12)1121.6.5若干重要概念(续19)1、应用进程间的通信5432154321计算机

1AP2AP1计算机

2我收到了

AP1

发来的应用程序数据！计算机1向计算机2发送数据(续12)1131.6.5若干重要概念(续20)2、实体、协议、服务和服务访问点实体(entity)指任何可发送或接收信息的硬件或软件进程。每一层都可看成由若干个实体组成。位于对等层的交互实体称为对等实体。协议(protocol)是两个对等实体通信行为规则的集合。协议的语法定义了所交换信息的结构或格式；协议的语义定义了源端和目的端所要完成的操作。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。而要实现本层协议，还需要使用下层所提供的服务。1141.6.5若干重要概念(续21)2、实体、协议、服务和服务访问点(续1)协议是很复杂的通信规则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。1151.6.5若干重要概念(续22)2、实体、协议、服务和服务访问点(续2)服务(service)指同一开放系统中某一层向它的上一层提供的操作，但不涉及这些操作的具体实现。协议和服务是两种截然不同的概念。本层的服务用户只能看见服务而无法看见下面的协议。亦即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。1161.6.5若干重要概念(续23)2、实体、协议、服务和服务访问点(续3)服务访问点SAP(ServiceAccessPoint)指同一开放系统中相邻层的实体提供服务的交互处。是位于相邻层的界面上，也就是相邻层实体交互的逻辑接口。又称端口(port)。在OSI参考模型中，对等层实体传送数据的单元，称为协议数据单元PDU(ProtocolDataUnit)。相邻层实体间传送数据的单元，称为服务数据单元SDU(ServiceDataUnit)。相邻层实体通过SAP一次交互信息的数据单元，称为接口数据单元IDU(interfaceDataUnit)。SDU可以与PDU不一样，既可以是多个SDU合成一个PDU，也可以是一个SDU划分为几个PDU。1171.6.5若干重要概念(续24)2、实体、协议、服务和服务访问点(续4)相邻两层之间的关系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SAPSAP1181.6.5若干重要概念(续25)著名的协议举例(习题1-21)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？119明日正午进攻明日正午进攻如果情况如上所述，次日蓝军1和蓝军2

的协同进攻必定获胜。但情况并非如此简单。因为所发的报文可能会丢失。明日正午进攻丢失!白军蓝军1蓝军2蓝军1必须在收到蓝军2

的确认后才能进攻120明日正午进攻确认明日正午进攻确认因此，收到报文后必须加以确认但这个确认报文也可能丢失确认丢失!因此，蓝军2必须要收到蓝军1发出的对此“确认”的确认，才能知道发送出的确认是否被蓝军1正确收到。白军蓝军1蓝军2121明日正午进攻确认明日正午进攻确认蓝军1收到确认报文后应发送对此确认的确认。对“确认”的确认对“确认”的确认因为蓝军1无法知道最后发送的这个确认是否被蓝军2收到，所以仍需收到蓝军2发来的确认才行！白军蓝军1蓝军21221.6.5若干重要概念(续29)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！蓝军2蓝军1白军1231.6.5若干重要概念(续30)结论这样无限循环下去，两边的蓝军都始终无法确