白话计算机网络-计算机网络考研辅导-课件 【ch01】计算机网络概述

计算机网络概述第一章白话计算机网络——计算机网络考研辅导01什么是计算机网络计算机网络什么是计算机网络？计算机网络就是把计算机互联起来形成的网络。什么是互联？用一根麻绳把两台计算机捆在一起，这不叫计算机的互联，我们所说的互联，是指能够将这台计算机里面的数据传到另外一台计算机里面去，能实现计算机之间的数据传输。计算机之间的数据传输，也可以称为资源共享。什么是计算机网络分组什么是计算机网络什么是分组？分组（Packet）是带有地址信息的信息小片，分组容量的典型值是1500字节，即1500B。分组就是计算机打出的包裹，就像日常生活中的包裹一样，由两部分构成：一是地址信息，二是要传输的东西，在这里就是一段二进制数据。也有人将分组称为数据包。什么是计算机网络图1-1是用Wireshark软件捕获的分组，Wireshark是一款免费的、优秀的用于抓取和分析数据包的工具软件，可用于分析各种网络故障。这款软件的使用，需要读者自学。路由器什么是计算机网络日常传包裹的关键是要找一个快递公司，由快递公司传包裹。在计算机网络中，有一种专用的设备，称为路由器，它只有一个功能，就是传输分组。路由器传输分组的工作原理称为分组交换技术，简称分组交换。交换、转发都是传输的意思。什么是计算机网络计算机网络的基本原理就是分组交换。我们可以先简单地将路由器理解为电子化的邮政局，如同日常生活一样，一个邮政局不能做什么，但遍布全国各地的邮政局是互相连通的，这就构成了一张邮政网，使得包裹能够传递。路由器也是这样，世界上有无数台路由器，它们互相连通，构成了一张庞大的路由器网络，正是这张路由器网络，使得分组能够被正确传输。这些路由器每小时不间断工作，从而使计算机网络能正常运转。02路由与交换路由与交换连通交换机（Switch）将计算机互联在一起，构成局域网。扩展路由器（Router）将局域网互联在一起，构成互联网。路由与交换在计算机的互联中，先讨论两台计算机是如何互联的。在计算机的背板上，有一个网络插口，通常简称网口。可以将一根通常称为网线的专用电缆的插头插入计算机的网口。网口和网线如图1-2所示。路由与交换可是，两台计算机可以使用一根网线连通，那三台、五台计算机怎么互相连通呢？显然，我们不可能在计算机背板上配置无限多的网口。怎么办？当前的技术是将多台计算机连接到一种称为“交换机”的专用设备上，交换机上有许多网口，如常见的24口。将网线的一头插入计算机的网口，另一头连接交换机，通过交换机将多台计算机互相连通。路由与交换计算机与交换机的连接图如图1-3所示。多台计算机互相连通后，就可以称为一个网络了，人们将用交换机连接多台计算机的网络称为局域网。扩展路由与交换当各企业都建立了自己的局域网时，人们就希望进一步扩展，将这些局域网互联在一起。这时，就需要用到路由器。通过路由器可将局域网互联在一起，构成互联网。路由与交换图1-4所示的是三个网络互联的拓扑。路由与交换显然，交换机与路由器的工作原理是计算机网络中的重要内容，通常称为路由与交换技术。路由与交换技术是计算机网络的第一个重要的组成部分。早期交换机与路由器的主要生产厂商只有思科（Cisco），目前国内华为等厂商也已能生产交换机与路由器等网络设备。要学习交换机与路由器的工作原理，就需要做实验，而这些设备价格都很昂贵，建设一个网络实验室需要花费巨额资金，培养网络工程师的成本非常高。路由与交换思科公司为使网络学习者无须花费高额学费就可以学习网络设备的工作原理，开发了一款模拟软件，称为PacketTracer，这款软件是免费的，人人都可以下载使用，但思科公司要求用户注册一个账号后才能使用。PacketTracer是一款优秀的模拟软件，在这里可以进行多种网络实验，实验体验同使用真实的思科网络设备一致。这款软件的使用，需要读者自学。03分组交换为什么计算机网络具有强大的生命力，引发了一个个浪潮？分组交换真正的原因只有一个——便宜。通过计算机网络传输数据比用电话、电报等方式便宜很多。还记得十年前怎么打长途电话吗？使用IP卡，就是用计算机网络传输语音。为什么这样呢？也是因为便宜。对老百姓来说，便宜是必需的，而计算机网络是目前最便宜的通信方式。分组交换为什么分组交换技术能使数据传输如此便宜？上文我们已经介绍了计算机网络的基本工作原理是分组交换技术，在此原理中，发送方将数据切分成分组，接收方接收分组，重新组装成数据，这些工作是由两端的计算机完成的，由于这部分工作由“端计算机”承担了，中间路由器的设计就可以非常简单，从而带来极低的数据传输成本，我们将这一原理称为“端到端的原理”。分组交换分组交换原理如图1-5所示，这张图非常重要，这里有许多非常重要的基本概念与原理。在图1-5中，用“主机”来表示计算机网络中的计算机。分组独立选择路径假设主机将电影《玩尽杀绝》的数据切分成60多万个分组，依次传输给路由器。可靠的数据传输路由器依靠结构简单实现了低成本的数据传输。主机至少直连一台路由器主机将数据包传给了谁？传给了路由器。依靠这台路由器，主机才能上网。分组存储转发分组完全存储到路由器中后，路由器对分组进行转发处理。分组交换分组交换路由与交换技术从连通与扩展的角度阐述如何将更多的计算机、更多的网络互联在一起。从这个角度讲，计算机网络是计算机的互联。TCP/IP技术从分组可靠传输的角度阐述分组如何在网络中传输。中间路由器负责传输分组，端计算机负责可靠性，二者合力，形成可靠传输。从这个角度讲，计算机网络是计算机技术和通信技术相结合的产物。04计算机网络的分类计算机网络的分类计算机网络的分类有多种方法，最常用、最基础的分类方法是按地理范围分类。地理范围往往会限定网络技术和拓扑结构的选择。例如，要将一个房间中的计算机互联起来，大家都会选择用交换机和星形连接方式，没有人会想到用光纤和点到点连接方式。01广域网（WAN）广域网覆盖的地理范围为从几十到几千千米，提供远距离通信，也称为远程网。03局域网（LAN）局域网覆盖的地理范围从几米到几千米，通常使用高速链路，具有结构简单、传输速度快、性能稳定的特点。02城域网（MAN）城域网覆盖的地理范围为从几千米到几十千米，常作为城市骨干网，将多个局域网互联起来。计算机网络的分类05计算机网络的性能指标带宽计算机网络的性能指标计算机网络中的带宽，是指数据率（DataRate）或比特率（BitRate），带宽的单位是bit/s（bps），表示每秒主机能向网络发送多少比特的数据。注意，字节（Byte）和比特（bit）的换算关系如下：1Byte=8bit若将字节记为B，比特记为b，则有：1B=8b这里一定要注意单位，弄清是否需要换算，如果弄错了，计算结果就会差8倍。计算机网络的性能指标时延时延是指一个分组从网络的一端传输到另一端所花费的时间。多部教材与多篇文献中提出的总时延由发送时延、传播时延、处理时延和排队时延组成：总时延=发送时延+传播时延+处理时延+排队时延本书认为：总时延=发送时延+传播时延+存储时延发送时延是指主机向网络发送数据所花费的时间，可用数据量除以网络带宽得到。传播时延是指信号电磁波在信道中传播一定的距离所花费的时间。处理时延是指路由器的CPU处理分组的时间，该时间非常短，通常可以忽略不计。排队时延分组在路由器内排队等待处理的时间。计算机网络的性能指标计算机网络的性能指标计算机网络采用分组交换技术，也就是说，一个分组从源主机出发，穿越多台路由器后，到达目的主机。其中的关键就是路由器“存储-转发”分组的过程。分组在网络中传输的过程如图1-6所示。计算机网络的性能指标在这个过程中，关键是分析清楚分组在路由器内部被处理的全过程，这个过程如图1-7所示。01第一步，接收分组。当分组的第1比特到达路由器的接口时，接口芯片开始将分组数据存储在路由器I/O设备的缓冲区里。03第三步，转发分组。当分组排队排到后，路由器CPU开始处理分组，就是检索路由表，转发分组，这段CPU处理所用的时间很短，通常都忽略不计。02第二步，分组排队。路由器可能已经接收了多个分组，这些分组在路由器内部排队，等待CPU处理。计算机网络的性能指标计算机网络的性能指标存储存储时延，不能忽略，必须计算。转发处理时延忽略不计，转发动作表达清楚。06计算机网络的体系结构010302第一个问题发送端要将两个人下棋的过程变成数据，再进行传输，接收端将数据解释回下棋界面，如何实现？第二个问题数据在从天津到南宁的路上，会经过许多路由器，可能会遇到网络拥堵，从而产生丢失、错序等问题（这些问题统称为数据可靠传输问题），如何解决？第三个问题天津的主机如何找到南宁的主机，即如何寻路或导航？计算机网络的体系结构第四个问题两个相邻的网络设备之间，即一段链路，如何可靠地传输数据？第五个问题在一段链路上，如何将比特串变换为电信号进行传输？计算机网络的体系结构计算机网络的体系结构计算机网络的体系结构就是计算机网络的各层及其协议的集合。计算机网络的体系结构定义两台主机间数据传输的功能分解，是从功能的角度描述计算机网络的结构的。注意，计算机网络的体系结构仅定义网络及其部件通过协议应完成的功能、各层协议之间的接口关系，不定义协议的实现细节。分层的概念计算机网络的体系结构计算机网络可分为多层，每层实现一个相对独立的功能，每层的设计都是独立的。层与层之间的关系是服务与被服务的关系，每层都有其服务接口，其他层可通过服务接口使用服务。每层只需知道下一层为“我”提供哪些服务，和“我”必须为上一层提供哪些服务。计算机网络的体系结构协议的概念在计算机网络中，协议是一个经常和数据通信相联系的概念。如果做一件事，怎么做都不会出错，那就随意去做，反正不会错。可如果做一件事，这么做会这么错，那么做会那么错，就需要事先精心准备好一个工作手册，处理好所有的错误。工作时严格按照手册一步步进行，就不会发生错误。01语法（Syntax）报文的结构。03同步（Timing）工作手册中程序化的、一步步的动作指令序列。02语义（Semantics）报文中数据的具体含义。计算机网络的体系结构计算机网络的体系结构图1-9给出了飞机的三视图。为了将飞机表达得更清楚，人们分别从正面、侧面、顶部进行观察，画出三视图，得到同一架飞机三种不同角度的表示。分层协议计算机网络的体系结构从垂直的角度说明服务之间如何调用。从水平的角度说明对等实体之间如何收发数据。计算机网络的体系结构计算机网络的三种体系结构分别是OSI参考模型、TCP/IP参考模型以及“计算机网络”课程中的五层网络模型，如图1-10所示。在五层网络模型中，各层的主要功能如下。计算机网络的体系结构02传输层通过中间网络，实现两台主机进程之间的通信，包含可靠通信协议TCP和不可靠通信协议UDP。01应用层为用户提供具体的网络应用服务。030504网络层实现两台主机间的通信，选择合适的路由，构建互连网络。数据链路层实现两个相邻节点之间数据的可靠传输。物理层传送比特流。计算机网络的体系结构计算机网络的体系结构在五层网络模型中，数据封装原理图如图1-11所示。对等层（PeerLayers）一词，一般是指通信双方的相同层次。协议数据单元（ProtocolDataUnit，PDU）是对等层之间传输数据的单位，而服务数据单元（ServiceDataUnit，SDU）是层与层之间交换数据的单位。它们之间的关系如下：PDU=头部+SDU=下一层的SDU计算机网络的体系结构注意，SDU是上层向下层交付数据的单位，PDU是同一层传输数据的单位。例如，传输层的头部加数据构成传输层PDU，当将这个完整的报文向下交付给网络层时，就称为SD