计算机网络第一章概论

第一章概论

1.计算机网络发展、功能和组成

2.计算机网络的拓扑结构

3.计算机网络的分类

4.网络分层体系结构

5.实体间通信与服务

6.网络互连

7.计算机网络的性能

1

1.1计算机网络发展、功能和组成

1.计算机网络的演变

2.计算机网络功能

3.计算机网络组成

2

1.计算机网络的演变

■计算机网络是什么？

■计算机网络的演变

■具有通信功能的联机系统：终端-通讯线路-计算

机；

■具有通信功能的分时系统：终端-集中器-计算

机；

■计算机网络：独立的计算机互连；

■国际标准化网络：开放式标准计算机网络。

3

AnOverviewofComputerNetwork

■Thehistoryaboutinternet

4

网络现状

■21世纪的重要特征是数字化、网络化和信息

化，它是一个以网络为核心的信息时代。

■网络是指“三网”一电信网络、有线电视网络和

计算机网络。

■计算机网络：发展最

快、核心作用。

■现在人们的生活、工

作、学习和交往都已

离不开因特网。

5

2.计算机网络的功能

■数据通信

■资源共享

■增加可靠性

■提高系统处理能力

（并行和分布式处理）

6

3.计算机网络的组成

■网络由若干结点(node)和连接这些结点的链路

(link)组成。

■连接在网络上的计算机称为主机(host)。

■按结构功能划分成两部分：

■资源子网一负责信息处理，向网络用户提供各种

网络资源与服务。如：计算机系统、外设、软件

资源等

■通信子网一负责信息传递，完成数据传输及转发。

如：节点转发设备、通信设备等

通讯子网和资源子网

8

典型应用

■服务业

■金融

■电信

■企业管理

■远程医疗

9

1.2计算机网络的拓扑结构

1.星状拓扑(StarTopology)

2.环状拓扑(RingTopology)

3.总线型拓扑(BusTopology)

4.网状拓扑(MeshTopology)

5.树状拓扑(TreeTopology)

6.混合型拓扑(HybridTopology)

10

星状拓扑-StarTopology

特点：

■拓扑结构简单

■较好的健壮性

■便于管理、安

全控制

■中央控制器是

网络的瓶颈

■单点失效

11

环状拓扑-RingTopology

特点：

■易安装

■维护管理方便

■传输延迟大

总线型拓扑-BusTopology

特点：

■不存在路由

■易安装

■总线长度有限

■故障隔离问题

13

网状拓扑-MeshTopology

特点：

■避免拥塞问题

■较好的健壮性

■好的安全性

■便于管理

■费用高

14

树状拓扑-TreeTopology

中央控制器

特点：

■扩展了网络距

离

■允许网络隔离

不同计算机的

通信

15

混合型拓扑-HybridTopology

16

吉林大学主干网拓扑图

利用率Created:Jun05201023:30:10

10%byNOCSJLUNet

25%

50%198.87%|123.84%

78.47*

75%

100%40.43228.282

10.01245.95Z

O.OOX7.54%14.24%0.002

|25.44%0.00%0.00%44.80义

12.84211.78：13.76%

10.012

1.06玄尸蛆3瞑

0.00X

154.47%89.10216.97%39.35%33.90%

55.84%41.72%158.31416.63234.10%21.99%

60.71%西192

13.19^1

42.75%160.74%15.50%34.16玄25.54%

0.00砥X0.00%

17

1.3计算机网络的分类

1.作用范围

2.通讯介质

3.传播方式

4.通讯速率

5.使用范围

6.控制方式

7.网络环境

18

计算机网络的分类(1)

■按作用范围分类

①局域网(LAN—LocalAreaNetwork)

②城域网(MAN—MetropolitanAreaNetwork)

③广域网(WAN—WideAreaNetwork)

■按通信介质分类

①有线：同轴电缆、双绞线、光纤

②无线：卫星、微波

19

计算机网络的分类(2)

■按传播方式分类：

■点对点

■广播网

■按通信速率分类：

■低速：kbps—1.4Mbps

■中速：1.4Mbps—45Mbps

■高速：50Mbps—1000Mbps

20

计算机网络的分类⑶

■按使用范围分类：

■公用网

■专用网

■按网络控制方式分类:

■集中式

口分布式

21

计算机网络的分类⑷

■按网络环境分类:

■部门网

■企业网

■校园网

22

从软件工作方式分类

■Workingmodels

■ServerBased

■Client/Server

■PeertoPeer

23

ServerBased--IBMSNA

24

AClient/ServerModelArchitecture

FacultyStudent

databasedatabase

ServerServer

Web

Server

25

AnExampleofPeertoPeerModel

Alice'sdata

forsharing

David

David'sdata

forsharing

26

例：某人给朋友写一封信

邮

邮

运

政

政

输

袋

信

系

箱

袋

统

物理层数据链路层网络层传输层应用层

27

1.4网络分层体系结构

■计算机网络是个复杂的系统，在计算机网络

的设计和实现中需要进行分层处理，每层完

成特定的功能，各层协调起来实现整个网络

系统。

■为什么要分层？

■设想一个简单的情况，两台连接在网络上的计算

机要传送一个文件。有哪些事情需要做？

28

1.4.1网络协议和分层

■什么是网络协议？

■通信双方必须遵守的规则、标准、约定。

■网络协议三要素：

■语法一数据与控制信息的结构或格式。如：数据

的格式、电平等。

■语义一控制信息的功能及动作。

■时序（同步）一信息的同步，速度匹配。

29

网络体系结构

■网络体系结构：计算机网络的各个层次及其

协议的集合。

■网络体系结构：

■抽象的，对功能的精确描述。

■其功能的实现是具体的，是真正运行的硬件和软

件。

■网络协议实现的细节不属于网络体系结构的

内容

30

网络协议分层的优点

■独立

■灵活

■模块化

■易于维护

■标准化

31

1.4.2分层的原则和目标

■主要原则

■功能相近的分在一层

■每层的功能明确

■边界信息要尽量少

■目标

■标准、对称、易于实现

■第一个网络体系结构：

■1974年，旧M的SNA(SystemNetwork

Architecture)

32

1.4.3ISOOSI参考模型

■国际标准化组织ISO于1984年制定了开放系统

互连参考模型OSI。

■模型的作用：解决网络之间不能兼容和不能

通信的问题。

■模型的内容：分7个层次，每层解决一个问

题，共同描述计算机通信的过程。

ISO：InternationalOrganizationforStandards,源于希腊语“ISOS”，平等之意。

33

OSI参考模型

主机A中间节点主机B

34

各层功能概述

7应用层触及到应用程序的网做什么

络业务

6表示层数据表达对方看起来像什么

5会话层主机间通信该谁讲话，从哪讲起

4传输层端到端的连接可靠性对方在哪

3网络层地址和最佳路径走那条路可以到达

2数据链路层访问介质每一步该怎么走

1物理层二进制传输（导线、连怎样利用物理媒体

接器、电压速率等）

35

物理层(Physical)

■负责如何将计算机连接到通信媒体上

■数据传输的单位是比特(B计)

■规定了如下4个特性：

■机械特性：定义连接头、机械尺寸、通信媒体等

■电气特性：信号电平、编码、数据传输率

■功能特性：信号之间的关系、数据线、控制线等

■规程特性：数据交换的控制步骤

36

数据链路层(Data-Link)

■数据链路层处理相邻节点的数据传输

■传输的数据单元是Frame

■功能：

■分帧、排序

■差错控制：为上层提供可靠链路。

■流量控制：处理输入数据的速率。

■链路管理：链路的建立，维持，拆除。

37

网络层(Network)

■任务：

■路由选择

■阻塞控制

■网际互连

■网络层处理任意节点的数据传输，传输的信息

单位是分组(Packet)

38

传输层(Transport)

■端到端的通信，把数据可靠的从一端用户进

程送到另一端用户进程。任务：

■端到端的流量控制

■端到端的差错控制

■传输的信息单元是报文(Message)

39

会话层(Session)

■两个计算机上的用户进程建立连接，双方互

相确认身份，协商会话连接的细节。

40

表示层(Presentation)

■解决用户信息的语法问题，对用户数据进行

翻译、编码和交换。

■典型例子：用一种标准方法对数据进行编码。

41

应用层(Application)

■处理用户的数据和信息,完成用户所希望的

实际任务。

42

1.4.4TCP/IP网络体系结构

■TCP/IP(TransmissionControlProtocol/

InternetProtocol)是世界上最大的计算机网络

Internet运行的基础，是目前应用最广泛的网

络通信协议。

■OSI/RM的制定具有十分重大的意义，但是由

于TCP/IP协议得到普遍使用，所以在计算机

网络领域一般认为TCP/IP是事实上的工业标

准，在实际运行的系统中采用OSI模型的并不

多。尽管如此，OSI模型仍然对建立计算机网

络具有重要的指导意义。

43

不同模型分层

应用层应用层

TCP/IP4层模型TCP/IP5层模型OSI7层模型

44

IP及其配套协议

OSI模型TCP/IP

应用层应

Application

用

表示层

层

Presentation

会话层

Session

传输层

TransportTCPUDP传输层

网络层

ICMPIGMPIP

NetworkARPRARP网络层

数据链路层

该层协议由底层协议定义

DataLink数据链路层

物理层

该层协议由底层协议定义

Physical物理层

45

沙漏计时器形状的TCP/IP协议族

EverythingoverIP

46

关于因特网的标准化工作

因特网协会ISOC

因特网体系结构

研究委员会IAB

因特网工程部IETF

因特网工程指导小组

IESG

领域领域

WG-WGWG…WG

DaveClark：

Wereject:kings,presidentsandvoting.

Webelievein:roughconsensusandrunningcode.

我们拒绝：国王、总统和选举。

我们信奉的是：大体上的一致意见和正在执行的代码。

47

RFC文档

■所有关于Internet网络的正式标准都以RFC

(RequestforComment)文档出版。出版的

目的只是为了提供相关的信息。

■RFC文档的每一项都用一个数字来标识，例

如RFC983,数字值越大说明RFC文档的内容

越新。

■所有的RFC文档都可以网络上免费获得。

48

各种RFC之间的关系

49

OSI和TCP/IP的对比

■共同点

■以协议栈的概念为基础

■协议栈中的协议彼此独立

■各层的功能大体相似

■OSI的缺点：■TCP/IP的缺点：

■糟糕的时机■没有清楚区分服务、接口

■糟糕的技术和协议

■糟糕的实现■不通用

■糟糕的政策■没有区分物理层和数据链

路层

50

1.5实体间通信与服务

■在计算机网络中，每层的功能由该层的实体

来实现；

■下层实体为上层实体提供服务；

■上层通过下层的服务完成自己的功能。

51

实体、协议与服务

■实体(entity)表示任何可发送或接收信息的硬

件或软件进程。

■协议是控制两个对等实体进行通信的规则的

集合。

■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。

52

■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。

53

(M协议水平，(M服务垂直

服务用户(N+1)实体「一］(/\/+1)协议(N+1)实体

第N+1层

…一工安菽版宿

SAPSAP

第N层

服务提供者

54

1.5.1层间通信与对等层间通信

■层间通信：同一节点上相邻层次的通信

■对等层间通信：不同的网络节点上对等层间

的通信

■实通信：层间通信和物理层之间的通信

■虚通信：除物理层之外，对等层间的通信

55

OSI环境中的数据传输过程

发送进程Data接收进程

应用层AHDataI应用层

Application|Application

表示层PHAHData表示层

PresentationPresentation

会话层SHPHAHData会话层

SessionSession

]传输层

传输层THSHPHAHData

TransportITransport

网络层

Network

DataLink

物理层

Physical

发送主机接收主机

56

1.5.2服务与数据单元

■数据在网络中各节点内是沿层次传送的。

■每层为其上面各层提供专门的通信服务，即

每层完成的功能是其上各层工作的基础。

■N层向N+1层提供服务。N层是服务提供者,

N+1层是用户。

■服务是通过一组服务原语来执行的。

57

数据单元和服务访问点

■数据单元是网络中信息传送的单位

■相邻层在提供服务的过程中要传递信息，这

些信息称为服务数据单元SDU(ServiceData

Unit)

■对等层间交换的信息单位称为协议数据单元

PDU(ProtocolDataUnit)

■层间接口处提供服务的地方称为服务访问点

SAP(ServiceAccessPoint)

58

常见信息种类

♦IDU(lnterfaceDataUnit).PDU(ProtocolDataUnit)

协议数据单元：跨

接口数据单元：第过网络传给对等实

n+1层实体通过SAP体的信息。

传递给第n层实体的

♦ICI(lnterfaceControl

信息。Information)

接口控制信息：有

♦SDU(ServiceDataUnit)助I下层完成任务

的信息。

服务数据单元：跨

过网络传给对等实♦PCI(ProtocolControl

体然后交给上层的Information)

信息。协议控制信息：协

议头(header)

59

各种数据单元关系

60

Segmentationandblocking

■Differentnetworksmayhavedifferent

limitationonthesizeofablockofinformation.

■MTU:MaximumTransferUnit

■Segmentation:讦thesizeofblockinformation

istoolarge,needtobreakintoseveral

segmentsandtransferthemseparately.

■Blocking:ifSDllsaretoosmallastoresultin

inefficiency,thencombineseveralSDllsinto

asingleSDU.

61

Segmentationandblocking

(a)SegmentationReassembly

n-SDUn-SDU

u

n-PDUn-PDUnEDUn-PDUn-PDUn-PDU

(b)BlockingUnblocking

n-SDUn-SDUpn-SDUn-SDUn-SDUpn-SDU

XIX\IX

n-PDUn-PDU

Segmentation/reassemblyandblocking/unblocking

62

Interface&Service

PDU

Header!SDU

■IDU=InterfaceDataUnit=ICI+SDU

■ICI=InterfaceControlInformation

■SDU=ServiceDataUnit

■PDU=ProtocolDataUnit=FragmentsofSDU+

HeaderorSeveralSDlls+Header(blocking)

■SAP=ServiceAccessPoint

63

TCP/IP五层模型的数据传输

主机1向主机2发送数据

主机1主机2

应用进程数据先传送到应用层AP

AP12

加上应用层首部，成为应用层PDU5

44

33

22

11

Q

64

主机1向主机2发送数据

主机1主机2

0____________________________□

65

主机1向主机2发送数据

主机1主机2

66

主机1向主机2发送数据

主机1主机2

0____________________________□

67

主机1向主机2发送数据

主机1主机2

68

主机1向主机2发送数据

69

主机1向主机2发送数据

主机1主机2

70

主机1向主机2发送数据

主机1主机2

71

主机1向主机2发送数据

主机1主机2

0____________________________□

72

主机1向主机2发送数据

主机1主机2

73

主机1向主机2发送数据

主机1主机2

警

5应用层剥去首部，取出应用程序数据

上交给应用进程

44

33

22

11

亡□

74

主机1向主机2发送数据

75

主机1向主机2发送数据

主机1注意观察加入或剥去首部（尾部）的层次主机2

0____________________________□

76

主机1向主机2发送数据

主机1主机2

77

主机1向主机2发送数据

主机1主机2

0____________________________□

78

主机1向主机2发送数据

主机1主机2

0____________________________□

79

主机1向主机2发送数据

0_________________________D

80

主机1向主机2发送数据

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

主机1向主机2发送数据

0____________________________3

82

1.5.3服务原语

■服务用户和服务提供者之间要进行交互，交

互的信息称为服务原语。

■服务原语是引用服务的工具，N+1层实体通过

使用N层的服务原语向N层实体请求服务。

■服务原语的组成：

■原语名字、原语类型和原语参数。

例如：T-CONNECT.request

83

服务原语类型

■请求(request)：一个实体请求得到某种服务。

由(A/+1)向N层发出的，要求N层提供服务。

■指示(indication)：把关于某一事件的消息告诉

某一实体。由A/向(N+1)层发出，表示服务开

始。

■响应(response)：一个实体愿意响应某一事件。

由(A/+1)向N层发出，表示对指示的响应。

■证实(confirm)：确认一个实体的服务请求。由

N向(N+1)层发出，表示请求已完成。

84

服务原语的相互关系

■证实型服务

■非证实型服务

85

证实型服务

(N+1)层实体(A/+1)号实体

①④③②

请证响炎

求实应||示

(MSAP(MSAP

(M层实体(M层实体

N层虚通信

本地远程

86

非证实型服务

(A/+1)层实他

②

指

示

(MSAP

(M层实体

N层虚通信

本地远程

87

1.5.4面向连接和无连接的服务

■在OSI模型中，下层能为上层提供两种不同类

型的服务

■面向连接的服务一电话系统

■建立连接阶段

■数据交换阶段

■释放连接阶段

■面向无连接的服务一邮政系统

■三种类型

■数据报

■证实交付（可靠的数据报）

■请求/响应

88

1.6网络互连

■网络互连的根本目的是扩大资源的共享范围

■网络互连主要有以下几种形式：

■局域网一局域网

■局域网一广域网

■广域网一广域网

■面临的问题：

■不同寻址方案

■不同包长度

89

网络互连设备

■四大类：

■中继器

■网桥

■路由器

■网关

■这四类网络设备分别和OSI模型中不同层中的

协议交互作用

90

中继器(Repeater)

■通过放大信号，允许我们扩展网络的物理网

段，中继器不以任何方式改变网络的功能。

因而仅仅运行在osi模型的物理层上。

91

92

集线器-Hub

DataRateTypeofBandwidthTrepresentsTwistedPair

10MbpsBasebandTwistedPair

HUB/REPEATER

1White/Orange

2Orange/White

3White/Green-

4Blue/White

3

5White/Blue

6Green/White-Pair1U\

7White/BrownXXXPM4

8Brown/White

93

网桥(Bridge)

■网桥是一种存储转发设备。

■从协议的层次上看，网桥同时作用在OSI的物

理层和数据链路层。

■网桥在数据链路层进行数据帧的存贮和转发。

由于网桥在数据链路层工作，识别物理地

址，所以网桥具备寻址功能。

94

(a)(b)

95

网桥原理

地址端口

端口管理软件

MAC-11

RAMMAC-21

MAC-32

PORT-1PORT-2

MAC-42

地址一端口表

MAC-1MAC-2MAC-3MAC-4

96

路由器(Router)

■路由器工作在OSI模型的物理层、数据链路层

和网络层。路由器可以连接多个网络。从一

个连接的网络中接收包，同时将这些包传送

到第二个连接的网络中。

97

98

网桥vs路由器

桥接器

202.198.1.3

99

网关(Gateway)

■网关是一个协议转换器

■网关可以工作在OSI的所有7层

■能互连异类的网络

■一个较为常见的用途是在局域网的微机和小

型机或大型机之间作翻译

100

交换机（Sw让ch）

■交换概念的提出是对于共享工作模式的改进。

■交换机拥有一条很高带宽的背部