计算机网络概述教学课件

计算机网络与通信

课程的基本要求

■了解计算机网络的基本概念

■掌握计算机网络各层协议的基本工作原理

及其所采用的技术

■学会计算机网络的一些基本设计方法

参考书

■计算机网络与因特网，（美）Douglas

EComer著林生译，机械工业出版社

2005o

-计算机网络（第4版），谢希仁，电子工

业2006o

■计算机网络（第四版），AndrewS.

Tanenbaum,清华大学出版社。

本书结构和课程安排

■数据传输（2周）

-分组传输（4-5周）

-网络互联（4-5周）

■网络应用（2-3周）

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

1.2.2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

1.3计算机网络的分类

1.3.1计算机网络的不同定义

1.3.2几种不同的分类方法

第1章概述（续）

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计算机网络的原理体系结构

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

、■计算机网络定义

-JI---------------

・按照网络协议，以共享资源为

主要目的，将地理上分散且独

立的计算机互相连接起来形成

的集合体。

・着重资源共享，称作计算机网络

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。

198119831985198719891991199319951997199920012003

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。

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。

因特网发展的第一阶段

■第一个分组交换网ARPANET最初只是一个单

个的分组交换网。

■ARPA研究多种网络互连的技术。

■1983年TCP/IP协议成为标准协议。

■同年，ARPANET分解成两个网络：

-ARPANET——进彳亍实验研究用的科研网

■MILNET——军用计算机网络

■1983〜1984年，形成了因特网Internet。

■1990年ARPANET正式宣布关闭。

因特网发展的第二阶段

■1986年，NSF建立了国家科学基金网。

NSFNETo它是一个三级计算机网络：

■主干网

■地区网

■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）。

三级结构的因特网

■各网络之间需要使用路由器来连接。

■有时在结构图中可不画出路由器。

三级结构的因特网

・主机到主机的通信可能要经过多种网络。

因特网发展的第三阶段

■从1993年开始，由美国政府资助的NSFNE1

逐渐被若干个商用的ISP网络所代替。

■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。

■从1994年到现在，因特网逐渐演变成多级结

构网络。

多级结构的因特网

-主机到主机的通信可能经过多种ISP。

大公司大公司地区ISP

网络接入点网络接入点

NAP主干服务NAP

（对等点）提供者（对等点）

地区ISP地区ISP地区

大公司

本SP本地ISP公司本地右P

校园网校园网校园网》逑园网

1.2.3关于因特网的标准化工作

制订因特网的正式标准要经过

以下的四个阶段

■因特网草案(InternetDraft)------在这个

阶段还不是RFC文档。

■建议标准(ProposedStandard)------从

这个阶段开始就成为RFC文档。

■草案标准(DraftStandard)

■因特网标准(InternetStandard)

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

Internet在中国的发展2

□cn下注册的域名382,216

\(,c\

Internet在中国的发展3

□WWW站点数626,200

AC.CN4800.1

COM(.CN)412,13465.8

EDU.CN

GOV(.CN)12,3322.0

NET(.CN)88,43014.1

ORG.CN27,6144.4

行政区域.CN2,4560.4

・CN83,15413.2

Internet在中国的发展5

中国大陆494218242A+242B+30C

I

PV4

地中国台+161C

址中国香港551628884B+44C

中国澳门1269761B+240C

Internet在中国的发展6

n第一阶段1987〜1993电子邮件转发

01987北京计算所与德国卡尔斯鲁厄大学合作

01989科学院高能所与美国斯坦福大学合作

O1990电子部十五所、电科院、复旦、交大与德国

GMD合作，清华校园网与加拿大UBC合作

口第二阶段1994〜实现与Internet的TCP/IP

联结__________________________________

三

。中国国家计算机与网络设施

NCFC层

。中国教育科研计算机网络CERNET结

。中国公用计算机互联网(CHINANET)构

o中国金桥信息网(CHINAGBA)

中国教育科研网络CERNET

NCnet网络拓扑结构

北京天津

探测因特网一ping

探测因特网一tracert

c'C:\fIHDO¥S\systeB32\c>d.exe-Pl*

MicrosoftWindoi-isXP[^^^57^2600^^

<C>1985-2001MicrosoftCorp.

C：\DocunentsandSettings\fldministi*ator>cd\

C：\>tracertvn/v/.sina.con.cn

TracingroutetoJupiter.sina.com.cn[61.172.201.194]

oueramaximumof30hops：

14RS15ms15|T)S61.130.120.134

215ms15ms15ms61.130.126.113

315ms15ns15ms61.174.64.146

415ns15ms15ns61.153.8.230

515ns15ms15ms202.97.68.53

615ns15nsISns61.152.80.161

7ISms15ms15ms61.152.80.161

815ms15ms15ns222.72.243.242

977ms15ms77ms61.172.201.194

frracecomplete.

fc：x>

•VisualRoute8.0bTrialVersion国回区

c\C:\fIND0fS\systeB32\cBd.exe

MicrosoftWindowsXP5.1.2600]

<C>1985-2001MicrosoftCorp.

C：\DocunentsandSettings\Adninistratoi*>ipcon£ig

WindowsIPConfiguration

Ethernetadapter本地连接：

Connection-specificDNSSuffix.：

IPAddress........................：11

SubnetMask...........•92

DefaultGateway................：5

PPPadapterlan：

Connection-specificDNSSuffix.：

IPAddress........................：08

SubnetMask....................:55

DefaultGateway................：08

C：\DocunentsandSettings\Administratoi*>

1.3计算机网络的分类

-1.3.1计算机网络的不同定义

・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。

■因特网(Internet)是“网络的网络”。

-1.3.2几种不同的分类方法

■从网络的交换功能进行分类

■从网络的作用范围进行分类

■从网络的使用者进行分类

1.3.2几种不同的分类方法

（一）

■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

1.3.2几种不同的分类方法

（二）

-从网络的作用范围进行分类

■广域网WAN(WideAreaNetwork)

■局域网LAN(LocalAreaNetwork)

■城域网MAN(MetropolitanAreaNetwork)

■接入网AN(AccessNetwork)

广域网、城域网、接入网以及

局域网的关系

广域网

城域网一一城域网

//X/\、

接入网接入网接入网接入网接入网接入网

UJU」」」

局域网校园网企业网局域网

1.3.2几种不同的分类方法

(三)

-从网络的使用者进行分类

■公用网(publicnetwork)

■专用网(privatenetwork)

14计算机网络的主要性能指标

I14.1带宽

■“带宽”(bandwidth)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(bit/s)o

常用的带宽单位

■更常用的带宽单位是

■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(ab/s)

■请注意：在计算机界，K=21。=1024

M=22。，G=23。，T=240o

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

/Ils

工侣O

1ILLS

带宽为||1|0|1|0|1||1|时间

1拓s|ILZILZIHZZJ

k--------------------每秒106个比特------------------

0.25|is

松出血和叫可

--------------每秒4x106个比特----------------

时延（delay或latency）

■发送时延（传输时延）发送数据时,

数据块从结点进入到传输媒体所需要的

时间。

■信道带宽数据在信道上的发送速率。

常称为数据在信道上的传输速率。

数据块长度（比特）

发送时延=

信道带宽（比特/秒）

时延(delay或latency)

■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。

■信号传输速率（即发送速率）和信号在

信道上的传播速率是完全不同的概念。

信道长度（米）

传播时延=

信号在信道上的传播速率（米/秒）

时延(delay或latency)

■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。

■结点缓存队列中分组排队所经历的时延

是处理时延中的重要组成部分。

■处理时延的长短往往取决于网络中当时

的通信量。

■有时可用排队时延作为处理时延。

时延(delay或latency)

-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

三种时延所产生的地方

在队列中产生］从结点A向结点B发送数据

处理时延

结点A发送器结点B

1.4.3时延带宽积和往返时延

时延带宽积

（传播）时延・A

I卜,।|\"i

市范

链路

时延带宽积=传播时延X带宽

■链路的时延带宽积又称为以比特为单位

的链路长度。

往返时延RT1

■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(接收端收到数据后

立即发送确认)，总共经历的时延。

4分布式系统

口分布式系统

“多台独立自主的计算机的存在对用户来说是透明

的“

。透明(transparent)

指某物或某种机制的存在不为观察者所察觉,

看上去象不存在一样。

计算机网络的元素

区域网络

本地ISP

路由器

。主机

。通信链路

。路由器L--主机

。通信软件

。拓扑结构

计算机网络的功能

□计算机网络的功能□优点

。资源共享。资源共享

。通信功能。高可靠性

。多媒体可视化功能。节约经费

。扩展性

□应用。强大通信手段

。访问远程信息令email

。个人一个人通信e协同工作

。交互娱乐（VoD,游戏…）☆视频会议

。电子商务令电子商务＜

。移动计算

计算机网络的功能

网

络

化

后

…

.

广播网路

广播网络只有一个通信信道,

口发送模式为网络上所有的机器所共享。

。单播(unicast)口分配策略

。广播(broadcast)

。多播(multicast)

点—点网络

I由许多一对对计算机间的连接用最

O小型、地理位置上集中的网络多

采用广播形式；

O大型网络通常采用点到点方式；

无线网络

O系统互连

□无线LAN

口无线WAN

32.11

©蜂窝电话(1G/2G/3G)

◊无线高速接入IEEE802.16

1.5计算机网络的体系结构

time

什么是协议？2

协议：控制两个对等实体进行

通信的规则的集合

S1.5.1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。

激活；发送/接收；兼容；差错.•・

■“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。

标准化时机

活动研究投资

关键：在两个驼峰之间的低谷阶段制定标准

关于开放系统互连参考模型

OSI/RM

■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。

■在市场化方面OSI却失败了。

-OSI的专家们在完成OSI标准时没有商业驱动力；

-OSI的协议实现起来过分复杂，且运行效率很低；

■OSI标准的制定周期太长，因而使得按OSI标准生

产的设备无法及时进入市场；

-OSI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。

两种国际标准

■法律上的(de/⑥)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(defact。)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。

■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(network

protocol),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

-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

只看这两个文件传送模块

计算机1好像文件及文件传送命令计算机2

是按照水平方向的虚线传送的

文件传送模块--------------------------・文件传送模块

把文件交给下层模块把收到的文件交给

进行发送上层模块

再设计一个通信服务模块

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文件传送模块

好像可直接把文件

可靠地传送到对方

通信服务模块通信服务模块

把文件交给下层模块把收到的文件交给

进行发送上层模块

&再设计一个网络接入模块

计算机2

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

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。

层数多少要适当

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。

■OSI和TCP/IP

OSI参考模型

aOSI

olSO制定的关于开放系统

互连的参考模型。

a开放系统

。为了与其它系统通信而相

互开放的系统。

a分层原则

。根据需要分层

。每层实现明确定义的功能

。界面减少跨接口的信息量

。层数应足够多但不能太多

OSI的失败原因

□OSI的缺陷

。错误的时机

。错误的技术

。错误的实现

。错误的政策

令会话层在大多数应用中几乎没什么用;

令表示层几乎是空的；

令网络层和数据链路层的任务繁重；

令打印出来恐怕有一米高；

◊既难得实现运行效率又低；

令寻址、流控和差错控制在每层都出现;

TCP/IP参考模型

■四层协议

■TCP、IP两个具体的协议，TCP/IP的泛

化含义

OSI与TCP/IP

□osi模型（去掉会话和表示层）对讨论计

算机网络相当有用，但协议却不流行；

□TCP/IP模型实质上是不存在的但协议

被广泛使用；

1.5.3五层协议的体系结构

OSI的体系结构TCP/IP的体系结构

因此往往采取

应用层

（各种应用层协议如折中的办法，

TELNET,FTP,即综合和

SMTP等）OSI

/的优

运输层（TCP或UDP）TCP/IP

/点，采用一种

网际层IP

/只有五层协议

网络接口层的体系结构。

五层协议的体系结构

5应用层/■应用层(applicationlayer)

4运输层/■运输层(transportlayer)

3网络层/■网络层(networklayer)

2数据链路层/■数据链路层(datalinklayer)

1物理层■物理层(physicallayer)

物理层

□典型问题口基本功能

。多少电压代表1和。O比特的发送和接收

O比特持续多少微秒O数据传输率

。传输是否在两个方向。物理连接的建立、保

O连接如何建立及终止持与释放

。网络连接器有多少针。定义媒体的机械、电

气及规格

□ISO：2110、2593、4902、4903等

□CCITT：v.24、x,21、x.22、x.24等

数据链路层

口典型问题a基本功能

。成帧o建立、保持和释放链路

O差错控制O成帧和拆帧

O流量控制O差错控制

。线路竞争O流量控制

O访问控制。链路管理与媒体访问

□面向字符的协议(ISO1754/IBMBSC/DECDDCMP)

口面向比特的协议(ISOHDLC/IBMSDLC/ANSIADCCP)

网络层

口典型问题n基本功能

。确定分组路径。数据交换

。解决网络拥塞。流控

。记帐。拥塞控制（预分配）

。异种网络互联。差错控制及恢复

。路由选择（自适应/非适应）

。网络互联（源路由/透明）

nCCITT：X.25

aTCP/IP：IP

传输层

一口主要功能

。在源端与目的端之间建立可靠的端到端服务。隔离网

络的上下层协议，使得网络应用与下层无关。

。拥塞与流控

O多路复用与服务质量

OTCP、UDP/ATM

应用层

□主要功能

。各种应用网络虚终端、文件传输、电子邮件、远

程作业录入、目录查找等。

□基本功能

。网络完整透明性

I£H■gi?挈

一rrs

l^Tna：；8chun

而切。用户源物理配置

^WHUsaaooi.c«i

山：“虹uar-iu.Led..

_jlauZhesy帛

：。应用管理

"Len^inc®FFAFane.Ri”

。系统管理

'festerda>-sorning,Idichi-f

ioiainvoui-discussi。”jJ

。分布式信息服务

计算机1向计算机2发送数据

计算机1计算机2

应用进程数据先传送到应用层AP2

加上应用层首部，成为应用层PDU5

44

33

22

11

Q

计算机1向计算机2发送数据

计算机1计算机2

AP2

应用层PDU再传送到运输层5

加上运输层首部，成为运输层报文4

3

2

1

Q

计算机1向计算机2发送数据

计算机1计算机2

AP1AP2

55

4运输层报文再传送到网络层2

3加上网络层首部，成为IP数据报（或分组）2

22

11

Q

计算机1向计算机2发送数据

计算机1计算机2

S计算机1向计算机2发送数据

计算机1计算机2

55

_____Z

44

.1_____Z

3

3_____Z

2数据链路层帧再传送到物理层2

_____Z

1最下面的物理层把比特流传送到物理媒体1

Q

计算机1向计算机2发送数据

计算机1计算机2

AP1AP2

55

44

33

2电信号（或光信号）在物理媒体中传播2

1从发送端物理层传送到接收端物理层1

0物理传输媒体

计算机1向计算机2发送数据

计算机1计算机2

AP

警2

55

44

33

22

1物理层接收到比特流，上交给数据链路层1

Q

S计算机1向计算机2发送数据

计算机1计算机2

0

S计算机1向计算机2发送数据

计算机1计算机2

0

S计算机1向计算机2发送数据

计算机1计算机2

0

S计算机1向计算机2发送数据

计算机1计算机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

0

计算机1向计算机2发送数据

计算机1向计算机2发送数据

注意观察加入或剥去首部（尾部）的层次

计算机1计算机2

应用层首部

AP1应用数据AP2

运输层首部

应用数据5

H5

网络层首部

4HH程序数据4

，链路层45链路层

首部程序数据尾部3

3H3H4H5

2^3H用程序数据2

H453T2

1101001101001011k特流1101011101011

0

S计算机1向计算机2发送数据

计算机1计算机2

0

S计算机1向计算机2发送数据

计算机1计算机2

Q

S计算机1向计算机2发送数据

计算机1计算机2

计算机1向计算机2发送数据

S计算机1向计算机2发送数据

计算机1计算机2

警

5

4应用层剥去应用层PDU首部后|4

把应用程序数据交给应用进程;

3

2

11

0

计算机1向计算机2发送数据

1.5.4实体、协议、服务

和服务访问点

■实体（en寸ty）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。

实体、协议、服务

和服务访问点(续)

■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。

-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)o

实体、协议、服务

和服务访问点（续）

服务用户-----协议-------*服务用户E

::第n+［层

交换原语交换原语

提供服务{

SAPSAPj^j第n层

服务提供者|

协议很复杂

■协议必须将各种不利的条件事先都估计

至I」，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？

结论

-这样无限循环下去，两边的蓝军都始终

无法确定自己最后发出的电文对方是否

已经收到。

■没有一种协议能够蓝军能100%获胜。

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。

■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”(besteffortdelivery)或“尽

力而为”。

1.5.6OSI与TCP/IP

体系结构的比较

J

OSI的体系结构TCP/IP的体系结构TCP/IP的三个服务层次

7应用层应用层

6表示层（各种应用层协议如

TELNET,FTP,

5会话层SMTP等）/

4运输层运输层（TCP或UDP）

3网络层网际层IP/

2数据链路层

网络接口层

1物理层

TCP/IP参考模型的优点与缺陷

口TCP/IP的优势口TCP/IP的不足

。TCP/IP协议有详细说。模型没有明确划分服务、

明，并享有广泛使用。接口和协议概念

。TCP/IP协议最初是由□TCP/IP模型缺乏通用性很

美国军方研究开放的,难适合非TCP/IP协议栈

得到美国国防部的。主机一网络层并不是真正

(DoD)的资助。意义上的层

oInternet是建立在OTCP/IP模型并不区分(或

TCP/IP协议集的基础论述)物理层和数据链路层

之上，WW