计算机网络技术基础-第1章 计算机网络概述

计算机网络基础（第二版）

计算机网络概述

本章主要内＜

计算机网络概述一

计算机网络的分类和拓扑结构

计算机网络体系结峋

数据交换技术_____

数据通信基础二，

因特网二）

国际标准化组织

3

本节主要内容

1.1.1计算机网络的定义

1.1.2计算机网络的组成

1.1.3计算机网络的功能

计算机网络的基本要素?

网络中的某个独立的计算机

之间要能相互通信，必须定制相

互可确认的规范标准或协议。

多机系统、互联系统、资源共享系统

5

1』』计舁机网络的灵义

将分布在不同地理位置上的具有独

立工作能力的计算机、终端及其附属设

备用通信设备和通信线路连接起来，并

配置网络软件，以实现计算机资源共享

的系统。

本书有关网珞的定义

两台或两台以上具有独立功

能的计算机通过介质连接成

的相互共享硬件资源和软件

资源的集合体。

对计算机网络的定义的再说明

•网络首先是现代信息技术发展的产物，是

计算机技术和通信技术的结合。

•网络中的计算机是自主计算机，即排除网

络系统中主从关系的可能性。一台主机和

多台从属机的系统不能称为网络。

8

1.1』计印机网络的友斗/

计算机网络与分布式系统的区别(P2)

•分布式系统：两台以上具有统一的操作系统的计

算机通过介质连接而成既可以合作工作，又可以

自治工作的集合体。

•在分布式系统中，多台自主计算机的存在对用户

是透明的。

•网络和分布式系统的区别更多地取决于软件(尤

其是操作系统)而不是硬件。

9

计算机网络的硬件和软件

•网络硬件：服务器（如Web服务器，邮件服务器）

•工作站

•连接设备（如网卡，路由器）

•传输介质（如双绞线，光纤）

=＞物理通道

•网络软件：网络操作系统

（如Windows2003Server,Linux,UNIX）

•、网络协议软件（如TCP/IP）

・应用软件（如IE,QQ）

10

计算机网络的硬件组"

•网络中的计算机

•网络接口卡

•中继器和集线器

•网桥和交换机

•路由器

•传输介质连接器件

网络的组成设备之一：网卡

将计算机处理的数据转换为能够通过

功能介质传输的信号

组成由网卡驱动程序和网卡硬件组成

分类10Mbps.100Mbps.10/100Mbps.

1000Mbps

内置网卡图片

niniinniuninmniii

LL2计算九网益的级^

通信子网和资源子网

•(D资源子网

•负责全网面向应用的数据处理工作，向用户

提供数据处理能力、数据存储能力、数据管理

能力、数据输入输出能力以及其他数据资源。

•(2)通信子网

•主要任务是将各种计算机互连起来，完成数

据之间的交换和通信处理。

14

LL2计算九网络的如^

•通信子网和资源子网

•资源共享（软件、硬件、数据）

•数据通信

•分布式处理

・负载均衡

,提高了系统可靠性和可用性

16

本节主要内容

1.2.1计算机网络的分类

1.2.2计算机网络的拓扑结构

17

』计物网势的

按网络的覆盖范围

•广播式网络

•点对点式网

按数据的传输方式络

按网络组件的关系•一接入网

（最近引入）

18

计算机网络的分类

广域网

城域网城域网

/\、

接入网接入网接入网

局域网校园网企业网局域网

19

广域网中的主机和子网

资源子网资源子网

20

网络痛扑结构

在计算机网络中，把计算机、终端、

通信处理机等设备抽象成，把连接这些

设备的通信线路抽象成，并将由这些点

和线所构成的称为。

21

常见的局域网力石扑结构）

ABC

1.总线型拓扑

优点：

a.结构简单，实现容易；

b.易于安装维护

缺点：

a.故障检测和隔离较困难

总线故障会导致全网瘫痪;

b.负载能力较低

22

常见的局域网才石扑结构

o0

总线型拓扑图

OO

总线型拓扑

打印机

23

总线型拓扑

■

O结构：各工作节点（包括服务器与工作站）

均连在一条总线上，传输介质通常采用同轴

电缆。在需要分支的地方，电缆线上配有特

制的分支插口，与之相连的各工作站、服务

器节点内也有相应的分支插头。

一同同耳,里

WT

24

总线型拓扑的性能特

■

。各节点地位平等，无中心节点控制。所有结

点都可以通过总线传输介质发送或接收数据

,但一段时间内只允许一个结点利用总线发

送数据今“共享”o

o总线上的信息通常以基带形式串行传输，并

从发送节点向两端扩散，当一个结点利用总

线传输介质以“广播”方式发送信号时时，

其他结点都可以用“收听”到所发送的信号

,故又称广播式网络

。“共享”产生“冲突”(collision),冲突

造成数据传输的失效，需要提供一种机制用

于解决冲突问题。

25

常见的局域网才石扑结,勿

能够较有效地避免冲突，传输

延迟时间固定。

缺点：

环形结构中的网卡等通信部件

比较昂贵且管理复杂。

26

27

环型拓扑的结构特点

。各节点通过环路接口连在一

条闭合的环型通信线路中

。传输介质可采用电缆或光缆

0数据以基带信号串行传输，

但从发送节点出来后，在环

中沿一个固定方向绕环逐站

传输

o多个结点共享一条环通路的

共享介质结构，也要提供旨

在解决冲突问题介质访问控

制。

28

双环结构

。为增加环形拓扑可

靠性，还引入了双

环拓扑。

。在单环的基础上在

各站点之间再连接

一个备用环，从而

当主环发生故障时

,由备用环继续工

作。

29

a.结构简单，可扩充性强;

b.故障的检测和隔离方便。

缺点：

a.需要大量电缆，因此费用较高;

b.中央结点产生故障，则全网不能工作。

30

31

星型拓扑

O结构：网络由各节点以中央节点为中心相连接

,各节点与中央节点以点对点方式连接。

。传输介质可采用电缆或光缆

「任何两节点之间的数据通信都要通

过中央节点，中央节点集中执行通

信控制策略，如完成节点间通信时

物理连接的建立、维护和拆除；

O中央节点通常为集线器或交换机

。一般，星型网络结构中的数据信息传播方式有

两种：一种是中心节点以广播的方式工作，从

一个节点传送来的数据到达中心节点后，被重

传到外出链路上。在这种情况下，尽管这种安

排在物理上是星型，在逻辑上却是总线型，采

用的是广播的方式。（如中心节点采用集线器

）;另一种方式是中心节点作为一个数据交换

设备工作，一个到达中心节点的数据经过处理

后，找到相应的节点，并被传送出去，采用的

是点对点方式。（如中心节点采用交换机）

常见的局域网才石扑结构

4.树型拓扑

优点：

a.易于扩展；

b.故障隔离方便。

缺点：

根结点发生故障，全网

不能正常工作。

35

常见的局域网力石扑结构

树型拓扑图

树型拓扑的结构特点,

。星型拓扑结构

的一种扩充，

又叫树型拓扑

结构；

。结构特点：_

个星型拓扑的

末端节点又是

其他星型拓扑

的中央节点。

37

。树超网络结构与星型网络结构相比，降

低了通信线路的成本，但增加了网络的

贪杂性。网络中除最低层节点及其连线

夕卜，任一节点或连线的故障均影响其所

在支路网络的正常工作。

常见的局域网才石扑结构

5.网状拓扑

优点：

a.结点间路径多；

b.可靠性高；

c.网络扩充比较灵活、

缺点：

a.网络关系复杂；

b.建网和网络控制机制复杂。

39

常见的局域网才石扑结构

网状拓扑图

网状结构分为全连接网

状和不完全连接网状两种形

式。在全连接网状结构中，

每一个结点和网中其他结点

均有链路连接。在不完全连

接网状网中，两节点之间不

一定有直接链路连接，它们

之间的通信，依靠其他节点

转接。广域网中一般用不完

全连接网状结构。

40

常见的局域网才石扑结构

拓扑的选择

L3计算机网络体系反茯

本节主要内容

1.3.1层次结构和协议

1.3.2ISO/OSI参考模型

1.3.3TCP/IP参考模型

42

L3计算机网络体系安grzii

1.3.1层次结构和协议

1、层次结构

计算机网络的硬件和软件称为实体(entity)

分层：将计算机网络的实体划分成不同功能的若干

层次，每一层都建立在它的下一层之上，向它的上

一层提供一定的服务；相邻层之间通过接口来实现

访问。

43

通过邮局寄信实例/

甲地乙地

44

邮政系统信件发送、接收过程

收信者

一阅读信件

一信件投递，信件分拣

一分发邮件，邮件拆包

一转送邮局，接收邮包

45

通信双方的相同层次我们称之为对等实体

(peerentity)

对等实体之间必须按照约定的规则才能完成通

信，这个规则我们称之为协议(protocol)

大城市交通系统=＞交通规则

火光管的设计标准

大邮政通信系统中中英文信封的书写规范

中英文信封的书写规范

■■■■■■■■■■

■■■■■■■

收信人地址-------------------100084北京市清华大学计算机系

“\\攵I-r，信士人X文也士『名々___________________已匕Xx|J/fr

发信人地址与姓名-----------------------天津市南开大学计算机系李XX300071

(a)

From:LiYang

Dept.Computer

发信人地址与姓名a-NankaiUniversity

Tianjin,CN,300071

To:Prof.Wang

10056rdst.

乜乂|口X_JLt-iSanDiego,CA92102

U.S.A

(b)

协议三个要素

语法——定义数据的格式或信号的形式；

（控制信息的格式、数据编码等）V二如何讲？

语义——包含了对等进程协调配合和数据管理

所需要的信息结构；V二讲什么？

（控制信息的内容，需要做出的动作及响应）

时序——指收、发速率匹配和接收排序

（事件的先后顺序和速度匹配）

*协议只确定计算机各种规定的外部特点，不

对内部的具体实现做任何规定。如遇红灯停车,

不对停车的操作进行规定（不同车型）。

48

1.层次结构

。为了降俅系统设计和实现的难度，把计算机

网络要实现的功能进行结构化和模块化的设

计，将整体功能分为几个相对独立的子功能

层次，各个功能层次间有机地连接，下层为

其上一层提供必要的功能服务。这种层次结

构称为网络层次结构模型。

。网络层次结构模型包含两个方面的内容，一

是将网络功能分解到若干层次，在每一个功

能层次中，通信双方共同遵守该层次的约定

和规程，这些约定和规程称为同层协议；二

是层次之间逐层过渡，上一层向下层提出服

务请求，下一层完成上一层提出的请求。

49

OSI的层次间关系

以邮局实例说明

•邮局对于写信人来说是下层

•运输部门是邮局的下层

——下层为上层提供服务

•写信人与收信人之间使用相同的语言

•邮局之间的约定

——同层次之间使用相同的协议

50

层次结构和协议

•分层设计的意义

-用户服务层的模块设计可相对独立于具体的通信线路和

通信硬件接口的差别

-而通信服务层的模块设计又可相对独立于具体用户应用

要求的不同

例如：文件传输或电子邮件服务模块的设计,

不必关心底层通信线路是光纤还是双绞线

51

层源主机目的主机

第五层协议

5M

第四层协议

4H4MH4M

第三层协议

3H4MH3H4M

H4

23M

1

每层在往上一层传输

每层在向下一层

传输数据前，都数据前，都在原数

5层虚拟通信4

在数据上加上一据上剥掉该层“

'报头"。」

I个“报头”。

52

0A公司的高层发一封信到B公旬的高层二〉

A公旬秘书再加上一个信封，注明给B公

旬的秘书，并交下一层父理=>...每

往下经过一层，就包上一个新的信封…

。信件到B公旬后，每层拆去一个信封后

,然后交给它的上一层..=>B公旬

高层

53

速通信与福际通信/

对等进程之间的通信（水平方向上的通信）

称为虚通信，而在上下层之间的通信才是实际

通信。通信过程特点：

（1）对等进程通信

（2）发方加头，收方去头

虚加头

源主机--------A目的主机

▲

实发收

头数据校验

际

图1—10通信示意图图1—11数据加头

54

3,接口和服务

•在分层模型中，每一层的功能是为它的上层提供服务

的，该层就称为服务提供者(ServiceProvider)o

•而它的上层使用它所提供的服务，称之为服务用户

(ServiceUser)。

*如“邮政系统信件发送、接收过程”中的“邮局服

务业务”

•相邻层之间要交换信息，要有一些接口，且对接口必

须有一致的规则。

火如“邮政系统信件发送、接收过程”中的“邮箱

(筒)”就是其中的一个接口。

55

•服务和协议是完全不同的概念。

•服务是各层向它的上层提供的一组操作，

但不涉及如何完成操作。服务定义了两层

之间的接口，只能通过接口实现上下两层

的访问。（垂直的）

•协议是定义同层对等实体之间交换的帧、

分组和报文的格式及意义的一组规则。

,（水平的）

•实体利用协议来实现它们的服务定义。

56

引入

I■伴随着计算机网络的飞跃发展，各大厂商根

据自己的协议生产出了不同的硬件和软件

■为了实现网络设备间的互相通讯，iso和

IEEE相继提出了OSI参考模型及其TCP/IP模

型。

57

OSI协议模型

协议J通信的双方需要“讲”相同的语言

♦：♦OSI(OpenSystemInterconnection

女络?ReferenceMode)

是开放的通信系统互联参考模型

协议年，ISO组织发布了%孽型

分层

OSI7层

模型

OSI参考模型

国际标准化组织(ISO)在1983年提出了开放

系统互连参考模型(OSI/RM：OpenSystemInterc

onnection/ReferenceMode),该模型是设计和

描述网络通信的基本框架。生产厂商根据0SI模型

的标准设计自己的产品。0SI描述了网络硬件和软

件如何以层的方式协同工作进行网络通信。

该模型是为了解决异种机互连而制定的开放式计

算机网络层次结构模型。是一种抽象结构，而并非

具体实现的描述。

59

模型有七层其分层原贝

OSI■■■■■■■■■■

■■■■■■■■■

•(1)根据不同功能抽象分层，每个层应该实现一个定义明

确的功能。

•(2)不能太少，不能太多。分层如果太少，使每层的功能

太多，从而无实现将问题简化的目的，另外，无法将各层

独立出来；如果层次太多，相反又会使问题变得复杂。

•(3)每层功能的选择应有助于制定网络协议的国际标准，

各层边界的选择应尽量减少跨过接口的通信量。

•(4)保留以前的好的相关分层方法。通信技术有一百多年

的历史，已经成熟和完善。因此我们完全可以利用它来服

务于网络。

•(5)允许每层分子层。

•(6)允许某层旁路。

60

81参考模型/

OSI的分层

।＞处理网络应用

—►数据表示

「A主机间通信

卜A端到端的连接

।A寻址和最短路径

1介质访问（接入）

.圆“二进制传输

61

OSI参考模型

•OSI参考模型定义了网络中设备所遵守的层次

结构

•分层结构的优点：开放的标准化接口

-多厂商兼容性

-易于理解、学习和更新协议标准

-实现模块化工程，降低了开发实现的

复杂度

-便于故障排除

62

OSI参考模型

系统A系统B

第7层应用层|应用层协议

应用层应用层I

n7-6接口」

表示层|7-6接口

第6层表示层协议

表示层---------------------A表示层|

会话层|

第5层n6七接口6-5接口

会话层协议

会话层--------------------A会话层|

第4层传输层|

」5-4接口5-4接口

传输层协议

M---------------------A传输层|

第3层网络层传输层

接口接口

14-3网络层协议4-3

第2层数据链路层网络层<-------------------►网络层

接口接口[

।3-2r数据链路层协议3-2

物理层|

第1层数据链路层<-------------------A数据链路层

接口接口|

12-1I物理层协议2-1

<--------------------A

OSI/RM物理层物理层

物理传输信道

中间节点

应用层协议

第7层应用层M---------------------------------------------------------------A应用层

7-6接口7-6接口

表示层协议

第6层表示层-------------------------------------------A表示层

6-5接口一6-5接口

会话层协议

第5层会话层M----------------------------------------------------A会话层

5-4接口5-4接口

传输层协议

第4层传输层-------------------------------------------►传输层

4-3接口4-3接口

网络层协议r网络层协议

第3层网络层----------------------►网络层<-----------------------A网络层

13-2接口"3-2接口3-2接口|

数据链路层协议r数据链路层协议

第2层数据链路层-------------------►数据链路层<-----------------------A数据链路层

-2-1接口~2-1接口2-1接口

物理层协议r物理层协议

第1层物理层----------------------A物理层------------------------►物理层

物理传输信道物理传输信道

OS1参考模型各层功能X

•有关物理设备通过物理媒体进行互连的描述和规定；

•以比特流的方式传送数据，物理层识别。和1；

•定义了接口的机械特性、电气特性、功能特性和规程

特性。（详见课本P12〜13）

65

•在物理层提供比特流服务的基础上，建立相邻节点之间的数

据链路连接；

•为网络层提供可靠的信息传递机制，把数据封装成适合于正

确传递的“数据桢”（或解封装）：如在桢中包含应答、流控

制和差错控制等信息，并负责通过物理层在两台计算机之间无

差错地传输数据帧；

•数据链路层要提供差错控制等功能，以实现应答、差错控制、

数据流控制和发送顺序控制，使有差错的物理线路变成无差错

的数据链路，确保接收数据的顺序与原发送顺序相同。

66

•把数据转换为传输数据信息包或报文分组（具有地址

标识和网络层协议信息的格式化信息组）；

•负责寻址，将IP地址转换为MAC地址（局域网内）；

•选择合适的路径并转发数据包（路由功能），负责建

立、保持和终止通过中间设备的连接；

•进行拥塞控制，能协调发送、传输及接收设备的能力

不平衡。

67

•提供在不同的系统进程间数据交换的可靠服务，在网间建立

端到端通信信道，实现端到端的连接；

•提供两端点之间的可靠、透明数据传输，执行端到端差错检

测和恢复、顺序控制和流量控制功能，管理多路复用；

•本层是面向应用的高层和与网络有关的低层协议之间的接口,

其下3层与数据传输问题有关，其上3层与应用问题有关。它为

会话层提供与网络类型无关的可靠信息传送机制，对会话层屏

蔽了下层数据通信的细节。

68

•提供应用进程间对话控制的规则。会话层为在两个实体间建

立的一次连接叫做会话。它组织和同步它们的对话及为管理它

们的数据交换提供必要的手段；

*会话层负责控制每一站究竟什么时候可以传送与接收数据，

为不同用户建立会话关系：例如，当许多用户同时收发信息时,

该层主要控制、决定何时发送或接收信息，才不会有“碰撞”

发生。

•在两端点间建立、维护和释放面向用户的连接；

•对会话进行管理和控制，保证会话数据可靠传送。

69

•表示层是为了在不同系统之间的不同信息表示能够相互

理解对方数据的含义以便进行通信而设置的。

•负责将数据转换为发送方和接收方都能识别的格式；

•负责数据的加密与解密；

•负责文件的压缩与恢复。

•负责管理和执行应用程序，提供各种网络服务。

OS【参考模型各层功能/

名称功能实例

设备之间的比特流的传输、物理接口、电气特EIA/TIA-232

物理层

性等V.35

72

数据流向

数据是怎样从一台计算机传

到另一台计算机的呢？

73

数据流向

计算机1计算机2

应用程序数据

74

数据流向

计算机1计算机2

AP2

应用层

应用层7应用层首部电应用程序数据7

/

表示层

表示层66

/

会话层55会话层

/

传输层44传输层

/

网络层33网络层

/

数据链数据链

路层22路层

/

物理层11物理层

/

75

数据流向

计算机1计算机2

APiAP2

应用层

应用层7

/

表示层

表示层6表TJ7层首部%I应用程序数据6

/

会话层55会话层

/

传输层44传输层

/

网络层33网络层

/

数据链数据链

路层22路层

/

物理层11物理层

/

76

数据流向

计算机1计算机2

会话层首部应用程序数据

坛H6H7

77

数据流向

计算机1计算机2

7_____yZ_____Z

APJ

AP,

24

应用层

应用层77

//

表示层表示层

66

//

会话层5会话层

//

▼▼4

传输层传输层首部H4%应用程序数据4传输层

/坛H6/

网络层33网络层

//

数据链数据链

路层22路层

//

物理层11物理层

78

数据流向

计算机1计算机2

网络层首部，H4|H51H61H7|应用程序数据

79

计算机1计算机2

应用层

表示层

会话层

传输层

网络层

数据链路数据链

路层

层首部