计算机通信与网络技术第1讲

计算机通信与网络技术

inH

为什么要学计算机网络?

・计算机网络可以为我们干什么？

•商业应用

资源共享（hardwareandinformation）

Communicationmedium、Email、视频会议

E-commerce

•家庭应用

■访问远程信息：（浏览新闻、在线图书馆、聊天室）

Peer-to-peercommunication

•娱乐（频点播网络模拟游戏）

电子商务（网上购物网上金融业务）

计算机网络课程特点

・计算机网络是计算机技术与通信技术相互渗透、

密切结合而形成的一门交叉科学；

•网络技术经几十年的发展，已经形成了自身比

较完善的体系；

•目前网络技术发展十分迅速，应用广泛，知识

更新快。

课程目标

《计算机通信与网络技术》是电气信息类专业的必修

专业基础课。主要内容以五层协议的原理参考模型为

基础，以TCP/IP协议族中的IP和TCP为核心，以较

成熟的网络技术为主，侧重计算机网络的基本技术.

掌握计算机网络通信的基础知识，包括数据通信技术

网络体系结构、网络协议与服务、Internet协议集以

及应用.

本课程主要教学内容:

第一讲计算机网络概述

第二讲物理层

第三讲数据链路层

第四讲网络层

第五讲运输层

第六讲应用层

第七讲网络安全

第八讲无线网络

第九讲下一代因特网

对该课程的学习要求

•掌握计算机网络的基本概念，熟悉计算机网络

的基本技术，理解计算机网络的工作原理。

•面对高速发展的网络技术，具有积极动手、主

动跟踪、继续学习的基础和能力。

课程进度安排•

•1周~16周，34个讲授课时，8个实验课

时,4个习题课时，2个考试课时

•教材：《计算机网络教程》（第5版），

谢希仁

・计算机网络释疑与习题解答，谢希仁

编著，电子工业出版社，2011年4月

•考核方式：闭卷考试70%,平时成绩

30%（作业+实验+课堂表现）

实验题目：：

实验一网络基本知识-S

了解网络基本配置中包含的协议、服务和

基本参数；掌握WindowsXP系统网络组件的

安装和卸载方法；掌握WindowsXP系统共享

目录的设置和使用方法；学会制作两种类型的

RJ-45接头直通线、交叉线；掌握使用双绞线

作为传输介质的网络连接方法；掌握测线仪的

使用方法。

实验题目：：

实验二网络应用实验0

了解常用的网络应用；掌握IIS的安装和配

置；掌握IP地址和TCP端口（SOCKET）的配

置；熟悉CRC校验的原理，掌握CRC校验的实

现方法。

实验题目：；

实验三网络协议分析H

熟悉网络分析软件，学习捕捉数据的方法;

分析数据帧和报文，掌握以太网数据帧和IP数

据报的结构；按照协议类型分析数据包的各个

首部的字段含义的方法；初步尝试用软件编写

解析IP数据报首部的字段含义的方法。

实验题目

实验四转发表与路由算法

熟悉广域网络的转发机理，理解转发表的

作用；理解路由算法的基本思路。

联系方式

胡小刚

电气工程学院

电话：51688233

办公室：电完楼509南

起子邮件：xghu@

答疑时间：

第1讲概论

主要内容

・计算机网络的发展过程

・计算机网络组成和分类

・计算机网络原理体系结构

重点和难点：

计算机定义与分类

因特网主机工作方式与数据交换方式

•C/S和P2P、三种数据交换方式

计算机网络体系结构基本概念

•协议与服务的区别、网络层与运输层的区别、

OSI和TCP/IP

L机网络的发展过程

从体系结构来观察，计算机网络的发展可分

为三个阶段（三代网络）：

1.以主机为中心的联机终端系统

“计算机一终端”系统

2.以通信子网为中心的主机互连

“计算机-计算机”网络

3.体系结构标准化网络

层次化结构，并对每层进行了精确定义

・

11.1,以主机为中心的联机终端系统•••:♦

•特征：终端(Terminal)共享主机(Host)的软硬件资源

•单台主机：执行计算和通信任务

•多台终端：执行用户交互

•(终端集中器/终端服务器)工

•连接方式：本地或远程丁一

T工

举例::

•例子：飞机订票系统SABRE-1

HOST（航空公司总部）

Terminals（订票点）

通信线路（电话线路）

•缺点

•主机负荷重——数据处理+通信

•线路利用率低

•集中控制方式，可靠性低

•改进

•终端集中器（近/远距）

•前端处理机（Front-EndProcessor,FEP）,将通信

任务从主机中分离出来

1J.2.以通信子网为中心的主机互连

•特征

•多个终端联机系统互联，形成了多主机互联网

络

•网络结构从“主机一终端”转变为“主机一

主机”

HOSTHOST

主机一主机网络的演变

演变阶段1

■通信任务从主机中

分离,由通信控制

处理机（CCP）完

成

•CCP：处理主机之

间通信任务的专用

计算机厂

m-

两层网络

•两层网络概念的出现

•由CCP组成的传输网络一通信子网,提供信息

传输服务

•建立在通信子网基础上的主机集合一资源子网,

提供计算资源

主机一主机网络的演变

•演变阶段2

•通信子网规模逐渐扩大HOST

私有一社会公用/

•公用数据通信网(T

公用数据T)

PSTN(公共交换电话网络)通信网

X.25

•优点

THOSTHOSTT

降低用户系统建设成

提高通信线路利用率

兼容性好T

举例:

•因特网的前身——ARPANET

•美苏冷战时期由美国军方建立的实验性网络

最初4个节点—70飞的60多个节点

•地域跨越美洲、欧洲

具有现代网络的许多特征，例如：

-分组交换

■分层次的网络体系

■较为完善的通信协议

.体系结构标准化网络：：

1.1.3••

•为什么需要标准化？

•不同网络设备之间的兼容性和互操作性是推动网络

体系结构的标准化的原动力

•而兼容性和互操作性的最终目的仍是资源共享

•标准化的时机？

•先制定标准再开发还是先开发再制定标准？

•各厂商、研究机构、大学在网络技术、方法、理论

等方面的研究日趋成熟是基础。

标准化过程::

•网络体系结构标准化过程的演变

•厂商标准：旧M-SNA,DECDNA等

缺点：适用范围：兼容性？

技术垄断：竞争？

标准不统一：用户利益？

•国际标准（ISOOSI/RM）

OpenSystemInterconnection/RecommendedModel（开放系

统互联套考模型，简称OSI参考模型）

OSI参考模型是一种概念上的网络模型，规定了网络体系结构

的框架：7个层次

只说明了做什么（WHATTODO）而未规定怎样做（HOW

TODO）

太复杂，几乎没有与之完全符合的网络

•事实上的标准：TCP/IP（因特网的骨干协议）

从体系结构上看，它是OSI参考模型的简化（4层）

1.1.4.因特网时代的到来那‘

••••«

•截止到2000年，Internet的规模为

•网络数达到105数量级，主机数达到107数量级，用户数108

数量级，主干速率大于2.5Gbit/s

•美国政府资助的“下一代因特网计划”目标是

•主干网的速率比现在

的因特网高1000倍

•端到端的速率要达到

100Mbit/s-10Gbit/s

计算机网络的定义孑

•计算机网络定义的主要观点：

■从应用的观点：以相互共享资源方式连接起来，且

各白具有独立功能的计算机系统的集合。

■从物理的观点：在网络协议的控制下，由若干台计

算机和数据传输设备组成的系统。

■观点3：利用各种通信手段，把地理分散的计算机

互联起来，能够互相通信且共享资源的系统。

计算机网络：

相互连接的自治计算机的集合

•自治:能独立运行，不依赖于其他计算机

-“主控-从属”类型的系统是计算机网络吗？

-“主机-终端”系统（第一代网络）呢？

•互连:以任何可能的通信连接方式

-有线方式：铜线、光纤

.无线方式：红外、无线电（微波）、卫星

计算机厂嘘E纥」________计算机

系统信网络」系统

因特网的组成

•边缘部分：连接在因特网上的主机

•Client/ServerP2P(Peer-to-Peer)

•核心部分：网络和路由器

•电路交换分组交换报文交换

------Chent/Server

网络边缘

边缘部分主机的通信方式

------Peer-to-Peer,P2P

运行P2P

程序

「、、

（一-------/一Q扈

运行P2P/______『

21'、、、

程序网络边缘个

Z\日\

、/

：-1~~z\一\

।、K//\1

\\,/网络核心-\UJ;

__।/

运行P2P

运行P2P-

程序「一--…一一口一一,—一—、程序

核心部分——路由器(Router)

•网络和网络的连接依靠路由器

•路由器的具体任务是转发收到的分组，实现

分组转发(PacketSwitching)

1.2计算机网络的分类方法

电路交换(CircuitSwitching)

模拟信道

•••

电路交换举例

•A和B通话经过四个交换机

•通话在A到B的连接上进行

•••

电路交换举例

•C和D通话只经过一个本地交换机

•通话在C到D的连接上进行

电路交换的特点::

•电路交换必定是面向连接的。

•电路交换的三个阶段：

•建立连接

•通信

•释放连接

•通话过程中，两个用户始终占用端到端的通信

资源，线路传输效率低。

报文（帧Frame）

志地址控制信息FCS志

标志：表示帧的开始和结束

地址：包括源地址和目的地址

控制：报文类型和功能

信息：传送的数据

FCS：帧校验码

报文交换：不定长报文为单位

报文交换每次是无需通过物理连接而建立通信信道的。这种

联网方式称为无连接的(connectionless)。

T2

目的站

存储交换：数字化网络;

存储-转发方式

缓

输冲

信息处理

入存输

储和转发

存储转发报文的优点::

•信道利用率高。多报文共享“节点一节点”信

道

•接收方和发送方无需同时工作。节点暂存报文

•可同时向多个目标发送同一报文。

•在网络上实现报文的差错控制和纠错处理。

b在发送端把要发送的报文分隔为较短的数据块

向每个块增加带有控制信息的首部构成分组（包）

分组交换b依次把各分组发送到接收端

，接收端剥去首部，抽出数据部分，还原成报文

分组交换（包交换）：定常报文

为单位分组传输

一欲发送的整块数据：报文—

------分组--------------分组------*------分组

分组(packet)又称为“包”,是在计算机网络中传送

的数据单元。分组交换时在传送数据之前可不必先建立一条

连接，即使用无连接(connectionless)方式，亦可使用面向

连接方式。因为分组的首部(header)也称为“包头”,包

含了诸如目的地址和源地址等重要信息，使每个分组能够在

个组交换网中独立地选择路由，故分组交换的特征是基于标

记(label-based)。

•••

三种交换的比较

报文报文报文分组分组分组、

比特流直达终点

数据传送

的特点回

存储存储存储存储

转发转发转发转发）

•分组交换优点

高效：传输过程中动态分配传输带宽，对通信链路逐段独占；

灵活：为每一个分组独立地选择转发路由;

迅速：以分组为传送单位，传输出错时重传的是小的分组；可

不先建立连接，分组暂存于内存；网络使用高速链路；

可靠：完善的网络协议，分布式多路由的分组交换网，使网络

有很好的生存性。

•分组交换缺点

分组在各结点存储转发时需要排队，尤其通信量过大时，时延

可能很大。

分组携带的控制信息增加了开销，且需要专门的管理控制机制O

o.o

⑶集中式网络（b）具有集中器或复用器的集中式网络

©）分布式网络

o一终端；•——交换结点；△——集中器或复用器

图1・9几种常见的网络拓扑

1.集中式（星型结构）

[OQOgQOGDflOOOOC!

ipQoopopoq'oFo

2,分布式（网状结构）

3.总线结构

4,环形结构

计算机网络的分类­

•几种不同的分类方法

•从网络的交换功能进行分类

•电路交换、报文交换、分组交换、混合交换

•从网络的拓扑结构进行分类

集中式网络、分散式网络、分布式网络

•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)

•从网络的使用者进行分类

公用网、专用网

互联网internet

内部网Intranet

外部网Extranet

因特网Internet

1.3计算机网络体系结构::

•网络体系结构提出的背景——计算机网络的复（杂性

和异质性

•不同的通信介质——有线、无线......

•不同种类的设备——主机、路由器、交换机......

•不同的操作系统---Unix、Windows、....

・不同的软/硬件、接口和通信约定（协议）

•对于复杂的网络系统，用什么方法能合理地组织网

络的结构，以达到：

•结构清晰、简化设计与实现、便于更新与维护、较

强的独立性和适应性

•解决方法：分而治之！

划分层次日常实例

中国消息德国

教师教师

2/3接口2/3接口

翻译“HELLO”翻译

1/2接口1/2接口

秘书传真秘书

协议与划分层次

・计算机网络中的数据交换必须遵守事先约定

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

准或药定即向维协双(networkprotocol),简

称为协议。

网络协议的三要素

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。

■B

连接请求

时序例

建立连接连接确认

数据

数据传输

释放连接

释放连接

计算机网络的体系结构::

••

•计算机网络中也采用了分层方法。——把复杂

的问题划分为若干个较小的、单一的局部问题

,在不同层上予以解决。

•网络的层次结构方法要解决的问题：

•网络应该具有哪些层次？每一层的功能是什么？（

分层与功能）

•各层之间的关系是怎样的？它们如何进行交互？（

服务与接口）

•通信双方的数据传输要遵循哪些规则？（协议）

计算机网络体系结构的定义

・计算机网络中，层、协议和层间接口的集合被称

为计算机网络体系结构。

•换句话说:体系结构包括三个内容:分层结构与每层

的功能,服务与层间接口,协议。

•最早的网络体系结构源于旧M的SNA；

•其它的网络体系结构还有DEC的DNA等

•由国际化标准组织ISO制定的网络体系结构国际

标准是OSI/RM；

•实际中应用最广泛的是TCP/IP体系结构

任何可急件系结构的分层原理

任何可以发送_____________

或接收信息的两个不同系统

硬件/软件进程的同级层次

系统A系统B

实体

服务

对等实体

接口

分别位于不同

系统对等层中

的两个实体

相邻两层之间交互

物理网络

的界面，定义相邻

两层之间的操作及服务：某一层及其以下各层的一种能力，通过接口提供给其

（下层对工度的服务相邻上层。

1协议：通信双方在通信中必须遵守的规则。

•••

网络分层体系结构

••••

•网络中的任何一个去统都

系统A系统B

是按照层次结构来组织的

•同一网络中，任意两个端

系统必须具有相同的层次

•每层使用其下层提供的服

务，并向其上层提供服务

•通信只在对等层间进行

（间接的、逻辑的、虚拟

的），非对等层之间不能

互相“通信”

•实际的物理通信只在最底

层完成

•Pn：第n层协议,即第n

层对等实体间通信时必须

遵循的规则或约定

物理通信线路

关键问题1:协议与服务区别

•本层的服务用户只能看见服务而无法看见下

而的面'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。

关键问题2：对等层通信的实质

・实际上，每一层必须依靠下层提供的服务来

与另一台主机的对等层通信Q

。上层便用下层提供的服务----Serviceuser;

♦下层向上层提供:服务----Serviceprovider。

■第n+1层是第n层的服务用户，第n・1层是第n层的服务

提供者

•第n层的服务也依赖于第n・1层以及以下各层的服务

•例:邮政通信

对等通信例：两个人收发信件

收信人rln

邮局邮局

运输系统运输系统、

•问题：

•收信人与发信人之间、邮局之间，他们是在直接通信吗?

•邮局、运输系统各向谁提供什么样的服务？

•邮局、收发信人各使用谁提供的什么服务？

对等层通信的实质

•对等层实体之间实现的是

虚拟的逻辑通信；

•下层向上层提供服务；

•上层依赖下层提供的服务

来与其它主机上的对等层

通信；

•实际通信在最底层完成。

•源进程传送消息到

目标进程的过程：

•消息送到源系统的

最图层；

•从最高层开始，自

上而下逐层封装:

•经物理线路传输到

目标系统；

•目标系统将收到的

信息自下而上逐层

处理并拆封:

•由最高层将消息提

交给目标进程。

物理通信线路

协议数据单元（PDU）

・网络体系结构中，对等层之间交换的信息报文统称为协议数

据单元（ProtocolDataUnit,PDU）。

•运输层及以下各层的PDU另外还有各自特写的名称f

•运输层---段（Segment）层与层之

•网络层---分组/包（Packet）间交换的

•数据链路层——帧（Frame）建I据里三J

•物理层——比特（Bit）

•PDU由协议控制信息（协议头）和数据（SDff）组成：

协议控制信息数据(SDU)

•协议首部中含有完成数据传输所需的控制信息:

•地址、序号、长度、分段标志、差错控制信息、…

•下层把上层的PDU作为本层的数据加以封装，然后加

入本层的协议首部（和尾部）形成本层的PDU。

•封装：就是在数据前面加上特定的协议首部。

N+1层PDU

N层PDU

•因此，数据在源站自上而下递交的过程实际上就是

不断封装的过程。到达目的地后自下而上递交的过

程就是不断拆封的过程。——类比:发送信件

•数据在传输时，其外面实际上要被包封多层“信封”。

五层协议的体系结构

•应用层(applicationlayer)

5应用层

•运输层(transportlayer)

4运输层

•网络层(networklayer)

3网络层

•数据链路层(datalinklayer)

2数据链路层

•物理层(physicallayer)

1物理层

物理层

•利用传输介质为通信的网络结点之间建立

、管理和释放物理连接；

•实现比特流的透明传输，为数据链路层提

供数据传输服务；

•物理层的数据传输单元是比特。

RS-232-C

•外形为25针或9针的D型连接器

•通信速率（b/s）：

•100、300、600、1200、2400、4800、9600、

19.2K、33.6K、56K

•信号电平：

•逻辑“1”：-3V〜-15V

•逻辑“0”：+3V〜+15V

•等等：

数据链路层

•在物理层提供的服务基础上，数据链路层

在通信的实体间建立数据链路连接；

•传输以“帧”为单位的数据包；

•采用差错控制与流量控制方法，使有差错

的物理线路变成无差错的数据链路，在相

邻结点之间无差错地传输帧。

网络层

•通过路由选择算法为分组通过通信子网选

择最适当的路径；

•为数据在结点之间传输创建逻辑链路；

•实现拥塞控制、网络互连等功能，在源和

目的结点之间选择路由和控制拥塞。

运输层

•向用户提供端到端(end-to-end)服务；

•处理数据包错误、数据包次序，以及其他一些

关键传输问题；

•运输层向高层屏蔽了下层数据通信的细节，是

计算机通信体系结构中关键的一层。

应用层

•为应用程序提供了网络服务；

•应用层需要识别并保证通信对方的可用性，使

得协同工作的应用程序之间的同步；

•建立传输错误纠正与保证数据完整性的控制机

制。

运输层与网络层的关系：•!■

•网络层则提供网络中主机间的“逻辑通信”；而

运输层提供主机中的进程间的“逻辑通信”。

•二者之间的差别：微妙而又重要

•类比

•主机：单位的传达室

进程：单位中的职工

•应用层报文：信件

•网络层协议=邮局的投递服务，只负责递送到传达室

•运输层协议二传达室的收发服务，负责递送到每个职工

网络层的任务沿两端点间的最佳路由传输数据

（主机间的逻辑通信）

运输层的任务两端点间可靠的透明数据传输

（应用进程间的逻辑通信）

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画

Ak

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

计算机1计算机2

//

AP

A2

5

4运输层报文再传送到网络层4

Z

3,加上网络层首部，成为IP数据报（或分组）3

22

11

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

计算机1计算机2

AP

A2

5

4

3

数据链路层帧再传送到物理层2

最下面的物理层把比特流传送到物理媒体1

•••

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

计算机1计算机2

AP

AP12

k=7|

55

_____Z

4

4_____Z

33

_____Z

22

1物理层接收到比特流，上交给数据链路层可

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

计算机1计算机2

AP

____2，

5

44z\

网络层剥去首部，取出数据部分

33

上交给运输层

22

11

•••

计算机1向计算机2发送数据

计算机1计算机2

JJ

AP2

5

运输层剥去首部，取出数据部分-

上交给应用层4

3

2

1

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

•••

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

应用层首部应用整序数据AP

A2

运输层首部.

应用程序数据5

网络层首部＞

04,链路层\LHH应程序数据4

45链路层

\7首部厂应用程序数据

3尾部3

/

v2应用程序数据|丁22

10100110100101比特流1101011101011

0□

•••

计算机1向计算机2发送数据

计算机1计算机2

Q

计算机1向计算机2发送数据

计算机1计算机2

r

•••

计算机1向计算机2发送数据

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

计算机1计算机2

•••

计算机1向计算机2发送数据

协议很复杂：

•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。

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

O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？

明日正午进攻，如何?

收到“同意”

OSI与TCP/IP体系结构的比较

OSI的体系结构TCP/IP的体系结构TCP/IP的三个服务层次

OSI/RM体系结构

•OSI/RM的体系结构分为宏

7应用层Application——为网络应用提供服务

6层Presentation数据表示

5会话层Session——在用户间建立会话关系

4运输层Transport——不同主机进程间的通信

3网络层Network——在主机间传输分组

2数据链路层DataLink——在节点间可靠地传输帧

1物理层Physical——位流的透明传输

TCP/IP体系结构

•应用层application

•运输层transport

•网际层internet

•网络接口层networkdatalink

=数据链路层+物理层

interfacephysical

注:TCP/IP体系结构有时也采用5层表示方法,即用数

据链路层和物理层代替网络接口层。

TCP/IP与。SI/RM的对应学

OSI/RM、TCP/IP

7应用层

FTPHTTPSMTP

表示层应用层

6POP3SNMPDNS

5会话层

4运输层运输层TCPUDP

3网络层网际层IPICMPARPIGMP

2数据链路层PPP,HDLC,FDDI,

网络接口层Ethernet,802.3,

1物理层802.5等等

目结合的层结构原理体系经

OSI/HMWTUP7TP5TCP/IP支持

•应用层、传输层、网络层、数据链路层和物理层所有标准的物

理