《数据通信技术（本科）》课件-项目1 计算机网络体系结构

计算机网络体系结构1.1网络基本概念计算机网络基本概念万物联网人人用网信息时代：以网络为核心计算机网络基本概念电信网络提供电话、电报及传真等服务。计算机网络使用户能在计算机之间传送数据文件。有线电视网络向用户传送各种电视节目。发展最快的并起到核心作用的是计算机网络。人们熟悉的三大网络计算机网络基本概念电信网络有线电视网络计算机网络三网融合计算机网络基本概念数字经济是指以使用数字化的知识和信息作为关键生产要素以现代信息网络作为重要载体以信息通信技术(ICT)的有效使用作为效率提升和经济结构优化的重要推动力的一系列经济活动。产业发展政策计算机网络基本概念产业发展政策2022年1月，国务院印发《“十四五”数字经济发展规划》计算机网络基本概念2022年2月，“东数西算”工程正式启动数据中心、信息网络人才需求量大产业发展政策计算机网络基本概念如何称呼Internet？因特网：推荐，但却长期未得到推广。互联网：目前流行最广，事实上的标准译名。互联网≠互连网互连网：局部范围互连起来的计算机网络。互联网—专用名词，全球最大、开放、互相连接、采用TCP/IP协议族互连网—通用名词，多个网络互连形成的计算机网络。Internet：全球最大、最重要的计算机网络计算机网络基本概念连通性(connectivity)使上网用户之间可以非常便捷、非常经济地交换各种信息好像这些用户终端都彼此直接连通一样。资源共享(Sharing)实现信息共享、软件共享、硬件共享。由于网络的存在，这些资源好像就在用户身边一样地方便使用。是Internet提供许多服务的基础。互联网的2个重要基本特点计算机网络基本概念互连网(internetwork或internet)多个网络通过一些路由器相互连接起来，构成了一个覆盖范围更大的计算机网络。“网络的网络”(networkofnetworks)。网络网络网络网络网络网络网络图1-1(b)由网络构成的互连网图例集线器网络计算机路由器计算机网络基本概念计算机网络由若干节点(node)和连接这些节点的链路(link)组成。节点可以是计算机、集线器、交换机或路由器等。图1-1(a)简单的网络节点链路图例集线器计算机网络计算机网络基本概念节点链路网络网络网络网络网络网络网络计算机网络互连网（网络的网络）计算机网络基本概念用“云”表示网络：主机在“云”外网络网络网络网络网络网络网络主机图形表示计算机网络体系结构1.2计算机网络发展计算机网络发展1969–19901985–19931993–现在从单个网络ARPANET向互联网发展。建成了三级结构的互联网。全球范围的多层次ISP结构的互联网。互联网基础结构发展的三个阶段第一阶段：1969–1990ARPANET：最初只是一个单个的分组交换网，不是一个互连网。1983年，TCP/IP协议成为ARPANET上的标准协议，使得所有使用TCP/IP协议的计算机都能利用互连网相互通信。人们把1983年作为互联网的诞生时间。1990年，ARPANET正式宣布关闭。SRIUCSBUCLAUTAH1969年的ARPANET计算机网络发展互联网基础结构发展的三个阶段第二阶段：1985–1993国家科学基金网NSFNET。三级结构：主干网、地区网和校园网（或企业网）。覆盖了全美国主要的大学和研究所，并且成为互联网中的主要组成部分。主干网地区网地区网地区网校园网校园网校园网校园网校园网计算机网络发展互联网基础结构发展的三个阶段第三阶段：1993–现在出现了互联网服务提供者ISP(InternetServiceProvider)：提供接入到互联网的服务。需要收取一定的费用。多层次ISP结构：主干ISP、地区ISP和本地ISP。覆盖面积大小和所拥有的IP地址数目的不同计算机网络发展互联网基础结构发展的三个阶段1994.4.20中国接入互联网第三阶段：1993–现在通信举例：主机A→本地ISP→地区ISP→主干ISP→地区ISP→本地ISP→主机B

大公司公司本地ISPAB本地ISP主干ISP本地ISP本地

ISP主干ISP主干ISP

本地ISP本地ISP

本地ISP

内容提供者IXP校园网校园网IXP地区ISP地区ISP地区

ISP地区ISP计算机网络发展互联网基础结构发展的三个阶段20世纪90年代：万维网WWW的问世（1989.3.12）万维网WWW(WorldWideWeb)：由欧洲原子核研究组织CERN开发。成为互联网指数级增长的主要驱动力。2019年3月底，互联网的用户数已超过了43.8亿。计算机网络发展互联网基础结构发展的三个阶段计算机网络发展互联网的标准化工作对互联网的发展起到了非常重要的作用。互联网研究部IRTF互联网工程部IETF…RGWG……RG…领域领域WGWGWG互联网体系结构研究委员会IAB互联网研究指导小组IRSG互联网工程指导小组IESG互联网协会ISOC组织架构互联网的标准化工作1992标准发表：以RFC的形式RFC：RequestForComments（请求评论）。所有的RFC文档都可从互联网上免费下载。任何人都可以用电子邮件随时发表对某个文档的意见或建议。但并非所有的RFC文档都是互联网标准。只有很少部分的RFC文档最后才能变成互联网标准（STDxxxx）。RFC文档按发表时间的先后编上序号（即RFCxxxx，xxxx是阿拉伯数字）。计算机网络发展互联网的标准化工作标准发表：以RFC的形式RFC：RequestForComments（请求评论）。所有的RFC文档都可从互联网上免费下载。任何人都可以用电子邮件随时发表对某个文档的意见或建议。但并非所有的RFC文档都是互联网标准。只有很少部分的RFC文档最后才能变成互联网标准（STDxxxx）。RFC文档按发表时间的先后编上序号（即RFCxxxx，xxxx是阿拉伯数字）。计算机网络发展互联网的标准化工作计算机网络发展我国计算机网络发展1980年，铁道部开始进行计算机联网实验。1989年11月，我国第一个公用分组交换网CNPAC建成运行。1994年4月20日，我国用64kbit/s专线正式连入互联网，我国被国际上正式承认为接入互联网的国家。1994年9月，中国公用计算机互联网CHINANET正式启动。1994年5月，中国科学院高能物理研究所设立了我国的第一个万维网服务器。计算机网络发展我国计算机网络发展中国电信互联网CHINANET（也就是原来的中国公用计算机互联网）到目前为止，我国陆续建造了基于互联网技术的并能够和互联网互连的多个全国范围的公用计算机网络，规模最大的是下面这五个/

（中国互联网络信息）中国联通互联网UNINET中国移动互联网CMNET中国教育和科研计算机网CERNET中国科学技术网CSTNET计算机网络体系结构1.3计算机网络组成计算机网络组成互联网的组成从互联网的工作方式上看，可以划分为两大块边缘部分：由所有连接在互联网上的主机组成，由用户直接使用，用来进行通信（传送数据、音频或视频）和资源共享。核心部分：由大量网络和连接这些网络的路由器组成，为边缘部分提供服务（提供连通性和交换）。计算机网络组成互联网边缘部分处在互联网边缘部分的就是连接在互联网上的所有主机。这些主机又称为端系统

(endsystem)。端系统在功能上可能有很大差别：小的端系统：普通个人电脑、智能手机、网络摄像头等。大的端系统：非常昂贵的大型计算机或服务器。端系统的拥有者：可以是个人、单位、或某个ISP。计算机网络组成互联网边缘部分互联网的核心部分互联网的边缘部分主机智能手机IP摄像头大型或超级计算机服务器主机主机主机主机端系统“计算机之间通信”的含义实际上是指：主机A的某个进程和主机B上的另一个进程进行通信。计算机网络组成互联网边缘部分处在互联网边缘部分的就是连接在互联网上的所有主机。这些主机又称为端系统

(endsystem)。端系统在功能上可能有很大差别：小的端系统：普通个人电脑、智能手机、网络摄像头等。大的端系统：非常昂贵的大型计算机或服务器。端系统的拥有者：可以是个人、单位、或某个ISP。计算机网络组成互联网边缘部分客户/服务器方式Client/Server方式简称为C/S方式对等方式PeertoPeer方式简称为P2P方式端系统之间的两种通信方式计算机网络组成1.客户-服务器方式（C/S方式）客户/服务器方式所描述的是进程之间服务和被服务的关系。客户是服务的请求方，服务器是服务的提供方。运行客户程序网络边缘网络核心运行服务器程序AB①请求服务客户服务器客户A向服务器B发出请求服务，服务器B向客户A提供服务。②得到服务客户与服务器的通信关系建立后，通信可以是双向的，客户和服务器都可发送和接收数据。计算机网络组成客户程序和服务器程序主要特点客户程序被用户调用后运行，需主动向远地服务器发起通信（请求服务）。必须知道服务器程序的地址。不需要特殊的硬件和很复杂的操作系统。服务器程序专门用来提供某种服务的程序，可同时处理多个客户请求。一直不断地运行着，被动地等待并接受来自各地的客户的通信请求。不需要知道客户程序的地址。一般需要强大的硬件和高级的操作系统支持计算机网络组成2.对等连接方式（P2P方式）两台主机在通信时不区分服务请求方和服务提供方。只要都运行了P2P软件，就可以进行平等的、对等连接通信。对等连接方式从本质上看仍然是使用客户服务器方式，只是对等连接中的每一个主机既是客户又是服务器。网络边缘网络核心运行P2P程序运行P2P程序DCEF运行P2P程序运行P2P程序计算机网络组成互联网核心部分是互联网中最复杂的部分。向网络边缘中的主机提供连通性，使任何一台主机都能够向其他主机通信。在网络核心部分起特殊作用的是路由器

(router)。路由器是实现分组交换(packetswitching)的关键构件，其任务是转发收到的分组。分组转发是网络核心部分最重要的功能。互联网的边缘部分路由器网络互联网的核心部分网络计算机网络体系结构1.4数据交换方式数据交换方式互联网核心部分典型交换技术包括电路交换分组交换报文交换等互联网的核心部分采用分组交换技术“交换(switching)”的含义转接：把一条电话线转接到另一条电话线，使它们连通起来。从通信资源的分配角度来看，就是按照某种方式动态地分配传输线路的资源。互联网核心部分电路交换、报文交换和分组交换的主要区别P2P4P3P4P3报文报文报文ABCDABCDABCD报文交换电路交换分组交换t数据传送报文P1连接释放数据传送特点比特流直达终点报文报文报文分组分组分组存储转发P2P1P1P3P2P4存储转发存储转发存储转发连接建立数据交换方式互联网核心部分电路交换特点分为三个阶段：建立连接：建立一条专用的物理通路（占用通信资源）。通话：主叫和被叫双方互相通电话（一直占用通信资源）。释放连接：释放刚才使用的专用的物理通路（归还通信资源）。这种必须经过“建立连接（占用通信资源）、通话（一直占用通信资源）、释放连接（归还通信资源）”三个步骤的交换方式称为电路交换。数据交换方式互联网核心部分电路交换特点：通话的两个用户始终占用端到端的通信资源AB电信网交换机交换机交换机交换机中继线用户线用户线CDEF计算机数据具有突发性，这导致在传送数据时，通信线路的利用率很低，真正用来传送数据的时间往往不到10%，甚至不到1%，已被用户占用的通信线路资源在绝大部分时间里都是空闲的。数据交换方式互联网核心部分2.分组交换的主要特点采用存储转发技术。报文110100011010101011010101110001001101001011在发送端，先把较长的报文划分成更小的等长数据段。数据交换方式互联网核心部分数据段前面添加首部就构成了分组(packet)数据数据数据首部首部首部分组1分组2分组3报文注意：左边是“前面”分组又称为“包”，而分组的首部也可称为“包头”。数据交换方式互联网核心部分电路交换好还是分组交换好数据交换方式互联网核心部分分组交换的优点优点所采用的手段高效在分组传输的过程中动态分配传输带宽，对通信链路是逐段占用。灵活为每一个分组独立地选择最合适的转发路由。迅速以分组作为传送单位，可以不先建立连接就能向其他主机发送分组。可靠保证可靠性的网络协议；分布式多路由的分组交换网，使网络有很好的生存性。数据交换方式互联网核心部分分组交换的缺点排队延迟：分组在各路由器存储转发时需要排队。不保证带宽：动态分配。增加开销：各分组必须携带控制信息；路由器要暂存分组，维护转发表等。数据交换方式互联网核心部分报文交换在20世纪40年代，电报通信就采用了基于存储转发原理的报文交换(messageswitching)。但报文交换的时延较长，从几分钟到几小时不等现在报文交换已经很少有人使用了。数据交换方式计算机网络体系结构1.5计算机网络分类计算机网络分类计算机网络类别1.按照网络的作用范围进行分类类别作用范围或距离广域网WAN(WideAreaNetwork)通常为几十到几千公里。有时也称为远程网(longhaulnetwork)。是互联网的核心部分。城域网MAN(MetropolitanAreaNetwork)作用范围一般是一个城市，作用距离约为5~50公里。局域网LAN(LocalAreaNetwork)局限在较小的范围（如1公里左右）。通常采用高速通信线路。个人区域网PAN(PersonalAreaNetwork)范围很小，大约在10米左右。有时也称为无线个人区域网WPAN(WirelessPAN)。若中央处理机之间的距离非常近（如仅1米甚至更小些），则一般就称之为多处理机系统，而不称它为计算机网络。计算机网络分类计算机网络类别2.按照网络的使用者进行分类类别作用范围或距离公用网(publicnetwork)按规定交纳费用的人都可以使用的网络。也可称为公众网。专用网(privatenetwork)为特殊业务工作的需要而建造的网络。公用网和专用网都可以传送多种业务。如传送的是计算机数据，则分别是公用计算机网络和专用计算机网络。计算机网络分类计算机网络类别3.按照网络的拓扑结构进行分类计算机网络体系结构1.6计算机网络性能指标计算机网络的性能指标性能指标从不同的方面来度量计算机网络的性能。计算机网络的性能指标重要性能指标速率带宽吞吐率时延时延带宽积往返时间利用率性能指标从不同的方面来度量计算机网络的性能。计算机网络的性能指标1.速率最重要的一个性能指标。指的是数据的传送速率，也称为数据率

(datarate)或比特率

(bitrate)。单位：bit/s，或kbit/s、Mbit/s、Gbit/s等。例如4

1010bit/s的数据率就记为40Gbit/s。速率往往是指额定速率或标称速率，非实际运行速率。千=K=210=1024，兆=M=220=1024K，吉=G=230=1024M1字节(Byte)=8比特(bit）（计算机运算、计算机存储）计算机网络的性能指标1.速率最重要的一个性能指标。数据传送速率=min[主机接口速率，线路带宽，交换机或路由器的接口速率]主机交换机接口速率接口速率线路带宽数据传送速率主机的接口速率线路带宽交换机或路由器的接口速率1Gb/s100Mb/s100Mb/s100Mb/s1Gb/s100Mb/s1Gb/s1Gb/s1Gb/s1Gb/s100Mb/s1Gb/s1Gb/s1Gb/s1Gb/s100Mb/s计算机网络的性能指标2.带宽(bandwidth)某个信号具有的频带宽度。单位是赫（或千赫、兆赫、吉赫等）。某信道允许通过的信号频带范围称为该信道的带宽（或通频带）。频域网络中某通道传送数据的能力，表示在单位时间内网络中的某信道所能通过的“最高数据率”。单位就是数据率的单位bit/s。时域两者本质相同。一条通信链路的“带宽”越宽，其所能传输的“最高数据率”也越高。计算机网络的性能指标3.吞吐量(throughput)单位时间内通过某个网络（或信道、接口）的实际数据量。受网络的带宽或网络的额定速率的限制。额定速率是绝对上限值。可能会远小于额定速率，甚至下降到零！有时可用每秒传送的字节数或帧数来表示。计算机网络的性能指标4.时延(delay或latency)指数据（一个报文或分组，甚至比特）从网络（或链路）的一端传送到另一端所需的时间。有时也称为延迟或迟延。（1）发送时延（2）传播时延（3）处理时延（4）排队时延组成计算机网络的性能指标也称为传输时延。是主机或路由器发送数据帧所需要的时间，也就是从发送数据帧的第一个比特算起，到该帧的最后一个比特发送完毕所需的时间。（1）发送时延发送时延=数据帧长度（bit）发送速率（bit/s）计算机网络的性能指标（2）传播时延自由空间的传播速率是光速=3.0ⅹ105km/s在铜线电缆中的传播速率约=2.3ⅹ105km/s在光纤中的传播速率约=

2.0ⅹ105km/s是电磁波在信道中传播一定的距离需要花费的时间。传播时延=信道长度（米）信号在信道上的传播速率（米/秒）电磁波传播速率计算机网络的性能指标（3）处理时延主机或路由器在收到分组时，为处理分组（例如分析首部、提取数据、差错检验或查找路由）所花费的时间。（4）排队时延分组在路由器输入输出队列中排队等待处理和转发所经历的时延。排队时延的长短往往取决于网络中当时的通信量。当网络的通信量很大时会发生队列溢出，使分组丢失，这相当于排队时延为无穷大。计算机网络的性能指标4.时延(delay或latency)总时延=发送时延+传播时延+处理时延+排队时延一般说来，小时延的网络要优于大时延的网络。在某些情况下，一个低速率、小时延的网络很可能要优于一个高速率但大时延的网络。必须指出，在总时延中，究竟是哪一种时延占主导地位，必须具体分析。计算机网络的性能指标四种时延产生的地方…发送器队列在链路上产生传播时延结点B结点A在发送器产生发送时延(即传输时延)在这里产生处理时延和排队时延数据假设从结点A向结点B发送数据链路四种时延产生的地方不一样计算机网络的性能指标分析举例结点A要将一个数据块通过1000km的光纤链路发送给结点B。假设忽略处理时延和排队时延。请分别计算下列情况时的总时延，并验证“数据的发送速率越高，其传送的总时延就越小”的说法是否正确。（1）数据块大小为100MB，信道带宽为1Mbit/s（2）数据块大小为100MB，信道带宽为100Mbit/s（3）数据块大小为1B，信道带宽为1Mbit/s（4）数据块大小为1B，信道带宽为1Gbit/s光纤链路1000km结点B结点A计算机网络的性能指标分析举例解：

传播时延=1000km/2.0ⅹ105km/s=

5ms。（1）发送时延=100

220

8

106=838.9s，

总时延=838.9+0.005≈838.9s。（2）发送时延=100

220

8

108=8.389s

总时延=8.389+0.005

=8.394s。缩小到（1）的近1/100。（3）发送时延=1

8

106=8

10–6s=8

s,

总时延=0.008+5=5.008ms。（4）发送时延=1

8

109=8

10–9s=0.008

s

总时延=0.000008+5=5.000008ms。与（3）相比没有明显减小。不能笼统地认为：“数据的发送速率越高，其传送的总时延就越小”。计算机网络的性能指标5.时延带宽积时延带宽积=传播时延带宽（传播）时延（管道长度）链路带宽（管道截面积）链路像一条空心管道链路的时延带宽积又称为以比特为单位的链路长度。管道中的比特数表示从发送端发出但尚未到达接收端的比特数。只有在代表链路的管道都充满比特时，链路才得到了充分利用。计算机网络的性能指标6.往返时间RTT(Round-TripTime)表示从发送方发送完数据，到发送方收到来自接收方的确认总共经历的时间。

往返时间RTT=结点A到B的传播时延tP

+结点B处理和排队时延tPQB

+结点B发送时延tTB

+结点B到A的传播时延tP

=2x传播时延tP

+结点B处理和排队时延tPQB

+结点B发送时延tTB

结点A结点B数据确认tTAtPtPtPQB往返时间RTTtTB成功发送的总时延计算机网络的性能指标分析举例100Mbit/s结点B结点ARTT=2s结点A要将一个100MB数据以100Mbit/s的速率发送给结点B，B正确收完该数据后，就立即向A发送确认。假定A只有在收到B的确认信息后，才能继续向B发送数据，且确认信息很短。计算A向B发送数据的有效数据率（可以理解为：保证正确传输的最大传输速率）。计算机网络的性能指标分析举例100Mbit/s结点B结点ARTT=2s解：发送时延=数据长度发送速率=100×220×8100×106≈8.39s有效数据率=数据长度发送时间+RTT=100×220×88.39+2≈80.7Mbit/s计算机网络的性能指标6.往返时间RTT(Round-TripTime)结点B结点A在互联网中，往返时间还包括各中间结点的处理时延、排队时延以及转发数据时的发送时延。当使用卫星通信时，往返时间RTT相对较长，此时，RTT是很重要的一个性能指标。计算机网络的性能指标7.利用率信道利用率某信道有百分之几的时间是被利用的（即有数据通过）。完全空闲的信道的利用率是零。网络利用率全网络的信道利用率的加权平均值。问题：信道利用率越高越好吗？时延D利用率U10D0时延急剧增大计算机网络的性能指标时延与网络利用率的关系根据排队论，当某信道的利用率增大时，时延会迅速增加。其中：D0：网络空闲时的时延。D：网络在当前的时延。U：网络当前的利用率，数值在0到1之间。D=D0

1-U当信道的利用率增大时，该信道引起的时延迅速增加。一些大型ISP往往会控制信道利用率不超过50%。如果超过了就要进行扩容，增大线路的带宽。计算机网络的性能指标8.丢包率丢包率是指在一定的时间范围内，传输过程中丢失的分组数量与总分组数量的比率。丢包率接口丢包率节点丢包率链路丢包率路径丢包率网络丢包率分组丢失主要有以下两种情况：分组在传输过程中出现误码，被传输路径中的节点交换机（例如路由器）或目的主机检测出误码而丢弃。节点交换机根据丢弃策略主动丢弃分组（比如拥塞丢包）。计算机网络的非性能特征费用标准化质量可靠性管理和维护可扩展性和可升级性这些非性能特征与性能指标有很大的关系。计算机网络体系结构2.1计算机网络体系结构的形成计算机网络体系结构的形成计算机网络是一个非常复杂的系统。两台计算机要互相传送文件需解决很多问题(1)必须有一条传送数据的通路。(2)发起方必须激活通路。(3)要告诉网络如何识别接收方。(4)发起方要清楚对方是否已开机，且与网络连接正常。(5)发起方要清楚对方是否准备好接收和存储文件。(6)若文件格式不兼容，要完成格式的转换。(7)要处理各种差错和意外事故，保证收到正确的文件。计算机A计算机B体系结构可以理解为：如何将这些复杂的功能进行分工计算机网络体系结构的形成提出了不同体系结构最初的ARPANET

设计时提出了分层的设计方法。分层：将庞大而复杂的问题，转化为若干较小的局部问题。1974年，IBM按照分层的方法制定并提出了系统网络体系结构SNA(SystemNetworkArchitecture)。此后，其他一些公司也相继推出了具有不同名称的体系结构。但由于网络体系结构的不同，不同公司的设备很难互相连通。计算机网络体系结构的形成国际标准：开放系统互连参考模型OSI/RMISO(国际标准化组织)提出的OSI/RM(OpenSystemsInterconnectionReferenceModel)是使各种计算机在世界范围内互连成网的标准框架。OSI/RM是个抽象的概念。1983年，形成了著名的ISO7498国际标准，即七层协议的体系结构。OSI试图达到一种理想境界：全球计算机网络都遵循这个统一标准，因而全球的计算机将能够很方便地进行互连和交换数据。计算机网络体系结构的形成OSI/RM的每一层都有不同的功能计算机网络体系结构的形成但ISO/OSI失败了基于TCP/IP的互联网已抢先在全球相当大的范围成功地运行了。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，使得按OSI标准生产的设备无法及时进入市场；OSI的层次划分也不太合理，有些功能在多个层次中重复出现。计算机网络体系结构的形成存在两种国际标准法律上的(dejure)国际标准OSI但并没有得到市场的认可。事实上的(defacto)国际标准TCP/IP获得了最广泛的应用。计算机网络体系结构的形成计算机网络的体系结构网络的体系结构(NetworkArchitecture)是计算机网络的各层及其协议的集合，就是这个计算机网络及其构件所应完成的功能的精确定义（不涉及实现）。实现

(implementation)是遵循这种体系结构的前提下，用何种硬件或软件完成这些功能的问题。体系结构是抽象的，而实现则是具体的，是真正在运行的计算机硬件和软件。计算机网络体系结构的形成应用层运输层网络层表示层会话层数据链路层物理层7654321OSI的七层协议体系结构TCP/IP的四层协议体系结构(a)(b)(c)五层协议的体系结构（对等模型、原理模型）4应用层1网络接口层2网际层IP(各种应用层协议，如DNS,HTTP,SMTP等)3运输层(TCP或UDP)（这一层并没有具体内容）运输层网络层应用层数据链路层物理层54321常见的三种体系结构计算机网络体系结构的形成TCP/IP对等模型（五层）层次名称主要功能主要协议应用层提供应用程序接口HTTP、FTP/TFTP、SNMP、DNS、DHCP等传输层建立端到端的连接TCP、UDP网络层编址与路径选择IP、ARP、ICMP、IGMP等数据链路层物理介质访问Ethernet、HDLC、PPP、FR等物理层二进制比特流传输接口与线缆相关的协议，如RS-232、V.35、V.24、T568A/T568B等计算机网络体系结构2.2网络协议和层次协议与划分层次网络协议

(networkprotocol)，简称为协议，是为进行网络中的数据交换而建立的规则、标准或约定。三个组成要素：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（时序）。网络协议是计算机网络的不可缺少的组成部分。TCPconnectionreq.TCPconnectionreply.getplan.pdf<plan.pdf>协议与划分层次协议的两种形式文字描述：便于人来阅读和理解。程序代码：让计算机能够理解。不论什么形式，都必须能够对网络上信息交换过程做出精确的解释。协议与划分层次划分层次的概念举例：两台主机通过网络传送文件文件传送模块主机1主机2文件传送模块文件及传送命令好像是按照水平方向的虚线直接传送的把文件交给下层模块进行发送把收到的文件交给上层模块1，将文件传送模块作为最高的一层协议与划分层次划分层次的概念举例：两台主机通过网络传送文件文件传送模块主机1主机2文件传送模块2，再设计一个通信服务模块层好像可直接把文件可靠地传送到对方把文件交给下层模块进行发送把收到的文件交给上层模块通信服务模块通信服务模块文件及传送命令好像是按照水平方向的虚线直接传送的协议与划分层次划分层次的概念举例：两台主机通过网络传送文件文件传送模块主机1主机2文件传送模块3，再设计一个网络接入模块层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文件及传送命令好像是按照水平方向的虚线直接传送的网络接入模块网络接入模块网络接口网络接口通信网络网络接入模块负责做与网络接口细节有关的工作，并向上层提供接入和通信服务。协议与划分层次分层的优点与缺点各层之间是独立的。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。有些功能会重复出现，因而产生了额外开销。注意：每一层的功能应非常明确。层数太少，就会使每一层的协议太复杂。层数太多，又会在描述和综合各层功能的系统工程任务时遇到较多的困难。计算机网络体系结构2.3数据封装与解封装主机154321AP1主机2路由器3212154321AP2数据数据封装与解封装过程物理传输媒体物理传输媒体数据在各层之间的传递过程主机154321AP1主机2路由器3212154321AP2数据数据封装与解封装过程物理传输媒体物理传输媒体应用层首部H5数据数据在各层之间的传递过程主机154321AP1主机2路由器3212154321AP2数据数据封装与解封装过程物理传输媒体物理传输媒体H5数据H5数据H4运输层首部数据在各层之间的传递过程主机154321AP1主机2路由器3212154321AP2数据数据封装与解封装过程物理传输媒体物理传输媒体H5数据H5数据H4H4H5数据H3网络层首部数据在各层之间的传递过程主机154321AP1主机2路由器3212154321AP2数据数据封装与解封装过程物理传输媒体物理传输媒体H5数据H5数据H4H4H5数据H3H2链路层首部T2链路层尾部H3H4H5数据数据在各层之间的传递过程主机154321AP1主机2路由器3212154321AP2数据数据封装与解封装过程物理传输媒体物理传输媒体H5数据H5数据H4H4H5数据H3H2T2H3H4H5数据10100比特流110100数据在各层之间的传递过程主机154321AP1主机2路由器3212154321AP2数据封装与解封装过程物理传输媒体物理传输媒体数据在各层之间的传递过程主机154321AP1主机2路由器3212154321AP2数据封装与解封装过程物理传输媒体物理传输媒体10100比特流110100数据在各层之间的传递过程主机154321AP1主机2路由器3212154321AP2数据封装与解封装过程物理传输媒体物理传输媒体10100比特流110100H2T2H3H4H5数据数据在各层之间的传递过程主机154321AP1主机2路由器3212154321AP2数据封装与解封装过程物理传输媒体物理传输媒体10100比特流110100H2T2H3H4H5数据H4H5数据H3数据在各层之间的传递过程主机154321AP1主机2路由器3212154321AP2数据封装与解封装过程物理传输媒体物理传输媒体10100比特流110100H2T2H3H4H5数据H4H5数据H3H4H5数据H3数据在各层之间的传递过程主机154321AP1主机2路由器3212154321AP2数据封装与解封装过程物理传输媒体物理传输媒体10100比特流110100H2T2H3H4H5数据H4H5数据H3H4H5数据H3H2新首部T2新尾部H3H4H5数据数据在各层之间的传递过程主机154321AP1主机2路由器3212154321AP2数据封装与解封装过程物理传输媒体物理传输媒体10100比特流110100H2T2H3H4H5数据H4H5数据H3H4H5数据H3H2新首部T2新尾部H3H4H5数据10101比特流110111数据在各层之间的传递过程主机154321AP1主机2路由器3212154321AP2数据封装与解封装过程物理传输媒体物理传输媒体数据在各层之间的传递过程主机154321AP1主机2路由器3212154321AP2数据封装与解封装过程物理传输媒体物理传输媒体10101比特流110111数据在各层之间的传递过程主机154321AP1主机2路由器3212154321AP2数据封装与解封装过程物理传输媒体物理传输媒体10101比特流110111H2T2H3H4H5数据数据在各层之间的传递过程主机154321AP1主机2路由器3212154321AP2数据封装与解封装过程物理传输媒体物理传输媒体10101比特流110111H2T2H3H4H5数据H4H5数据H3数据在各层之间的传递过程主机154321AP1主机2路由器3212154321AP2数据封装与解封装过程物理传输媒体物理传输媒体10101比特流110111H2T2H3H4H5数据H4H5数据H3H5数据H4数据在各层之间的传递过程主机154321AP1主机2路由器3212154321AP2数据封装与解封装过程物理传输媒体物理传输媒体10101比特流110111H2T2H3H4H5数据H4H5数据H3H5数据H4H5数据数据在各层之间的传递过程主机154321AP1主机2路由器3212154321AP2数据封装与解封装过程物理传输媒体物理传输媒体10101比特流110111H2T2H3H4H5数据H4H5数据H3H5数据H4H5数据数据在各层之间的传递过程数据主机154321AP1主机2路由器3212154321AP2数据封装与解封装过程物理传输媒体物理传输媒体10101比特流110111H2T2H3H4H5数据H4H5数据H3H5数据H4H5数据数据数据H5数据H5数据H4H4H5数据H3H2T2H3H4H5数据10100比特流110100数据在各层之间的传递过程计算机网络体系结构2.4网络协议栈术语网络协议栈术语实体(entity)：表示任何可发送或接收信息的硬件或软件进程。协议：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。计算机网络协议栈术语对等实体是指通信双方相同层次中的实体。实体是指任何可发送或接收信息的硬件或软件进程。物理层链路层网络层运输层应用层物理层链路层网络层运输层应用层ABCDEFGHIJ对等实体对等实体对等实体对等实体对等实体网络协议栈术语物理层链路层网络层运输层应用层物理层链路层网络层运输层应用层ABCDEFGHIJ使用物理层协议（例如传统以太网使用曼彻斯特编码）通信使用应用层协议（例如DHCP、DNS、HTTP、SMTP）通信使用运输层协议（例如TCP或UDP）通信使用网际层协议（例如IP）通信使用链路层协议（例如传统以太网使用CSMA/CD）通信协议是控制两个对等实体在“水平方向”

进行“逻辑通信”的规则的集合。网络协议栈术语在协议的控制下，两个对等实体在水平方向的逻辑通信使得本层能够向上一层提供服务。要实现本层协议，还需要使用下面一层所提供的服务。物理层链路层网络层运输层应用层物理层链路层网络层运输层应用层ABCDEFGHIJ使用物理层协议进行通信实现链路层协议并进行逻辑通信“享受”物理层提供的服务实现网络层协议并进行逻辑通信“享受”链路层提供的服务实现运输层协议并进行逻辑通信“享受”网络层提供的服务实现应用层协议并进行逻辑通信“享受”运输层提供的服务服务服务服务服务服务服务服务服务服务服务网络协议栈术语注意：协议和服务在概念上是不一样的协议其实现保证了能够向上一层提供服务。对上面的服务用户是透明的。是“水平的”服务上层使用服务原语获得下层所提供的服务。上面的服务用户只能看见服务，无法看见下面的协议。是“垂直的”实体看得见下层提供的服务，但并不知道实现该服务的具体协议。下层的协议对上层的实体是“透明”的。网络协议栈术语相邻两层之间的关系协议(n+1)SAPSAP交换服务原语交换服务原语实体(n+1)服务提供者第n层第n+1层实体(n+1)服务用户实体(n)实体(n)协议(n)网络协议栈术语上层要使用下层所提供的服务，必须通过与下层交换一些命令，这些命令称为服务原语。物理层链路层网络层运输层应用层物理层链路层网络层运输层应用层ABCDEFGHIJ使用物理层协议进行通信实现链路层协议并进行逻辑通信“享受”物理层提供的服务实现网络层协议并进行逻辑通信“享受”链路层提供的服务实现运输层协议并进行逻辑通信“享受”网络层提供的服务实现应用层协议并进行逻辑通信“享受”运输层提供的服务服务服务服务服务服务服务服务服务服务服务服务原语服务原语服务原语服务原语服务原语服务原语服务原语服务原语服务访问点SAP网络协议栈术语服务访问点SAP在同一系统中相邻两层的实体进行交互（即交换信息）

的地方，通常称为服务访问点SAP(ServiceAccessPoint)。SAP是一个抽象的概念，它实际上就是一个逻辑接口。网络协议栈术语在同一系统中相邻两层的实体交换信息的逻辑接口称为服务访问点SAP，它被用于区分不同的服务类型。帧的“类型”字段、IP数据报的“协议”字段，TCP报文段或UDP用户数据报的“端口号”字段都是SAP。物理层链路层网络层运输层应用层物理层链路层网络层运输层应用层ABCDEFGHIJ使用物理层协议进行通信实现链路层协议并进行逻辑通信“享受”物理层提供的服务实现网络层协议并进行逻辑通信“享受”链路层提供的服务实现运输层协议并进行逻辑通信“享受”网络层提供的服务实现应用层协议并进行逻辑通信“享受”运输层提供的服务服务服务服务服务服务服务服务服务服务服务网络协议栈术语IP报文头中的协议字段就是服务访问点，标识了IP层将数据部分上报给哪个进程处理。例如，ICMP的对应值为0x01、IGMP的对应值为0x02，例如，TCP的对应值为0x06、UDP对应值为0x11服务访问点SAP网络协议栈术语对等层次之间传送的数据包称为该层的协议数据单元（ProtocolDataUnit，PDU）。物理层链路层网络层运输层应用层物理层链路层网络层运输层应用层ABCDEFGHIJ比特流（bitstream）服务服务服务服务服务服务服务服务服务服务服务原语服务原语服务原语服务原语服务原语服务原语服务原语服务原语帧（frame）IP数据报或分组（packet）TCP报文段（segment）UDP用户数据报（datagram）应用报文（message）协议数据单元PDU同一系统内层与层之间交换的数据包称为服务数据单元（ServiceDataUnit，SDU）。SDUSDUSDUSDUSDUSDUSDUSDUSDUSDU计算机网络体系结构2.5常用网络命令常用网络命令ipconfig用于显示当前TCP/IP配置ipconfig(显示IP)ipconfig/all（显示所有）常用网络命令ping用于测试连通性pingping–a（得到主机名）ping–t(一直ping)ping–n**（发送**个）Ping–iTTL（设置TTL）常用网络命令tracert用于跟踪路径tracerttracert–h（跟踪中间节点数）常用网络命令netstat用于查看TCP、UDP、IP、ICMP等统计数据用于检验本机个接口网络连接状况netstat–a（显示连接）netstat–n（数字形式显示连接）netstat–e（显示以太网统计数据）netstat–s（显示多种统计数据）netstat–ptcp（显示tcp连接）netstat–pudp（显示udp连接）netstat–r（显示接口和路由表）Wireshark抓包分析Wireshark用于捕获进出网络接口的数据用于分析、统计等Wireshark抓包分析Wireshark练习使用Wireshark进行抓包分析计算机网络体系结构3.1常用网络设备及功能常用网络设备网卡网络接口卡（NetworkInterfaceCard，NIC）简称网卡，又叫做网络适配器，是连接计算机和网络硬件的设备，它一般插在计算机的主板扩展槽中，它的标准是由IEEE来定义的。每块网卡都有一个唯一的网络节点地址，也就是我们常说的MAC地址。它是网卡生产厂家在生产时烧入ROM中的，且保证唯一。常用网络设备调制解调器调制解调器是Modulator（调制器）与Demodulator（解调器）的简称，中文称为调制解调器，根据Modem的谐音，亲昵地称之为“猫”，是一种能够实现通信所需的调制和解调功能的电子设备。一般由调制器和解调器组成。在发送端，将计算机串行口产生的数字信号调制成可以通过电话线传输的模拟信号；在接收端，调制解调器把输入计算机的模拟信号转换成相应的数字信号，送入计算机接口。常用网络设备中继器中继器是连接网络线路的一种装置，常用于两个网络结点之间物理信号的双向转发工作。中继器是最简单的网络设备，主要完成物理层的功能，负责在两个节点的物理层上按位传递信息，完成信号的复制、调整和放大功能，以此来延长网络的长度。常用网络设备集线器集线器（Hub）是带有多个端口的中继器（转发器），主要功能是对接收到的信号进行再生整形放大，以扩大网络的传输距离，同时也把所有节点集中在以它为中心的节点上。它工作于OSI参考模型的最底层，即“物理层”。集线器与网卡、网线等传输介质一样，属于局域网中的基础设备，采用CSMA/CD访问方式。早期集线器应用很广泛，它不仅使用于局域网、企业网、校园网，还可以使用于广域网。常用网络设备交换机分类：按网络构成方式：接入层交换机、汇聚层交换机和核心层交换机按照TCP/IP模型划分：二层交换机和三层交换机按照交换机的外观划分：盒式交换机和框式交换机框式交换机盒式交换机定义：距离终端用户最近的设备，用于终端用户接入网络、对数据帧进行交换等。常用网络设备路由器分类：按网络构成方式：接入层路由器、汇聚层路由器和核心层路由器按照外观划分：盒式路由器和框式路由器框式路由器盒式路由器定义：路由器：网络层设备，可以在因特网中进行数据报文转发。路由器根据所收到的报文的目的地址选择一条合适的路径，将报文传送到下一个路由器或目的地，路径中最后的路由器负责将报文送交目的主机。计算机网络体系结构3.2网络设备操作系统华为VRP操作系统VRP（VersatileRoutingPlatform，通用路由平台）是华为数据通信产品的通用操作系统平台，其实就是运行在华为数通产品上的操作系统，就像Windows系统对于PC，鸿蒙系统对于终端等。调试VRP系统的数通设备最常用的方法之一就是通过命令行界面。华为VRP系统的发行版本是以V、R、C三个字母（代表三种不同的版本号）进行标识的，基本格式为“VxxxRxxxCxx”，其中的“x”是一些具体的数字。“V”“R”部分为必须部分；“C”根据版本性质的不同而确定，可能出现也可能不出现。如V100R001C01、V100R001C02、V100R002C01华为VRP操作系统CLI是CommandLineInterface的缩写，即命令行界面。命令行界面CLI是交换机、路由器等网络设备提供的人机接口。与使用图形化界面（GraphicalUserInterface，GUI）相比，使用CLI对系统资源要求低，容易使用，并且功能扩充更方便。为方便学习者更便捷的熟悉VRP操作系统，掌握命令行的使用，华为公司推出了一款免费的、可扩展的、图形化操作的网络仿真工具平台-eNSP（EnterpriseNetworkSimulationPlatform），可对企业网路由器、交换机、防火墙等设备进行软件仿真，完美呈现真实设备实景，支持大型网络模拟，让学习者在没有真实设备的情况下能够模拟演练网络配置，学习网络技术。华为VRP操作系统VRP提供命令行接口（CommandLineInterface，CLI），其命令视图如图所示。华为VRP操作系统VRP提供命令行接口（CommandLineInterface，CLI），其命令视图如图所示。华为VRP操作系统用户视图在用户视图下，用户可以完成查看运行状态和统计信息等功能。进入视图：用户从终端成功登录至设备即进入用户视图，在屏幕上显示：<HUAWEI>系统视图在系统视图下，用户可以配置系统参数以及通过该视图进入其他的功能配置视图。进入视图：在用户视图下，输入命令system-view后回车，进入系统视图。<HUAWEI>system-viewEntersystemview,returnuserviewwithreturncommand.[HUAWEI]接口视图配置接口参数的视图称为接口视图。在该视图下可以配置接口相关的物理属性、链路层特性及IP地址等重要参数。进入视图：使用interface命令并指定接口类型及接口编号可以进入相应的接口视图。以10GE接口为例：[HUAWEI]interface10geX/Y/Z[HUAWEI-10GEX/Y/Z]华为VRP操作系统[HW]interfacegigabitethernet1/0/1[HW-GigabitEthernet1/0/1]ipaddress24[HW-GigabitEthernet1/0/1]quit[HW]执行quit命令，即可从当前视图退出至上一层视图。[HW]interfacegigabitethernet1/0/1[HW-GigabitEthernet1/0/1]ipaddress24[HW-GigabitEthernet1/0/1]#输入Ctrl+Z<HW>在任意视图，使用组合键<Ctrl+Z>直接退回到用户视图。也可使用return命令实现相同的效果。退出视图华为VRP操作系统每个命令都具有特定的格式或语法，并在相应的配置视图下执行。常规命令语法为命令后接相应的关键字和参数。某些命令包含关键字和参数子集，此子集可提供额外功能。[Huawei]sysname

test系统名称+视图标识命令关键字参数命令结构华为VRP操作系统[Huawei]sysnametea设备支持不完整关键字输入，当输入的字符能够匹配唯一的关键字时，可以不必输入完整的关键字，例如：[Huawei]systea等同于：再如：[Huawei]intg

0/0/0[Huawei]interfaceGigabitEthernet

0/0/0等同于：如果当前输入匹配到的命令不唯一，即可以匹配到多个命令，则需要继续输入，直至当前命令唯一匹配才能下发成功。#输入不完整的关键字：[HUAWEI]info-//按下Tab键#则系统用此完整的关键字替代原输入并换行显示，光标距词尾空一格:[HUAWEI]info-center输入不完整的关键字后按下Tab键，系统自动补全关键字。如果与之匹配的关键字唯一，则系统用此完整的关键字替代原输入并换行显示，光标距词尾空一格。例如：不完整关键字输入Tab键的使用如果与之匹配的关键字不唯一，反复按<Tab>键可循环显示所有以输入字符串开头的关键字。提升效率华为VRP操作系统[Huawei]iprou?route <Group>routecommandgrouproute-static IPv4staticroutes当一条命令中某个关键字只记得开头的几个字母时，可在键入开头字母后紧接着键入“?”，例如“iprou?”，系统即会自动弹出提示信息，提示当前“rou”开头的关键字有哪些：[Huawei]iproute-static?IP_ADDR<X.X.X.X> DestinationIPaddressdefault-preference Preference-valueforIPv4static-routesselection-rule Selectionrulevpn-instance VPN-Instancerouteinformation当前关键字输入完毕后，忘记了下一个关键字或者参数该输入什么，在当前关键字输入后键入空格，然后再输入“?”，系统自动弹出可选关键字或参数的提示信息：获得帮助华为VRP操作系统错误提示[Huawei]sysname^Error:Incompletecommandfoundat'^'position.//系统提示在箭头所指的位置命令输入不完整，也即还需继续输入其他信息。[Huawei]sysnaametest^Error:Unrecognizedcommandfoundat'^'position.//系统提示箭头所指的命令无法识别，例如可能是关键字输入错误等。[Huawei]s^Error:Ambiguouscommandfoundat'^'position.//系统提示箭头所指的命令是含糊的，例如可能存在多个s开头的关键字，系统无法识别用户输入的究竟是哪一个。<Huawei>clockdatetime?HH:MM:SSSpecifythetime<Huawei>clockdatetime12:13:14?YYYY-MM-DDSpecifythedatefrom2000to2099<Huawei>clockdatetime12:13:142000-01-01?<cr>PleasepressENTERtoexecutecommand<Huawei>clockdatetime12:13:142000-01-01

Configuration