【计算机网络】概述

计算机网络教程

谢希1著

W锌：烫

本课程的教学目的和要求

教学目的：培养高素质、拥有创新能力的网络设

计人才和高级网络管理人才。

教学要求：计算机网络的基本冠本原理、

局域网的组建、TCP/IP协议、因特网的应用及网

络安全

成绩：期未考试70%,平时成绩30%,平时成J包括：

实验，作业，考勤，提问。对提问能主动举手回

答，且回答正确的，每次奖平地时成绩1分。

课堂要求：上课不迟到，认真听讲，不讲小话，

希望对上课有什么要求或建立能及时反映上来，

以便改进教学方法，提高教学质量。

第1章概述

・1.1计算机网络在信息时代的作J

1.1计算机网络在信息时代的作用

•21世纪的特征：数字化、院化和信息化

•知识经济中的两个特点：品化和全球化

•信息化和全球化必需依靠计算机网络。

•信息高速公路

•第三代体系结构标准化的计算

第一代面向终端的计算机网络

•时期:是20世纪50年代至60年代。

•产生背景：当时计算机数盒很少，价格很昂

贵，人们买不起计算机，为了解决：人多机

少”的矛盾，想出了多人共用一杳计算机的

方法，其形式是将一台计算机经过通信线路

与若干台终端连接起来，这种简单的计算机

联机系统被称为分时系统。

•典型应用：由一台计算机和全美范围内2000多

个终端组成的飞机定票系统。分时系统允许你

通过只含显示器和键盘的哑终端来使用主机。

对于远程终端可通过电话线与计算机相连。

由于当初计算机的设计主要是用于信息处理的，与终

端通信需要主机腾出相当一部分限回用于通信处理，

这样增加了主机的额外开销，降低了计算机数据处理的

速度和效率。为了解决这个问题，在主机前设置一个

前端处理机FEP(FrontEndProcessor),箕功能相当

于现在的网卡，专门负责处理主机和终端的通信问题，

进行串/并转换、差错控制和数据的收发，使主机专心

进行数据处理。

随着终端数目的增加，每增加一个终端就增加

一条线路，从而通信费用大大提高。为了节约通

信线路和费用，可在终端密集处增加一个集事o

面向终端的计算机网络结构图

◎时期：是20世纪70年代

•背景：随着计算机应用的普淅例件价格的下

降，一些大公司常常拥有多台计露耀统，这些

计算机系统分布在不同的地点，它种之间重要进

行信息交换，人们希望将分布在不同施点的计算

机，通过通信线路连接起来。■

◎典型应用：分组交换网

分组交换网产生的原因：

1、连网首先想到利用现H电话网，但传

统的电话网不适合计算就数遁!专输

(1)采用电路交换方式，通话时茎部占用线

路；且计算机数据是突发式地出现在传输线

路上；因此线路的利用率低，不到10%

(2)在电路交换传输线路上有任一故障，都

需重新拨号建立连接。电路交换的过程是：

建立连接一通信一释放连接■

路交换示意图

Physicalcopper

connectionsetup

whencallismade

Switchingoffice

ComputerPacketsqueuedup

forsubsequent

transmission

oS□

□EHZHZl

Computer

(b)

2、军事上的需要

20世纪60年代后期，处于美塞冷战时期，为

了对付莎联，美国军方一些高&士提出一

।的

IZjy||-lJ>3，三大片匚II少J沙，印'」

(Web)的打不垮的网络系统，顿在现代

战争中，如果通信网中的某一个交换节点或

线路被破坏，系统能够自动寻找其他路径，

从而保证通信的畅通。1969年12月在美国国

防部高级研究计划署(ARPA)的资助下建立

了世界上第一个远程分组交换网ARPANET,

该网由通信子网和资源子网组成。■

分组交换的主要特点：

(1)以分组为单位发送：通信隧发送的整

块数据称为报文，发送之前，无M长的报

文划分成若干个等长的数据段，并在每个数

据段前面，加上一些必要的控制信息'组成的

首部后，构成一个分组，如书P4,图1-3。

(2)采用存储转发方式，交换机处理分组的过程

是：将收到的分组先放入缓存，再查找路由表(路由

表中写有何目的地址应从何端口转发的信息)，再将

分从适当的端口转发出去。

设主机H1向主机坨发数据，分组交换过程：主机也将

分组爰往少结点交换机A（存储、查路由、转发）少

下一个结点（存储、查路由、转发）f直到主机H5,

类似接力赛跑。、

分组交换的优点:

高效：动态分配传输带宽，对i'言链路是逐段占用，

共享使用整个通信链路，提高了线«用率。

灵活：每个结点均有智能，为每分组独立

地选择转发路由。

迅速：以分组为单位，分组小且不需建立连接。

可靠：由于有冗余的路由，且有完善的网络协

议，因此打不垮。

•报文交换

报文交换也是采用存储转发冰、中现在20世纪

40年代的电报通信中，在报交心，以

整份电报为单位发送。这种报文发送的时延较

长，从几分钟到几小时不等。现在已不使用＜

三种交换的比较

Callrequestsignal

Pkt1

Propagation

delayMsg

Pkt2

11Pkt1

■Pkt3

1Pkt2

Pkt1

1rMsgQueuing

/1Pkt3

TimePkt2

a2spent

Ehunting

foranPkt3

cjutgoing

trunk

iCall

accept

signal

Data

ABBCCD

trunktrunktrunk

------►------AV-----A

z1E3C:[3ZkE3(DBD

(b)(C)

第三代体系结构标准化的计算机网络

，时期：是20世纪80年代。

，背景：随着计算机网络的发屣，各大计算机

厂家纷纷开展计算机网络产油迎制和开发,

同时也提出了各自的网络体系好构利网络协

议,如美国IBM公司的SNA(SysteniNetwork

Architecture)>美国DEC公司的DNA(Digital

NetworkArchitecture)等。网络体系结构的

出现，使一个公司所生产的设备很容易互连

成网。但是，由于标准不统一，不同厂家的

网络产品互联十分困难，迫切需要制定一个

国际标准。

•标准：

⑴国际标准化组织ISO在198代正式颁布了开

放系统互联参考模型OSI/RM^OpenSystem

InterconnectionReferenceModel),筒称为OSI。

⑵80年代初期美国国防部高级研究计划署和美

国国防部通信局也在ARPANET的基础上研制成

功了TCP/IP协议。

•1.Internet的发展史

•1984年：ARPANET分成民而派变丁和军用

MILNET

•1986年：NFS建立国家科学基金网NFSNET,

后来接管ARPANET,并改为Internet。

•1991年：扩大Internet范围，后商业化。

1996年：美国开始研制下一代Internet。

•2.Internet的标准化工作

•Internet由因特网协会ISOC负责，下有一

个技术组织因特网体系结椅联委员会IAB,

负责有关协议的开发，IAB下贯'个工程部:

因特网工程部IETF（下设若干工作组，负责

协议的开发和标准化）和因特网研党部（下

设若干研究组，负责理论研究和长期规划）

•普通RFC文挡分正式标准，经过

草案、建议标准、草案标准、正式标准

http//www.rfc-editor.org

3.Internet在我国的发展

1992年，中科院高能物理研究所建立了与西欧的连接。

从那时开始，Internet在我国出现了突飞猛进的发展。尤

其是从九六年以后，随着我国信息夹业的发展和不断扩

大，Internet在国内得到了迅速的普及Zl，国内与

Internet互联的四大信息网络是：

中国公共数据网CHINANETX

中国教育科研网CERNET

中国金桥网GBN

中国科技网CSN。

此外，还有：中国联通互联网UNINET

中国网ffiCNCNET

中国国际经济贸易互联网CIETNET

中国移动互联网CMNET

中国长城互联网CGWNET。

第U!高速化、综合化的计算机网络

•时期：是20世纪90年代以后

•背景：全球范围内的信息高"路热使计算

机网络的发展进入了一个新谒M时期。以

高速化、综合化为基本特征的新「代宽带综

合业务数字网B-ISDN(BroadIntegrated

ServicesDigitalNetwork)是第四代计算机网

络的代表。所谓高速化是指采用光缆作为传

输介质，网络具有宽频带和低时延特点,目前,

高速网络的传输速率可达几G。所谓综合化

是指将语音，视频、图像、数据等多种业务

综合到一个网络中去。

131计算机网络的定义

1计算机网络的定义、

・计算机网络就是利用通信设蓄小通讯线路把地

理上分散的、具有独立功能的多左《算机连接起

来，并配以相应的网络软件从而实败训享和

信息交换的系统。w|L

•计算机网络与分布式系统的区别\

▼

两者在硬件组成及拓扑结构上相同，不同的是分布

式系统的各计算机对用户就是透明的。

即，对用户来说，分布式系统就好像只有一台

计算机一样。用户通过急叭命令就可以运

行程序，但用户并不知道是磁7计算机在

为他运行程序，而是由操作系统独户选择

一个最合适的计算机来运行其程序，无需用

户干预，而计算机网络则需由用户指定运行

程序的计算机。

1按交换方式分

分

类

电路父换报文父换分组交换

优点：转发延时

优点：信道可

优点：信息延

短；数据传输灵

时短，并且固

以进行复用且

活（每个分组可

定不变；适用

优需要时才分配

按不同路径不同

于连续、大批

缺信道，线路利

顺序到达）；转

用率高；不需

点量的数据传输。

发差错少；对中

缺点：建立连

建立连接。

继结点要求低。

接的时间长；

缺点：延时长

缺点：在目的结

独占信道，线

;对中继结点

点要对分组进行

路利用率低。

存储容量要求

重组，增加了复

较高；差错高

实杂性。

例

因特网

电报

电话系统

2按拓扑结构分

有总线型、星型环型网状

集线器干线藕

星形网环形

匹配电阻

总线网

(c)(d)树形网

(e)网状(广域网采用)

星型以太网是目前司蚊网的主流

一般大型企业网或校园网的网络结构O

•3按网络地理范围分

1.局域网(LAN)

通常在10km的区域范围内，属一斗《住所有，如校园

网、企业内部网(Intranet)都属于局暴J

2,城域网(MAN)・

规模在10-100km的区域范围内，局限于一座城市。

3•广域网(WAN)

网络范围可以覆盖全国，甚至全球。如Internet属于广

域网。

目前局域网和广域网是网络的热点。

3按网络的使用范围分

1.公用网

一般是国家的电信部门建造的网络。漏人都可以

2,专用网

是某个单位建立的网络。

1.4计算机网络的主要性能指标

•最主要的两个性能是带宽(或吞吐量)和时延.

141带宽

1、信号带宽：指某个信号具有的1

一个特定的信号是由许多不同频率成份组成

的，各种频率成份所占的频率范围,如电话

信号的标准带宽是3.1kHz(300Hz〜3.4kHz)。

2、线路的带宽

⑴传模拟信号时

用线路上允许通过的信号的频率范围，即“通频

带”来度量，单位Hz,带宽越大，数据率也越高。

⑵传数字信号时

在计算机网络中，线路的带州旨线路上能够传送

的数字信号的速率，即“数据率7“比特率”，

单位是bit/s(bps)。

3、吞吐量

指每秒发送的比特数(或字节数、帧数)。

因为带宽代表数字信号的发送速率，因此带

宽有时也称为吞吐量。

数据经历的总时延由三部分组成：

总时延=传播时延+发送小追助队时延

1、传播时延

传播时延=信道长度/电磁波在信道上m播暨

信道：传送信号的一条通路。采用多路复用技术，一

路可以被分割成多条信道。

2、发送时延

发送时延=数据块长度/信道带宽W

信道带宽就是数据在信道上的发送速率，也称为信号

传输速率。信号传输速率和电磁波在信道上的传播速

率是不同的。

3、排队时延

指数据在交换结点等候发送所经历的时间。

三种时延产生的地方见书P17>gll

电磁波在介质中的传播速率为定固定值，约2.3*105,

因此，传播时延与信道的带宽无关。

对于高速网络链路，提高的仅仅是数据的发送

速率而不是传播速率。通常所说的“光纤的传

输速率高”是指光纤信道的发送速率高，而光

纤信道的传播速率实际上还要比铜线略低，光

在光纤中的传播速率为2.05*105

1.4计算机网络的主要性能指标

・143时延带宽积和往返时延

1、时延带宽积=传播时延小（

隹塔nd•甜

时延带宽积表示这个管道的体积，表示链路中可容纳

多少个比特。如：链路的传播时延为20ms，带宽为

10Mbit/s,则时延带宽积=2*105田1

表示在发送的第一个比特到达终点时，已发送了20万

个比特。

・2、往返时延RTT

表示从发送端发送数据开始,发送端收到来

自接收端的确认，总其经万

习题

复习

作业

P193,9,10

第二章计算机网络协议与体系结构

・2.1计算机网络体系结构的形成

・2.2协议和划分层次

•2.3计算机网络的原理体系结桧

•2.4OSI与TCP/IP体系结构的比较

・2.5客户-服务器方式

2.1计算机网络体系结构的形成

计算机网络是一个庞大、复杂的大系统，需解决差

错控制、路径选择、流量控制等履多技术问题，为

了便于实现和维护，通常将复杂冏事1」分为多个小

问题，然后为每个小问题设计一个嗡虫的协议，各

层协议之间高效率地相互作用，协同解决整个通信

问题。

将网络系统分成多少层，每层采用什么协议（即实

现什么功能），这便是网络的体系结构。即网络

体系结构是计算机网络的各层及其协议的集合。

1974年，IBM公司宣布了它研制的系统网络

体系结构SNA,它按分层的方法制定。其后，

其它一些公司也相继推出了省口的网络体系

结构。

•网络体系结构的出现使得一个公司生产的各

种设备能够很容易互连成网。而不N蜒

产品，由于网络体系结构的不同，很难互连,

使得网络扩容时只能再购买原公司的产品。

迫切需要制定网络体系结构的国际标准。

•国际标准：

⑴国际标准化组织ISO在1984年正式颁布了开

放系统互联参考模型OSIAR.M(OpenSystem

InterconnectionReferenceModel)称为OSI。

“开放”：只要遵循OSI标准，一个系统就能

和位于世界上任何一个地方的、也遵循同一

标准的其它系统进行通信。

⑵80年代初期美国国防部高级研究计划署和美

国国防部通信局也在ARPANET的基础上研

制成功了TCP/IP协议。

OSI试图达到一种理想境界，全世界的计算机网络

都遵循这个统一的标准，方便地二连和交换数据，

但未能实现是由于以下原因：0^嘴店家们缺乏实

际经验，在完成0SI标准时没有商晒吆力；0SI

的协议实现起来过分复杂，运行效率低；0SI的制

定周期太长，使得按0SI标准生产的设备无法及时

进入市场；0SI的层次划分也不太合理，有些功能

在多个层次中重复出现。

由于Internet的广泛应用，TCP/IP已成为是事上上

的国际标准，OSI仅是理论上的国际标准。0SI和

TCP/IP的关系类似于世界语和英语的关系。

办议与划分层次

一、网络协议

网络能够有条不紊地交换数据，圆必须遵守一些事先

约定好的规则，类似于交通规际、

1.网络协议：为进行网络中的数/换而建立的规

则标准或约定。

•2.网络协议三要素：

语义(Semantics)：控制信息的含义；、I

语法(Syntax)：数据与控制信息的格式;Q

时序(Timing)：事件先后顺序。

以两个人打电话为例来说明协议的概念：

甲给乙打电话的过程中双方都遵守了电话的协议,

其中，电话号码就是“语法”7&一个例子，一般

电话号码由五到八位阿拉伯数圣侬，如果是长

途要加拨区号，国际长途还有国鼎弋码等等；

甲拨通乙的电话后，乙的电话振铃，振铃表示有电

话打进，就是“语义”的例子;

因为甲拨了电话，乙的电话才会响，乙听到铃声

后才会接,这一系列事件的因果关系就爰“时序'

的例子。

•二、协议的分层

.网络协议分层的好处：

1）各层之间是独立的。某一层并不需要知道它的下一

层是如何实现的，而仅需要知道孩状通过层间接口所提

供的服务。

2）灵活性好。当任何一层发生变化时，只要层间接口

关系保持不变，则其它层均不受影响。

3）结构上可分割开。各层都可以采用最合适的技术来

实现。

4）易于实现和维护。大系统变成了若干个子系统。

5）能促进标准化工作。每一层的功能及其所提供的服

务都有精确的说明。

分层原则：每层的功能应非常明确；层数不能太少,

以避免不同的功能混杂在同二g中，协议太复杂,

但也不能太多，否则体系结构会演遗大.

•由于有了网络体系结构的规范，网络开发人员就

可以根据协议设计每一层的软件程序或是硬件设

备。需要指出的是网络体系结构并不包括实现细

节和接口规范，这些都是各个计算机系统设计者

需要解决的问题。

通常每一层所要实现的功能往往是下面的一种功

能或多种功能：

⑴差错控制■

⑵路径选择■

⑶流量控制

(4)分段与重装：将数据块划分成小块

⑸复用与分用：几个高层会话复用一条低层连接

(6)连接建立与释放

图2-1的例子来说明层次结构的通信原理

我们希望经理们

退货的想法

FAX#...

尊敬白勺John:

由于...方面

的原因

我们希望

退货

每个公司都形成了三个层次的机构：经理、高级助理、

秘书。每一层都有各自的功能，遵守该层的协议，每一

层都不关心下一层的实现细节，柏弋「层提供服务。

甲方经理对乙方的供货不满意，希望

高级助理起草一份一份正式公函，并加上了一些理由。

秘书发送。采用电话或传真。

1.3.2计算机网络的原理体系结构

、OSI与TCP/IP体系结构

应用层

传输层

互连层

网络接口层

132计算机网络的原理体系结构

一、OSI体系结构：分七层

应用层协议

西层•应后层

表示层协议

表示层

会话原赧

会话层会话层

运解峨

运能1运城房

网络国办议网络勖议

避网络U

通信子网ggggg

物理鼬仪.物国候射火

物酝物理层

二、原理体系结构：为了便于讲解网络原理，综

合OSI和TCP/IP的优点，采用五层的体系结构

NETS

物理

各层的功能

1、应用层,直接为用户的应用进程提供服务，并为网络

用户之间的通信提供专用的程序。常用的应用层协议有

HTTP超文本传输协议、SMTP简里电子邮件传输协议、

FTP文件传输协议等。

2、传输层,负责主机中两个进程之间的通信，对高层屏

蔽了通信子网的实现细节，真正实现了源"到目的主机

的“端”到“端”的通信。传输的数据单元为报文。

因特网的运输层可使用两种不同的协议：传输碌U协议

TCP和用户数据报协议UDP。

TCP协议是可靠的、面向连接的协议。它保证通信主机之

间有可靠的字节流传输。UDP是一种不可靠的、无连接协

议。它最大的优点是协议简单，额外开销小，效率较高；

缺点是不保证正确传输。只是尽力传送。

需要可靠数据传输保证的应用应选用TCP协议；

相反，对数据精确度要求不是太高，而对速

度、效率要求很高的环境，劄声音、视频的

传输，应该选用UDP协议

网络层：负责在互连网上传输数据分田、要功能是路

径选择。数据的传送单位是分组或包。

因特网中网络层又叫网际层或IP层，主要协议有网际协

议IP,IP是无连接的协议。

数据链路层：负责在两个相邻结点间无差错地传送帧。

数据单位是帧。每一帧包含有必要的控制信息，控制信

息有同步信息、地址信息、差错控制、及流量控制等。

数据链路层将一条有可能出错的实际链路，转变成让网

络层看上去好像是一条不出错的链路。

物理层：负责透明地传送比特流。传输单位是比特。

透明表示某一个实际存在的事物看起来却好像不存

在一拜。

我们通常说玻璃是透明的，是由为避过玻璃看过去,

视觉不受影响，好像不存在一样。

“透明地传送比特流”表示经实际电建传送后的比

特流没有发生变化，因此，对传送流来说，由于电

路并没有对其产生影响。因而是透明的。“

物理层顺序地传输“0”、“1”信号，但不必考虑这些

“0”、“1”信号表示什么意义。

物理层要考虑多大的电压表示“1”或“0”，连接插头

的形状、大小、引脚数等。

数据在各层的传递过程

用户数据接收进程

应用层H7数据<—>应用层

表示层H6数据表示层

会话层H5数据<—»会话层

传输层H4数据<一A传输层

i

网络层H3数据网络层

数据链路数据链路

H2数据T2

层层

1

物理层数据物理层

主机A主机B

实际数据传输路线

虽然应用进程数据要经过上图所示的复杂过

程才能送到对方的应用进程、但这些复杂过

程对用户来说都已被屏蔽掉、以致发送进

程觉得好像是直接把数据交给了接收进程。

•同理，任何两个同样的层次都好像将数据通

过水平虚线直接交给对方。称为对等层间的

通信。不同系统中的相同层次称为对等层。

协议栈指系统中所有层次的协议的列表。画

在一起看上去很像栈。

132计算机网络的原理体系结构

•2.实体、协议、服务、服务访问点：

实体：能够发送和接收信息的软件进程或硬件（如

I/O芯片），位于不同系统中阶三层次的实体叫

做对等实体。

协议：是控制两个对等实体进行通信的规*的集合。

服务：描述了每一层的功能。在协议的控制下，第

N层能够向N+1层提供服务，要实现N层协议，又

需要利用N-1层提供的服务。

服务是同一开放系统中相邻层之间的操作，是“垂

直的”；协议是不同开放系统的对等实体间虚拟

通信所必须遵守的规定。是“水平的”。

服务访问点SAP（ServiceAccessPoint）是同一系统中

相邻两层实体进行交互（即交换信息）的地方。

实际上就是一个逻辑接口，有些像邮政信箱。

服务原语：上层调用下层所提供的服务必须通

过与下层交换一些命令,这些命令在OSI中

称为服务原语。所谓原语，导是不可再细分

的意思。

服务原语要通过服务访问点SAP来传以原语先放

在SAP的队列中。实体从SAP队列中取出原语并

执行。原语是如何实现的，完全是各层实体内

部的事情，SAP完全不必考虑。

图2-2层次、协议、接口与服务等概念

数据单元，在OSI/RM中规定了下列数据单元：

•月艮务数据单元（

相邻层实体间传送的数据单元；并修N+1层向N

层传送信息的服务数据单元记＜N）SDUO

•协议数据单元（PDU）

对等实体之间传送的数据单元；并将N层的协

议数据单元记为（N）PDUO、

（N）PDU由两部分组成：（N）SDU和N协议控制信

息（N）PCI：、一

（N）WPCI