chapter1计算机网络概述.ppt

1、本章主要内容 计算机网络的定义、组成及功能 计算机网络的发展过程 计算机网络的分类 计算机网络的拓扑结构 计算机网络的体系结构 计算机网络的性能指标,第一章 计算机网络概述,1、计算机网络定义（1）,定义1： 利用通信设备和线路，将地理位置不同的、功能独立的多个计算机系统连接起来，以功能完善的网络软件（包括网络协议和网络操作系统等）实现网络中的资源的共享和信息传递的系统。 网络协议: 网络传输的规则和约定，为软件。 三个含义： 各计算机是独立自主的，其运行不 依赖于其他计算机 计算机之间的连接是物理实现的 计算机之间能够利用各种通信手段进行相互通信，并共享软件、硬件和数据等资源,定义2 ：计算

2、机网络是自主计算机的互联集合。,互联可以通过电缆（电话线、网线或光纤等）来实现，也可以采用无线连接，使用无线电信号、激光或红外技术、或者卫星传输。总之，两台计算机如果能互相交换信息即称为互联。,自主计算机其实就是指具有独立功能的计算机。如果一台计算机脱离了网络或其它计算机就不能工作，则不是自主的。,1.,2.,计算机网络定义（2）,计算机网络的组成（1）,通信子网和资源子网 ：,在整个计算机网络中总会有一部分是用来对信息进行传递的，对于网络中的这部分我们称之为通信子网。,网络的另一个重要作用就是提供各种服务。在网络中由资源子网来完成这些功能。,计算机网络的组成（2）,计算机网络的硬件组成 ：,

3、介质双绞线,适配器（网卡）,交换机/ 路由器,主机,计算机网络的功能,计算机网络的基本功能 数据通信：数据的传送和发布 资源共享包括计算机硬件、数据库、应用软件等资源的共享 分布式处理将本地计算机不能或不能完全处理的计算转移到网络中的其它计算机上处理 网络备份 提高可靠性。 计算机通信网的功能 以传输信息为目的 研究内容：高效的可靠传输；传输协议；通信设备的管理和控制,2、计算机网络的演变与发展 （1）,面向终端的计算机网络： 以单个计算机为中心的远程联机系统 例如20世纪60年代初的SABRE飞机预订系统,特点：单向传输,计算机网络的演变与发展 （2）,面向通信的网络：计算机-计算机网络 第

4、二代计算机网络 计算机有自主处理能力： autonomous 典型代表是DARPA资助下的ARPANET 没有统一的网络体系结构 互相通信，双向传输 代表网络 IBM的SNA DEC的DNA ARPANET等等,计算机网络的演变与发展 （3）,面向应用的网络： 第三代计算机网络 遵循标准 资源共享 International Standards Organization(ISO)提出了Open System Interconnection Basic Reference Model(OSI/RM)：OSI七层模型 ITU-T：International Telecommunication Un

5、ion下的电信标准化部，其前身为CCITT 公用分组交换数据网：CHINAPAC Internet：TCP/IP体系结构，事实上的国际标准,计算机网络的演变与发展 （4）,网络计算的新时代：以网络为中心 发展趋势： 高速网络： 以太网从10Mbps-100M1Gbps10Gbps WAN：64Kbps-2Mbps-155M/622MGbps（DWDM） 多媒体信息： 数据、电话、有限电视等三/多网合一 QoS控制：延迟、抖动、丢失等,3、计算机网络的分类（1）,分类标准：,计算机网络的分类（2）,LAN MAN WAN的距离标准 ：,从网络的作用范围进行分类 广域网 WAN (Wide Are

6、a Network) 局域网 LAN (Local Area Network) 城域网 MAN (Metropolitan Area Network) 接入网 AN (Access Network),4、计算机网络的拓扑结构（1）,计算机网络的拓扑结构 ：,是指计算机网络的硬件系统的连接形式即网络的硬件 布局，通常用不同的拓扑来描述对物理设备进行布线的不同方案。,总线型 环型 星形 网状 混合,最常用的网络拓扑有：,计算机网络的拓扑结构（2）,星形,总线型,环型,网状,网络拓扑结构（3）,网络中各个接点相互连接的方法和形式称为网络拓扑。网络拓扑与介质的选择和介质访问控制方式密切相关。选择网络拓

7、扑时考虑的主要因素有： 可靠性 经济性 灵活性 物理拓扑物理连接方式。 逻辑拓扑信号传送方式,星形拓扑 由中央节点和通过双向点到点链路与之相连的各站点组成。目前最常见的双绞线+集线器的组网方式就是典型的星形拓扑。 星形拓扑的优点： 服务方便；便于控制和管理，以及故障隔离；简单的访问协议。 星形拓扑的缺点： 中央节点是可靠性和系统性能的瓶颈；费用较高；不易扩展。,总线拓扑 采用无源单根双向传输线作为各站点的共享传输介质，各节点直接与之相连。过去常见的细缆以太网是典型的总线拓扑。 总线拓扑的优点： 电缆总长度较短，费用较低；便于实现广播通信；易于扩充。 总线拓扑的缺点： 难于故障诊断和故障隔离；总

8、线是系统的瓶颈；介质访问控制协议复杂。,环形拓扑 由一些中继器和连接中继器的点到点链路组成的单向传输闭合环。光纤环网是典型的实例。 环形拓扑的优点： 电缆长度较短；有较高的传输效率；适用光纤。 环形拓扑的缺点： 故障诊断和隔离困难；灵活性较差；访问控制协议较复杂。,树形拓扑和层次结构 由星形拓扑和总线拓扑演变而来，是目前结构化布线中采用的主要拓扑结构。,主干网络,星环拓扑 由星形拓扑和环形拓扑混合起来组成。,网络逻辑拓扑 逻辑总线 任何一台设备发出的信号将被网上所有设备（同时）接收，即信号是采用广播方式进行传输。 逻辑环 每台设备都只接收指定发送给它的信号，并且只把信号发送给指定为下一站的设备

9、，即信号是采用点到点方式进行传输。 常见网络的物理拓扑与逻辑拓扑 以太网粗/细双绞令牌环 令牌总线 FDDI 物理拓扑总线星形星形、环形总线星形、环形 逻辑拓扑总线总线 环形环形 环形,北航校园网拓朴结构图,拓朴结构示例,上海某校园网拓朴结构图,第四军医大学校园网拓朴结构图,概念和术语 1、体系结构: 研究系统中各组成成分及其关系的一门学科。 2、计算机网络体系结构: 定义和描述一组用于计算机及其通信设施之间互连的标准和规范的集合，遵循这组规范可以很方便地实现计算机设备之间的通信。 3、开 放： 遵循标准开发的系统是开放的，可以和任意地方、任意系统进行通信，只要该系统也遵循相同的标准。,5、计

10、算机网络体系结构,4、开放系统：依据标准开发的完成一个或若干功能的硬软设施的总称。 5、开放系统互连：彼此开放的系统通过联合使用适当的标准进行的信息交换。 6、层：开放系统的逻辑划分，代表功能上相对独立的一个子系统。 （N）：层表示层次结构中的任一层， （N1）：层表示指定层次的上邻层， （N1）：层表示指定层次的下邻层。 计算机网络体系结构是人为设计的按逻辑功能（子网结构）更加细划为几个层次。,7.服务：本层向上邻层提供的通信能力。根据增值服务的原则，本层的服务应是下邻层服务与本层功能的之和。 即： （N）服务（N）功能（N1）服务 8.协议：为保证层功能的实现和层服务的提供而定义的一组有关

11、通信方面的、在语义、语法和时序方面的约定。有时，同一层次中可能定义多个协议，只有执行相同协议的系统之间才能进行通信,协议就是软件。 1）语法：规定通信双方交换的数据格式、编码和电平信号等。 2）语义：规定用于协调双方动作的信息及其含义等。 3）时序（交换规则）：规定动作的时间、速度匹配和事件发生的顺序等。,“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。 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。 体系结构就是这个计算机网络及其部件所应完成的功能的精确定义。 实现(implementation)是遵循这种

12、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。,层的类比,协议是“水平”的 服务是“垂直”的,OSI/ISO 参考模型 TCP/IP 参考模型,两个流行的网络体系结构的参考模型,OSI参考模型,1、标准化组织 制定计算机和通信国际标准的标准化组织： 国际标准化组织ISO:International Organization 电气和电子工程师协会IEEE: Institute of Electrical and Electronics Engineers 美国国家标准学会ANSI:American National In

13、stitute 美国电子工业协会EIA等,2、开放系统互连参考模型 由国际标准化组织ISO制定的计算机网络体系结构标准为： OSI/RM: the Reference Model of Open System Interconnection 有时称OSI/ISO 3、开放系统互连基本参考模式（OSI/RM）的目的： 制定一系列计算机网络互连的标准，这些标准（1）能够支持异种计算机之间的互连和通信；（2）能够支持多种通信媒体（3）能够支持多种业务处理；（4）能够支持高级的人机接口；能够具有可扩充能力。,4、OSI子模块（层）划分的原则（1）各层（子模块）具有相对的独立性，层间交互的信息最少；（2

14、）各层（子模块）只能引用其下层提供的服务（单向调用）；（3）在使用下层服务的基础上，各层完成特定的通信功能（增值服务）。 5、基于分层原则的OSI特点：（1） 互连的系统必须具有相同的层次结构；（2） 只有相同层次的实体（功能的实施者）才能进行有意义的通信，并且只能借助于其下层的服务来实现。,OSI参考模型层次示意图,应用层,表示层,会话层,传输层,网络层,数据链路链层,物理层,应用层,表示层,会话层,传输层,网络层,数据链路层,物理层,发信,格式和方法,应答,信封和 地址,邮寄类别,信封装邮袋,邮寄邮袋,读信,翻译,回应,确认地址,确定方向,从邮袋取信,收邮袋,应用层协议,表示层协议,会话层

15、协议,传输层协议,网络层协议,物理层协议,数链层协议,邮政车,系统A,系统B,(1) 物理层PH （Physical layer) ，确定物理设备接口，提供点点的比特流传输的物理链路；在物理线路上传输原始的二进制数据位（基本网络硬件）。 物理层传送单元：比特（Bit) (2) 数据链路层DL (Data link layer) ，利用差错处理技术，提供高可靠传输的相邻节点数据链路；在有差错的物理线路上提供无差错的数据传输 。 数据链路层传送单元：帧（Frame),OSI的各层功能,(3) 网络层N （Network layer) ，利用路由技术，实现用户数据的端端（可能有多个中间节点的转接和交

16、换）传输；控制通信子网提供源点到目的点的数据传送； 网络层传送单元：分组(Packet) (4) 运输层T （Transport layer) ，屏蔽子网差异、用户要求和网络服务之间的差异；提供可靠的端端用户数据传输。 传送层 传送单元：报文,(5) 会话层S (session layer) ，提供控制会话（安全认证、建立应用连接等）和数据传输的手段 ； 会话层 传送单元：报文 (6) 表示层P (presentation layer) ，解决异种系统之间的数据转换和表示问题，屏蔽不同系统在数据表示方面的差异； 表示层 传送单元：报文 (7) 应用层A (Application layer)

17、，利用下层的服务，满足具体的应用要求。 应用层 传送单元：报文 以后章节有详细的介绍,有中继系统的OSI基本通信示意图,上述七层分为三组 第1、2层解决网络信道问题 第3、4层解决传输服务问题 第5、6、7层解决应用进程的访问 从控制的角度看： 下三层（第1、2、3层）是传输控制层，负责通信子网的工作，解决网络中的通信问题。 上三层（第5、6、7层）是应用控制层，负责资源子网的工作，解决应用进程中的通信问题。 中间层（第4层） 是通信子网和资源子网的接口，起到连接传输和应用的问题。,小 结,OSI/RM功能要素,OSI/RM功能要素包括：系统、实体、层、协议、服务,由它们构成一种网络 功能层次

18、化结构模型，各要素之间的关系和位置如下图：,服务关系、（N)服务 同一系统中（N)和（N+1)层实体 的关系是服务关系; 其中（N+1)层实体 是服务用户， （N)层实体 是服务提供者，这个服务叫做 (N)服务，即 N为N+1提供服务。 服务访问点（SAP) 实现服务的相邻层间的接口叫做服务访问点（SAP) 服务原语和类型 服务原语是层服务被引用的工具。服务原语由原语名和原语参数两部分组成（类似编程时的程序调用和参数传递） 由于各个层次可以相对独立开发，因此服务原语也确定了层次之间的接口。上邻层利用服务原语来通知下邻层要做什么；下邻层利用服务原语来通知上邻层已做了什么,1、服务、服务访问点和服

19、务原语,连结：不同系统之间进行通信要求的联系或结合。 (N)连结： (N)对等实体间的连接。 分类： (1) 面向连接COS 对等实体在传输PDU之前，必须建立起连接，整个过程包括建立连接、传输数据和释放连接。 建立连接：包括鉴别对等实体的身份、协商数据传输时的控制信息（例如用户数据的体积、窗口尺寸、使用的协议类别等）； 传输数据：包括传输用户数据，以及为了数据传输而进行的交互控制（例如：数据传输的确认、活动管理、令牌传递等）； 释放连接：释放双方已经建立起来的连接。,2、网络连结服务,(2) 面向无连接CLS 对等实体在传输PDU之前，无需首先建立连接，传输的数据中必须携带地址信息，有关的控

20、制要求只能静态约定。 (3)两类连结的优缺点和适用场合,（1）服务数据单元SDU 同一系统相邻层间交换的数据单元，SDU为服务原语的表现形式。 (2）协议传送单元PDU 不同系统对等层间交换的数据单元， PDU的内容和格式由协议精确地定义。 （N)PDU作为（N1）SDU的一部分，传递给下层，直至对等层实体。 7层的PDU分别是：比特、帧、分组、报文等,3、数据传送单元,（1）“加封”：数据发送过程中添加报头的过程。在发送过程中不断“加封” （2）“解封”：数据接收过程中去掉报头的过程。在接收过程中不断“解封” （3）数据流动方向 相邻层之间通信：相邻层之间通信发生在相邻的上下层之间，属于局部

21、问题，标准中只定义了通信的内容（服务原语），未规定这些内容的具体表现形式和层间通信实现的具体方法。,4、OSI/RM的数据流动方向（见P20),对等层之间通信：对等层是指不同开放系统中的相同层次，对等层之间通信发生在不同开放系统 的相同层次之间，对等层实体之间的信息交换，通过PDU（协议数据单元）进行交换 ，OSI着每一层的都定义了协议数据单元的格式。 对等层之间的通信是目的 相邻层之间的通信是手段。 通过相邻层之间的通信，实现对等层之间的通信。 物理层有真实的物理通信，其他各层上的通信都是虚拟的逻辑通信。 但是对于用户来说，好像只有最高层的通信，因此网络的数据传输是透明的传输,OSI/RM的

22、数据流动方向,OSI环境下的层间通信示意图,计算机 1 向计算机 2 发送数据,5,4,3,2,1,5,4,3,2,1,计算机 1,AP2,AP1,计算机 2,应 用 程 序 数 据,10100110100101 比 特 流 110101110101,注意观察加入或剥去首部（尾部）的层次,应 用 程 序 数 据,TCP/IP 参考模型,一、概述 TCP/IP协议与OSI相比，简化了高层的协议，简化了会话层和表示层，将其融合到了应用层，使得通信的层次减少，提高了通信的效率，所以TCP/IP 协议为核心的 Internet 网络体系结构目前成为当前国际上最流行的实际标准。 TCP/IP（Trans

23、mission Control Protocol/Internet Protocol ）是指 传输控制协议/网际协议。 TCP/IP体系结构模型由这两个协议命名而成，它包含许多协议和应用，因此， 确切的说，TCP/IP是一个协议集。 TCP/IP协议模型遵守一个四层的模型概念： 应用层、传输层、网络互联层(网络层) 和网络接口层（子网层）。,五层协议的体系结构,应用层(application layer) 运输层(transport layer) 网络层(network layer) 数据链路层(data link layer) 物理层(physical layer),数据链路层,5 应用层,

24、4 运输层,3 网络层,2 数据链路层,1 物理层,TCP/IP 与 ISO/RM 参考模型之间的对应关系,TCP/IP各层的主要协议,1、网络接口层模型的最低是网络接口层。负责数据帧的发送和接收，帧是独立的网络信息传输单元。网络接口层将帧放在网上，或从网上把帧取下来。具体的接口关系由实际的物理子网类型决定，没有规定具体的协议。,二、各层功能概要,2、网络互联层（IP层）控制通信子网提供源点到目的点的 IP 包传送, 并运行必要的路由算法。重要协议： 网际协议IP：负责在主机和网络之间寻址和路由数据包。 地址解析协议ARP：获得同一物理网络中的硬件主机地址。 网际控制消息协议ICMP：发送消息，并报告有关数据包的传送错误。 互联组管理协议IGMP：被IP主机拿来向本地多路广播路由器