計算機網絡第一章

1、計算機網絡課程內容概述從計算機網絡結構：體系結構(OSI/RM)體系結構中各個層：物理層(OSI/RM)、數據鏈路層、網絡層、運輸層、高層從網絡本身：局域網技術廣域網（網絡互連）技術具體內容安排計算機網絡概述OSI/RM 物理層數據鏈路層信道共享技術局域網廣域網TCP/IP體系IP協議TCP(UDP) TCP/IP的應用層DNSFTPTELNETSMTP基本要求掌握計算機網絡的體系結構各層的主要協議、工作原理及相關概念、理論和技術參考教材第4版或第5版 謝希仁 著 電子工業(yè)出版社第一章 概論計算機網絡的概念計算機網絡定義的主要觀點以相互共享資源方式連接起來，且各自具有獨立功能的計算機系統的集合

2、利用各種通信手段，把地理分散的計算機互聯起來，互相通信且共享資源的系統計算機網絡定義的綜合歸納：以共享資源為目的，相互連接的自治計算機的集合自治：能獨立運行，不依賴于其他計算機主控從屬？主機終端（第一代終端網絡）？互連：以任何通信方式有線方式：銅線、光纖無線方式：紅外、無線電波、微波、衛(wèi)星計算機網絡與分布式系統的區(qū)別分布式系統在分布式OS統一調度下，各計算機協調工作，共同完成一項任務，如并行計算。用戶面對的是一臺邏輯上的計算機，組成分布式系統的各計算機怎樣協同工作，對用戶透明用途主要是科學計算和事務處理計算機網絡與分布式系統的區(qū)別（續(xù)）計算機網絡 非協調性的各計算機對用戶非透明，用戶必須指定資

3、源的位置用途主要是資源共享分布式系統往往是基于計算機網絡來實現的。計算機網絡能做什么數據通信(Communication Medium)文件傳輸、IP電話、email、視頻會議、信息發(fā)布、交互式娛樂、音樂資源共享(Resource Sharing)軟件、硬件、數據（數據庫）高可靠性(High Reliability)利用可替代的資源，提供連續(xù)的高可靠服務節(jié)省投資(Save Money)替代昂貴的大中型機系統分布式處理(Distributed Processing)計算機網絡的分類:1 按網絡的交換功能 電路交換,報文交換,分組交換。2 按網絡的拓撲結構（見下頁圖） 集中式網絡,分散式網絡,分布

4、式網絡。3 按網絡的使用范圍 公用網和專用網。4 按網絡的作用范圍 廣域網,局域網和城域網。 局域網: 一般用于有限距離內計算機之間數據和信息的 傳遞。 城域網: 大小通常覆蓋一個城市或地區(qū)，地理范圍幾十 公里到上百公里，對硬件、軟件的要求比局域 網高。 廣域網:可把眾多的局域網和城域網連接起來。計算機網絡按地域范圍分類局域網(Local Area Network ， LAN)范圍：小傳輸技術：基帶，10-1000Mbps，延遲低，出錯率低（10-11）拓撲結構：總線，環(huán)城域網(Metropolitan Area Network ， MAN)范圍：中等傳輸技術：寬帶/基帶拓撲結構：總線廣域網(

5、Wide Area Network ， WAN)范圍：大傳輸技術：寬帶，延遲大，出錯率高拓撲結構：不規(guī)則，點到點按拓撲結構分類星形有一個中心節(jié)點，其它節(jié)點與其構成點到點連接樹形一個根結點、多個中間分支節(jié)點和葉子節(jié)點構成星形拓撲樹形拓撲總線所有節(jié)點掛接到一條總線上，廣播式信道需要有介質訪問控制規(guī)程以防止沖突環(huán)形所有節(jié)點連接成一個閉合的環(huán)，結點之間為點到點連接總線形拓撲環(huán)形拓撲計算機網絡的發(fā)展:面向終端的的計算機網絡，各終端通過通信線路共享主機的硬件和軟件資源（第一階段） 終端用戶通過I/O串口連到主機上，不具備單獨數據處理能力，它是靠cpu把系統主存的一部分分給終端用戶，并使用CPU為每個用戶劃

6、分時間片來執(zhí)行終端用戶的應用程序。以通信子網為中心，用戶通過分組交換網可共享用戶資源子網的硬件和軟件資源（第二階段）從面向終端的的計算機網絡到以通信子網為中心的計算機網絡從電路交換到報文交換、分組交換電路交換主要優(yōu)點:1 信息的傳輸時延小，對于一次接續(xù)，傳輸時延固定不變。2 交換機對用戶的數據信息不存儲、分析和處理。交換機在處理方面的開銷比較小，信息傳輸效率比較高。主要缺點: 1 電路的接續(xù)時間較長，短報文通信效率低。 2 電路資源被通信雙方獨占，電路利用率低。適用范圍:傳輸信息量較大，通信對象比較固定的用戶。 報文交換:基本原理: “存儲-轉發(fā)” A用戶要向B用戶發(fā)送信息，A不需要先叫通與B

7、用戶之間的電路，而只需與交換機接通，由交換機暫時把A用戶要發(fā)送的報文接收和存儲起來，交換機根據報文中提供的B用戶的地址在交換網內確定路由，并將報文送到輸出線的隊列上排隊，等到該輸出線空閑時立即將該報文送到下一個交換機，最后送到終點用戶B。報文交換主要優(yōu)點:1報文以存儲轉發(fā)方式通過交換機，很容易實現各種不同類型終端之間的相互通信。 2不同用戶的報文可以在一條線路上以報文為單位多路復用，大大提高了線路的利用率。 3用戶不需要叫通對方就可以發(fā)送報文?？蓜討B(tài)分配網絡資源。主要缺點: 1信息通過交換機時產生的時延大，不利于實時通信。 2當報文很長時，要求交換機要有高速處理能力和大的存儲容量，一般要配備磁

8、盤和磁帶存儲器。交換機的設備比較龐大，費用較高。 分組交換:基本原理:“存儲-轉發(fā)” 以分組為單位， 由于分組長度較短，具有統一的格式，便于在交換機中存儲和處理，“分組”進入交換機后只在內存中停留很短的時間間，進行排隊和處理，一旦確定了新的路由，就很快輸出到下一個交換機或用戶終端，時延小，能滿足絕大多數數據通信用戶對信息傳輸的實時性要求。缺點: 網絡附加的傳輸信息較多，對長報文通信的傳輸效率比較低。層次體系結構的形成（第三代）連接在網絡上的兩臺計算機相互通信必須高度協調工作才行，這種協調相當復雜，為清晰，出現網絡分層設計：1974年 IBM 宣布其研制的SNA, 按照分層的方法1977年 IS

9、O開始制定 OSI/RM網絡協議分層處理的優(yōu)點層之間是獨立的 ;靈活性好;易于實現和維護;能促進標準化工作。計算機網絡體系結構相關概念計算機通信與數據通信除了傳輸，還需要收發(fā)雙方的協調合作(例如：文件傳輸)計算機(通信)網絡通過通信網互連的多臺計算機或數據處理設備，為實現通信，需要的協調合作更為復雜。這種協調合作是如何可能進行的？都遵守某種約定：協議協議不同系統中的實體為了能成功地進行通信而應該遵守的共同的約定上述解釋中的術語定義實體：能接收或發(fā)送信息（數據）的任何東西，如用戶應用程序系統：包含一個或多個實體的物理對象，如某臺終端計算機協議的要素語法：如數據格式等語義：如控制信息等同步：如事件

10、實現順序等協議的分類（按功能）拆分和組合：協議數據單元封裝：增加控制信息連接控制：面向連接的數據傳輸流量控制：收方限制發(fā)方的發(fā)送速率出錯控制：尋址：復用：傳輸服務：協議體系結構由于通信任務的復雜性，由單個協議完成所有的功能十分不利于管理，因此，需要有多個協議，這樣就有一個多個協議如何組織起來的問題。這種具有某種特定組織方式的多個協議的集合就稱為協議體系結構，也即計算機網絡的體系結構。計算機網絡的體系結構=協議s+組織結構已有的多種體系結構協議可能十分不同，但組織結構基本上都是采用分層的方式IBM的系統網絡體系結構SNAISO的開放系統互連OSI/RMARPANET的TCP/IPOSI/RMSN

11、A是第一個分層體系結構分層不是十分嚴格，5層，存在集中控制針對IBM公司的產品互連隨后一些公司分別制定自己的協議結構，如Digital 的DNA，不同廠家 的設備分別按各自的標準，因此，不利于網絡的互連、互通和互操作，不利于網絡規(guī)模的擴大1977年開始制定OSI/RM，1983年ISO 7498一、為什么是七層？劃分OSI/RM七層的基本原則是（13點，ISO 7498）把相似的功能放在相同的層當不需要多分層時，就不要增加層層數太少，會使每一層協議太復雜；不應創(chuàng)建太多的層，這樣會使綜合各層功能時太困難選擇的邊界點應是有過成功試驗的.并不一定是唯一的方案，更不一定是最好方案不一定是七層（現實標準

12、TCP/IP非七層）甚至不一定是層次結構二、每個層的協議是如何規(guī)定的？（參見下頁圖）對等層兩個系統中的相同層稱為對等層，通常用（n）表示第n層對等實體兩個處于對等層的實體第N層的協議（記作（N）協議）第N層的對等實體進行通信的規(guī)則集合稱為（N）協議層與層之間是功能獨立的，邊界確定，因此各層內協議的修改不會影響其他層每層協議的關鍵內容應包括：協議說明規(guī)范：規(guī)定對等實體合作協調的方法、協議數據單元等服務定義：尋址：三、各層協議如何協調工作的？除了最低層，任何對等層都不會直接通信，而是向其直鄰的下層發(fā)送數據并從該下層獲得其對等層的數據。（N）協議：規(guī)定對等實體的通信，它并不表明對等層實體直接通信，而

13、是表明任意實體只能處理其對等層實體的數據因此，相鄰兩層之間的接口是高層通信所必須的。服務是相鄰兩層之間的接口（N）服務：定義兩個（N）實體間在（N）協議的控制下的通信，使（N）層能夠向上一層提供的功能，就稱為（N）服務。接受（N）服務的是上一層的實體，即（N+1）實體，也稱為（N）服務用戶但為了向它的上層（N+1）實體提供（N）服務，（N）實體需要使用它的下一層（N-1）提供的（N-1）服務來實現（N）協議。（N）服務是組織各層協議的信息交互接口，它實現對(N)協議的屏蔽，使得(N)協議對（N）服務用戶是透明的。（N）服務：實現（N）服務：實現服務原語：上層使用下層所提供的服務是通過交換服務原

14、語來實現的服務原語：服務用戶（N+1實體）與服務提供者（N實體）之間進行交互時所交換的信息，用以通知服務用戶采取某種行動，或向服務用戶報告其服務提供者的對等實體采取的行動。一個完整的服務原語包括：原語名稱原語類型原語參數例如一個運輸連接請求原語：T-CONNECTrequest(被叫地址、主叫地址、)四種原語類型反映了一次通信的過程：請求(Request)：一個實體表示希望得到某種服務，源（N+1）實體 源（N）實體指示(Indication)：把信息告知某實體，目的（N）實體 目的（N+1）實體響應(Response)：一個實體表示愿意響應某一事件，目的（N+1）實體 目的（N）實體證實(C

15、onfirm)：確認一個服務請求并通知，源（N）實體 源（N+1）實體一個簡單的面向連接服務示例連接請求（CONNECT.request）： 主叫方服務用戶請求建立連接連接指示（CONNECT.indication）：被叫方服務提供者向其服務用戶報 告有連接建立請求 連接響應（CONNECT.response）： 被叫方服務用戶表示接受連接請求 連接證實（CONNECT.confirm）： 主叫方服務提供者通知其服務用戶 連接已建立 數據請求（DATA.request）： 服務用戶請求其服務提供者把數據 傳送給對方 數據指示（DATA.indication）： 服務提供者向其服務用戶報告 數據

16、到達 斷連指示（DISCONNECT.request）： 服務用戶請求釋放連接斷連指示（DISCONNECT.indication）：服務提供者通知服務用戶對方已 釋放連接服務訪問點：服務原語的交換點稱為服務訪問點（SAP）（port, socket）， 是（N）實體與（N+1）實體交換信息的邏輯接口。服務訪問點：兩層之間可以允許有多個服務訪問點一個(N)服務訪問點只能被一個(N)實體所使用，并且也只能為一個(N+1)實體所使用一個(N)實體可以向多個(N)服務訪問點提供服務一個(N+1)實體也可以使用多個(N)服務訪問點服務的數據流視圖：協議數據單元(PDU)通過網絡接口傳到下一層時不是PD

17、U本身，而是以接口信息單元進入接口信息單元(IDU)：相鄰兩層信息交互時，通過接口的信息單元，通常是PDU+接口控制信息，并有適當的大小控制而導致對PDU的分割。數據通過接口后，還要還原PDU。服務數據單元(SDU)：實現一個(N)服務所要傳送的總的數據，是一個邏輯數據單元。實現一個(N)服務可能需要傳送一個或多個PDU。協議（水平）和服務（垂直）多層通信的實質對等層實體之間虛擬通信；下層向上層提供服務；實際通信在最低層完成。OSI參考模型介紹OSI參考模型示意圖物理層數據鏈路層網絡層傳輸層會話層表示層應用層物理層數據鏈路層網絡層傳輸層會話層表示層應用層物理層數據鏈路層網絡層分組幀位流TPDU

18、SPDUPPDUAPDU應用協議表示協議會話協議傳輸協議網絡協議數據鏈路協議物理協議端到端點到點物理層的位置是在物理媒體之上，在數據鏈路層之下物理層的主要任務是確定與傳輸媒體接口的一些特性，以便無差別地利用不同物理媒體來進行數據傳輸，這些特性為：機械特性電氣特性功能特性規(guī)程特性物理層的作用是屏蔽掉計算機網絡中種類繁多的具體物理設備和傳輸媒體的差異，向上層（數據鏈路層）提供一致的服務。物理層的協議數據單元為比特數據鏈路的位置是在物理層之上，在網絡層之下數據鏈路層的主要任務是在鏈路上為上層提供出錯檢測和控制。數據鏈路層的作用是使得在兩個相鄰結點間能無差錯地傳送數據。數據鏈路層的協議數據單元是幀網絡

19、層的位置在數據鏈路層之上，在運輸層之下網絡層的主要任務路由選擇和存儲轉發(fā)通過網絡連接在主機之間提供分組交換功能差錯控制和流量控制網絡層的作用：網絡層是通信子網的最高層。對上層用戶屏蔽了子網通信的全部細節(jié)，如拓撲結構和子網數目等，以向上層提供一致的服務，統一的尋址。網絡層的協議數據單元是分組運輸層在網絡層之上，在會話層之下運輸層的主要任務根據通信子網的特征最佳地利用網 絡資源，并以可靠和經濟的方式，在源系統和目的系統的會話層之間，建立一條運輸連接，以透明地傳送報文。運輸層的作用為上一層（會話層）提供一個可靠的端到端的服務運輸層的協議數據單元是報文會話層以上不再參與數據傳輸，而是管理數據傳輸。在不

20、同計算機上的兩個應用進程之間建立、使用和終止連接，該連接就是所謂的會話。比如確定該連接是全雙工還是半雙工，中斷的會話從何處重新開始等會話層以及以上層數據傳送的單位都可稱為報文。表示層主要解決用戶信息的語法表示問題。表示層將欲交換的數據從適合某一用戶的語法變換為適合于ISO系統內部使用的傳送語法。這樣就屏蔽了不同應用進程的不同數據表示。應用層是OSI參考模型中的最高層，是用戶訪問OSI環(huán)境的接口包含各種各樣的協議，這些協議往往直接針對用戶的需要。TCP/IP參考模型模型TCP/IP網絡接口層是最底層，它包括那些能使TCP/IP與物理網絡進行通信的協議。TCP/IP標準并沒有定義具體的網絡接口協議

21、，而是旨在提供靈活性，以適應各種網絡類型。網際層是在TCP/IP標準中正式定義的第一層。網際層所執(zhí)行的主要功能是消息尋址以及把邏輯地址和名稱轉換成物理地址。通過判定從源計算機到目標計算機的路由，該層還控制子網的操作網際層常用的協議是網際協議(IP)，然而在此操作中也有許多其他協議協助IP的操作。包括: 網際控制報文協議(ICMP):傳送各種信息，包括與包交付有關的錯誤報告。 Internet組管理協議(IGMP):報告主機組從屬關系，以便依靠路由器支持多播發(fā)送。 運輸層負責主機到主機之間的端對端通信該層有兩種協議可用來支持兩種數據傳送方法。這兩個傳輸層協議是: 傳輸控制協議(TCP):它使用面

22、向連接的通信提供可靠的數據傳送。對于大量數據的傳輸或者主機之間的擴展對話，通常都要求有可靠的傳送。TCP能夠進行消息分段和差錯檢驗及恢復，以消除這些因素的影響。 用戶數據報協議(UDP):提供高效的離散數據報傳送，但是不能保證傳送被完成。運用UDP的應用程序必須執(zhí)行自己的錯誤檢驗和恢復。 應用層是TCP/IP模型中的最高層。在該層中，有大量的TCP/IP應用程序和協議文件傳輸協議(FTP)遠程登錄(Telnet)域名服務(DNS)簡單網絡管理協議(SNMP)計算機網絡術語帶寬帶寬是通信信道的寬度，是信道頻率上界與下界之間之差，是介質傳輸能力的度量，在傳統的通信工程中通常以赫茲（Hz）為單位計量

23、。在計算機網絡中，一般使用每秒位數(b/s 或bps) 作為帶寬的計量單位。主要單位：kb/s，Mb/s，Gb/s例如：一個以太局域網每秒可以傳輸1千萬比特，它的帶寬相應為10Mb/s。計算機網絡術語（續(xù)）時延信息從網絡的一端傳送到另一端所需的時間時延之和=處理時延+排隊時延 +發(fā)送時延+傳播時延處理時延=分組首部和錯誤校驗等處理（微秒）排隊時延=數據在中間結點等待轉發(fā)的延遲時間發(fā)送時延=數據位數/信道帶寬傳播時延=d/s（毫秒）d:距離 s:傳播速度光速時延帶寬乘積某一鏈路所能容納的比特數時延帶寬乘積=帶寬傳播時延例如，某鏈路的時延帶寬乘積為100萬比特，這意味著第一個比特到達目的端時，源端已發(fā)送了100萬比特。鏈路帶寬傳播時延體積=時延帶寬乘積往返時延 (Round-Trip Time ，RTT)從信源發(fā)送數據開始，到信源收到信宿確認所經歷的時間RTT2傳播時