第1章-計算機網絡分類、性能指標、OSI、TCPIP模型

第1章計算機網絡概述掌握計算機網絡的分類熟悉計算機網絡的主要性能指標了解計算機網絡分層的必要性了解協(xié)議的概念熟悉OSI/RM參考模型掌握TCP/IP模型1.4計算機網絡的分類按網絡拓撲結構劃分總線、星狀、環(huán)狀、網狀、樹狀和星環(huán)網絡按網絡的覆蓋范圍劃分廣域網、城域網、局域網、接入網按通信傳輸介質劃分

有線：雙絞線、同軸電纜、光纖無線：無線電波、微波、紅外線、激光1.4計算機網絡的分類按數據傳輸方式劃分廣播網絡、點對點網絡按使用網絡的對象劃分專用網和公用網按網絡組件的關系劃分對等網絡、基于服務器的網絡1.4.1網絡的拓撲結構星環(huán)型的拓撲結構？1.4.2從網絡的覆蓋范圍進行分類廣域網

WAN(WideAreaNetwork)局域網LAN(LocalAreaNetwork)

城域網MAN(MetropolitanAreaNetwork)接入網

AN(AccessNetwork)

用來把用戶接入到因特網的網絡接入網

AN(AccessNetwork)，它又稱為本地接入網或居民接入網。由ISP提供的接入網只是起到讓用戶能夠與因特網連接的“橋梁”作用。廣域網、城域網、接入網及局域網關系圖城域網城域網接入網接入網接入網接入網接入網接入網廣域網局域網局域網校園網企業(yè)網……1.4.3通信傳輸介質——雙絞線把兩根絕緣的銅導線按一定密度互相絞在一起雙絞線分為屏蔽雙絞線(ShieldedTwistedPair，STP)與非屏蔽雙絞線(UnshieldedTwistedPair，UTP)屏蔽雙絞線在雙絞線與外層絕緣封套之間有一個金屬層蔽層。非屏蔽雙絞線是一種數據傳輸線，由四對不同顏色的傳輸線所組成，廣泛用于以太網和電話線中。1.4.3通信傳輸介質——雙絞線1234567812345678T-568BT-568A1.4.3通信傳輸介質——同軸電纜細纜(thinnet)粗纜(thicknet)1.4.3通信傳輸介質——光纖折射角入射角包層（低折射率的媒體）包層（低折射率的媒體）纖芯（高折射率的媒體）包層纖芯光線在光纖中的折射運行速度每10年提高10倍，傳輸速度每10年提高100倍1.4.4不同使用者的網絡從網絡的使用者進行分類公用網(publicnetwork)專用網(privatenetwork)

1.5計算機網絡的主要性能指標速率帶寬吞吐量時延1.5.1速率速率即數據率(datarate)或比特率(bitrate)是計算機網絡中最重要的一個性能指標。速率的單位是b/s，或kb/s,Mb/s,Gb/s

等比特（bit）是計算機中數據量的單位，也是信息論中使用的信息量的單位。Bit來源于binarydigit，意思是一個“二進制數字”，因此一個比特就是二進制數字中的一個1或0。二進制只有0和1兩個數字問題1：1+1=？問題2：10+11=？問題3：將二進制11轉換成十進制16進制0、1、2、3、4、5、6、7、8、9、A、B、C、D、E、F問題1：7+6=？問題2：A+B=？0x15問題3：十六進制1F對應的十進制是多少？1.5.2帶寬“帶寬”(bandwidth)本來是指信號具有的頻帶寬度，單位是赫（或千赫、兆赫、吉赫等）?，F在“帶寬”是數字信道所能傳送的“最高數據率”的同義語，單位是“比特每秒”，或b/s(bit/s)。字節(jié)和比特byte——字節(jié)bit——比特1byte=8bit作為單位時，通常用B代表byte，用b代表bit?；締挝唬篕、M、G、T在計算機界，K=210=1024，M=220，G=230，T=240。1K(B)=210=1024B1M(B)=210K=220B1G(B)=210M=230B1T(B)=210G=240B問題:1K字節(jié)最多能包含多少個字母，多少個漢字?1024512常用的帶寬單位更常用的帶寬單位是千比每秒，即kb/s（103

b/s），也常寫為kbps兆比每秒，即Mb/s（106

b/s），也常寫為Mbps吉比每秒，即Gb/s（109

b/s），也常寫為Gbps太比每秒，即Tb/s（1012

b/s），也常寫為Tbps描述帶寬也常常把“比特/秒”省略。例如，帶寬是10M，實際上是10Mbps。這里的M是106。問題：如家庭ADSL的帶寬為2Mbps，問傳送一個2M的文件最快不超過多少秒？什么是寬帶？寬帶線路：可通過較高數據率的線路。寬帶是相對的概念，并沒有絕對的標準。在目前，對于用戶接入到因特網的用戶線來說，每秒傳送幾個兆比特就可以算是寬帶速率。ABAB寬帶線路窄帶線路在寬帶線路上比特傳播得快在窄帶線路上比特傳播得慢錯誤的概念ABAB寬帶線路窄帶線路寬帶線路：每秒有更多比特從計算機注入到線路。寬帶線路和窄帶線路上比特的傳播速率是一樣的。正確的概念數字信號流隨時間的變化在時間軸上信號的寬度隨帶寬的增大而變窄。每秒

106

個比特時間1

01

0

111s帶寬為1Mb/s時間每秒

4

106

個比特0.25s帶寬為4Mb/s比喻：汽車運貨寬帶線路窄帶線路寬帶和窄帶線路：車速一樣寬帶線路：車距縮短1.5.3吞吐量（throughput）吞吐量(throughput)表示在單位時間內通過某個網絡（或信道、接口）的數據量。吞吐量更經常地用于對現實世界中的網絡的一種測量，以便知道實際上到底有多少數據量能夠通過網絡。吞吐量受網絡的帶寬或網絡的額定速率的限制,使得吞吐量往往遠小于介質本身可以提供的最大數字帶寬。吞吐量以比特/秒或字節(jié)/秒表示。1.5.4時延(delay或latency)時延是指數據從一個網絡（或一個鏈路）的一端傳送到另一端所需的時間。時延由以下幾部分組成：發(fā)送時延（傳輸時延）發(fā)送數據時，數據塊從結點進入到傳輸介質所需要的時間。傳播時延電磁波在信道上傳播一定距離所花費的時間。處理時延

交換結點為存儲轉發(fā)而進行一些必要的處理所花費的時間。排隊時延結點緩存隊列中分組排隊所經歷的時延。取決于網絡中當時的通信量。四種時延所產生的地方從結點A向結點B發(fā)送數據1011001…發(fā)送器隊列在鏈路上產生傳播時延結點

B結點

A在發(fā)送器產生發(fā)送時延在結點

A中產生處理時延和排隊時延數據鏈路容易產生的錯誤概念對于高速網絡鏈路，我們提高的僅僅是數據的發(fā)送速率而不是比特在鏈路上的傳播速率。提高鏈路帶寬減小了數據的發(fā)送時延。練習1、二進制計算：11對應的10進制是多少？10+11=2、十六進制計算：E對應10進制多少？1E對應10進制多少？A+C=？3、家庭網絡的帶寬為3Mbps，最高下載速度不超過多少KB。1.6計算機網絡的體系結構

1.6.1計算機網絡體系結構的形成相互通信的兩個計算機系統(tǒng)必須高度協(xié)調工作才行，而這種“協(xié)調”是相當復雜的。“分層”可將龐大而復雜的問題，轉化為若干較小的局部問題，而這些較小的局部問題就比較易于研究和處理。分層的網絡體系結構為什么要分層？舉例：商務高層不直接通信問題

課件制作人：謝希仁1.6.2協(xié)議與劃分層次

劃分層次的必要性計算機網絡中的數據交換必須遵守事先約定好的規(guī)則。這些規(guī)則明確規(guī)定了所交換的數據的格式以及有關的同步問題（同步含有時序的意思）。網絡協(xié)議(networkprotocol)，簡稱為協(xié)議，是為進行網絡中的數據交換而建立的規(guī)則、標準或約定。什么是協(xié)議?人們交往的協(xié)議:“現在幾點了?”“我有個問題。”彼此作自我介紹…定義發(fā)送的信息…定義信息接收后,或某個事件發(fā)生后的動作網絡協(xié)議:通信設備之間的交互而不是人們的交往所有在因特網上的通信活動全部是由協(xié)議所控制的什么是協(xié)議?人際交往的協(xié)議和計算機網絡協(xié)議:HiHiGotthetime?2:00TCPconnectionreq.TCPconnectionreply.Gethttp:///index.htm<file>time課件制作人：謝希仁

網絡協(xié)議的組成要素語法數據與控制信息的結構或格式。語義需要發(fā)出何種控制信息，完成何種動作以及做出何種響應。同步事件實現順序的詳細說明。課件制作人：謝希仁

劃分層次的概念舉例主機

1

向主機

2

通過網絡發(fā)送文件?？梢詫⒁龅墓ぷ鬟M行如下的劃分。第一類工作與傳送文件直接有關。確信對方已做好接收和存儲文件的準備。雙方協(xié)調好一致的文件格式。兩個主機將文件傳送模塊作為最高的一層。剩下的工作由下面的模塊負責。課件制作人：謝希仁兩個主機交換文件文件傳送模塊主機

1主機

2文件傳送模塊只看這兩個文件傳送模塊好像文件及文件傳送命令是按照水平方向的虛線傳送的把文件交給下層模塊進行發(fā)送把收到的文件交給上層模塊課件制作人：謝希仁再設計一個通信服務模塊文件傳送模塊主機

1主機

2文件傳送模塊只看這兩個通信服務模塊好像可直接把文件可靠地傳送到對方把文件交給下層模塊進行發(fā)送把收到的文件交給上層模塊通信服務模塊通信服務模塊課件制作人：謝希仁再設計一個網絡接入模塊文件傳送模塊主機

1主機

2文件傳送模塊通信服務模塊通信服務模塊網絡接入模塊網絡接入模塊通信網絡網絡接口網絡接口網絡接入模塊負責做與網絡接口細節(jié)有關的工作例如，規(guī)定傳輸的幀格式，幀的最大長度等。

分層的好處1．獨立性強每層具有獨立的功能，它無須知道下一層是如何工作的，只需知道下層通過層間接口提供的服務是什么，本層向上一層提供的服務是什么即可。每層只負責完成特定的工作任務。2．功能簡單分層結構將復雜的系統(tǒng)分解成若干個功能簡單的部分。3．適應性強當任何一層功能發(fā)生變化時，只要層間接口不變化，那么這種變化就不會影響到其他任何一層，這表明可以對層內進行修改。4．易于實現和維護分層后使得實現和調試大的復雜的系統(tǒng)相對變得簡單和容易。實例：郵局業(yè)務課件制作人：謝希仁

計算機網絡的體系結構計算機網絡的體系結構(architecture)是計算機網絡的各層及其協(xié)議的集合。體系結構就是這個計算機網絡及其部件所應完成的功能的精確定義。實現(implementation)是遵循這種體系結構的前提下用何種硬件或軟件完成這些功能的問題。體系結構是抽象的，而實現則是具體的，是真正在運行的計算機硬件和軟件。1.6.3OSI開放系統(tǒng)互連參考模型ISO（InternationalOrganizationforStandardization）國際標準化組織OSI（OpenSystemInterconnection）開放系統(tǒng)互聯(lián)只要遵循OSI標準，一個系統(tǒng)就可以和位于世界上任何地方的、也遵循這同一標準的其他任何系統(tǒng)進行通信。特點：定義了網絡的七層功能及對應各個層的協(xié)議，稱七層協(xié)議。OSI的七層網絡結構

應用層

表示層

會話層

運輸層

網絡層數據鏈路層

物理層ApplicationPresentationSessionTransportNetworkDataLinkPhysical面向應用依賴網絡（1）物理層物理層是OSI的最低層，建立在物理通信介質上，但應注意，物理層并不是指傳輸介質。物理層處理數據的單位是二進制位，比特（bit）。物理層定義了純粹的物理及電子技術細節(jié)，通過物理連接的建立實現傳輸介質上比特流的傳輸。例如，如何表示1和0，網絡連接器（和傳輸介質的接口）的針腳是多少并如何排列，各引腳都代表什么功能，數據如何同步，以及網卡何時發(fā)送數據等等。OSI模型中各層的功能OSI模型中各層的功能（2）數據鏈路層鏈路層傳送數據的單位是“幀”。從網絡層接收數據，將特定的控制信息封裝到名為“幀”的數據信息里，再將其傳給物理層。數據鏈路層能提供差錯控制和流量控制能力，可確保數據從一臺計算機正確無誤地傳遞給另一臺計算機。什么叫幀？網絡上最小的數據傳輸單位稱為幀。幀由幾部分組成，不同的部分執(zhí)行不同的功能?！皫睌祿蓛刹糠纸M成：幀頭和幀數據。

幀頭包括接收方主機物理地址的定位以及其它網絡信息。

幀數據區(qū)含有一個數據體。為確保計算機能夠解釋數據幀中的數據，這兩臺計算機使用一種公用的通訊協(xié)議。OSI模型中各層的功能（3）網絡層網絡層傳送數據的單位是：包，也叫分組或IP數據報。網絡層把分組從源結點傳送到目標結點。網絡層具有路由選擇、擁塞控制、解決異構網絡互連問題的功能。網絡層主要使用的協(xié)議：IP協(xié)議OSI模型中各層的功能（4）運輸層運輸層處理數據的單位是：數據段運輸層是OSI模型中承上啟下的層，它下面的3層主要面向網絡通信，上面的3層則面向主機用戶運輸層能分割長的報文，再交給網絡層運輸層能確保數據包順利地到達目的地，保證數據包不丟失、不重復和無差錯運輸層使用的協(xié)議：TCP和UDPOSI模型中各層的功能（5）會話層在兩個結點之間建立、維護和釋放面向用戶的連接，負責通訊雙方在正式開始傳輸前的溝通，建立傳輸時所遵循的規(guī)則，使傳輸更順暢、高效。采取何種通信方式，提供更有效的差錯控制，是否允許暫時中斷對話。OSI模型中各層的功能（6）表示層處理被傳送數據的表示問題。負責數據格式的轉換、壓縮與解壓縮、加密與解密。OSI模型中各層的功能（7）應用層該層包括許多與應用有關的服務，提供對用戶程序的直接支持。應用層的功能最豐富，實現也最復雜。應用層的協(xié)議很多，如支持萬維網的HTTP協(xié)議，支持電子郵件的SMTP協(xié)議，支持文件傳輸的FTP協(xié)議等等。OSI各層主要功能歸納物理層：透明地傳輸比特流。數據鏈路層：在相鄰結點之間無差錯地傳送幀。網絡層：在源和目的子網結點之間選擇路由。運輸層：在端到端之間可靠地傳輸報文。會話層：進行會話管理與會話同步。表示層：數據格式轉換、數據加密、解密等。應用層：直接支持用戶程序。應用層運輸層表示層會話層網絡層數據鏈路層物理層7654321主機A應用層運輸層網絡層表示層會話層數據鏈路層物理層7654321主機B網絡層數據鏈路層物理層321

OSI模型對等層通信OSI的層次間關系OSI模型每一層數據的名稱包每層間對應的“協(xié)議數據單元”（ProtocolDataUnit，簡稱PDU）的名稱都是不同的課件制作人：謝希仁1.6.4TCP/IP的體系結構

開放系統(tǒng)互連參考模型OSI/RM的失敗只要遵循OSI標準，一個系統(tǒng)就可以和位于世界上任何地方的、也遵循這同一標準的其他任何系統(tǒng)進行通信。在市場化方面OSI卻失敗了。OSI的專家們在完成OSI標準時沒有商業(yè)驅動力；OSI的協(xié)議實現起來過分復雜，且運行效率很低；OSI標準的制定周期太長，因而使得按OSI標準生產的設備無法及時進入市場；OSI的層次劃分并也不太合理，有些功能在多個層次中重復出現。

課件制作人：謝希仁兩種國際標準法律上的國際標準OSI并沒有得到市場的認可。非國際標準TCP/IP現在獲得了最廣泛的應用。TCP/IP常被稱為事實上的國際標準。1.6.4互聯(lián)網TCP/IP模型當今互聯(lián)網廣泛使用的是DoD（DepartmentOfDefenseModel，美國國防部模型），是美國國防部設計的一個網絡模型，最早用于ARPANET。有時也稱TCP/IP體系結構，是四層的結構?；ヂ?lián)網使用TCP/IP協(xié)議族，注意并不是指TCP和IP這兩個協(xié)議，而是一組協(xié)議，只不過TCP和IP是其中最重要的兩個協(xié)議。TCP/IP模型的體系結構TCP/IP為四層模型網絡接口層網際層運輸層應用層應用層網絡接口層網際層運輸層TCP/IP的體系結構TCP/IP的體系結構應用層運輸層網際層網絡接口層主機A主機B路由器網絡

2網絡

1應用層運輸層網際層網絡接口層網際層網絡接口層4321路由器在轉發(fā)分組時最高只用到網絡層而沒有使用運輸層和應用層。

TCP/IP各層主要協(xié)議沙漏計時器形狀的TCP/IP協(xié)議族

HTTPSMTPDNSFTPTCPUDPIP網絡層網絡接口層運輸層應用層………網絡接口

1網