GCT系統(tǒng)網絡第1章概述

計算機網絡第1章概述內容概覽計算機網絡在信息時代中的作用因特網概述因特網的組成計算機網絡在我國的發(fā)展計算機網絡的類別計算機網絡的性能計算機網絡體系結構2023/2/221.1計算機網絡在信息時代的作用21世紀的一些重要特征就是數(shù)字化、網絡化和信息化。21世紀是一個以網絡為核心的信息時代。網絡包括三種：電信網絡、有線電視網絡和計算機網絡。計算機網絡發(fā)展最快且起到了核心作用，成為信息社會的命脈和發(fā)展知識經濟的重要基礎。進入20世紀90年代以后，以因特網為代表的計算機網絡得到了飛速的發(fā)展，已從最初的教育科研網絡逐步發(fā)展成為商業(yè)網絡，并成為僅次于全球電話網的世界第二大網絡。因特網是自印刷術以來人類通信方面最大的變革2023/2/231.1計算機網絡在信息時代的作用計算機網絡向用戶提供的最重要的功能連通性——計算機網絡使上網用戶之間都可以交換信息，好像這些用戶的計算機都可以彼此直接連通一樣。共享——即資源共享?？梢允切畔⒐蚕?、軟件共享，也可以是硬件共享。2023/2/241.2因特網概述若干概念主機（host）、結點（node）、鏈路（link）、網絡（network）互聯(lián)網（internet）、因特網（Internet）網絡互聯(lián)網（網絡的網絡）結點鏈路網絡把許多計算機連接在一起因特網則把許多網絡連接在一起2023/2/251.2因特網概述因特網發(fā)展的三個階段第一階段是從單個網絡ARPANET向互聯(lián)網發(fā)展的過程1969年ARPANET誕生1983年TCP/IP協(xié)議成為ARPANET上的標準協(xié)議1990年ARPANET關閉第二階段的特點是建成了三級結構的因特網：主干網、地區(qū)網、校園網（或企業(yè)網）第三階段的特點是逐漸形成了多層次ISP結構的因特網2023/2/261.2因特網概述具有三層ISP結構的因特網的概念示意圖2023/2/271.2因特網概述到2012年3月，全球已經有91個國家擁有IXP，其中擁有10個以上IXP的國家僅有9個，而僅擁有一個IXP的有48個國家。2023/2/281.2因特網概述因特網已經成為世界上規(guī)模最大和增長速率最快的計算機網絡，沒有人能夠準確說出因特網究竟有多大。因特網的迅猛發(fā)展始于20世紀90年代。由歐洲原子核研究組織CERN開發(fā)的萬維網WWW(WorldWideWeb)被廣泛使用在因特網上，大大方便了廣大非網絡專業(yè)人員對網絡的使用，成為因特網的這種指數(shù)級增長的主要驅動力。年份網絡數(shù)主機數(shù)用戶數(shù)管理機構數(shù)1980101021021001990103105106101200010510710810220051061081091032023/2/291.2因特網概述因特網標準化相關機構2023/2/2101.2因特網概述制訂因特網的正式標準要經過四個階段因特網草案(InternetDraft)——在這個階段還不是

RFC文檔建議標準(ProposedStandard)——從這個階段開始就成為RFC文檔草案標準(DraftStandard)因特網標準(InternetStandard)2023/2/2111.3因特網的組成從因特網的工作方式上看，可以劃分為以下的兩大塊：邊緣部分由所有連接在因特網上的主機組成。這部分是用戶直接使用的，用來進行通信（傳送數(shù)據、音頻或視頻）和資源共享。核心部分由大量網絡和連接這些網絡的路由器組成。這部分是為邊緣部分提供服務的（提供連通性和交換）2023/2/2121.3因特網的組成處在因特網邊緣的部分就是連接在因特網上的所有的主機。這些主機又稱為端系統(tǒng)(endsystem)“主機A和主機B進行通信”，實際上是指：“運行在主機A上的某個程序和運行在主機B上的另一個程序進行通信”，即“主機A的某個進程和主機B上的另一個進程進行通信”端系統(tǒng)中運行的程序之間的通信方式通?？煞譃椋嚎蛻舴掌鞣绞剑–/S方式）即Client/Server方式對等方式（P2P方式）即Peer-to-Peer方式2023/2/2131.3因特網的組成客戶服務器方式客戶(client)和服務器(server)都是指通信中所涉及的兩個應用進程客戶是服務的請求方，服務器是服務的提供方2023/2/2141.3因特網的組成客戶軟件的特點被用戶調用后運行，在打算通信時主動向遠地服務器發(fā)起通信（請求服務）。因此，客戶程序必須知道服務器程序的地址不需要特殊的硬件和很復雜的操作系統(tǒng)服務器軟件的特點一種專門用來提供某種服務的程序，可同時處理多個遠地或本地客戶的請求系統(tǒng)啟動后即自動調用并一直不斷地運行著，被動地等待并接受來自各地的客戶的通信請求。因此，服務器程序不需要知道客戶程序的地址一般需要強大的硬件和高級的操作系統(tǒng)支持2023/2/2151.3因特網的組成對等連接方式對等連接(peer-to-peer，簡寫為P2P)是指兩個主機在通信時并不區(qū)分哪一個是服務請求方還是服務提供方只要兩個主機都運行了對等連接軟件（P2P軟件），它們就可以進行平等的、對等連接通信雙方都可以下載對方已經存儲在硬盤中的共享文檔2023/2/216對等連接方式從本質上看仍然是使用客戶服務器方式1.3因特網的組成因特網的核心部分網絡核心部分是因特網中最復雜的部分網絡中的核心部分要向網絡邊緣中的大量主機提供連通性，使邊緣部分中的任何一個主機都能夠向其他主機通信（即傳送或接收各種形式的數(shù)據）在網絡核心部分起特殊作用的是路由器(router)路由器是實現(xiàn)分組交換(packetswitching)的關鍵構件，其任務是轉發(fā)收到的分組，這是網絡核心部分最重要的功能2023/2/2171.3因特網的組成早期的語音交換2023/2/2181.3因特網的組成“交換”(switching)“交換”的含義就是轉接——把一條電話線轉接到另一條電話線，使它們連通起來。從通信資源的分配角度來看，“交換”就是按照某種方式動態(tài)地分配傳輸線路的資源2023/2/2191.3因特網的組成早期語音交換（也稱為電路交換）的特點電路交換必定是面向連接的電路交換的三個階段：建立連接、通信、釋放連接2023/2/2201.3因特網的組成計算機網絡的產生背景1953年收發(fā)器終端的出現(xiàn)標志著計算機網絡的誕生傳統(tǒng)的電路交換(circuitswitching)的電信網有一個缺點：正在通信的電路中有一個交換機或有一條鏈路被炸毀，則整個通信電路就要中斷，如要改用其它迂回電路，必須重新?lián)芴柦⑦B接。這將要延誤一些時間、60年代初，美國國防部領導的遠景研究規(guī)劃局ARPA(AdvancedResearchProjectAgency)提出要研制一種生存性(survivability)很強的網絡網絡用于計算機之間的數(shù)據傳送，而不是為了打電話。網絡能夠連接不同類型的計算機，不局限于單一類型的計算機。所有的網絡結點都同等重要，因而大大提高網絡的生存性。計算機在進行通信時，必須有冗余的路由。網絡的結構應當盡可能地簡單，同時還能夠非常可靠地傳送數(shù)據。1969年ARPANET的運行標志著現(xiàn)代計算機網絡的誕生2023/2/2211.3因特網的組成2023/2/2221.3因特網的組成分組交換的工作原理示例在發(fā)送端，先把較長的報文劃分成較短的、固定長度的數(shù)據段2023/2/223報文1101000110101010110101011100010011010010假定這個報文較長不便于傳輸1.3因特網的組成分組交換的工作原理示例每一個數(shù)據段前面添加上首部構成分組2023/2/224數(shù)據數(shù)據數(shù)據報文首部首部首部分組

1分組

2分組

3請注意：現(xiàn)在左邊是“前面”1.3因特網的組成分組交換的工作原理示例分組交換網以“分組”作為數(shù)據傳輸單元。依次把各分組發(fā)送到接收端（假定接收端在左邊）2023/2/225數(shù)據首部分組

1數(shù)據首部分組

2數(shù)據首部分組

31.3因特網的組成分組首部的重要性每一個分組的首部都含有地址等控制信息分組交換網中的結點交換機根據收到的分組的首部中的地址信息，把分組轉發(fā)到下一個結點交換機用這樣的存儲轉發(fā)方式，最后分組就能到達最終目的地2023/2/2261.3因特網的組成分組交換的工作原理示例接收端收到分組后剝去首部還原成報文2023/2/227數(shù)據首部分組

1數(shù)據首部分組

2數(shù)據首部分組

3收到的數(shù)據1.3因特網的組成分組交換的工作原理示例最后，在接收端把收到的數(shù)據恢復成為原來的報文2023/2/228數(shù)據數(shù)據數(shù)據報文1101000110101010110101011100010011010010這里我們假定分組在傳輸過程中沒有出現(xiàn)差錯，在轉發(fā)時也沒有被丟棄1.3因特網的組成分組的存儲轉發(fā)過程2023/2/229H1A互聯(lián)網BDECH5H6H4H2H3H1

向

H5

發(fā)送分組路由器主機在路由器

E

暫存查找轉發(fā)表找到轉發(fā)的端口最后到達目的主機

H5在路由器

C

暫存查找轉發(fā)表找到轉發(fā)的端口在路由器

A

暫存查找轉發(fā)表找到轉發(fā)的端口1.3因特網的組成路由器在路由器中的輸入和輸出端口之間沒有直接連線路由器處理分組的過程是：把收到的分組先放入緩存（暫時存儲）查找轉發(fā)表，找出到某個目的地址應從哪個端口轉發(fā)把分組送到適當?shù)亩丝谵D發(fā)出去

主機vs路由器主機是為用戶進行信息處理的，并向網絡發(fā)送分組，從網絡接收分組。路由器對分組進行存儲轉發(fā)，最后把分組交付目的主機2023/2/2301.3因特網的組成再議因特網的核心因特網的核心部分是由許多網絡和把它們互連起來的路由器組成，而主機處在因特網的邊緣部分。在因特網核心部分的路由器之間一般都用高速鏈路相連接，而在網絡邊緣的主機接入到核心部分則通常以相對較低速率的鏈路相連接。主機的用途是為用戶進行信息處理的，并且可以和其他主機通過網絡交換信息。路由器的用途則是用來轉發(fā)分組的，即進行分組交換的。2023/2/2311.3因特網的組成分組交換中每個分組獨立選路2023/2/232H1A互聯(lián)網BDECH5H6H4H2H3H1向H5

發(fā)送分組H2向H6

發(fā)送分組注意分組路徑的變化！路由器主機1.3因特網的組成分組交換的優(yōu)點高效動態(tài)分配傳輸帶寬，對通信鏈路是逐段占用靈活以分組為傳送單位和查找路由迅速不必先建立連接就能向其他主機發(fā)送分組可靠

保證可靠性的網絡協(xié)議；分布式的路由選擇協(xié)議使網絡有很好的生存性分組交換帶來的問題分組在各結點存儲轉發(fā)時需要排隊，這就會造成一定的時延

分組必須攜帶的首部（里面有必不可少的控制信息）也造成了一定的開銷2023/2/2331.3因特網的組成ARPANET的成功使計算機網絡的概念發(fā)生根本變化早期的面向終端的計算機網絡是以單個主機為中心的星形網各終端通過通信線路共享昂貴的中心主機的硬件和軟件資源

分組交換網則是以網絡為中心，主機都處在網絡的外圍用戶通過分組交換網可共享連接在網絡上的許多硬件和各種豐富的軟件資源

2023/2/2341.4計算機網絡在我國的發(fā)展鐵道部在1980年開始進行計算機聯(lián)網實驗。1989年11月我國第一個公用分組交換網CNPAC建成運行。1994年4月20日我國用64kb/s專線正式連入因特網。中國教育和科研計算機網CERNET(ChinaEducationandResearchNETwork)，簡稱為中國教育網，是由國家投資建設，教育部負責管理，清華大學等高等學校承擔建設和管理運行的全國性學術計算機互聯(lián)網絡。中國互聯(lián)網絡信息中心CNNIC(NetworkInformationCenterofChina)每年兩次公布的我國因特網的發(fā)展情況。2023/2/2351.5計算機網絡的定義和類別計算機網絡的定義——一些互相連接的、自治的計算機的集合從網絡的作用范圍進行分類廣域網WAN(WideAreaNetwork)局域網LAN(LocalAreaNetwork)

城域網MAN(MetropolitanAreaNetwork)個人區(qū)域網PAN(PersonalAreaNetwork)從網絡的使用者進行分類公用網(publicnetwork)專用網(privatenetwork)用來把用戶接入到因特網的網絡——接入網

AN(AccessNetwork)，又稱為本地接入網或居民接入網2023/2/2361.6計算機網絡的性能速率——即數(shù)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、kb/s、Mb/s、Gb/s等帶寬——數(shù)字信道所能傳送的“最高數(shù)據率”的同義語，單位是b/s、

kb/s、Mb/s、Gb/s、Tb/s等吞吐量——表示在單位時間內通過某個網絡（或信道、接口）的數(shù)據量。注意：2023/2/237單位計算機界網絡&存儲界K210103M220106G230109T24010121.6計算機網絡的性能時延2023/2/238總時延=發(fā)送時延+傳播時延+處理時延+處理時延1.6計算機網絡的性能時延帶寬積2023/2/239時延帶寬積=傳播時延帶寬鏈路的時延帶寬積又稱為以比特為單位的鏈路長度1.6計算機網絡的性能往返時延RTT——表示從發(fā)送方發(fā)送數(shù)據開始，到發(fā)送方收到來自接收方的確認為止，總共經歷的時間利用率信道利用率指出某信道有百分之幾的時間是被利用的（有數(shù)據通過）。完全空閑的信道的利用率是零網絡利用率則是全網絡的信道利用率的加權平均值信道利用率并非越高越好2023/2/2401.6計算機網絡的性能其它非性能指標費用質量標準化可靠性可擴展性和可升級性易于管理和維護2023/2/2411.7計算機網絡體系結構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。計算機網絡中的數(shù)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(shù)據的格式以及有關的同步問題（同步含有時序的意思）“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。2023/2/2421.7計算機網絡體系結構2023/2/243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1.7計算機網絡體系結構2023/2/244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1.7計算機網絡體系結構2023/2/245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?shù)膸袷?，幀的最大長度等。1.7計算機網絡體系結構網絡協(xié)議——簡稱協(xié)議，是為進行網絡中的數(shù)據交換而建立的規(guī)則、標準或約定語法

數(shù)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(xiàn)順序的詳細說明協(xié)議vs服務2023/2/2461.7計算機網絡體系結構分層的好處各層之間是獨立的靈活性好結構上可分割開易于實現(xiàn)和維護能促進標準化工作層數(shù)多少要恰當若層數(shù)太少，就會使每一層的協(xié)議太復雜層數(shù)太多又會在描述和綜合各層功能的系統(tǒng)工程任務時遇到較多的困難2023/2/2471.7計算機網絡體系結構計算機網絡體系結構——計算機網絡的各層及其協(xié)議的集合。因特網的五層體系結構應用層:

支持網絡應用FTP,SMTP,STTP運輸層:

主機間的數(shù)據傳輸TCP,UDP網絡層:將數(shù)據報從源端傳送到目的端IP,路由協(xié)議鏈路層:

數(shù)據在網絡相鄰結點之間傳輸PPP,以太網物理層:

在線路上傳輸比特流2023/2/248數(shù)據鏈路層5應用層4運輸層3網絡層2數(shù)據鏈路層1物理層主機

1

向主機

2

發(fā)送數(shù)據5432154321主機

1AP2AP1主機

2應用進程數(shù)據先傳送到應用層加上應用層首部，成為應用層

PDU主機

1

向主機

2

發(fā)送數(shù)據5432154321主機

1AP2AP1主機

2應用層PDU再傳送到運輸層加上運輸層首部，成為運輸層報文主機

1

向主機

2

發(fā)送數(shù)據5432154321主機

1AP2AP1主機

2運輸層報文再傳送到網絡層加上網絡層首部，成為IP數(shù)據報（或分組）主機

1

向主機

2

發(fā)送數(shù)據5432154321主機

1AP2AP1主機

2IP數(shù)據報再傳送到數(shù)據鏈路層加上鏈路層首部和尾部，成為數(shù)據鏈路層幀主機

1

向主機

2

發(fā)送數(shù)據5432154321主機

1AP2AP1主機

2數(shù)據鏈路層幀再傳送到物理層最下面的物理層把比特流傳送到物理媒體主機

1

向主機

2

發(fā)送數(shù)據5432154321物理傳輸媒體主機

1AP2AP1電信號（或光信號）在物理媒體中傳播從發(fā)送端物理層傳送到接收端物理層主機

2主機

1

向主機

2

發(fā)送數(shù)據5432154321主機

1AP2AP1主機

2物理層接收到比特流，上交給數(shù)據鏈路層主機

1

向主機

2

發(fā)送數(shù)據5432154321主機

1AP2AP1主機

2數(shù)據鏈路層剝去幀首部和幀尾部取出數(shù)據部分，上交給網絡層主機

1

向主機

2

發(fā)送數(shù)據5432154321主機

1AP2AP1主機

2網絡層剝去首部，取出數(shù)據部分上交給運輸層主機

1

向主機

2

發(fā)送數(shù)據5432154321主機

1AP2AP1主機

2運輸層剝去首部，取出數(shù)據部分上交給應用層主機

1

向主機

2

發(fā)送數(shù)據5432154321主機

1AP2AP1主機

2應用層剝去首部，取出應用程序數(shù)據上交給應用進程主機

1

向主機

2

發(fā)送數(shù)據5432154321主機

1AP2AP1主機

2我收到了

AP1

發(fā)來的應用程序數(shù)據！主機

1

向主機

2

發(fā)送數(shù)據5432154321主機

1AP2AP1主機

2應用程序數(shù)據應用層首部H50100110100101比特流1101011101注意觀察加入或剝去首部（尾部）的層次應用程序數(shù)據H5應用程序數(shù)據H4H5應用程序數(shù)據H3H4H5應用程序數(shù)據H4運輸層首部H3網絡層首部H2鏈路層首部T2鏈路層尾部主機

1

向主機

2

發(fā)送數(shù)據5432154321主機

1AP2AP1主機

20100110100101比特流1101011101計算機2的物理層收到比特流后交給數(shù)據鏈路層H2T2H3H4H5應用程序數(shù)據H3H4H5應用程序數(shù)據主機

1

向主機

2

發(fā)送數(shù)據5432154321主機

1AP2AP1主機

2數(shù)據鏈路層剝去幀首部和幀尾部后把幀的數(shù)據部分交給網絡層H2T2H3H4H5應用程序數(shù)據H4H5應用程序數(shù)