北航計算機網(wǎng)絡課件第1章

第一章概論(Introduction)1.1計算機網(wǎng)絡發(fā)展、功能和組成1.2計算機網(wǎng)絡的拓撲結構1.3計算機網(wǎng)絡的分類1.4網(wǎng)絡分層體系結構1.5實體間通信與服務1.6網(wǎng)絡互連1.7計算機網(wǎng)絡的性能1.1計算機網(wǎng)絡發(fā)展、功能和組成1、計算機網(wǎng)絡的演變①具有通信功能的聯(lián)機系統(tǒng)：終端-線路-計算機；②具有通信功能的分時系統(tǒng)：終端-集中器-計算機；①②稱為遠程聯(lián)機系統(tǒng)。TSTTTTTTHOST通信線路T缺點主機負荷重——數(shù)據(jù)處理＋通信線路利用率低集中控制方式，可靠性低③計算機網(wǎng)絡：獨立的計算機互連；④國際標準化網(wǎng)絡：開放式標準計算機網(wǎng)絡；

不同網(wǎng)絡設備之間的兼容性和互操作性是推動網(wǎng)絡體系結構的標準化的原動力.通信網(wǎng)計算機網(wǎng)絡的定義有多種，按流行的觀點，計算機網(wǎng)絡的定義是：按照網(wǎng)絡協(xié)議，以共享為目的，將地理上分散的獨立的計算機互聯(lián)起來的集合體。網(wǎng)絡通常指“三網(wǎng)”，即電信網(wǎng)絡、有線電視網(wǎng)絡和計算機網(wǎng)絡。發(fā)展最快的并起到核心作用的是計算機網(wǎng)絡

“三網(wǎng)”融合2、計算機網(wǎng)絡的功能●數(shù)據(jù)通信●資源共享●并行和分布式處理●提高可靠性●可擴充性3、計算機網(wǎng)絡的組成資源子網(wǎng)—負責信息處理，向網(wǎng)絡用戶提供各種網(wǎng)絡資源與服務。如：計算機系統(tǒng)、外設、軟件資源等。通信子網(wǎng)—負責信息傳遞，完成數(shù)據(jù)傳輸及轉(zhuǎn)發(fā)。如：結點轉(zhuǎn)發(fā)設備、通信設備等也稱為兩層網(wǎng)絡結構通信子網(wǎng)和資源子網(wǎng)網(wǎng)絡(network)由若干結點(node)和連接這些結點的鏈路(link)組成。連接在網(wǎng)絡上的計算機稱為主機(host)。1.2計算機網(wǎng)絡的拓撲結構所謂網(wǎng)絡拓撲結構，是指網(wǎng)絡中各結點間的互連模式。常見的網(wǎng)絡拓撲有：1、網(wǎng)狀拓撲2、星狀拓撲3、樹狀拓撲4、總線型拓撲5、環(huán)狀拓撲6、混合型拓撲網(wǎng)狀拓撲網(wǎng)狀拓撲的特點：①避免擁塞問題②具有較好的健壯性③具有好的安全性④便于管理⑤安裝費用高星狀拓撲星狀拓撲的特點：①拓撲結構簡單②具有較好的健壯性③便于管理④中央控制器是網(wǎng)絡的瓶頸樹狀拓撲樹狀拓撲的特點：①擴展了網(wǎng)絡距離②允許網(wǎng)絡隔離不同計算機的通信總線型拓撲總線型拓撲的特點：①不存在路由②易安裝③總線長度有限④故障隔離問題環(huán)狀拓撲環(huán)狀拓撲的特點：①易安裝②維護管理方便③傳輸延遲大混合型拓撲1.3計算機網(wǎng)絡的分類1、按作用范圍分類①局域網(wǎng)(LAN—LocalAreaNetwork)②城域網(wǎng)(MAN—MetropolitanAreaNetwork)③廣域網(wǎng)(WAN—WideAreaNetwork)2、按通信介質(zhì)分類①有線：同軸電纜、雙絞線、光纖②無線：衛(wèi)星、微波3、按傳播方式分類：①點對點②廣播網(wǎng)4、按通信速率分類：①低速:kbps—1.4Mbps②中速:1.4Mbps—45Mbps③高速:50Mbps—1000Mbps5、按使用范圍分類：①公用網(wǎng)：網(wǎng)通、電信、教育網(wǎng)②專用網(wǎng)：公安、銀行、稅務等6、按網(wǎng)絡控制方式分類：①集中式：網(wǎng)絡控制功能集中在一個結點上。②分布式：不存在控制中心。7、按網(wǎng)絡環(huán)境分類：①部門網(wǎng)（DepartmentalNetwork）②企業(yè)網(wǎng)（Enterprise-WideNetwork）③校園網(wǎng)（CampusNetwork）1.4網(wǎng)絡分層體系結構

計算機網(wǎng)絡是個復雜的系統(tǒng)，在計算機網(wǎng)絡的設計和實現(xiàn)中需要進行分層處理，每層完成特定的功能，各層協(xié)調(diào)起來實現(xiàn)整個網(wǎng)絡系統(tǒng)。網(wǎng)絡協(xié)議：通信雙方必須遵守的規(guī)則、標準、約定。網(wǎng)絡協(xié)議三要素：語義：控制信息的功能及動作。“講什么”語法：數(shù)據(jù)與控制信息的結構或格式。如:數(shù)據(jù)的格式、電平等?！霸趺粗v”

時序：信息的同步,速度匹配。“什么時候講”1.4.1網(wǎng)絡協(xié)議和分層體系結構：計算機網(wǎng)絡的各個層次及其協(xié)議的集合稱為體系結構。網(wǎng)絡協(xié)議分層的優(yōu)點:①獨立，各層之間是獨立的，只需接口②靈活，一層變化不影響其他層③模塊化，各層采取各自技術④易于維護⑤易于標準化1.4.2分層的主要原則主要原則①功能相近的分在一層②層的數(shù)量適當，每層的功能明確③邊界信息要盡量少網(wǎng)絡體系結構是抽象的，是對功能的精確描述。其功能的實現(xiàn)是具體的，是真正運行的硬件和軟件。第一個網(wǎng)絡體系結構是美國的IBM公司在1974年提出的，取名為系統(tǒng)網(wǎng)絡體系結構SNA（SystemNetworkArchitecture）。1.4.3OSI參考模型國際標準化組織ISO于1984年制定了開放系統(tǒng)互連參考模型OSI。模型的作用：解決網(wǎng)絡之間不能兼容和不能通信的問題。模型的內(nèi)容：分7個層次，每層解決一個問題，共同描述計算機通信的過程。國際標準化組織國際標準化組織ISO

電氣電子工程師協(xié)會IEEE電信標準化組織國際電信聯(lián)盟ITU（InternationalTelecommunicationUnion）國際電報電話咨詢委員會CCITT

（ConsultativeCommitteeInternationalTelegraphandTelephone）結點功能：規(guī)定了機械的、電氣的、功能的、規(guī)程的4個特性，負責如何將計算機連接到通信媒體上。物理層(Physical)機械特性：定義連接頭、機械尺寸、通信媒體等。電氣特性：信號電平,編碼,數(shù)據(jù)傳輸率.功能特性：信號之間的關系,數(shù)據(jù)線,控制線等。規(guī)程特性：數(shù)據(jù)交換的控制步驟。物理層數(shù)據(jù)傳輸?shù)膯挝皇潜忍?Bit)。幀同步:傳輸?shù)男畔挝皇菐?Frame)。差錯控制:為上層提供可靠鏈路。流量控制:處理輸入數(shù)據(jù)的速率。鏈路管理:鏈路的建立,維持,拆除。數(shù)據(jù)鏈路層處理相鄰結點的數(shù)據(jù)傳輸,傳輸?shù)臄?shù)據(jù)單元是Frame。數(shù)據(jù)鏈路層(Data-Link)網(wǎng)絡層（Network)任務：路由選擇、阻塞控制、網(wǎng)際互連網(wǎng)絡層處理任意結點的數(shù)據(jù)傳輸,傳輸?shù)男畔挝皇欠纸M(Packet)傳輸層(Transport)端到端的通信,把數(shù)據(jù)可靠的從一端用戶進程送到另一端用戶進程。服務:端到端的流量控制端到端的差錯控制傳輸?shù)男畔卧菆笪?Message)會話層兩個計算機上的用戶進程建立連接，雙方互相確認身份，協(xié)商會話連接的細節(jié)。表示層解決用戶信息的語法問題，對用戶數(shù)據(jù)進行翻譯、編碼和交換。應用層處理用戶的數(shù)據(jù)和信息，完成用戶所希望的實際任務。1.4.4TCP/IP網(wǎng)絡體系結構TCP/IP協(xié)議:(TransmissionControlProtocol/InternetProtocol)是世界上最大的計算機網(wǎng)絡Internet運行的基礎,是目前應用最廣泛的網(wǎng)絡通信協(xié)議。OSI/RM的制定具有十分重大的意義，但是由于TCP/IP協(xié)議得到普遍使用，所以在計算機網(wǎng)絡領域一般認為TCP/IP是事實上的工業(yè)標準，在實際運行的系統(tǒng)中采用OSI模型的并不多。盡管如此，OSI模型仍然對建立計算機網(wǎng)絡具有重要的指導意義。RFC文檔所有關于Internet網(wǎng)絡的正式標準都以RFC（RequestforComment）文檔出版。出版的目的只是為了提供相關的信息。RFC文檔的每一項都用一個數(shù)字來標識，例如RFC983，數(shù)字值越大說明RFC文檔的內(nèi)容越新。所有的RFC文檔都可以網(wǎng)絡上免費獲得。

/中國協(xié)議分析網(wǎng)網(wǎng)絡與因特網(wǎng)網(wǎng)絡是把許多計算機連接在一起。因特網(wǎng)則把許多網(wǎng)絡連接在一起。

(a)(b)網(wǎng)絡互聯(lián)網(wǎng)（網(wǎng)絡的網(wǎng)絡）結點鏈路1.5實體間通信與服務在計算機網(wǎng)絡中，每層的功能由該層的實體來實現(xiàn)，下層實體為上層實體提供服務。上層通過下層的服務完成自己的功能。實體：具有發(fā)送和接收信息的任何東西。包括：終端、軟件、通信進程等。1.5.1層間通信與對等層間通信層間通信：同一結點上相鄰層次的通信。對等層間通信：不同的網(wǎng)絡結點上對等層間的通信。實通信：層間通信和物理層之間的通信。虛通信：對等層間的通信。1.5.2服務于數(shù)據(jù)單元數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡中各結點內(nèi)是沿層次傳送的。每層為其上面各層提供專門的通信服務。也就是說，每層完成的功能是其上各層工作的基礎。N層向N+1層提供服務。N層是服務提供者，N+1層是用戶，服務是通過一組服務原語來執(zhí)行的。層間接口處提供服務的地方稱為服務訪問點SAP(ServiceAccessPoint)相鄰層在提供服務的過程中要傳遞信息，這些信息稱為服務數(shù)據(jù)單元SDU（ServiceDataUnit）。對等層間交換的信息單位稱為協(xié)議數(shù)據(jù)單元PDU（ProtocolDataUnit）N層的PDU由N層的SDU加上該層的協(xié)議控制信息PCI（ProtocolControlInformation）構成。(N+1)PDU--〉(N)SDU(N)SDU+(N)PCI--〉(N)PDU主機

1

向主機

2

發(fā)送數(shù)據(jù)

5432154321主機

1AP2AP1主機

2應用進程數(shù)據(jù)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(jù)

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(jù)

5432154321主機

1AP2AP1主機

2運輸層報文再傳送到網(wǎng)絡層加上網(wǎng)絡層首部，成為IP數(shù)據(jù)報（或分組）主機1向主機2發(fā)送數(shù)據(jù)

5432154321主機

1AP2AP1主機

2IP數(shù)據(jù)報再傳送到數(shù)據(jù)鏈路層加上鏈路層首部和尾部，成為數(shù)據(jù)鏈路層幀主機1向主機2發(fā)送數(shù)據(jù)

5432154321主機

1AP2AP1主機

2數(shù)據(jù)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(jù)

應用層(applicationlayer)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(jù)

5432154321主機

1AP2AP1主機

2物理層接收到比特流，上交給數(shù)據(jù)鏈路層主機1向主機2發(fā)送數(shù)據(jù)

5432154321主機

1AP2AP1主機

2數(shù)據(jù)鏈路層剝?nèi)撞亢蛶膊咳〕鰯?shù)據(jù)部分，上交給網(wǎng)絡層主機1向主機2發(fā)送數(shù)據(jù)

5432154321主機

1AP2AP1主機

2網(wǎng)絡層剝?nèi)ナ撞浚〕鰯?shù)據(jù)部分上交給運輸層主機1向主機2發(fā)送數(shù)據(jù)

5432154321主機

1AP2AP1主機

2運輸層剝?nèi)ナ撞?，取出?shù)據(jù)部分上交給應用層主機1向主機2發(fā)送數(shù)據(jù)

5432154321主機

1AP2AP1主機

2應用層剝?nèi)ナ撞?，取出應用程序?shù)據(jù)上交給應用進程主機1向主機2發(fā)送數(shù)據(jù)

5432154321主機

1AP2AP1主機

2我收到了

AP1

發(fā)來的應用程序數(shù)據(jù)！主機1向主機2發(fā)送數(shù)據(jù)

5432154321主機

1AP2AP1主機

2應用程序數(shù)據(jù)應用層首部H510100110100101比特流110101110101注意觀察加入或剝?nèi)ナ撞浚ㄎ膊浚┑膶哟螒贸绦驍?shù)據(jù)H5應用程序數(shù)據(jù)H4H5應用程序數(shù)據(jù)H3H4H5應用程序數(shù)據(jù)H4運輸層首部H3網(wǎng)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(jù)

5432154321主機

1AP2AP1主機

210100110100101比特流110101110101計算機2的物理層收到比特流后交給數(shù)據(jù)鏈路層H2T2H3H4H5應用程序數(shù)據(jù)H3H4H5應用程序數(shù)據(jù)主機1向主機2發(fā)送數(shù)據(jù)

5432154321主機

1AP2AP1主機

2數(shù)據(jù)鏈路層剝?nèi)撞亢蛶膊亢蟀褞臄?shù)據(jù)部分交給網(wǎng)絡層H2T2H3H4H5應用程序數(shù)據(jù)H4H5應用程序數(shù)據(jù)H3H4H5應用程序數(shù)據(jù)主機1向主機2發(fā)送數(shù)據(jù)

5432154321主機

1AP2AP1主機

2網(wǎng)絡層剝?nèi)シ纸M首部后把分組的數(shù)據(jù)部分交給運輸層H5應用程序數(shù)據(jù)H4H5應用程序數(shù)據(jù)主機1向主機2發(fā)送數(shù)據(jù)

5432154321主機

1AP2AP1主機

2運輸層剝?nèi)笪氖撞亢蟀褕笪牡臄?shù)據(jù)部分交給應用層應用程序數(shù)據(jù)H5應用程序數(shù)據(jù)主機1向主機2發(fā)送數(shù)據(jù)

5432154321主機

1AP2AP1主機

2應用層剝?nèi)脤覲DU首部后把應用程序數(shù)據(jù)交給應用進程主機1向主機2發(fā)送數(shù)據(jù)

5432154321主機

1AP2AP1主機

2我收到了

AP1

發(fā)來的應用程序數(shù)據(jù)！1.5.3服務原語服務用戶和服務提供者之間要進行交互，交互的信息稱為服務原語。服務原語是引用服務的工具，N+1層實體通過使用N層的服務原語向N層實體請求服務。①服務原語類型請求(request)：一個實體請求得到某種服務。由(N+1)向N層發(fā)出的,要求N層提供服務。指示(indication)：把關于某一事件的消息告訴某一實體。由N向(N+1)層發(fā)出，表示服務開始。響應(response)：一個實體愿意響應某一事件.由(N+1)向N層發(fā)出，表示對指示的響應。證實(confirm)：確認一個實體的服務請求。由N向(N+1)層發(fā)出，表示請求已完成。②服務原語的相互關系證實型服務：4個服務原語。非證實型服務：2個服務原語。證實型服務非證實型服務③服務原語的組成

原語名字、原語類型和原語參數(shù)例如:T-CONNECT.request實體、協(xié)議、服務

和服務訪問點協(xié)議(n+1)SAPSAP交換原語交換原語實體(n+1)服務提供者第n層第n+1層實體(n+1)服務用戶實體(n)實體(n)協(xié)議(n)*本層的服務用戶只能看見服務而無法看見下面的協(xié)議。*下面的協(xié)議對上面的服務用戶是透明的。

*協(xié)議是“水平的”，即協(xié)議是控制對等實體之間通信的規(guī)則。*服務是“垂直的”，即服務是由下層向上層通過層間接口提供的。1.5.4面向連接和無連接的服務

在OSI模型中，下層能為上層提供兩種不同類型的服務：面向連接的服務面向無連接的服務所謂連接就是兩個對等實體為通信而進行的一種結合。①面向連接服務類似于打電話。連接本質(zhì)像個管道，發(fā)送者在一端放入物體，接收者在另一端取出。面向連接服務需要3個階段：1、建立連接階段2、數(shù)據(jù)交換階段3、釋放連接階段優(yōu)點：避免報文丟失、重復和亂序。②面向無連接服務：類似于郵政系統(tǒng)的郵件傳遞；通信實體不必事先連接，不能防止報文丟失、重復和亂序。但靈活、快速。1.6網(wǎng)絡互連網(wǎng)絡互連的根本目的是擴大資源的共享范圍。網(wǎng)絡互連主要有“局域網(wǎng)—局域網(wǎng)”、“局域網(wǎng)—廣域網(wǎng)”、“廣域網(wǎng)—廣域網(wǎng)”等幾種形式。網(wǎng)絡互連設備被劃分為四個大類：重發(fā)器(Repeater)，中繼器網(wǎng)橋(Bridge)，交換機路由器(Router)網(wǎng)關(Gate)這四類網(wǎng)絡設備的每一種設備分別和OSI模型中不同層中的協(xié)議交互作用。中繼器(repeater)：通過放大信號，允許我們擴展網(wǎng)絡的物理網(wǎng)段，中繼器不以任何方式改變網(wǎng)絡的功能。因而僅僅運行在OSI模型的物理層上。網(wǎng)橋是一種存儲轉(zhuǎn)發(fā)設備。從協(xié)議的層次上看，網(wǎng)橋同時作用在OSI的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層。網(wǎng)橋在數(shù)據(jù)鏈路層