计算机网络复习纲要.ppt

课程简介,本课程是一门计算机类的专业学科基础课程，该课程由课堂讲授，课下习题，上机实验等具体环节组成。作为计算机类专业的一门核心基础课程，该课程旨在讲授计算机网络的发展状况、网络运行原理、网络体系结构等内容，包括物理层、数据链路层、网络层、运输层、应用层等具体内容。 本课程旨在培养学生了解和掌握计算机网络的基本概念、基本原理、基本技术和实际操作知识，掌握计算机网络应用的常用工具，初步具备分析、设计、维护计算机网络系统的能力。,辅助教学方式, 课后复习提纲及阅读资料 本科教学办公网： 页面：计算机网络基础与应用课程资源 功能：发布课程相关信息,课后复习及阅读资料 疑问解答 个人邮箱：,复习提纲（第一章）,计算机网络在信息时代的作用（两大作用） 计算机网络的发展历史（三个阶段） 计算机网络的组成（两大部分） 三种数据交换方式特点及比较（重点分组交换） 计算机网络的定义、分类（从作用范围、使用者、信息交流对象和接入方式四方面划分） 计算机网络的拓扑结构（三种结构的基本特点） 计算机网络的性能指标（重点时延和网络利用率计算） 计算机网络体系结构（分层、协议、OSI与TCP/IP） 计算机网络体系结构（各层协议的构成和主要功能）,计算机网络在信息时代的作用,21世纪的重要特征是：数字化、网络化、信息化，它是一个以网络为核心的时代。 “三网”指的是电信网络、有线电视网络和计算机网络，其中起到核心作用的是计算机网络。“三网融合”指的是电信网络和有限电视网络都逐渐融入计算机网络的技术。 （实例：手机上网、网络电视 IPTV） 网络改变了人们的工作方式与生活方式，它最主要的功能是：连通性和共享性。,计算机网络的概念,网络（network）：由若干结点（node）和连接这些节点的链路（link）组成。网络中的结点可以是计算机、集线器、交换机、路由器等组成。 互联网：网络和网络可以通过路由器连起来，构成一个覆盖范围更大的网络，因此是“网络的网络”。 因特网：世界上最大的互连网（用户以亿计，互连网络百万计），通常用“一朵云”表示。网络把计算机连接起来，因特网把网络连接起来。 主机：连接在因特网上的计算机。 Internet（专用）和internet（通用）的区别,计算机网络的概念,计算机网络的概念,计算机网络发展的三个阶段,第一阶段是从单个网络 ARPANET向互联网发展的过程。 第二阶段的特点是建成了三级结构的因特网。 第三阶段的特点是逐渐形成了多层次 ISP 结构的因特网。,计算机网络的组成,按工作方式分为以下两大块： 边缘部分由所有连接在因特网上的主机组成。这部分是用户直接使用的，用来进行通信（传送数据、音频或视频）和资源共享。 核心部分由大量网络和连接这些网络的路由器组成。这部分是为边缘部分提供服务的（提供连通性和交换）。 按逻辑结构分为以下两大子网： 资源子网负责全网的数据处理，即向网络用户提供各种网络资源与网络服务，其主要包括主机和终端，主机通过高速通信线路与通信子网的通信控制处理机相连接，而终端是用户访问网络的界面。 通信子网由通信控制处理机、通信线路与其他通信设备组成，其主要完成网络数据传输、转发等通信处理任务。通信控制处理机在网络拓扑结构中被称为网络节点。通信线路为通信处理机之间以及通信处理机与主机之间提供通信信道。,边缘部分（资源子网）,在网络边缘的端系统中运行的程序之间的通信方式通常可划分为两大类： 客户/服务器方式（C/S 方式） 例如：Web浏览器/服务器，电子邮件客户/服务器 对等方式（P2P 方式） 例如：Emule，BT，PT软件,核心部分（通信子网）,网络核心部分是因特网中最复杂的部分。 网络中的核心部分要向网络边缘中的大量主机提供连通性，使边缘部分中的任何一个主机都能够向其他主机通信（即传送或接收各种形式的数据）。 在网络核心部分起特殊作用的是路由器(router)。 路由器是实现分组交换(packet switching)的关键构件，其任务是转发收到的分组，这是网络核心部分最重要的功能。,核心部分（通信子网）,基本问题 数据如何通过路由器 连接的网络进行传输 两大解决途径 电路交换 呼叫专用电路 - 电话网 分组交换 数据通过网络以离散 的“块”发送 - 分组交换网,电路交换的定义和重要特点,电路交换的三个阶段： 建立连接 通信 释放连接 这种必须通过“建立连接”、“通话”、“释放连接”三个步骤的交换方式称为电路交换。 电路交换的重要特点是在通话的全部时间内，通话的两个用户始终占用端到端的通信资源，所以资源利用率低。,报文/分组（包）交换技术,报文/分组交换技术是将被传数据划分成若干报文/分组作为独立的单元在线路上传输，并在网络设备内存储转发。该技术具有通信线路利用率高、出错后纠错效率高等优点，被计算机与通信界广泛采用。存储转发是该技术的核心。 报文/分组的概念 报文（message）是指要发送的整块数据，发送时报文（message）被不断存储转发 分组（packet，又称“包”是指在报文被分成很多数据段，每个数据段前加上一些必要控制信息组成的首部（header）构成一个分组（packet） 分组=首部（header）+数据段,报文/分组（包）交换示例,报文交换的典型代表电报通信，由于报文交换的时延较长，从几分钟到几小时不等。现在报文交换已很少有人使用了。 分组（包）交换的典型代表路由器（router）,主机和路由器的作用区别,主机是为用户进行信息处理的，并向网络发送分组，从网络接收分组。 路由器对分组进行存储转发，最后把分组交付目的主机。,分组交换的优点,高效 动态分配传输带宽，对通信链路是逐段占用。 灵活 以分组为传送单位和查找路由。 迅速 不必先建立连接就能向其他主机发送分组。 可靠 保证可靠性的网络协议；分布式的路由选择协议使网络有很好的生存性。,分组交换带来的问题,分组在各结点存储转发时需要排队，这就会造成一定的时延。 分组必须携带的首部（里面有必不可少的控制信息）也造成了一定的开销。,电信网络按数据交换方式分类,总结-从电路交换到分组交换,核心部分（通信子网）中的三种数据交换方式 电路交换（Circuit Switching）整个报文的比特流连续地从源点直达终点，好像在一个管道中传输； 报文交换（Message Switching）整个报文传送到相邻节点，全部存储下来后查找转发表，转发到下一个节点； 分组（包）交换（Packet Switching）单个分组（只是整个报文的一部分）传送到相邻节点，存储下来后查找转发表，转发到下一个节点；,三种交换方式的比较与适用范围,由于电路交换需要独占物理线路，所以若要传送大量的数据，且其传送时间远大于连接建立时间时，该种方式传输速率较快； 由于报文/分组（包）交换不需要预先分配传输带宽，在传送突发数据时可提高整个网络的信道利用率； 报文/分组（包）交换比较而言，由于一个分组的长度往往远小于整个报文的长度，因此分组（包）交换比报文交换的时延小，同时也具有更好的灵活性；,计算机网络在我国的发展,中国公用计算机互联网 CHINANET1994.9 中国教育和科研计算机网 CERNET 中国科学技术网 CSTNET 中国联通互联网 UNINET 中国网通公用互联网 CNCNET 中国国际经济贸易互联网 CIETNET 中国移动互联网 CMNET 中国长城互联网 CGWNET（建设中） 中国卫星集团互联网 CSNET（建设中）,计算机网络的定义,早期定义一些互相连接的、自治的计算机的集合 计算机网络是利用通信线路(连网设备)将地理上分散的、具有独立功能的许多计算机系统连接起来，按照某种协议进行数据通信，以实现资源共享的信息系统。 最简单计算机网络两个结点（计算机）一条链路 电话通信、计算机通信与数据通信的区别： 电话通信中强调通信的主体是人 计算机通信（计算机网络）中强调通信的主体是计算机中运行的程序 数据通信中强调通信的内容是数据（在进行计算机通信时）,计算机网络的分类,1. 按不同作用范围划分 广域网 WAN (Wide Area Network) 城域网 MAN (Metropolitan Area Network) 局域网 LAN (Local Area Network) 个人区域网 PAN (Personal Area Network) 因特网Internet,计算机网络的分类,2. 按不同使用者划分 公用网（Public Networks）- 由电信部门或从事专业电信运营业务的公司提供的面向公众服务的网络，如中国电信提供的以X.25协议为基础的分组交换网Chinapac、数字数据网ChinaDDN、中国英特网Chinanet，以及非电信部门提供的以卫星通信为基础的“金桥网”。 专用网（Private Networks）- 政府、行业、企业事业单位和学术社团为本行业、本企业和本事业单位服务而建立的网络。专用网的实例很多，其中有代表性的包括教育科研网CERNET、中科院网CASNET、中国经济信息网CEINET以及各级政府部门的网络等等。,计算机网络的分类,3. 按信息交流对象划分(TCP/IP协议为基础) Internet（互联网、网际网或英特网）- 是以TCPIP为基础的全球唯一的国际互联网络的总称，或某电信部门提供的国家、地区的公用数据网络。如中国英特网Chinanet。 Intranet （内联网）- 以TCP/IP协议集为基础的企、事业专用网，在内外部间通过防火墙（Firewall）实施隔离，通过代理服务器（Proxy Server）、加密等措施保证内部信息的通信与访问安全。从这种意义上讲，Intranet 是Internet技术在专用网络中的一种应用。 Extranet (内联外延网）- 为增加企业与合作伙伴、提供商、客户和咨询者的业务交往而将Intranet的互联范围扩大到内部以外的伙伴。,计算机网络的分类,4. 按用户接入方式划分 点对点接入调制解调器、ADSL 电缆/光缆接入HFC网（光纤同轴混合网）、FTTx网（光纤到户网络）,典型家庭网络构成,ADSL或电缆调制解调器 路由器/防火墙/NAT 以太网 无线接入点,计算机网络的拓扑结构,网络拓扑结构是指一个网络中各个节点之间互连的几何构形，即指各个节点之间互相连接方式。 基本的网络拓扑结构有星型、环型、总线型等三种。任何一种网络系统都规定了它们各自的网络拓扑结构。,星型拓扑结构,星形拓扑结构中，节点将分成端点和中间节点两种，每个端点必须通过点到点链路连接到中间节点上，任何两个端节点之间都要通过中间节点实现数据交换和通信。 在节点通信时，网络必须采用适当的访问控制策略和方法来解决节点之间的有序通信问题。 分布式访问控制策略的星形网络中，中间节点主要是网络交换设备，采用存储-转发机制为网络节点提供传输路径和转发服务。另外，中间节点还可以根据需要将一个节点发来的数据同时转发给其它所有的节点，从而实现“广播式”传输。,环型拓扑结构,环形拓扑结构中，各个节点通过收发器连入网络，收发器之间通过点到点链路连接成一个闭合的环形网络。发送节点所发送的数据帧沿着环路单向传递，每经过一个节点，该节点要判断这个数据帧是否发送给本节点的，如果是发送给本节点的，则要将数据帧拷贝下来。然后再将数据帧传递到下游节点。当数据帧历遍各个节点后，由发送节点将数据帧从环路上取下。这样，通过数据帧历遍各个节点可以实现“广播式”传输。 在环形网络中，常用的访问控制方法是基于令牌(Token)的访问控制，它是一种分布式访问控制技术，由令牌及其传递规则来控制各个节点的介质访问，并且将令牌控制机制分布在每个节点上，各个节点将根据令牌传递协议控制节点对网络的访问。,总线型拓扑结构,总线形拓扑结构中，网络中的所有节点都直接连接到同一条传输介质上，这条传输介质称为总线。各个节点将依据一定的访问规则分时地使用总线来传输数据，发送节点发送的数据帧沿着总线向两端传播，总线上的各个节点都能接收到这个数据帧，并判断是否发送给本节点的，如果是发送给本节点的，则将该数据帧保留下来，否则将丢弃该数据帧。 总线形网络的“广播式”传输是依赖于数据信号沿着总线向两端传播的基本特性实现的。 总线形网络中所有的节点共享一条总线，一次只允许一个节点发送数据，其它节点只能处于接收状态。为了使各个节点能够有序而合理地使用总线传输数据，必须采用一种适当的访问控制策略来控制各个节点对总线的访问。,计算机网络的性能指标,速率（bit rate） 指的是连接在计算机网络上的主机在数字信道上传送数据的速率，叫做比特率。速率的单位是b/s或bps，Kb/s, Mb/s, Gb/s。1bit=1个0/1。 带宽（bandwidth）表示网络的通信线路所能传送数据的能力，网络带宽表示在单位时间内从某一点到另一点所能通过的“最高数据率”。不是信号带宽，b/s。 吞吐量（throughput）表示在单位时间内通过某个网络（信道、接口）的数据量；吞吐量受网络带宽或额定速率的限制，例如对于100Mb/s的以太网，典型的吞吐量也就只有70Mb/s。 时延（delay）数据（分组）从网络的一端传送到另一端所需的时间，也称作延迟或迟延。总时延 = 发送时延+传播时延+处理时延+排队时延。 请注意：在计算机界以二进制为基础，K = 210 = 1024，M = 220, G = 230, T = 240，P = 250 ，E = 260 ，Z = 270 ，Y = 280 。,分组时延的4种来源,1. 处理时延: 检查比特差错 决定输出链路,2. 排队时延 等待输出链路传输的时间 取决于路由器拥塞的等级,分组时延的4种来源-在分组交换网中的时延,3. 发送（传输）时延: R= 发送速率 (bps) L= 数据帧长度 (比特) 发送比特进入链路的时间= L/R,4. 传播时延: d = 信道长度 s = 在信道中传播速度 (2x108 m/sec) 传播时延 = d/s,注意: s 和R 是极为不同的量！,4种时延所产生的地方,1 0 1 1 0 0 1,发送器,队列,结点 B,结点 A,在结点 A 中产生 处理时延和排队时延,数据,从结点 A 向结点 B 发送数据,链路,车队类比,车以100 km/hr 速度“传播” 收费站6 sec服务一辆车(处理+排队+发送时延) 车比特；车队分组 问题: 在第二个收费站前排起车队需多长时间？,通过收费站向公路“推出”整个车队的发车时间= 6*10 = 60 sec=1min（处理+排队+发送时延） 最后一辆车从第一到第二个收费站传播的时间： 50km/(100km/hr)= 30min（传播时延） 答案: 31分钟,10辆车的车队,50 km,50 km,节点总时延,dproc = 处理时延 通常几个微秒或更少 dqueue = 排队时延 取决于拥塞程度 dtrans = 传输时延 = L/R, 对低速链路很大 dprop = 传播时延 = d/s, 几微秒到几百毫秒,容易产生的错误概念,对于高速网络链路，我们提高的仅仅是数据的发送速 率而不是比特在链路上的传播速率。 提高链路带宽（发送速率）减小了数据的发送时延，但并不影响其传播时延。,“实际的”因特网时延和路由,“实际的”因特网时延和丢包是怎样的呢？ Traceroute程序: 为路由器提供从源到目的地，朝着目的地沿着端到端因特网路径的时延测量。对所有i: 发送3个分组，该分组在朝着目的地的路径上到达路由器 i 路由器i 将向发送方返回分组 发送方度量传输和响应间的时间间隔。,3 探测分组,3 探测分组,3 探测分组,1 cs-gw (54) 1 ms 1 ms 2 ms 2 (45) 1 ms 1 ms 2 ms 3 (30) 6 ms 5 ms 5 ms 4 (29) 16 ms 11 ms 13 ms 5 (36) 21 ms 18 ms 18 ms 6 () 22 ms 18 ms 22 ms 7 (6) 22 ms 22 ms 22 ms 8 53 (53) 104 ms 109 ms 106 ms 9 (29) 109 ms 102 ms 104 ms 10 (0) 113 ms 121 ms 114 ms 11 (4) 112 ms 114 ms 112 ms 12 nio-n2.cssi.renater.fr (3) 111 ms 114 ms 116 ms 13 nice.cssi.renater.fr (02) 123 ms 125 ms 124 ms 14 r3t2-nice.cssi.renater.fr (10) 126 ms 126 ms 124 ms 15 (4) 135 ms 128 ms 133 ms 16 5 (5) 126 ms 128 ms 126 ms 17 * * * 18 * * * 19 fantasia.eurecom.fr (42) 132 ms 128 ms 136 ms,traceroute: to www.eurecom.fr,Three delay measements from to ,* means no reponse (probe lost, router not replying),trans-oceanic link,计算机网络的性能指标,时延带宽积：时延带宽积 = 传播时延带宽； 往返时间RTT：表示从发送方发送数据开始，到发送方收到来自接收方的确认，总共经历的时间； 利用率：信道或网络利用率过高会产生非常大的时延（类似高速公路）；,利用率,信道利用率指出某信道有百分之几的时间是被利用的（有数据通过）。完全空闲的信道的利用率是零。 网络利用率则是全网络的信道利用率的加权平均值。 信道利用率并非越高越好。,时延与网络利用率的关系,根据排队论的理论，当某信道的利用率增大时，该信道引起的时延也就迅速增加。 若令 D0 表示网络空闲时的时延，D 表示网络当前的时延，则在适当的假定条件下，可以用下面的简单公式表示 D 和 D0之间的关系：,U 是网络的利用率，数值在 0 到 1 之间。 U过高会产生非常大的时间延迟，U一般不超过50,时延 D,利用率 U,1,0,D0,时延 急剧 增大,时延与网络利用率的关系,计算机网络体系结构,计算机网络体系结构是对计算机网络系统的组成及各组成部分的相互关系与基本工作原理的抽象。 网络结构非常复杂，网络体系结构必须解决： 多台计算机间交换信息：信息格式（语义）、如何交换（语法）？ 什么样的网络设备内部结构（组成与相互关系）能达到计算机间的信息交换的目的？ 如何在网络应用之间实现资源共享（资源的定义、发布、寻找、访问与利用）,计算机网络分层的好处及层数问题,分层的好处 各层之间是独立的。 灵活性好。 结构上可分割开。 易于实现和维护。 能促进标准化工作。 层数多少问题 若层数太少，就会使每一层的协议太复杂。 层数太多又会在描述和综合各层功能的系统工程任务时遇到较多的困难。,计算机网络体系结构协议,网络协议（network protocol），简称为协议（protocol），是指为进行网络中的数据交换而建立的规则、标准或约定。 协议的三个基本要素 语法(Syntax)：怎么讲？语法包括数据格式、编码及信号电平等。 语义(Semantics)：讲什么？语义包括用于协调同步和差错处理的控制信息。 同步(Synchronous/Time)：何时讲？同步包括速度匹配和事件实现排序。,计算机网络的体系结构实现的概念,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。计算机网络体系结构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。（可参看Richard Stevens的Unix网络编程和TCP/IP详解2卷）,计算机网络的体系结构协议的分层结构,在实际的数据通信时，数据不是从一台机器的第N层直接传到另一台机器的的第N层，而是把数据和控制信息交给它的下一层，直到最下层。最下层是物理介质，它进行实际的通信。 每层完成一定的功能（Function），每层都向它的上层提供一定的服务(Service)，而将如何实现服务的细节对上层屏蔽，即低层协议对高层而言是透明的。相邻两层之间为层间接口（Interface）。对等层用户通话时所必须遵守的规则称为对等层协议。,计算机网络的体系结构-两种国际标准,世界上一些主要的标准化组织在这方面做了卓有成效的工作，研究和制定了一系列有关数据通信和计算机网络的国际标准OSI/RM参考模型。 法律上的国际标准 OSI 并没有得到市场的认可。 非国际标准 TCP/IP 现在获得了最广泛的应用。 TCP/IP 常被称为事实上的国际标准。,计算机网络的体系结构OSI,OSI参考模型共有7层，由低层至高层分别为 物理层 数据链路层 网络层 传输层 会话层 表示层 应用层,计算机网络的体系结构OSI/RM,计算机网络的体系结构OSI/RM,OSIRM参考模型与网络组成的对应关系 计算机网络中的数据通信（简称“数通”）是包括“网络通信”和“数据通信”这两个部分的，网络通信是在“通信子网”（OSI/RM下面的三层）中进行的（不需要上面各层），用来构建通信双方进行数据通信所需的网络通路；而数据通信是在“资源子网”（OSI/RM上面的四层）中进行，是在网络通信过程完成之后才能进行的，也就是首先要进行的是最下面三层进行的网络通信，构建好通信平台，然后才能利用上面四层进行用户会话，传输用户数据。 更具体划分：13层主要负责通信功能，属于通信子网层。上三层即57层属于资源子网的功能范畴，属于资源子网层。传输层起着衔接上下三层的作用。,计算机网络的体系结构 OSI/RM,OSIRM参考模型 物理层(Physical Layer)：提供为建立、维护和拆除物理链路所需的机械、电气、功能和规的特性；提供有关在传输介质上传输非结构的位流及物理链路故障检测指示。 数据链路层(Data Link Layer)：为网络层实体提供点到点无差错帧传输功能，并进行流控制。 网络层(Network Layer)：为传输层实体提供端到端的交换网络数据传送功能。使得传输层摆脱路由选择、交换方式、拥挤控制等网络传输细节；可以为传输层实体建立、维持和拆除一条或多条通信路径；对网络传输中发生的不可恢复的差错予以报告。 传输层(Transport Layer)：为会话层实体提供透明、可靠的数据传输服务，保证端到端的数据完整性；选择网络层能提供最适宜的服务；提供建立、维护和拆除传输连接功能。,计算机网络的体系结构 OSI/RM,OSIRM参考模型 会话层(Session Layer)：为彼此合作的表示层实体提供建立、维护和结束会话连接的功能；完成通信进程的逻辑名字与物理名字间的对应；提供会话管理服务。 表示层(Presentation Layer)：为应用层进程提供能解释所交换信息含义的一组服务，如代码转换、格式转换、文本压缩、文本加密与解密等。 应用层(Application Layer)：提供OSI用户服务，例如事务处理程序、电子邮件和网络管理程序等。,计算机网络的体系结构 OSI/RM,OSI的七层协议体系结构的特点： 概念描述清楚完备 理论也比较完善 过于复杂，不够实用 因此引入更为简洁的TCP/IP体系结构，到目前已经得到了非常广泛的应用。,计算机网络的体系结构TCP/IP,TCP/IP是一个四层的网络体系结构 TCP/IP包括4层： 应用层（Application layer）- 对应OSI上三层 传输层（ Transport layer ） 网络层（ Network layer ） 网络接口层（ Network interface layer ）- 对应OSI下两层,计算机网络的体系结构TCP/IP,计算机网络的体系结构TCP/IP,TCP/IP各层的主要功能: 应用层 - 直接为用户的应用进程提供服务 传输层 - 负责向两个主机中进程之间通信提供服务。 TCP协议: 面向连接，提供可靠的传输，数据传输的单位是报文段（segment）;UDP协议：无连接的，数据传输单位是用户数据报，不能保证数据传输的正确性，只能提供“尽最大努力传输”。 网络层：负责分组交换，把传输层用户的报文段封装成分组/包，称为IP数据报，进行传送。 网络接口层（暂未定义）：链路层将上层网络层交下来的IP数据报组装成帧（frame），并加上头部，即数据的控制信息。一般的帧大小为几百KB到1024KB；物理层所传输的数据单位是比特（bit），需要考虑的是如何表示发送信号”1”或“0”，而不需要理解比特的含义。 总之，目前在因特网所使用的各种协议中，最常用的就是TCP/IP协议族。,计算机