《计算机网络2》教学课件

1、网络原理:概述李文斌 博士/副教授/硕士生导师中国计算机学会高级会员美国PMI认证PMPMCSE、MCP+I、MCP、D-SIE 河北师范大学软件学院第1页，共95页。内容什么是网络？网络的类别因特网及我国的网络建设情况网络的性能计算机网络的体系结构第2页，共95页。什么是网络网络的概念很宽泛：社会关系网络、生态网络、计算机网络.专业上，网络指三网：电信网络、有线电视网络、计算机网络没有（计算机）网络，世界将会怎样？网络的功能连通性资源共享信息共享软件共享硬件共享科学技术是双刃剑，网络也不例外网络游戏信息化建设第3页，共95页。网络的表示结点(node)，不要写成节点：计算机集线器交换机路由器

2、为简单起见，通常用一朵云表示一个网络(a)网络结点链路第4页，共95页。内容什么是网络？网络的类别因特网及我国的网络建设情况网络的性能计算机网络的体系结构第5页，共95页。网络的类别不同作用范围的网络广域网 WAN (Wide Area Network)局域网 LAN (Local Area Network) 城域网 MAN (Metropolitan Area Network)个人区域网 PAN (Personal Area Network)从网络的使用者进行分类公用网 (public network) 专用网 (private network) 用来把用户接入到因特网的网络接入网 AN (

3、Access Network)，它又称为本地接入网或居民接入网。由 ISP 提供的接入网只是起到让用户能够与因特网连接的“桥梁”作用。第6页，共95页。特殊的网络：网络的网络网络：把计算机连接起来网络的网络：把网络连接起来互联网(internet)或说互连网因特网(Internet)：覆盖全球范围的互联网万维网是什么？与Internet区分开来！互联网（网络的网络）第7页，共95页。内容什么是网络？网络的类别因特网及我国的网络建设情况因特网简介及标准化因特网的组成（边缘）因特网的组成（核心）网络的性能计算机网络的体系结构第8页，共95页。因特网的发展第一阶段是从单个网络 ARPANET 向互联

4、网发展的过程。 1983 年 TCP/IP 协议成为 ARPANET 上的标准协议。人们把 1983 年作为因特网的诞生时间。第二阶段的特点是建成了三级结构的因特网。 三级计算机网络，分为主干网、地区网和校园网（或企业网）第三阶段的特点是逐渐形成了多层次 ISP 结构的因特网。出现了因特网服务提供者 ISP (Internet Service Provider)。第9页，共95页。多层次 ISP 结构的因特网一级 ISP一级 ISP第一层 ISP大公司本地 ISP大公司大公司公司本地 ISP本地 ISP校园网校园网校园网校园网第二层 ISP第二层 ISPNAPNAPAB主机A 本地 ISP 第

5、二层 ISP NAP 第一层 ISP NAP 第二层 ISP 本地 ISP 主机B第一层 ISP第二层 ISP本地 ISP本地 ISP本地 ISP本地 ISP第一层 ISP第一层第二层第三层本地 ISP第二层 ISP本地 ISP本地 ISP本地 ISP本地 ISP第二层 ISP本地 ISP本地 ISP第二层 ISP第10页，共95页。用户通过ISP上Internet用户因特网ISP1ISP2因特网服务提供者第11页，共95页。因特网的发展情况年份网络数主机数用户数管理机构数1980101021021001980103105106101198010510710810219801061081091

6、03第12页，共95页。因特网的标准化为什么要做标准化？标准化组织因特网协会 ISOC因特网研究指导小组IRSG 因特网研究部 IRTF 因特网工程部 IETF 因特网工程指导小组IESG RGWGRG领域领域因特网体系结构研究委员会 IAB WGWGWG第13页，共95页。RFC文档因特网的标准都以RFC文档的形式发布，面向公众免费下载RFC（Request For Comments）：请求评论RFC文档分为六类：因特网草案(Internet Draft) 在这个阶段还不是 RFC 文档。建议标准(Proposed Standard) 从这个阶段开始就成为 RFC 文档。草案标准(Draft

7、 Standard)因特网标准(Internet Standard)历史的实验的提供信息的第14页，共95页。RFC文档(cont.)因特网草案建议标准草案标准因特网标准历史的 RFC实验的 RFC提供信息的 RFC6 种 RFC第15页，共95页。内容什么是网络？网络的类别因特网及我国的网络建设情况因特网简介及标准化因特网的组成（边缘）因特网的组成（核心）网络的性能计算机网络的体系结构第16页，共95页。因特网的组成从因特网的工作方式上看，可以划分为以下的两大块：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

8、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）。因特网的核心部分因特网的边缘部分主机网络路由器第17页，共95页。端系统间的通信端系统/端：因特网的末端掌上电脑PC机大型计算机端-端的通信如：主机A与主机B通信，指的是主机A上的某进程与主机B上的某进程之间的通信。通信方式：C/S与P2P方式注意client与user之间的区别注意区分”软概念“与”硬概念“上的client和server第18页，共95页。C/S方式客户(client)和服务器(server)都是指通信中所涉及的两个应用进程。客户机程序：被用户调用后运行，在打算通信时主动向远地服务器发起通信（请

9、求服务）。因此，客户程序必须知道服务器程序的地址。不需要特殊的硬件和很复杂的操作系统。服务器程序：一种专门用来提供某种服务的程序，可同时处理多个远地或本地客户的请求。系统启动后即自动调用并一直不断地运行着，被动地等待并接受来自各地的客户的通信请求。因此，服务器程序不需要知道客户程序的地址。一般需要强大的硬件和高级的操作系统支持。客户服务器方式所描述的是进程之间服务和被服务的关系。客户是服务的请求方，服务器是服务的提供方。第19页，共95页。运行客户程序网络边缘网络核心运行服务器程序AB 请求服务 得到服务客户服务器客户 A 向服务器 B 发出请求服务，而服务器 B 向客户 A 提供服务。第20

10、页，共95页。P2P方式对等连接(peer-to-peer，简写为 P2P)是指两个主机在通信时并不区分哪一个是服务请求方还是服务提供方。只要两个主机都运行了对等连接软件（P2P 软件），它们就可以进行平等的、对等连接通信。双方都可以下载对方已经存储在硬盘中的共享文档。P2P与C/S方式的联系：对等连接方式从本质上看仍然是使用客户服务器方式，只是对等连接中的每一个主机既是客户又同时是服务器。第21页，共95页。P2P方式示意图网络边缘网络核心运行P2P 程序运行P2P 程序DCEF运行P2P 程序运行P2P 程序第22页，共95页。内容什么是网络？网络的类别因特网及我国的网络建设情况因特网简介

11、及标准化因特网的组成（边缘）因特网的组成（核心）网络的性能计算机网络的体系结构第23页，共95页。“核心部分”的功能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。什么是交换？从通信资源的分配角度来看，“交换”就是按照某种方式动态地分配传输线路的资源。 交换的几种方式：电路交换、报文交换、分组交换.什么是分组交换？从电路交换说起.第24页，共

12、95页。电路交换：以电话网络为例在这里，“交换”(switching)的含义就是转接把一条电话线转接到另一条电话线，使它们连通起来。没有交换，”电话网络“将是怎样？N 部电话机两两相连，需 N(N 1)/2 对电线。当电话机的数量很大时，这种连接方法需要的电线对的数量与电话机数的平方成正比。 第25页，共95页。电路交换：以电话网络为例(cont.)有了交换： 交换机第26页，共95页。电路交换举例A 和 B 通话经过四个交换机，通话在 A 到 B 的连接上进行(交换机交换机交换机交换机用户线用户线中继线中继线BDCA第27页，共95页。电路交换举例(cont.)C 和 D 通话只经过一个本地

13、交换机, 通话在 C 到 D 的连接上进行(交换机交换机交换机交换机用户线用户线中继线中继线BDCA第28页，共95页。电路交换的特点电路交换必定是面向连接的。 电路交换的三个阶段：建立连接通信释放连接第29页，共95页。报文交换什么叫报文？报文包含了将要发送的完整的数据信息，其长短很不一致。 报文交换报文交换，又称存储转发交换，是数据交换的三种方式之一，报文整个地发送，一次一跳。报文交换是分组交换的前身，是由由列奥纳德克莱因饶克于1961年提出的。报文交换的主要特点是：存储接受到的报文，判断其目标地址以选择路由，最后，在下一跳路由空闲时，将数据转发给下一跳路由。报文交换系统现今都由分组交换或

14、电路交换网络所替代。报文报文报文报文交换存储转发存储转发第30页，共95页。分组交换什么是分组：在发送端，先把较长的报文划分成较短的、固定长度的数据段。每一个数据段前面添加上首部构成分组。 数 据数 据数 据报文首部首部首部分组 1分组 2分组 3第31页，共95页。分组交换的传输单元分组交换网以“分组”作为数据传输单元。依次把各分组发送到接收端（假定接收端在左边）。数 据首部分组 1数 据首部分组 2数 据首部分组 3第32页，共95页。在接收端重组报文收到分组后剥去首部数 据首部数 据首部分组 2数 据首部分组 3收到的数据第33页，共95页。试想：首部有什么用？每一个分组的首部都含有地址

15、等控制信息。分组交换网中的结点交换机根据收到的分组的首部中的地址信息，把分组转发到下一个结点交换机。用这样的存储转发方式，最后分组就能到达最终目的地。第34页，共95页。分组交换的特点特点：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。不足：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。第35页，共95页。三种交换方式的区别与联系P1P2P3P4P1P2P3P4P3P4报

16、文报文报文A B C D A B C DA B C D报文交换电路交换分组交换t连接建立数据传送报文P2P1连接释放数据传送的特点比特流直达终点报文报文报文分组分组分组存储转发存储转发存储转发存储转发第36页，共95页。因特网核心部分与分组交换因特网的核心部分是由许多网络和把它们互连起来的路由器组成，而主机处在因特网的边缘部分。在因特网核心部分的路由器之间一般都用高速链路相连接，而在网络边缘的主机接入到核心部分则通常以相对较低速率的链路相连接。主机的用途是为用户进行信息处理的，并且可以和其他主机通过网络交换信息。路由器的用途则是用来转发分组的，即进行分组交换的。第37页，共95页。H1H5H2

17、H4H3H6路由器网络网络核心部分主机第38页，共95页。H1H5H2H4H3H6发送的分组路由器AEDBC网络核心部分主机第39页，共95页。举例H1A互联网BDECH5H6H4H2H3H1 向 H5 发送分组H2 向 H6 发送分组注意分组路径的变化！路由器第40页，共95页。分组的存储转发过程H1A互联网BDECH5H6H4H2H3H1 向 H5 发送分组路由器在路由器 E 暂存查找转发表找到转发的端口最后到达目的主机 H5在路由器 C 暂存查找转发表找到转发的端口在路由器 A 暂存查找转发表找到转发的端口第41页，共95页。小结：路由器与分组交换路由器处理分组的过程是：把收到的分组先放

18、入缓存（暂时存储）；查找转发表，找出到某个目的地址应从哪个端口转发；把分组送到适当的端口转发出去。第42页，共95页。我国的网络建设情况中国公用计算机互联网 CHINANET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）第43页，共95页。内容什么是网络？网络的类别因特网及我国的网络建设情况因特网简介及标准化因特网的组成（边缘）因特网的组成（核心）网络的性能性能指标非性能指标计

19、算机网络的体系结构第44页，共95页。性能指标：速率速率比特（bit）是计算机中数据量的单位，也是信息论中使用的信息量的单位。Bit 来源于 binary digit，意思是一个“二进制数字”，因此一个比特就是二进制数字中的一个 1 或 0。速率即数据率(data rate)或比特率(bit rate)是计算机网络中最重要的一个性能指标。速率的单位是 b/s，或kb/s, Mb/s, Gb/s 等速率往往是指额定速率或标称速率。 第45页，共95页。性能指标：带宽带宽的两种定义：“带宽”(bandwidth)本来是指信号具有的频带宽度，单位是赫（或千赫、兆赫、吉赫等）。现在“带宽”是数字信道所

20、能传送的“最高数据率”的同义语，单位是“比特每秒”，或 b/s (bit/s)。更常用的带宽单位是千比每秒，即 kb/s （103 b/s）兆比每秒，即 Mb/s（106 b/s）吉比每秒，即 Gb/s（109 b/s）太比每秒，即 Tb/s（1012 b/s）请注意：在计算机界，K = 210 = 1024，M = 220, G = 230, T = 240。第46页，共95页。性能指标：带宽(cont.)数字信号流随时间的变化：在时间轴上信号的宽度随带宽的增大而变窄。每秒 106 个比特时间1 0 1 0 1 11 s带宽为1 Mb/s 时间每秒 4 106 个比特0.25 s带宽为4 M

21、b/s 第47页，共95页。性能指标：吞吐量吞吐量(throughput)表示在单位时间内通过某个网络（或信道、接口）的数据量。吞吐量更经常地用于对现实世界中的网络的一种测量，以便知道实际上到底有多少数据量能够通过网络。吞吐量受网络的带宽或网络的额定速率的限制。第48页，共95页。性能指标：时延时延：发送时延、传播时延、处理时延、排队时延发送时延：发送数据时，数据块从结点进入到传输媒体所需要的时间。也就是从发送数据帧的第一个比特算起，到该帧的最后一个比特发送完毕所需的时间。发送时延 = 数据块长度（比特）发送速率（比特/秒）第49页，共95页。性能指标：时延(cont.)传播时延：电磁波在信道

22、中需要传播一定的距离而花费的时间。 信号传输速率（即发送速率）和信号在信道上的传播速率是完全不同的概念。传播时延 = 信道长度（米）信号在信道上的传播速率（米/秒）第50页，共95页。性能指标：时延(cont.)处理时延 交换结点为存储转发而进行一些必要的处理所花费的时间。 排队时延 结点缓存队列中分组排队所经历的时延。排队时延的长短往往取决于网络中当时的通信量。数据经历的总时延就是发送时延、传播时延、处理时延和排队时延之和：总时延 = 发送时延+传播时延+处理时延+排队时延第51页，共95页。性能指标：时延(cont.)四种时延产生的地方：从结点 A 向结点 B 发送数据1 0 1 1 0

23、0 1发送器队列在链路上产生传播时延结点 B结点 A在发送器产生传输时延(即发送时延)在结点 A 中产生处理时延和排队时延数据链路第52页，共95页。性能指标：时延带宽积链路的时延带宽积又称为以比特为单位的链路长度。（传播）时延链路带宽时延带宽积 = 传播时延 带宽时延带宽积第53页，共95页。性能指标：往返时间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。第54页，共95页。性能指标：利用率根据排队论的理论，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

24、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。利用率超过50%，就要扩容了！ 时延 D利用率 U10D0时延急剧增大第55页，共95页。内容什么是网络？网络的类别因特网及我国的网络建设情况因特网简介及标准化因特网的组成（边缘）因特网的组成（核心）网络的性能性能指标非性能指标计算机网络的体系结构第56页，共95页。非性能指标费用质量标准化可靠性可扩展性和可升级性 易于管理和维护 第57页，共95页。内容什么是网络？网络的类别因特网及我国的网络建设情况因特网简介及标准化因特网的组成（

25、边缘）因特网的组成（核心）网络的性能性能指标非性能指标计算机网络的体系结构三种体系结构基本概念第58页，共95页。计算机网络体系结构概述什么是计算机网络体系结构？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。 体系结构就是这个计算机网络及其部件所应完成的功能的精确定义。为什么要讨论体系结构？没有体系结构，实现就会乱套！进而，无法互联互通！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。第59页，共95页。设计体系结构的意义：举例主机 1 向主

26、机 2 通过网络发送文件。可以将要做的工作进行如下的划分。第一类工作与传送文件直接有关。确信对方已做好接收和存储文件的准备。双方协调好一致的文件格式。两个主机将文件传送模块作为最高的一层 。剩下的工作由下面的模块负责。第60页，共95页。设计体系结构的意义：举例(cont.)文件传送模块主机 1主机 2文件传送模块只看这两个文件传送模块好像文件及文件传送命令是按照水平方向的虚线传送的把文件交给下层模块进行发送把收到的文件交给上层模块第61页，共95页。设计体系结构的意义：举例(cont.)文件传送模块主机 1主机 2文件传送模块只看这两个通信服务模块好像可直接把文件可靠地传送到对方把文件交给下

27、层模块进行发送把收到的文件交给上层模块通信服务模块通信服务模块第62页，共95页。设计体系结构的意义：举例(cont.)文件传送模块主机 1主机 2文件传送模块通信服务模块通信服务模块网络接入模块网络接入模块通信网络网络接口网络接口网络接入模块负责做与网络接口细节有关的工作例如，规定传输的帧格式，帧的最大长度等。第63页，共95页。小结：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。第64页，共95页。开放系统互连参考模型OSI/RM第65页，共95页。OSI/RM (cont.)只要遵循 OSI 标准，一个系统就可以和位于世界上任何地方的、也遵循这同

28、一标准的其他任何系统进行通信。在市场化方面 OSI 却失败了。OSI 的专家们在完成 OSI 标准时没有商业驱动力；OSI 的协议实现起来过分复杂，且运行效率很低；OSI 标准的制定周期太长，因而使得按 OSI 标准生产的设备无法及时进入市场；OSI 的层次划分并也不太合理，有些功能在多个层次中重复出现。法律上的(de jure)国际标准 OSI 并没有得到市场的认可。是非国际标准 TCP/IP 现在获得了最广泛的应用。TCP/IP 常被称为事实上的(de facto) 国际标准。 第66页，共95页。TCP/IP与OSI/RM模型的关系第67页，共95页。TCP/IP体系结构应用层运输层网际

29、层网络接口层主机A主机B路由器网络 2网络 1应用层运输层网际层网络接口层网际层网络接口层4321路由器在转发分组时最高只用到网络层而没有使用运输层和应用层。 第68页，共95页。IP over EverythingHTTPSMTPDNSRTPTCPUDPIP网际层网络接口层运输层应用层网络接口 1网络接口 2网络接口 3第69页，共95页。基于TCP/IP的C/S方式的通信举例一个服务器进程的情况数据链路层物理层运输层网络层数据链路层物理层运输层网络层 客户发起连接建立请求 服务器接受连接建立请求应用层应用层因特网客户服务器以后就逐级使用下层提供的服务(使用 TCP 和 IP）第70页，共9

30、5页。基于TCP/IP的C/S方式的通信举例多个服务器进程的情况数据链路层物理层运输层网络层应用层计算机 3服务器1服务器2数据链路层物理层运输层网络层应用层计算机 1客户 1数据链路层物理层运输层网络层应用层计算机 2客户 2因特网第71页，共95页。五层模型TCP/IP的网络接口层并没有具体内容。因此往往采取折中的办法，即综合 OSI 和 TCP/IP 的优点，采用一种只有五层协议的体系结构 。应用层(application layer) 运输层(transport layer) 网络层(network layer) 数据链路层(data link layer) 物理层(physical

31、layer) 数据链路层5 应用层4 运输层3 网络层2 数据链路层1 物理层第72页，共95页。主机 1 向主机 2 发送数据 5432154321主机 1AP2AP1主机 2应用进程数据先传送到应用层加上应用层首部，成为应用层 PDU第73页，共95页。主机 1 向主机 2 发送数据 5432154321主机 1AP2AP1主机 2应用层 PDU 再传送到运输层加上运输层首部，成为运输层报文第74页，共95页。主机 1 向主机 2 发送数据 5432154321主机 1AP2AP1主机 2运输层报文再传送到网络层加上网络层首部，成为 IP 数据报（或分组）第75页，共95页。主机 1 向主

32、机 2 发送数据 5432154321主机 1AP2AP1主机 2IP 数据报再传送到数据链路层加上链路层首部和尾部，成为数据链路层帧第76页，共95页。主机 1 向主机 2 发送数据 5432154321主机 1AP2AP1主机 2数据链路层帧再传送到物理层最下面的物理层把比特流传送到物理媒体第77页，共95页。主机 1 向主机 2 发送数据 应用层(application layer) 5432154321物理传输媒体主机 1AP2AP1电信号（或光信号）在物理媒体中传播从发送端物理层传送到接收端物理层主机 2第78页，共95页。主机 1 向主机 2 发送数据 5432154321主机 1

33、AP2AP1主机 2物理层接收到比特流，上交给数据链路层第79页，共95页。主机 1 向主机 2 发送数据 5432154321主机 1AP2AP1主机 2数据链路层剥去帧首部和帧尾部取出数据部分，上交给网络层第80页，共95页。主机 1 向主机 2 发送数据 5432154321主机 1AP2AP1主机 2网络层剥去首部，取出数据部分上交给运输层第81页，共95页。主机 1 向主机 2 发送数据 5432154321主机 1AP2AP1主机 2运输层剥去首部，取出数据部分上交给应用层第82页，共95页。主机 1 向主机 2 发送数据 5432154321主机 1AP2AP1主机 2应用层剥去

34、首部，取出应用程序数据上交给应用进程第83页，共95页。主机 1 向主机 2 发送数据 5432154321主机 1AP2AP1主机 2我收到了 AP1 发来的应用程序数据！第84页，共95页。主机 1 向主机 2 发送数据 5432154321主机 1AP2AP1主机 2应 用 程 序 数 据应用层首部H510100110100101 比 特 流 110101110101注意观察加入或剥去首部（尾部）的层次应 用 程 序 数 据H5应 用 程 序 数 据H4H5应 用 程 序 数 据H3H4H5应 用 程 序 数 据H4运输层首部H3网络层首部H2链路层首部T2链路层尾部第85页，共95页。主机 1 向主机 2 发送数据 5432154321主机 1AP2AP1主机 2101001101