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计算机网络 杨松波 计算机网络 1 概述 2 物理层 3 数据链路层 4 网络层 5 运输层 6 应用层 杨松波 计算机网络 在信息时代的作用 n21 世纪的一些重要特征就是数字化、网 络化和信息化，它是一个以网络为核心 的信息时代。 n网络现已成为信息社会的命脉和发展知 识经济的重要基础。 n网络是指“三网”，即电信网络、有线电 视网络和计算机网络。 n发展最快的并起到核心作用的是计算机 网络。 杨松波 因特网(Internet)的发展 n进入 20 世纪 90 年代以后，以因特网为 代表的计算机网络得到了飞速的发展。 n现在人们的生活、工作、学习和交往都 已离不开因特网。 -艺术 -IT -商务、教育、体育、政府 杨松波 计算机网络向用户提供的 最重要的功能 n连通性计算机网络使上网用户之间 都可以交换信息，好像这些用户的计算 机都可以彼此直接连通一样。 n共享即资源共享。可以是信息共享 、软件共享，也可以是硬件共享。 杨松波 因特网概述 n网络(network)由若干结点(node)和连接 这些结点的链路(link)组成。 n互联网是“网络的网络”(network of networks)。 n连接在因特网上的计算机都称为主机 (host)。 杨松波 网络与因特网 n网络把许多计算机连接在一起。 n因特网则把许多网络连接在一起。 杨松波 1.2.2 因特网发展的三个阶段 n第一阶段是从单个网络 ARPANET 向互 联网发展的过程。 n1983 年 TCP/IP 协议成为 ARPANET 上的标准协议。 n人们把 1983 年作为因特网的诞生时间 。 杨松波 Internet 和 Internet 的区别 n以小写字母 i 开始的 internet（互联网 或互连网）是一个通用名词，它泛指由 多个计算机网络互连而成的网络。 n以大写字母I开始的的 Internet（因特网 ）则是一个专用名词，它指当前全球最 大的、开放的、由众多网络相互连接而 成的特定计算机网络，它采用 TCP/IP 协议族作为通信的规则，且其前身是美 国的 ARPANET。 杨松波 三级结构的因特网 n第二阶段的特点是建成了三级结构的因 特网。 n三级计算机网络，分为主干网、地区网 和校园网（或企业网）。 杨松波 多层次 ISP 结构的因特网 n第三阶段的特点是逐渐形成了多层次 ISP 结构的因特网。 n出现了因特网服务提供者 ISP (Internet Service Provider)。 杨松波 路由器的重要任务 n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。 杨松波 1. 4 计算机网络在我国的发展 (1) 中国公用计算机互联网 CHINANET (2) 中国教育和科研计算机网 CERNET (3) 中国科学技术网 CSTNET (4) 中国联通互联网 UNINET (5) 中国网通公用互联网 CNCNET (6) 中国国际经济贸易互联网 CIETNET (7) 中国移动互联网 CMNET (8) 中国长城互联网 CGWNET（建设中） (9) 中国卫星集团互联网 CSNET（建设中） 杨松波 杨松波 计算机网络的分类 n计算机网络的不同定义 n最简单的定义：计算机网络是一些互相连 接的、自治的计算机的集合。 n因特网(Internet)是“网络的网络”。 n几种不同的类别的网络 n按拓扑结构分类 n不同作用范围的网络 n从网络的使用者进行分类 杨松波 几种不同类别的网络 n按拓扑结构分类 n星型拓扑结构 n总线型拓扑结构 n环形拓扑结构 n网状拓扑结构 n混合拓扑结构 杨松波 几种不同类别的网络 n不同作用范围的网络 n广域网 WAN (Wide Area Network) n城域网 MAN (Metropolitan Area Network) n局域网 LAN (Local Area Network) n个人区域网 PAN (Personal Area Network) 杨松波 2. 不同使用者的网络 n从网络的使用者进行分类 n公用网 (public network) n专用网 (private network) 杨松波 计算机网络的性能指标 1. 速率 n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。 nBit 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。 n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 n速率往往是指额定速率或标称速率。 杨松波 2. 带宽 n“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）。 n现在“带宽”是数字信道所能传送的“最高 数据率”的同义语，单位是“比特每秒”， 或 b/s (bit/s)。 杨松波 常用的带宽单位 n更常用的带宽单位是 n千比每秒，即 kb/s （103 b/s） n兆比每秒，即 Mb/s（106 b/s） n吉比每秒，即 Gb/s（109 b/s） n太比每秒，即 Tb/s（1012 b/s） n请注意：在计算机界，K = 210 = 1024 M = 220, G = 230, T = 240。 1B=8b 1B/s=8b/s(或1Bps=8bps) 1KB=1024B 1KB/s=1024B/s 1MB=1024KB 1MB/s=1024KB/s 杨松波 3. 吞吐量 n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 。 n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。 n吞吐量受网络的带宽或网络的额定速率 的限制。 杨松波 4. 时延(delay 或 latency) n时延（delay或latency ） 数据从网络的一段 传送到另一端所需的时间。 发送时延 传播时延 处理时延 排队时延 杨松波 6. 往返时间RTT n往返时间RTT（Round-Trip Time） 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 杨松波 计算机网络体系结构的形成 n网络体系结构的内容： -激活，使用信令确保发送的通路 -进行数据分析 -发送方对接收方的就绪检测 -文件系统的格式转换 -差错控制 -其它 杨松波 1.7 计算机网络的体系结构 1.7.1 计算机网络体系结构的形成 n网络体系结构的内容发展： 第一个阶段：“群雄逐鹿” 各公司拥有自己的网络体系结构 -IBM的SNA（System Network Architecture） -Novell 造成大公司的垄断，技术不兼容 杨松波 1.7 计算机网络的体系结构 1.7.1 计算机网络体系结构的形成 n网络体系结构的内容发展： 第二个阶段：OSI“一统天下” OSI七层模型-ISO ISO-国际标准化组织 International Standard Organization OSI-开放系统互连基本参考模型 Open System Interconnection Reference Model 杨松波 1.7.3 具有五层协议的体系结构 nOSI七层体系结构：应用层、表示层、 会话层、运输层、网络层、数据链路层 和物理层 nTCP/IP 是四层的体系结构：应用层、运 输层、网际层和网络接口层。 n五层协议的体系结构 ：应用层、运输层 、网络层、数据链路层和物理层。 杨松波 1.7.3 具有五层协议的体系结构 nOSI七层模型 物理层 数据链路层 网络层 传输层 会话层 表示层 应用层 物理层 数据链路层 网络层 传输层 会话层 表示层 应用层 杨松波 1.7.3 具有五层协议的体系结构 nTCP/IP体系结构 网络接口层 网络层IP 传输层 （TCP、UDP） 应用层 （TELNET、 FTP、SMTP） 杨松波 五层协议的体系结构 n应用层(application layer) n运输层(transport layer) n网络层(network layer) n数据链路层(data link layer) n物理层(physical 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 杨松波 五层协议的体系结构 物理层 数据链路层 网络层 传输层 会话层 表示层 应用层 物理层 数据链路层 网络层 传输层 应用层 网络接口层 网络层IP 传输层 （TCP、UDP） 应用层 （TELNET、 FTP、SMTP） 杨松波 五层协议的体系结构 n 物理层的主要任务描述为确定与传输媒体的接 口的一些特性，即： n机械特性 指明接口所用接线器的形状和尺寸、 引线数目和排列、固定和锁定装置等等。 n电气特性 指明在接口电缆的各条线上出现的电 压的范围。 n功能特性 指明某条线上出现的某一电平的电压 表示何种意义。 n过程特性 指明对于不同功能的各种可能事件的 出现顺序。 杨松波 物理层下面的传输媒体 传输媒体分为两类： 导向传输媒体 非导向传输媒体 传输媒体（传输介质或传输媒介）： 它是数据传输系统中在发送器和接收器之间的物理通路 杨松波 导向传输媒体 n双绞线 n同轴电缆 n光缆 杨松波 2.3.1 导向传输媒体 n双绞线 杨松波 2.3.1 导向传输媒体 n同轴电缆 杨松波 光纤的结构 杨松波 非导向传输媒体 n无线传输所使用的频段很广。 n短波通信主要是靠电离层的反射，但短 波信道的通信质量较差。 n微波在空间主要是直线传播。 n地面微波接力通信 n卫星通信 杨松波 数据链路层 数据链路层的主要功能： 链路管理:数据链路的连接、维护、释放。 数据链路层使用的信道主要有以下两种类型： n点对点信道。这种信道使用一对一的点对点通信 方式。（PPP协议） n广播信道。这种信道使用一对多的广播通信方式 ，因此过程比较复杂。广播信道上连接的主机很 多，因此必须使用专用的共享信道协议来协调这 些主机的数据发 （CSMA/CD协议） 杨松波 差错检测 n在传输过程中可能会产生比特差错：1 可能会 变成 0 而 0 也可能变成 1。 n在一段时间内，传输错误的比特占所传输比特 总数的比率称为误码率 BER (Bit Error Rate) 。 n误码率与信噪比有很大的关系。 n为了保证数据传输的可靠性，在计算机网络传 输数据时，必须采用各种差错检测措施。 杨松波 循环冗余检验的原理 n基本原理： -若m / p = n.r,则有（m-r）的余数为 0 -使用模2除法。模2的运算规则： 0 1 0 1 0 1 1 0 -则有（m + r）的余数为0 杨松波 CRC校验 nM=1101011011 P=10011 n被除数应为：11010110110000 运算 M K bit P (n+1) bit M连接R (k+n) bit M.2n+R (k+n) bit 杨松波 1100001010 Q (商) P (除数) 10011 11010110110000 2nM (被除数) 10011 10011 10011 10110 10011 10100 10011 1110 1110 R (余数)，作为 FCS 循环冗余检验的原理说明 11010110110000 1110 11010110111110 杨松波 五层协议的体系结构 杨松波 网络层采用的设计思路 n网络层向上只提供简单灵活的、无连接的、尽 最大努力交付的数据报服务。 n网络在发送分组时不需要先建立连接。每一个 分组（即 IP 数据报）独立发送，与其前后的 分组无关（不进行编号）。 n网络层不提供服务质量的承诺。即所传送的分 组可能出错、丢失、重复和失序（不按序到达 终点），当然也不保证分组传送的时限。 杨松波 网络层协议 n网际协议 IP（Internet Protocol） 是 TCP/IP 体系中两个 最主要的协议之一。与 IP 协议配套使用的还有四个协议 ： n地址解析协议 ARP (Address Resolution Protocol) n逆地址解析协议 RARP (Reverse Address Resolution Protocol) n网际控制报文协议 ICMP (Internet Control Message Protocol) n网际组管理协议 IGMP (Internet Group Management Protocol) 杨松波 运输层的主要功能 n运输层为应用进程之间提供端到端的逻辑通信 （但网络层是为主机之间提供逻辑通信）。 n运输层还要对收到的报文进行差错检测。 n运输层需要有两种不同的运输协议，即面向连 接的 TCP 和无连接的 UDP。 杨松波 TCP/IP 的运输层有两个不同的协议 ： (1) 用户数据报协议 UDP (User Datagram Protocol) (2) 传输控制协议 TCP (Transmission Control Protocol) 5.1.2 运输层的两个主要协议 杨松波 应用层 n应用层的具体内容就是规定应用进程在 通信时所遵循的协议。 杨松波 顶级域名 TLD (Top Level Domain) (1) 国家顶级域名 nTLD：如: .cn 表示中国， .us 表示美国，.uk 表示英国，等等。 (2) 通用顶级域名 gTLD：最早的顶级域名是 ： .com （公司和企业） .net （网络服务机构） .org （非赢利性组织） .edu （美国专用的教育机构（） .gov （美国专用的政府部门） .mil （美国专用的军事部门） .int （国际组织） 杨松波 应用层的协议 n文件传送协议 FTP (File Transfer Protocol) 是因特网上使用得最广泛的文件传送协议。 n简单文件传送协议 TFTP (Trivial File Transfer Protocol)，是一个很小且易 于实现的文件传送协议。 杨松波 6.3 按远程终端协议 TELNET nTELNET 是一个简单的远程终端协议，也是因特 网的正式标准。 n用户用 TELNET 就可在其所在地通过 TCP 连接 注册（即登录）到远地的另一个主机上（使用主 机名或 IP 地址）。 nTELNET 能将用户的击键传到远地主机，同时也 能将远地主机的输出通过 TCP 连接返回到用户 屏幕。这种服务是透明的，因为用户感觉到好像 键盘和显示器是直接连在远地主机上。 杨松波 6.4 万维网 WWW 6.4.1 万维网概述 n万维网 WWW (World Wide Web)并非某种特 殊的计算机网络。 n万维网是一个大规模的、联机式的信息储藏所 。 n万维网用链接的方法能非常方便地从因特网