《计算机网络》谢希仁（第四版）全套PPT电子课件教案-第1讲概述.ppt

1,计算机网络,信息学院,2,教学内容,第1讲 计算机网络概述 第2讲 局域网 第3讲 广域网 第4讲 网络互联 第5讲 常用网络服务 第6讲 网络安全,3,教材 肖德琴等主编，计算机网络原理与应用，国防工业出版社，2005.8,授课环节 教学：34学时 考核：平时30%，期末考试70%,参考资料 1.andrew s. tanenbaum，计算机网络(第四版)，清华大学出版社. (http:/www.cs.vu.nl/ast/) 2.谢希仁,计算机网络（第四版），电子工业出版社,2004.8,4,本课程的重要性,计算机发展的方向 网络 为以后工作打下基础,5,第1讲 计算机网络概述,本章内容 计算机网络的形成与发展 计算机网络的定义与分类 计算机网络体系结构 计算机网络设备 计算机网络应用带来的社会问题 计算机网络标准化,6,1.1 计算机网络的形成与发展,早期的计算机应用模式单机 大、中、小型机庞大，昂贵，资源无法共享 分散的计算机构成了一个个的信息“孤岛” 计算机网络产生始于1950s，产生的原因： 资源共享的需求（计算能力、外设、软件、数据） 大型项目的合作（进行工程项目协作） 人与人之间的信息沟通（数据通信）,7,1.1.1计算机网络的发展的四个阶段： 1.第一阶段：“诞生阶段” 以主机为中心的联机终端系统，“计算机终端”系统 2.第二阶段：“形成阶段 ” 以通信子网为中心的主机互连，“计算机-计算机”网络 3.第三阶段：互联互通阶段 体系结构标准化网络层次结构，对每层进行了精确定义 4.第四阶段：高速网络技术阶段 internet网时代的到来,8,1.第一阶段：“诞生阶段” 以主机为中心的联机终端系统,特征：终端(terminal)共享主机(host)的软硬件资源 单台主机：执行计算和通信任务 多台终端：执行用户交互 (终端集中器/终端服务器) 连接方式：本地或远程,t,t,t,t,t,host,通信线路,9,例子：飞机订票系统 host(航空公司总部) terminals(订票点) 通信线路(电话线路) 缺点 主机负荷重数据处理通信 线路利用率低 集中控制方式，可靠性低 改进 终端集中器(近/远距) 前端处理机（front-end processor, fep），将通信任务从主机中分离出来,10,2.第二阶段：“形成阶段 ” 以通信子网为中心的主机互连,特征 多个终端联机系统互联，形成了多主机互联网络 网络结构从“主机终端” 转变为“主机主机”,11,主机主机网络的演变,演变阶段1 通信任务从主机中分离，由通信控制处理机（ccp）完成 ccp：处理主机之间通信任务的专用计算机,12,两层网络概念的出现 由ccp组成的传输网络通信子网，提供信息传输服务 建立在通信子网基础上的主机集合资源子网，提供计算资源,ccp,ccp,host,host,t,t,t,t,t,t,ccp,host,t,t,t,通信子网,13,两层网络的概念结构,c,c,c,h,h,h,资源子网,通信子网,在通信子网上可有 多个资源子网，共 享通信子网的服务,h,h,14,演变阶段2 通信子网规模逐渐扩大 私有社会公用 公用数据通信网 pstn x.25 优点 降低用户系统建设成本 提高通信线路利用率 兼容性好,15,例子 因特网的前身arpanet 美苏冷战时期由美国军方建立的实验性网络 最初4个节点70s的60多个节点 地域跨越美洲、欧洲 具有现代网络的许多特征，例如： 分组交换 分层次的网络体系 较为完善的通信协议,16,3.第三阶段：互联互通阶段 体系结构标准化网络,为什么需要标准化？ 不同网络设备之间的兼容性和互操作性是推动网络体系结构的标准化的原动力 而兼容性和互操作性的最终目的仍是资源共享 标准化的时机？ 先制定标准再开发还是先开发再制定标准？ 各厂商、研究机构、大学在网络技术、方法、理论等方面的研究日趋成熟是基础,17,网络体系结构标准化过程的演变 厂商标准：ibm-sna，dec-dna等 缺点：适用范围：兼容性？ 技术垄断：竞争？ 标准不统一：用户利益？ 国际标准（iso osi/rm） open system interconnection/recommended model(开放系统互联参考模型，简称osi参考模型) osi参考模型是一种概念上的网络模型，规定了网络体系结构的框架：7个层次 只说明了做什么（what to do）而未规定怎样做（how to do） 太复杂，几乎没有与之完全符合的网络 事实上的标准：tcp/ip(因特网的骨干协议) 从体系结构上看，它是osi参考模型的简化（4层）,4.第四阶段：高速网络技术阶段 因特网时代的到来,因特网的出现标志着网络时代的到来 因特网是全球性的网络 丰富的信息和便利的使用是其规模迅速增长的主要驱动力 截止到2000年, internet的规模为 网络数达到105数量级, 主机数达到107数量级, 用户数108数量级，主干速率大于2.5gbit/s 美国政府资助的“下一代因特网计划”目标是 主干网的速率比现在的因特网高1000倍 端到端的速率要达到100mbit/s10gbit/s,19,1.1.2 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 (9) 中国卫星集团互联网 csnet (10) 中国高速互连研究试验网nsfnet（）,20,1.1.3计算机网络的研究热点,六个主题： 1. ofdm 2. 网络信息利用分析 3. 无线通信 4. 神经网络 5. 网格计算 6. 无线通信,21,1.2.1计算机网络的定义 1.2.2计算机网络的不同分类,1.2 计算机网络的定义与分类,22,1.2.1计算机网络的定义,计算机网络定义的主要观点： 从应用的观点：以相互共享资源方式连接起来，且各自具有独立功能的计算机系统的集合。 从物理的观点：在网络协议的控制下，由若干台计算机和数据传输设备组成的系统。 典型的观点： 计算机网络（computer network）是利用通信设备和线路将分布在不同地理位置的、功能独立的多个计算机系统互连起来，以功能完善的网络软件实现网络中资源共享和通信的系统。,23,归纳与综合 计算机网络：相互连接的自治计算机的集合 自治：能独立运行，不依赖于其他计算机 “主控-从属”类型的系统是计算机网络吗？ “主机-终端”系统（第一代网络）呢？ 互连：以任何可能的通信连接方式 有线方式：铜线、光纤 无线方式：红外、无线电（微波）、卫星,通信网络,计算机 系统,计算机 系统,24,计算机网络能做什么（功能）,数据通信(communication medium) 文件传输、ip电话、email、视频会议、信息发布、交互式娱乐、音乐 资源共享(resource sharing) 软件、硬件、数据（数据库） 提供高可靠性服务(high reliability) 利用可替代的资源，提供连续的高可靠服务 节省投资(saving money) 替代昂贵的大中型机系统 分布式处理(distributed processing),25,1.2.2 计算机网络的不同分类,1.按地域范围分类 局域网(local area network ， lan) 范围：小，20km 传输技术：基带，10-1000mbps，延迟低，出错率低（10-11） 拓扑结构：总线，环 城域网(metropolitan area network ， man) 范围：中等，100km 传输技术：宽带/基带 拓扑结构：总线 广域网(wide area network ， wan) 范围：大，100km 传输技术：宽带，延迟大，出错率高 拓扑结构：不规则，点到点 互联网（internet） 指两个或多个网络互联所形成的网络。internet是目前世界上最大的、应用十分广泛的互联网络。,26,接入网:是个人计算机、局域网和城域网之间的接口 广域网、城域网、接入网以及局域网的关系,27,2按资源共享方式划分,对等网 客户/服务器网络 （client/server）,28,3.按拓扑结构分类 星形 有一个中心节点，其它节点与其构成点到点连接,星形拓扑,29,3.按拓扑结构（续） 总线 所有节点挂接到一条总线上，广播式信道 需要有介质访问控制规程以防止冲突 环形 所有节点连接成一个闭合的环，结点之间为点到点连接,总线形拓扑,环形拓扑,30,3.按拓扑结构分类（续）,树形 一个根结点、多个中间分支节点和叶子节点构成,树形拓扑,31,3.按拓扑结构分类（续） 网状型网络 点到点部分（或全连接）连接，多用于广域网，由于连接的不完全性，需要有交换节点,不规则拓扑,全连接拓扑,32,4.从网络的使用者进行分类 公用网 (public network):由国家的电信公司（国有或私有）出资建造的大型网络。 专用网 (private network) :某个部门为本单位的特殊业务工作的需要而建造的网络。,33,5.(补充) 按通信传播方式分类： 点对点传输方式的网络：由一对对机器间的多条传输链路构成。 信源与信宿之间的通信需经过一台和多台中间设备进行传输。 网状、环形、树形、星形 广播方式网络：一台计算机发送的信息可被网络上所有的计算机接收。 总线形、无线（微波、卫星） 局域网络通常使用广播方式，广域网络通常使用点对点方式(也有例外)。,34,1.3 计算机网络的体系结构 计算机网络体系结构的形成（补充）,相互通信的两个计算机系统必须高度协调工作才行，而这种“协调”是相当复杂的。 “分层”可将庞大而复杂的问题，转化为若干较小的局部问题，而这些较小的局部问题就比较易于研究和处理。,35,协议概念,计算机网络中的数据交换必须遵守事先约定好的规则。 这些规则明确规定了所交换的数据的格式以及有关的同步问题（同步含有时序的意思）。 为进行网络中的数据交换而建立的规则、标准或约定即网络协议(network protocol)，简称为协议。,36,网络协议的组成要素,语法（syntax） ：数据与控制信息的结构或格式 。 语义（semantics）：需要发出何种控制信息，完成何种动作以及做出何种响应。 时序（time）：事件实现顺序的详细说明。,37,层数多少要适当,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。,38,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。,39,两种国际标准,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。,40,关于开放系统互连参考模型osi/rm,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。,41,计算机网络的体系结构,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。 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。,42,1.3.1 osi参考模型体系,（1）物理层（physical layer） 物理层是osi模型的第一层。物理层的任务就是为它的上一层提供一个物理连接，定义了为建立、维护和拆除物理链路所需的机械的、电气的、功能的和规程的特性。如规定使用电缆和接口的类型，传送信号的电压等。物理层使用原始的数据位流，传输数据单位是比特。,43,（2）数据链路层(data link layer),数据链路层是osi模型的第二层，它用于控制网络层与物理层之间的通信。它把相临两个节点间不可靠的物理链路变成可靠的、无差错的逻辑链路，数据链路层传输信息的单位是帧（frame），每帧包括一定数量的数据和一些必要的控制信息。数据链路层负责建立、维护和释放数据链路。数据链路层还要协调收发双方的数据传输率，进行流量控制。,44,（3）网络层(network layer),网络层是osi模型的第三层，它将数据链路层提供的帧组成数据分组（packet）进行传输。主要功能是要选择合适的路由和交换节点，完成任意两个节点之间的连接。主要解决如何使数据分组跨越通信子网从源节点传送到目的节点的问题。,45,（4）传输层(transport layer),传输层是osi模型的第四层，是资源子网和通信子网的桥梁。完成资源子网中两个节点的通信。真正地实现了端到端的连接，即主机之间的连接，把数据可靠地从一方的用户进程送到另一方的用户进程。传输层向上一层提供一个可靠的端到端的服务，使上一层看不见下面几层的通信细节。因此，传输层是网络体系结构中最为关键一层。,46,（5）会话层(session layer),会话层是osi模型的第五层，它负责组织和同步不同主机上各种进程间的通信。会话层的功能包括：建立通信链接、保持会话过程通信链接的畅通、同步两个节点之间的对话、决定通信是否被中断以及通信中断时决定从何处重新发送。,47,（6）表示层（presentation layer）,表示层是osi模型的第六层，主要解决用户信息的语法表示问题。它是应用程序和网络之间的翻译，将数据从适合于某一系统的语法转变为适合于osi系统内部使用的语法。表示层还管理数据的解密与加密，如系统口令的处理。除此之外，表示层协议还对图片和文件格式信息进行解码和编码。,48,（7）应用层(application layer),应用层是osi模型的最高层，它的主要任务是确定进程之间通信的性质以满足用户需要以及提供网络与用户应用软件之间的接口服务。例如，虚拟终端协议、文件传送协议、电子邮件等。,49,osi参考模型,50,1.3.2 tcp/ip参考模型,应用层 传输层 网络层 网络 接口层,主机a,主机b,路由器,网络 2,网络 1,应用层 传输层 网络层 网络 接口层,网络层 网络 接口层,4 3 2 1,tcp/ip 四层协议的表示方法举例,51,1.3.3 osi 与 tcp/ip 体系结构的比较,应用层,传输层,网络层,表示层,会话层,数据链路层,物理层,7 6 5 4 3 2 1,osi 的体系结构,应用层,网络接口层,网际层 ip,(各种应用层协议如 telnet, ftp, smtp 等),传输层(tcp 或 udp),tcp/ip 的体系结构,无连接分组交付服务,传输服务 (可靠或不可靠),tcp/ip 的三个服务层次,52,tcp/ip协议栈,53,五层协议的体系结构,tcp/ip 是四层的体系结构：应用层、运输层、网际层和网络接口层。 最下面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 。,54,五层协议的体系结构,应用层(application layer) 传输层(transport layer) 网络层(network layer) 数据链路层(data link layer) 物理层(physical layer),数据链路层,5 应用层,4 传输层,3 网络层,2 数据链路层,1 物理层,55,计算机 1 向计算机 2 发送数据,5,4,3,2,1,5,4,3,2,1,计算机 1,ap2,ap1,计算机 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,56,计算机 1 向计算机 2 发送数据,5,4,3,2,1,5,4,3,2,1,计算机 1,ap2,ap1,计算机 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,57,计算机 1 向计算机 2 发送数据,5,4,3,2,1,5,4,3,2,1,计算机 1,ap2,ap1,计算机 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）,58,计算机 1 向计算机 2 发送数据,5,4,3,2,1,5,4,3,2,1,计算机 1,ap2,ap1,计算机 2,ip 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,59,计算机 1 向计算机 2 发送数据,5,4,3,2,1,5,4,3,2,1,计算机 1,ap2,ap1,计算机 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,60,计算机 1 向计算机 2 发送数据,应用层(application layer),5,4,3,2,1,5,4,3,2,1,物理传输媒体,计算机 1,ap2,ap1,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,计算机 2,61,计算机 1 向计算机 2 发送数据,5,4,3,2,1,5,4,3,2,1,计算机 1,ap2,ap1,计算机 2,物理层接收到比特流，上交给数据链路层,62,计算机 1 向计算机 2 发送数据,5,4,3,2,1,5,4,3,2,1,计算机 1,ap2,ap1,计算机 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,63,计算机 1 向计算机 2 发送数据,5,4,3,2,1,5,4,3,2,1,计算机 1,ap2,ap1,计算机 2,网络层剥去首部，取出数据部分 上交给运输层,64,计算机 1 向计算机 2 发送数据,5,4,3,2,1,5,4,3,2,1,计算机 1,ap2,ap1,计算机 2,运输层剥去首部，取出数据部分 上交给应用层,65,计算机 1 向计算机 2 发送数据,5,4,3,2,1,5,4,3,2,1,计算机 1,ap2,ap1,计算机 2,应用层剥去首部，取出应用程序数据 上交给应用进程,66,计算机 1 向计算机 2 发送数据,5,4,3,2,1,5,4,3,2,1,计算机 1,ap2,ap1,计算机 2,我收到了 ap1 发来的 应用程序数据！,67,计算机 1 向计算机 2 发送数据,5,4,3,2,1,5,4,3,2,1,计算机 1,ap2,ap1,计算机 2,应 用 程 序 数 据,10100110100101 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,68,计算机 1 向计算机 2 发送数据,5,4,3,2,1,5,4,3,2,1,计算机 1,ap2,ap1,计算机 2,10100110100101 比 特 流 110101110101,计算机 2 的物理层收到比特流后 交给数据链路层,69,计算机 1 向计算机 2 发送数据,5,4,3,2,1,5,4,3,2,1,计算机 1,ap2,ap1,计算机 2,数据链路层剥去帧首部和帧尾部后 把帧的数据部分交给网络层,h2,t2,70,h3,计算机 1 向计算机 2 发送数据,5,4,3,2,1,5,4,3,2,1,计算机 1,ap2,ap1,计算机 2,网络层剥去分组首部后 把分组的数据部分交给运输层,71,h4,计算机 1 向计算机 2 发送数据,5,4,3,2,1,5,4,3,2,1,计算机 1,ap2,ap1,计算机 2,运输层剥去报文首部后 把报文的数据部分交给应用层,72,应 用 程 序 数 据,h5,应 用 程 序 数 据,计算机 1 向计算机 2 发送数据,5,4,3,2,1,5,4,3,2,1,计算机 1,ap2,ap1,计算机 2,应用层剥去应用层 pdu 首部后 把应用程序数据交给应用进程,73,计算机 1 向计算机 2 发送数据,5,4,3,2,1,5,4,3,2,1,计算机 1,ap2,ap1,计算机 2,我收到了 ap1 发来的 应用程序数据！,74,实体、协议、服务和服务访问点,实体(entity) 表示任何可发送或接收信息的硬件或软件进程。 协议是控制两个对等实体进行通信的规则的集合。 在协议的控制下，两个对等实体间的通信使得本层能够向上一层提供服务。 要实现本层协议，还需要使用下层所提供的服务。,75,实体、协议、服务和服务访问点(续),本层的服务用户只能看见服务而无法看见下面的协议。 下面的协议对上面的服务用户是透明的。 协议是“水平的”，即协议是控制对等实体之间通信的规则。 服务是“垂直的”，即服务是由下层向上层通过层间接口提供的。 同一系统相邻两层的实体进行交互的地方，称为服务访问点 sap (service access point)。,76,实体、协议、服务 和服务访问点（续）,服 务 用 户,第 n 层,第 n + 1 层,服 务 用 户,77,协议很复杂,协议必须将各种不利的条件事先都估计到，而不能假定一切情况都是很理想和很顺利的。 必须非常仔细地检查所设计协议能否应付所有的不利情况。 应当注意：事实上难免有极个别的不利情况在设计协议时并没有预计到。在出现这种情况时，协议就会失败。因此实际上协议往往只能应付绝大多数的不利情况。,78,著名的协议举例,占据两个山顶的蓝军与驻扎在这山谷的白军作战。力量对比是：一个山顶上的蓝军打不过白军，但两个山顶的蓝军协同作战就可战胜白军。一个山顶上的蓝军拟于次日正午向白军发起攻击。于是发送电文给另一山顶上的友军。但通信线路很不好，电文出错的可能性很大。因此要求收到电文的友军必须发送确认电文。但确认电文也可能出错。试问能否设计出一种协议，使得蓝军能实现协同作战因而一定(即100 %)取得胜利？,79,这样的协议无法实现！,80,结论,这样无限循环