计算机通信网络第一章.ppt

1 因特网 Internet 的发展和作用 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 已从最初的教育科研网络逐步发展成为商业网络 已成为仅次于全球电话网的世界第二大网络 21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 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 网络是指 三网 即电信网络 有线电视网络和计算机网络 NGB 下一代广播电视网 发展最快的并起到核心作用的是计算机网络 2 因特网的意义 因特网是自印刷术以来人类通信方面最大的变革 现在人们的生活 工作 学习和交往都已离不开因特网 3 物联网 InternetOfThings 通过射频识别 RFID 红外感应器 全球定位系统 激光扫描器等信息传感设备 按约定的协议 把任何物品与互联网相连接 进行信息交换和通信 以实现智能化识别 定位 跟踪 监控和管理的一种网络概念 4 5 云计算 cloudcomputing 是一种基于互联网的计算方式 通过这种方式 共享的软硬件资源和信息可以按需提供给计算机和其他设备 云计算的核心思想 是将大量用网络连接的计算资源统一管理和调度 构成一个计算资源池向用户提供按需服务 云计算的整个运行方式很像电网 6 7 云盘 CloudStorage 是互联网存储工具云盘是互联网云技术的产物通过互联网为企业和个人提供信息的储存 读取 下载等服务具有安全稳定 海量存储的特点比较知名而且好用的云盘服务商有 百度云盘 360云盘 金山快盘 够快网盘 微云等 1 1计算机通信网的基本概念 一 计算机网络 Computernetwork 定义 计算机网络是由各具有自主功能在地理上分散而又通过通信手段相互连接起来的计算机组成的复合系统 组成 1 资源子网 主机 为用户提供各种服务 2 通信子网 提供数据传输和交换功能 3 通信协议 Protocol 指计算机之间相互进行数据通信而事先商定的规则 9 10 11 计算机网络的起源 12 第一代计算机网络 远程联机系统 13 第二代计算机网络 多个主计算机都具有自主处理能力 不存在主从关系 典型代表 APRANET 因特网的雏形 IBM公司的SNADEC公司的DNAARPANET的特征 1 资源共享 2 分布式控制 3 分组交换 4 层次式结构 5 逻辑上分为通信子网和资源子网 一个典型的计算机网络示例 15 H1 H5 H6 H2 H3 H4 H7 通信子网 资源子网 通信子网的结构 16 用户 因特网 ISP1 ISP2 因特网服务提供者 用户通过ISP上网 根据提供服务的覆盖面积大小以及所拥有的IP地址数目的不同 ISP也分成为不同的层次 17 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 第二层ISP 第二层ISP NAP NAP A B 主机A 本地ISP 第二层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 18 第三代计算机网络 特点 具有统一的网络体系结构 遵循国际标准化的协议 国际标准化组织ISO于1977年成立了专门机构研究该问题 SC16 于1984年正式颁布开放系统互连参考模型OSI RM OpenSystemInterconnection ReferenceModel ISO7498 分七层 称为OSI七层模型 19 新一代计算机网络 交换式网络 局域网交换机 宽带 3网合一 移动通信 Wifi Wimax 3G 4G Adhoc 发展趋势 宽带 移动 20 从主机为中心到以网络为中心 以主机为中心 以分组交换网为中心 21 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 中国公用经济信息网CHINAGBN 5 中国联通互联网UNINET 6 中国网通公用互联网CNCNET 7 中国国际经济贸易互联网CIETNET 8 中国移动互联网CMNET 9 中国长城互联网CGWNET 10 中国卫星集团互联网CSNET 22 计算机网络的分类 几种不同的分类方法从网络的作用范围进行分类按拓朴结构分从网络的交换功能进行分类从网络的使用者进行分类 23 几种不同的分类方法 一 从网络的作用范围进行分类局域网LAN LocalAreaNetwork 城域网MAN MetropolitanAreaNetwork 广域网WAN WideAreaNetwork 接入网AN AccessNetwork 个人区域网PAN PersonalAreaNetworks 24 广域网 城域网 接入网以及局域网的关系 城域网 城域网 接入网 接入网 接入网 接入网 接入网 接入网 广域网 局域网 局域网 校园网 企业网 25 几种不同的分类方法 二 从网络的拓朴结构分类星型树型总线型环型网状型 26 常见的几种计算机拓扑结构 星形 树型网 27 常见的几种计算机拓扑结构 环形 总线型 28 常见的几种计算机拓扑结构 网状型 29 几种不同的分类方法 三 从网络的交换功能分类电路交换 把发送方和接收主用一系列链路直接连通 需要建立一条临时的专用通路 报文交换 把发送的信息组织成一个数据包在网络中一站一站地传送 分组交换 数据包具有限定长度的存储 转发交换方式 混合交换 30 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 B D C A 31 电路交换举例 C和D通话只经过一个本地交换机通话在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 B D C A 32 存储转发过程 H1 A 分组交换网 B D E C H5 H6 H4 H2 H3 H1向H5发送分组 结点交换机 主机 在结点交换机A暂存查找转发表找到转发的端口 在结点交换机C暂存查找转发表找到转发的端口 在结点交换机E暂存查找转发表找到转发的端口 最后到达目的主机H5 33 分组交换 在发送端把要发送的报文分隔为较短的数据块每个块增加带有控制信息的首部构成分组 包 依次把各分组发送到接收端接收端剥去首部 抽出数据部分 还原成报文 首部 首部 首部 发送 发送 接收端 数据 首部 数据 首部 数据 首部 11010011101 00101001110 34 分组交换网的示意图 H1 A 分组交换网 B D E C H5 H6 H4 H2 H3 H1向H5发送分组 H2向H6发送分组 注意分组路径的变化 结点交换机 主机 35 三种交换方式的比较 ABCD ABCD ABCD 报文交换 电路交换 分组交换 t 36 电路交换 报文交换 分组交换的比较 电路交换 比特流连续地从源点到达终点 如像在一个管道中传送 若传输大量数据 则传输效率较高 报文交换 整个报文先到一个相邻结点 存储后再转发到下一结点 分组交换 单个分组传送到相邻结点 存储后再转发到下一结点 37 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 充分使用链路的带宽 可靠完善的网络协议 自适应的路由选择协议使网络有很好的生存性 38 计算机网络的功能 资源共享提高可靠性和可用性提供通信手段 数据通信 分担负荷 协同处理 云计算 39 计算机网络提供的服务 电子邮件 SMTP文件传送 FTP远程登录 TELNET共享 存储 打印 信息查询 WWW WorldWideWeb 40 1 2计算机网络的体系结构 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 41 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 计算机网络的分层结构 n层是n 1层的用户 又是n 1层的服务提供者 43 层次结构中的几个术语 对等层 两个系统中同样的层次子系统 开放系统的每一个划分实体 任何可以发送或接收信息的硬件或软件进程 n 实体 n层的实体对等实体 位于不同系统的同一层内相互交互的实体 n 协议 控制两个对等 n 实体进行通信的规则的集合 n 服务 n 层向上提供的服务 n 用户 接受 n 服务的上一层实体 44 分层结构的特点 除了在物理媒体上进行的是实通信外 其余对等实体间进行的都是虚通信 对等层的虚通信必须遵守该层的协议 n层的虚通信通过n 1 n层间接口处n 1层提供的服务及n 1层的通信实现的 45 计算机通信网的组织和结构 46 OSI参考模型 47 OSI RM开放系统互连参考模型 1 分为七层 物理层 数据链路层 网络层 运输层 会话层 表示层 应用层2 整个系统分为端开放系统和中继开放系统资源子网通信子网资源子网包含七层 中继开放系统包含三层3 对等层的虚通信必须遵循相应的协议4 相邻层间接口处由低层向高层提供服务信息的基本单位是数据单元服务通过服务原语实现 提供服务的地方 服务访问点 SAP 48 相邻层间的数据传递过程 N 1 PDU N SDU N ICI N SDU N PCI N SAP 第N 1层 第N层 N PDU N PDU N 1 PDU N PCI PDU 协议数据单元SDU 服务数据单元ICI 接口控制信息PCI 协议控制信息 49 数据的实际传输过程 发送进程A 发送进程B 数据 H1 H2 H3 H4 H5 H6 H7 7 6 4 2 5 3 1 6 1 3 4 2 7 5 物理媒体 50 思考题 层次结构共有N层 如用户的数据长度为D 每层的协议头长度为H 则在数据发送时由于协议头浪费的带宽占总带宽的比例为多少 51 TCP IP协议簇 52 OSI与TCP IP体系结构的比较 应用层 运输层 网络层 表示层 会话层 数据链路层 物理层 7654321 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 运输层 TCP或UDP TCP IP的体系结构 无连接分组交付服务 运输服务 可靠或不可靠 TCP IP的三个服务层次 53 TCP IP的体系结构 应用层运输层网际层网络接口层 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 54 沙漏计时器形状的TCP IP协议族 HTTP SMTP DNS RTP TCP UDP IP 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 EverythingoverIPIP可为各式各样的应用程序提供服务 IPoverEverythingIP可应用到各式各样的网络上 55 五层协议的体系结构 应用层 applicationlayer 运输层 transportlayer 网络层 networklayer 数据链路层 datalinklayer 物理层 physicallayer 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 56 各层功能 物理层 physicallayer 为通信提供物理链路 实现比特流的透明传输 基本单位 比特定义了传输线 硬件接口的机械 电气 功能和过程特性 以便建立 维护和拆除连接 位同步连接管理数据链路层 datalinklayer 提供相邻结点间透明 可靠的信息传送报务 基本单位是帧 帧同步流量控制差错控制链路管理透明 对所传输的数据内容 格式及编码不作任何限制 57 网络层 networklayer 提供源站和目标站之间的信息传输服务 基本单位是分组 路由选择差错控制拥塞控制传输层 transportlayer 为不同系统内的会晤实体提供端 端之间透明的可靠的数据传输 基本单位是报文端 端差错控制顺序 流量控制多路复用 各层功能 58 会话层 sessionlayer 为不同系统内的应用进程之间建立会晤连接 使它们能按同步方式交换数据 并有序地拆除连接 表示层 presentationlayer 向应用进程提供信息表示方式 对不同表示方式进行转换管理等 使采用不同表示方式的系统之间能通信 并提供标准的应用接口 各层功能 59 应用层 applicationlayer 为应用进程访问OSI环境提供手段 管理和分配网络资源 DNS FTP TELNET 电子邮件 WEB 网络管理 各层功能 60 问题 OSI在哪一层完成下列功能 A 将待传输的比特流化分成帧 B 决定使用哪条路径通过子网 C 传输线上的位流信号同步 D 两端用户间传输文件 61 计算机网络的主要性能指标 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 带宽 62 常用的带宽单位 更常用的带宽单位是千比特每秒 即kb s 103b s 兆比特每秒 即Mb s 106b s 吉比特每秒 即Gb s 109b s 太比特每秒 即Tb s 1012b s 请注意 在计算机界 K 210 1024M 220 G 230 T 240 63 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 64 时延 delay或latency 发送时延 传输时延 发送数据时 数据块从结点进入到传输媒体所需要的时间 信道带宽数据在信道上的发送速率 常称为数据在信道上的传输速率 65 时延 delay或latency 传播时延电磁波在信道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 66 时延 delay或latency 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 结点缓存队列中分组排队所经历的时延是处理时延中的重要组成部分 处理时延的长短往往取决于网络中当时的通信量 有时可用排队时延作为处理时延 67 时延 delay或latency 数据经历的总时延就是发送时延 传播时延和处理时延之和 总时延 发送时延 传播时延 处理时延 68 三种时延所产生的地方 1011001 发送器 队列 结点B 结点A 数据 从结点A向结点B发送数据 链路 69 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 提高链路带宽减小了数据的发送时延 70 时延带宽积 传播 时延 链路 带宽 时延带宽积 传播时延 带宽 链路的时延带宽积又称为以比特为单位的链路长度 物理含义 时延带宽积 71 往返时延RTT 往返时延RTT Round TripTime 表示从发送端发送数据开始 到发送端收到来自接收端的确认 接收端收到数据后立即发送确认 总共经历的时延 72 利用率 信道利用率 信道有百分之几的时间是被利用的 网络利用率 全网络的信道利用率的加权平均值 D0 空闲时的时延 D 当前的网络时延 则利用率 信道利用率并非越高越好 73 吞吐量 单位时间内通过某个网络的数据量 受带宽或额定速率的限制 74 1 3排队论QueuingTheory 一 排队一个报文进入网络后 排队等待 被服务 并离开 这是一个随机过程 如在时间间隔t内 有k个报文到达的概率为其中k 0 1 2 l为常数 称这种过程为泊松过程 泊松过程的特点 1 平稳性 任意段时间内事件出现的概率只与t有关 而与什么时候出现无关 2 无后效性 无记忆性 互不相交的时间区域内事件出现的概率互不相关 3 普通性 双择性 在t Dt内 当Dt 0时 在Dt内要么有一个事件出现 要么0个事件出现 大于1个事件到达的概率为0 忽略 75 1 3排队论QueuingTheory 二 到达时间间隔t的概率密度函数t内无报文到达 在Dt内有一个报文到达 则a t Dt P t内无到达 在 t t Dt 内有1个报文到达 根据泊松公式 P t内无到达 e ltP t t Dt 内有1个报文到达 lDte lt则 76 1 3排队论QueuingTheory 三 服务 发送 时间的概率密度函数服务 发送报文 时间与报文的随机长度和服务率 发送速率 有关 t r c 式中 r为随机报文长度 c为发送速率确定值 大量实践统计表明 随机报文长度概率密度函数也呈负指数关系 即式中 r为报文随机长度变量 均值 式中 为随机报文长度 77 1 3排队论QueuingTheory 四 李特尔定律 LittleLaw N lT式中 N 网络中的平均报文数l 报文的平均到达率T 报文在网络中的平均逗留时间Little定律表明 在稳态情况下 逗留在网络中报文的平均数等于报文的平均到达率与这些报文在网络中的平均逗留时间之乘积 Little定律对于任意设定边界的封闭网络 对任意分布的数据流均正确 78 1 3排队论QueuingTheory 五 通信量强度 trafficintensity 即业务强度或信道忙的概率 表示网络的忙碌程度 设 r为通信量强度 业务强度 l为平均到达率 1 m为随机报文长度 C链路的速率 则 业务量强度等于报文平均到达率与输出信道的平均输出率之比 79 1 3排队论QueuingTheory 六 系统中的平均报文数设报文的平均排队时间为W 每个报文的平均发送时间为1 mc 则报文在系统的逗留时间为两边同乘l 则 N