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计算机网络技术 TechnologyofComputerNetworks 2 第1章概述 主要内容1 1计算机网络的形成与发展1 2计算机网络的定义与分类1 3计算机网络的组成与功能1 4计算机网络的主要性能指标1 5因特网的初步分析1 6计算机网络体系结构 3 1 1计算机网络的形成与发展 第一阶段 20世纪50年代 具有通信功能的单机系统阶段第二阶段 20世纪60年代 具有通信功能的多机系统阶段第三阶段 20世纪70年代 以资源共享为主要目的的计算机网络阶段第四阶段 20世纪90年代 以局域网络及其互连为主要支撑环境的分布式计算机网络阶段 4 1 2计算机网络的定义与分类 什么是计算机网络 多年来并没有一致的严格定义 人们曾经试图从不同的角度对它作出了不同的定义 这些定义归纳起来 可以分为3类 从强调信息传输的角度出发 人们把计算机网络定义为 计算机技术和通信技术相结合以实现远程信息处理或进一步达到资源共享的系统 从资源共享的角度出发 美国信息处理学会联合会认为 计算机网络是以能够相互共享资源 硬件 软件 数据 的方式连接起来 并各自具备独立功能的计算机系统的集合 计算机网络的定义 1 5 计算机网络的定义 2 从用户的角度出发 人们把计算机网络定义为 由一个网络操作系统自动管理用户任务所需的资源 而使整个网络就像一个对用户是透明的计算机大系统 这里 透明 的含义是指用户觉察不到在计算机网络中存在着多个计算机系统 按照这种观点 如果不具备这种透明性 需要用户来熟悉资源情况 确定和调用资源 那么就认为这种网络是计算机通信网络而不是计算机网络 6 计算机网络的定义 3 上述3类观点代表了人们在不同的时期 在网络发展的不同阶段 对计算机网络的不同理解 目前对于计算机网络比较完整和普遍的定义是 计算机网络是将处于不同地理位置的相互独立的计算机 通过通信设备和线路按一定的通信协议连接起来 以达到资源共享为目的的计算机系统的集合 7 计算机网络的定义 4 计算机网络的基本特征网络建立的主要目的是实现计算机资源的共享互联的计算机是分布在不同地理位置的多台独立的计算机系统联网计算机在通信过程中必须遵循相同的网络协议 8 计算机网络的定义 5 注意 并不是所有连在一起的计算机组建系统都是计算机网络 例如 由1台主控机和多台从属机组成的系统不是网络 同样地 一台有大量终端的大型机也不能称为网络 处于网络中的计算机应具有独立性 如果一台计算机可以强制启动 停止和控制另一台计算机 或者说如果把一台计算机与网络的连接断开 它就不能工作了 这台计算机就不具备独立性 9 计算机网络的分类 按网络拓扑结构分类按网络控制方式分类按网络的规模分类按通信传输方式分类按网络配置分类其他分类方式 10 按网络拓扑结构分类 拓扑结构一般指点和线的几何排列或组成的几何图形 计算机网络的拓扑结构是指一个网络的通信链路和结点的几何排列或物理布局图形 链路是网络中相邻两个结点之间的物理通路 结点指计算机和有关的网络设备 甚至指一个网络 按拓扑结构 计算机网络可分为五类 11 a 星形网络 b 树形网络 12 a 总线形网络 b 环形网络 13 网状形网络 14 以上介绍了五种基本的网络拓扑结构 事实上以此为基础 还可构造出一些复合型的网络拓扑结构 例如 中国教育科研计算机网络 CERNET 可认为是网状形网 树形网和环形网的复合 如下图所示 其主干网为网状形结构 连接的每一所大学大多是树形结构 星形结构或环形结构 15 中国教育科研计算机网络拓扑图 16 按网络控制方式分类 集中式计算机网络这种网络的处理和控制功能都高度集中在一个或少数几个结点上 所有的信息流都必须经过这些结点之一 因此 这些结点是网络的处理和控制中心 其余的大多数结点则只有较少的处理和控制功能 分布式计算机网络在这种网络中 不存在一个处理和控制中心 网络中任一结点都至少和另外两个结点相连接 信息从一个结点到达另一结点时 可能有多条路径 17 从网络的作用范围进行分类 局域网LAN LocalAreaNetwork 接入网AN AccessNetwork 城域网MAN MetropolitanAreaNetwork 广域网WAN WideAreaNetwork 因特网Internet 18 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 PC 校园网 企业网 19 按通信传输方式分类 点到点传播型网网络中的每两台主机 两台结点交换机之间或主机与结点交换机之间都存在一条物理信道 广播型网所有主机共享一条信道 某主机发出的数据 其他主机都能收到 20 按网络配置分类 同类网如果在网络系统中 每台机器既是服务器 又是工作站 那这个网络系统就是同类网 也称对等网络 Peer to PeerNetwork 单服务器网单服务器网指只有一台机器作为整个网的服务器 其他机器全部都是工作站 混合网如果网络中的服务器不只一个 同时又不是每个工作站都可以当作服务器来使用 则这个网就是混合网 21 其他分类方式 1 按网络传输信息采用的物理信道来分类 可划分为有线网络和无线网络 按通信速率的不同来分类 可划分为低速网络 数据传输速率在1 5Mbps以下网络系统 中速网络 数据传输速率在50Mbps以下的网络系统 高速网络 数据传输速率在50Mbps以上的网络系统 22 其他分类方式 2 按使用者分类 可分为公用网和专用网 其中专用网络根据网络环境又可细分为部门网络 企业网络 校园网络三种 按网络的交换功能分类 可分为电路交换网络 报文交换网络 分组交换网络 混合交换网络等 按采用的网络操作系统分类 可分为Novell网 WindowsNT网 Windows2000Server网 Unix网 Linux网等 23 1 3计算机网络的组成与功能 一般而论 计算机网络有三个主要组成部分 若干个主机 它们各为用户提供服务 一个通信子网 它主要由结点交换机和连接这些结点的通信链路所组成 一系列的协议 为了便于分析 按照数据通信和数据处理的功能 一般从逻辑上将网络分为通信子网和资源子网两个部分 如下图所示 计算机网络的组成 1 24 计算机网络的组成 2 资源子网和通信子网两个部分的结构示意图 25 计算机网络的组成 3 通信子网由通信控制处理机 CCP 通信线路与其他通信设备组成 负责完成网络数据传输 转发等通信处理任务 它由各种硬件和软件组成 资源子网主要包括实现网络资源共享的主机与终端 实现全网的面向应用的数据处理和网络资源共享 它由各种硬件和软件组成 26 计算机网络的功能 数据通信资源共享负荷均衡和分布处理提高系统的安全可靠性 27 数据通信 这是计算机网络最基本的功能 也是实现其他功能的基础 连接的建立和拆除数据传输控制差错检测流量控制路由选择多路复用 28 资源共享 1 资源 所谓资源指的是一切可被人类开发和利用的物质 能量和信息 客观存在 的总称 网络 资源 存在于计算机网络之中的资源资源种类 数据 软件 硬件三类 资源共享种类数据共享软件共享硬件共享 29 资源共享 2 资源共享策略分割 Splitting 将资源容量分成许多片 给每个请求资源的用户分若干片排队 Queueing 某一时刻只有一个用户得到服务 而其它请求资源的用户都排队等待 30 负荷均衡和分布处理 负荷均衡 将工作量在不同的计算机之间按照一定的策略进行较为平衡地分配 通过合理的网络管理 将某时刻处于重负荷计算机上的任务分送给别的轻负荷的计算机去处理 可达到均衡负荷的目的 分布处理 将本地计算机不能或不能完全处理的计算转移到网络中的其它计算机上处理 31 提高系统的安全可靠性 计算机通过网络中的冗余部件可大大提高可靠性 例如 在工作过程中 一台机器出了故障 可以使用网中的另一台机器 网中一条通信线路出了故障 可以取道另一条线路 从而提高了网络整体系统的可靠性 32 1 4计算机网络的主要性能指标 速率带宽吞吐量时延利用率 33 1 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binarydigit 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 datarate 或比特率 bitrate 是计算机网络中最重要的一个性能指标 数据率 数字信道传送数字信号的速率 也称比特率 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 34 2 带宽 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 35 常用的带宽单位 更常用的带宽单位是千比每秒 即kb s 103b s 兆比每秒 即Mb s 106b s 吉比每秒 即Gb s 109b s 太比每秒 即Tb s 1012b s 请注意 在计算机界 K 210 1024M 220 G 230 T 240 36 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 37 3 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 38 4 时延 时延 delay或latency 一个报文或分组从一个网络 或一条链路 的一端传送到另一端所需的时间主要有五种发送时延传播时延处理时延排队时延总时延 39 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 发送时延 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 40 传播时延 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 注意 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 41 处理时延和排队时延 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 42 四种时延所产生的地方 1011001 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 43 总时延 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 44 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 45 时延带宽积 时延带宽积 传播时延 带宽 含义 表示这样的链路可容纳多少个比特 链路的时延带宽积又称为以比特为单位的链路长度 46 往返时延 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 47 5 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 48 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 49 时延D 利用率U 1 0 D0 时延急剧增大 50 因特网的概貌因特网的三个阶段因特网的标准化工作因特网的组成 1 5因特网的初步分析 51 起源于美国的因特网现已发展成为世界上最大的国际性计算机互联网 这就使得20世纪90年代成为公认的因特网时代 或简称为网络时代 计算机网络把许多计算机连接在一起 而因特网则把许多计算机网络连接在一起因特网是网络的网络 networkofnetworks 因特网的概貌 52 因特网的表示 a 表示因特网的方法 b 因特网是 网络的网络 53 因特网的三个阶段 因特网的基础结构大体上经历了三个阶段的演进 但这三个阶段在时间划分上并非截然分开而是有部分重叠的 这是因为网络的演进是逐渐的而不是突然的 54 从单个网络ARPANET向互联网发展的过程 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 以大写字母I开始的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协议集作为通信的规则 且其前身是美国的ARPANET 因特网发展的第一阶段 55 因特网发展的第二阶段 建成了三级结构的因特网 分为主干网 地区网和校园网 或企业网 56 三级结构的因特网 各网络之间需要使用路由器来连接 有时在结构图中可不画出路由器 校园网 校园网 校园网 校园网 校园网 校园网 国家主干网 57 三级结构的因特网 主机到主机的通信可能要经过多种网络 校园网 校园网 校园网 校园网 校园网 校园网 国家主干网 A B 58 因特网发展的第三阶段 逐渐形成了基于ISP和NAP的多级结构的因特网 因特网服务提供者ISP InternetServiceProvider 又常称为因特网服务提供商 NAP就是用来交换因特网上流量的结点 在NAP中安装有性能很好的交换设施 NAP又称为对等点 peeringpoint 表示接入到NAP的设备不存在从属关系而都是平等的 从1994年到现在 因特网逐渐演变成多级结构网络 59 用户通过ISP接入因特网 60 多级结构的因特网 大公司 地区ISP 网络接入点NAP 对等点 公司 主干服务提供者 本地ISP 地区ISP 地区ISP 地区ISP 本地ISP 本地ISP 大公司 大公司 网络接入点NAP 对等点 主机到主机的通信可能经过多种ISP A B 61 今日的多级结构的因特网 大致上可将因特网分为以下五个接入级网络接入点NAP国家主干网 主干ISP 地区ISP本地ISP校园网 企业网或PC机上网用户 62 注意 由欧洲原子核研究组织 CERN 开发的万维网WWW WorldWideWeb 被广泛使用在因特网上 大大方便了广大非网络专业人员对网络的使用 成为因特网的这种指数级增长的主要驱动力 63 下一代因特网计划 1 由于因特网存在着技术上和功能上的不足 加上用户数量猛增 使得现有的因特网不堪重负 下一代因特网计划 即 NGI计划 NextGenerationInternetInitiative 64 下一代因特网计划 2 NGI计划要实现的一个目标是开发下一代网络结构 以比现有的因特网高100倍的速率连接至少100个研究机构 以比现有的因特网高1000倍的速率连接10个类似的网点 65 下一代因特网计划 3 NGI计划将使用超高速全光网络 能实现更快速的交换和路由选择 同时具有为一些实时 realtime 应用保留带宽的能力 在整个因特网的管理和保证信息的可靠性与安全性方面也会有很大的改进 66 因特网的标准化工作 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 RG WG RG 领域 领域 因特网体系结构研究委员会IAB WG WG WG 67 制订因特网的正式标准经过四个阶段 因特网标准以RFC 请求评论 文档的形式在因特网发表因特网草案 InternetDraft 在这个阶段还不是RFC文档建议标准 ProposedStandard 从这个阶段开始就成为RFC文档草案标准 DraftStandard 因特网标准 InternetStandard 68 各种RFC之间的关系 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RFC 6种RFC 69 因特网虽然在地理上覆盖了全球 但从其工作方式上看 可以把整个因特网的组成划分为两大块 即由所有连接在因特网上的主机组成的因特网的边缘部分和由大量网络和连接这些网络的路由器组成的因特网核心部分 因特网的组成 70 因特网的边缘部分与核心部分 71 因特网的边缘部分 处在因特网边缘的部分就是连接在因特网上的所有的主机 这些主机又称为端系统 endsystem 端 就是 末端 的意思 因特网的端系统就是前面提到的主机 边缘部分的功能就是利用核心部分所提供的服务 使这样多的主机之间能够互相通信并交换或共享信息 72 注意 主机A和主机B进行通信 即指主机A的某个进程和主机B上的另一个进程进行通信 这种比较准确的说法通常可以简称为 计算机之间通信 计算机的进程 process 就是运行着的计算机程序为解决具体应用问题而彼此通信的进程称为 应用进程 在网络边缘的端系统中运行的程序之间的通信方式可划分为两大类 客户服务器方式和对等方式 73 客户服务器方式 1 这种方式在因特网上是最常用的 也是传统的方式 客户 client 和服务器 server 都是指通信中所涉及的两个应用进程 客户服务器方式所描述的是进程之间服务和被服务的关系 74 客户服务器方式 2 这里最主要的特征就是 客户是服务请求方 服务器是服务提供方 服务请求方和服务提供方都要使用网络核心部分所提供的服务 75 客户服务器工作方式 3 76 客户服务器方式 4 在实际应用中 客户程序和服务器程序通常还具有以下一些主要特点 客户程序 1 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 请求服务 2 可与多个服务器进行通信 3 不需要特殊的硬件和很复杂的操作系统 77 客户服务器方式 5 服务器程序 1 是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 2 当系统启动时即自动调用并一直不断地运行着 被动地等待并接受来自多个客户的通信请求 3 一般需要强大的硬件和高级的操作系统支持 78 注意区分 用户与客户客户和服务器本来都指的是计算机进程 软件 国外文献中 运行客户程序的机器称为client 把运行服务器程序的机器称为server有时 客户端或服务器端表示运行客户程序或服务器程序的机器 79 对等连接方式 1 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 这时 双方都可以下载对方已经存储在硬盘中的共享文档 也称为P2P文件共享 80 对等连接方式 2 81 因特网的核心部分 网络核心部分是因特网中最复杂的部分 网络核心部分向网络边缘中的主机提供服务 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 网络和网络的连接要依靠路由器 router 路由器的具体任务是转发收到的分组 但从通信的角度看 路由器是实现分组交换 packetswitching 这是网络核心部分最重要的功能 82 因特网的核心部分的示意图 a 核心部分的路由器把网络互连起来 b 核心部分中的网络可用一条链路表示 83 回顾一下电路交换的特点 两部电话机只需要用一对电线就能够互相连接起来 84 更多的电话机互相连通 5部电话机两两相连 需10对电线 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 85 使用交换机 当电话机的数量增多时 就要使用交换机来完成全网的交换任务 交换机 86 交换 的含义 在这里 交换 switching 的含义是 转接 把一条电话线转接到另一条电话线 使它们连通起来 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 87 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这种必须经过 建立连接 占用通信资源 通话 一直占用通信资源 释放连接 归还通信资源 三个步骤的交换方式称为电路交换 88 电路交换举例 1 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 89 电路交换举例 2 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 90 电路交换传送计算机数据效率低 计算机数据具有突发性 这导致通信线路的利用率很低 91 报文 分组交换的原理 一 在发送端 先把较长的报文 欲发送的整块数据 划分成较短的 固定长度的数据段 92 数据 数据 数据 分组交换的原理 二 每一个数据段前面添加上首部构成分组 首部 首部 首部 请注意 现在左边是 前面 93 分组交换的原理 三 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 94 分组首部的重要性 每一个分组的首部都含有地址等控制信息 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 分组就能传送到最终目的地 95 请注意名词 结点 结点 的英文名词是node 虽然node有时也可译为 节点 但这是指像天线上的驻波的节点 这种节点很像竹竿上的 节 在网络中的node的标准译名是 结点 而不是 节点 96 分组交换的原理 四 接收端收到分组后剥去首部还原成报文 数据 首部 数据 首部 数据 首部 收到的数据 97 数据 数据 数据 分组交换的原理 五 最后 在接收端把收到的数据恢复成为原来的报文 这里我们假定分组在传输过程中没有出现差错 在转发时也没有被丢弃 98 请注意首部的位置 接收端在发送端的左方时 首部往往画在分组的左方 接收端在发送端的右方时 首部往往画在分组的右方 99 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 100 注意分组的存储转发过程 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 101 注意结点交换机有多个端口 A B C D E H1 H5 H2 H4 H3 H6 高速链路 结点交换机 1234 1234 1234 1234 1234 102 结点交换机 在结点交换机中的输入和输出端口之间没有直接连线 结点交换机处理分组的过程是 把收到的分组先放入缓存 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 103 主机和结点交换机的作用不同 主机 这种连接到计算机网络上的计算机通常都称为主机 host 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 结点交换机对分组进行存储转发 最后把分组交付给目的主机 104 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 105 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 106 存储转发原理并非完全新的概念 在20世纪40年代 电报通信也采用了基于存储转发原理的报文交换 messageswitching 报文交换的时延较长 从几分钟到几小时不等 现在报文交换已经很少有人使用了 107 电路交换 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送 报文交换 整个报文先传送到相邻结点 全部存储下来后查找转发表 转发到下一个结点 分组交换 单个分组 这只是整个报文的一部分 传送到相邻结点 存储下来后查找转发表 转发到下一个结点 三种交换的比较 1 108 三种交换的比较 2 ABCD ABCD ABCD 报文交换 电路交换 分组交换 t 109 计算机网络的概念发生根本变化 早期的面向终端的计算机网络是以单个主机为中心的星形网各终端通过通信线路共享昂贵的中心主机的硬件和软件资源 分组交换网则是以网络为中心 主机都处在网络的外围 用户通过分组交换网可共享连接在网络上的许多硬件和各种丰富的软件资源 110 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 111 计算机网络体系结构的形成协议与划分层次具有五层协议的体系结构实体 协议和服务TCP IP的体系结构 1 6计算机网络体系结构 112 计算机网络体系结构的形成 计算机网络多样化 复杂与异构 造成互连的困难为了能够使不同地理分布且功能相对独立的计算机之间组成网络实现资源共享 计算机网络系统需要涉及和解决许多复杂的问题 包括信号传输 差错控制 寻址 数据交换和提供用户接口等一系列问题 需理论来研究 抽象化 标准化计算机网络体系结构是为简化这些问题的研究 设计与实现而抽象出来的一种结构模型 产生背景 113 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将分层的思想或方法运用于计算机网络中 就产生了计算机网络的分层模型 分层方法 114 层次化的体系结构 从功能和顺序抽象出的几何结构模型就象结构化程序设计 115 20世纪70年代的ARPANET1962 1965年实验研究阶段1969年投入使用4个结点1971年15个结点提出了通信子网和资源子网的概念首次提出了层次结构的思想研究并采用了分组交换方法提供了多种控制方法和控制协议 发展过程 1 116 发展过程 2 各公司提出了基于自己主机和OS的网络体系结构1974IBM SNADEC DNA宝来公司 BNA 117 发展过程 3 ISO的OSI参考模型1977年ISOOSI RM法律上的国际标准在市场化方面却失败了理论意义 分七层IEEE802局域网标准1980年2月局域网的网络体系结构 只研究两层 118 发展过程 4 TCP IP参考模型 体系结构 随着因特网的普及 事实上的国际标准1974年就有人提出 1985年Leiner 1988年Clark都发表过论文厂商支持 尚未有影响的理论组织正式提出 但目前讨论较多目前网络体系结构仍在进一步发展中 119 协议与划分层次 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 networkprotocol 简称为协议 120 网络协议的组成要素 语法数据与控制信息的结构或格式 语义需要发出何种控制信息 完成何种动作以及做出何种响应 同步事件实现顺序的详细说明 121 划分层次的概念举例 计算机1向计算机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 两个计算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 122 两个计算机交换文件 文件传送模块 计算机1 计算机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 123 再设计一个通信服务模块 文件传送模块 计算机1 计算机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 124 再设计一个网络接入模块 文件传送模块 计算机1 计算机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 125 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 126 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 127 每一层的一般功能 差错控制流量控制分段和重装复用和分用连接建立和释放 128 分层也有一些不足 有些功能会在不同的层次中重复出现 因而产生了额外开销 129 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 130 具有五层协议的体系结构 OSI和TCP IP是两种有代表性的计算机网络体系结构OSI是七层的体系结构 应用层 表示层 会话层 运输层 网络层 数据链路层 物理层 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 131 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 132 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 5应用层 4运输层 3网络层 2数据链路层 1物理层 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 133 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 134 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 135 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 136 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 137 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 138 计算机1向计算机2发送数据 应用层 applicationlayer 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2 139 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 140 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 141 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 142 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 143 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 144 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 145 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 146 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 147 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 148 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 149 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 150 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 151 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 152 实体 协议和服务 1 实体 entity 表示任何可发送或接收信息的硬件或软件进程 对等实体 不同机器上位于同一层次 完成相同功能的实体 服务 在网络分层结构模型中 每一层为相邻的上一层所提供的功能性支持称为服务 每一层向上层提供的服务通过层之间的接口来实现 153 面向连接服务与无连接服务 面向连接服务 connection oriented 面向连接服务具有连接建立 数据传输和连接释放这三个阶段 无连接服务 connectionless 两个实体之间的通信不需要先建立好连接 是一种不可靠的服务 这种服务常被描述为 尽最大努力交付 besteffortdelivery 或 尽力而为 154 实体 协议和服务 2 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 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 155 实体 协议和服务 3 协议数据单元 PDU 对等层之间传送数据的单位 服务数据单元 SDU 相邻层之间交换数据的单位 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 ServiceAccessPoint 156 实体 协议和服务 4 服务用户 第n层 第n 1层 服务用户 157 服务原语 158 服务原语的调用过程 159 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 160 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 161 这样的协议无法实现 162 结论 这样无限循环下去 两边的蓝军都始终无法确定自己最后发出的电文对方是否已经收到 没有一种协议能够使蓝军能100 获胜 163 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 TCP IP四层协议的表示方法举例 164 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 165 客户进程和服务器进程使用TCP IP协议进行通信 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 应用层 应用层 因特网 以后就逐级使用下层提供的服务 使用TCP和IP 166 功能较强的计算机可同时运行多个服务器进程 数据链路层 物理层 运输层 网络层 应用层 计算机3 因特网 167 第1章小结 主要内容1 1计算机网络的形成与发展1 2计算机网络的定义与分类1 3计算机网络的组成与功能1 4计算机网络的主要性能指标1 5因特网的初步分析1 6计算机网络体系结构 168 第1章的重要概念 1 计算机网络 可简称为网络 把许多计算机连接在一起 而互联网则把许多网络连接在一起 因特网是世界上最大的互联网 2 以小写字母i开始的internet 互联网或互连网 是通用名词 它泛指由多个计算机网络互连而成的网络 在这些网络之间的通信协议 即通信规则 可以是任意的 169 3 以大写字母I开始的Internet 因特网 是专用名词 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协议族作为通信规则 且其前身是美国的ARPANET 4 因特网现在采用存储转发的分组交换技术 以及三层ISP结构 170 5 因特网按工作方式可划分为边缘部分与核心部分 主机在网络的边缘部分 其作用是进行信息处理 路由器在网络的核心部分 其作用是按存储转发方式进行分组交换 6 计算机通信是计算机中的进程 即运行着的程序 之间的通信 计算机网络采用的通信方式是客户 服务器方式和对等连接方式 P2P方式 171 7 客户和服务器都是指通信中所设计的两个应用进程 客户是服务请求方 服务器是服务提供方 8 按作用范围的不同 计算机网络可以分为广域网WAN 城域网MAN 局域网LAN和个人区域网PAN 172 9 计算机网络最常用的性能指标是速率 带宽 吞吐量 时延 发送时延 传播时延 处理时延 排队时延 和利用率 10 网络协议即协议 是为进行网络中的数据交换而建立的规则 计算机网络的各层及其协议的集合 称为网络的体系结构 173 11 五层协议的体系结构由应用层 运输层 网络层 或网际层 数据链路层和物理层组成 运输层最重要的协议是TCP和UDP协议 而网络层最重要的协议是IP协议 174 第1章的课堂练习题 名词解释 一 1 广域网2 城域网3 局域网4 通信子网5 ARPAnet6 计算机网络7 分布式系统8 公用数据网A 覆盖范围从几十公里到几千公里 可以将一个国家 地区或横跨几个洲的计算机和网络互连起来的网络 B 由各种通信控制处理机 通信线路与其它通信设备组成 负责全网的通信处理任务 C 用于有限地理范围 例如一幢大楼 将各种计算机 外设互连起来的网络 D 可以满足几十公里范围内的大量企业 机关 公司的多个局域网互连的需要