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高级计算机网络课件 杨文川 第一章概论 1 1计算机网络的形成与发展1 2计算机网络的定义 分类及性能指标1 3计算机网络的体系结构1 4计算机网络的发展动向 1 1计算机网络的形成与发展 1 1 1计算机网络发展阶段划分 第1阶段 其主要特征是为了增加系统的计算能力和资源共享 把小型计算机连成实验性的网络 第2阶段 其主要特征为 局域网络作为一种新型的计算机体系结构开始进入产业部门 第3阶段 其主要特征是 局域网络完全从硬件上实现了ISO的开放系统互连通信模式协议的能力 第4阶段 其主要特征是 Internet 高速通信网络技术 接入网 网络和信息安全技术的盛行 1 1 2因特网的发展 因特网概述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 网络 network 由若干结点 node 和连接这些结点的链路 link 组成 互联网是 网络的网络 networkofnetworks 连接在因特网上的计算机成为主机 Host 因特网常用一朵云来表示 c 因特网发展的三个阶段 第一阶段是从单个网络ARPANET向互联网发展的过程 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 InternetServiceProvider 用户 因特网 ISP1 ISP2 因特网服务提供商 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 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 Internet2和下一代因特网计划 NGI Internet2是由UCAID UniversityCorporationforAdvancedInternetDevelopment 美国大学先进网络研究联盟 负责开发的一个项目 开发中的Internet2将用于多媒体虚拟图书馆 远程医疗 远程教学 视频会议 视频点播VOD 天气预报等领域 Internet2和下一代因特网计划 NGI 1997年10月 美国克林顿政府在此基础上提出了下一代因特网计划 即NGI NextGenerationInternet NGI计划实现的目标为 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 Internet2和下一代因特网计划 NGI 使用更加先进的网络服务技术和开发许多带有革命性的应用 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应用保留带宽的能力 对整个因特网的管理和保证信息的可靠性及安全性方面进行较大的改进 Internet组织 管理机构与标准 Internet协会ISOC Internet地址分配授权机构IANA Internet工程指导组IESG Internet工程任务组IETF Internet体系结构委员会IAB Internet研究任务组IRTF Internet信息中心InternetNIC Internet管理机构示意图 因特网的正式标准的四个阶段 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 1 1 3计算机网络在我国的发展 1 中国公用分组交换网CHINAPAC 2 中国公用计算机互联网CHINANET 3 中国教育和科研计算机网CERNET 4 中国科学技术网CSTNET 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 建设中 10 中国卫星集团互联网CSNET 建设中 1 2计算机网络的定义 分类及性能指标 1 2 1计算机网络的不同定义最简单的定义 计算机网络是一些互相连接的 以共享资源为目的的 自治的计算机的集合 因特网 Internet 是 网络的网络 计算机网络的功能主要表现为 硬件资源共享软件资源共享用户间信息交换 1 2 2计算机网络的分类 不同作用范围的网络局域网LAN LocalAreaNetwork 城域网MAN MetropolitanAreaNetwork 广域网WAN WideAreaNetwork 1 2 2计算机网络的分类 不同使用者的网络公用网 publicnetwork 这是指电信公司 国有或私有 出资建造的大型网络 专用网 privatenetwork 这是指某个部门为本单位的特殊业务工作需要而建造的网络 1 2 2计算机网络的分类 用来把用户接入到因特网的网络这种网络即接入网AN AccessNetwork 目前主要分为三类 计算机网络电话通信网广播电视网 1 2 3计算机网络的性能指标 1 速率网络技术中的速率是指连接在计算机网络上的主机在数字信道上传送数据的速率 它也称为数据率或比特率 速率是计算机网络中最重要的性能指标 其单位是b s 或kb s Mb s Gb s等 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 2 带宽从频域角度定义 带宽 bandwidth 是指某个信号具有的频带宽度 单位是赫兹 或千赫 兆赫 吉赫等 从时域角度定义 网络带宽表示在单位时间内从网络中的某一点到另一点所能通过的最高数据率 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 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 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 4 时延 delay 发送时延 传输时延 主机或路由器发送数据帧所需要的时间 即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 传播时延电磁波在信道中传播一定的距离需要花费的时间 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 处理时延主机或路由器对收到的分组进行处理所需要花费的时间 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 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 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 时延带宽积 往返时间RTT往返时间 Round TripTime RTT 表示从发送方发送数据开始 到发送方收到来自接收方的确认 接收方收到数据后便立即发送确认 总共经历的时间 利用率信道利用率就是信道平均被占用的程度 完全空闲的信道的利用率是零 网络利用率网络利用率则是全网络的信道利用率的加权平均值 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 时延D 利用率U 1 0 D0 时延急剧增大 1 3计算机网络的体系结构 1 3 1网络体系结构的基本概念1 网络协议为网络数据交换而制定的规则 约定与标准被称为网络协议 网络协议也简称为协议 1 3计算机网络的体系结构 网络协议主要由以下3个要素构成 语法 即数据与控制信息的结构和格式语义 用于解释比特流每一部分的意义 它规定了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 对事件实现顺序的详细说明 2 层次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 分层次 layer 是可以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容易研究和处理 3 各层设计的关键问题编址机制错误控制机制流量控制机制复用 分用 4 网络体系结构网络体系结构 networkarchitecture 指网络层次结构模型与各层协议的集合 体系结构是抽象的 而实现是具体的 它是指能运行的一些硬件和软件 1 3 2网络体系结构的研究方法 计算机网络中采用层次结构的好处 各层之间是独立的 灵活性好 各层都可以采用最适合的技术来实现 易于实现和维护 有利于促进标准化 1 3 3几种常见参考模型 1 OSI参考模型OSI的结构 OSI参考模型的缺陷OSI的专家们缺乏实际经验 他们在完成OSI标准时缺乏商业驱动力 OSI的协议实现起来过分复杂 而且运行效率很低 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的层次划分不太合理 有些功能在多个层次中重复出现 2 TCP IP参考模型TCP IP协议在因特网所使用的各种协议中 最重要的和最著名的就是TCP IP协议 TCP TransmissionControlProtocol 指传输控制协议 IP InternetProtocol 指网际协议 TCP IP参考模型 3 一种建议的参考模型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 但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 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 主机1向主机2发送数据 5 4 3 2 1 5 4 3 2 1 主机1 AP2 AP1 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 主机1向主机2发送数据 5 4 3 2 1 5 4 3 2 1 主机1 AP2 AP1 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 主机1向主机2发送数据 5 4 3 2 1 5 4 3 2 1 主机1 AP2 AP1 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 主机1向主机2发送数据 5 4 3 2 1 5 4 3 2 1 主机1 AP2 AP1 主机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 主机1向主机2发送数据 5 4 3 2 1 5 4 3 2 1 主机1 AP2 AP1 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 主机1向主机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 主机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 主机2 主机1向主机2发送数据 5 4 3 2 1 5 4 3 2 1 主机1 AP2 AP1 主机2 物理层接收到比特流 上交给数据链路层 主机1向主机2发送数据 5 4 3 2 1 5 4 3 2 1 主机1 AP2 AP1 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 主机1向主机2发送数据 5 4 3 2 1 5 4 3 2 1 主机1 AP2 AP1 主机2 网络层剥去首部 取出数据部分上交给运输层 主机1向主机2发送数据 5 4 3 2 1 5 4 3 2 1 主机1 AP2 AP1 主机2 运输层剥去首部 取出数据部分上交给应用层 主机1向主机2发送数据 5 4 3 2 1 5 4 3 2 1 主机1 AP2 AP1 主机2 应用层剥去首部 取出应用程序数据上交给应用进程 主机1向主机2发送数据 5 4 3 2 1 5 4 3 2 1 主机1 AP2 AP1 主机2 我收到了AP1发来的应用程序数据 主机1向主机2发送数据 5 4 3 2 1 5 4 3 2 1 主机1 AP2 AP1 主机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 主机1向主机2发送数据 5 4 3 2 1 5 4 3 2 1 主机1 AP2 AP1 主机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 主机1向主机2发送数据 5 4 3 2 1 5 4 3 2 1 主机1 AP2 AP1 主机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 H3 主机1向主机2发送数据 5