1_计算机网络的分类、协议与体系结构.ppt

计算机通信与网络技术 前言0 1计算机网络在信息时代的作用 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 知识经济的两个重要特点就是信息化和全球化 三网 电信网络 有线电视网络 计算机网络 20世纪90年代以来 以因特网 Internet 为代表的计算机网络的发展迅速 计算机网络已经全面贯穿于人类的生活和工作之中 网络的应用无处不在 0 2该课程在专业体系中的作用 电气专业或工业控制等领域 网络的应用和互联成为大趋势 数据远传和共享变得越来越重要 随着软硬件技术的发展 统一和标准的网络协议逐渐成熟起来 系统集成是我们所要面对的任务之一 通信是非常关键的一部分 本课程主要教学内容 计算机网络的分类 协议与体系结构物理层及数字通信基础数据链路控制及其协议局域网广域网网络互连路由协议运输层应用层协议网络安全 对该课程的学习要求 掌握计算机网络的基本概念 熟悉计算机网络的基本技术 理解计算机网络的工作原理 面对高速发展的网络技术 具有积极动手 主动跟踪 继续学习的基础和能力 课程进度安排 1周 16周 34个讲授课时 8个实验课时 4个习题课时 2个考试课时教材 计算机网络教程 第5版 谢希仁计算机网络知识要点与习题解析 修订版 王慧强等主编 哈尔滨工程大学出版社 2009年10月第一版考核方式 闭卷考试70 实验20 作业10 实验一网络基本知识 了解网络基本配置中包含的协议 服务和基本参数 掌握WindowsXP系统网络组件的安装和卸载方法 掌握WindowsXP系统共享目录的设置和使用方法 学会制作两种类型的RJ 45接头直通线 交叉线 掌握使用双绞线作为传输介质的网络连接方法 掌握测线仪的使用方法 实验题目 实验二网络应用实验 了解常用的网络应用 掌握IIS的安装和配置 掌握IP地址和TCP端口 SOCKET 的配置 熟悉CRC校验的原理 掌握CRC校验的实现方法 实验题目 实验三网络协议分析 熟悉网络分析软件 学习捕捉数据的方法 分析数据帧和报文 掌握以太网数据帧和IP数据报的结构 按照协议类型分析数据包的各个首部的字段含义的方法 初步尝试用软件编写解析IP数据报首部的字段含义的方法 实验题目 实验四转发表与路由算法 熟悉广域网络的转发机理 理解转发表的作用 理解路由算法的基本思路 实验题目 第1讲概论 1 1计算机网络的分类 1 1 1计算机网络的定义 计算机网络的精确定义并未统一 关于计算机网络的最简单的定义是 一些互相连接的 自治的计算机的集合 更准确的定义 凡是将地址位置不同 并具有独立功能的计算机系统通过通信设备和线路连接起来 以功能完善的网络软件实现在网络中资源共享和信息交换的系统 称为计算机网络系统 1 1 2计算机网络的几种分类方法 电路交换 用模拟信道的连接在线路上传输信息 电路交换要求在通信的双方之间建立一条实际的物理通路 并且在整个通信过程中 这条通路被独占 这种联网方式称为面向连接的 connection oriented 过程为 建立连接 通信 释放连接 存储交换 数字化网络 存储 转发方式 标志 表示帧的开始和结束地址 包括源地址和目的地址控制 报文类型和功能信息 传送的数据FCS 帧校验码 报文 帧Frame 报文交换每次是无需通过物理连接而建立通信信道的 这种联网方式称为无连接的 connectionless 报文交换 不定长报文为单位 存储转发报文的优点 信道利用率高 多报文共享 节点 节点 信道接收方和发送方无需同时工作 节点暂存报文可同时向多个目标发送同一报文 在网络上实现报文的差错控制和纠错处理 分组交换 包交换 定常报文为单位分组传输 10100111010 10110101011 分组 packet 又称为 包 是在计算机网络中传送的数据单元 分组交换时在传送数据之前可不必先建立一条连接 即使用无连接 connectionless 方式 亦可使用面向连接方式 因为分组的首部 header 也称为 包头 包含了诸如目的地址和源地址等重要信息 使每个分组能够在分组交换网中独立地选择路由 故分组交换的特征是基于标记 label based ABCD ABCD ABCD 报文交换 电路交换 分组交换 t 数据传送的特点 比特流直达终点 报文 报文 报文 分组 分组 分组 存储转发 存储转发 存储转发 存储转发 三种交换的比较 分组交换优点 灵活 为每一个分组独立地选择转发路由 迅速 以分组为传送单位 传输出错时重传的是小的分组 可不先建立连接 分组暂存于内存 网络使用高速链路 可靠 完善的网络协议 分布式多路由的分组交换网 使网络有很好的生存性 高效 传输过程中动态分配传输带宽 对通信链路逐段独占 分组交换缺点 分组在各结点存储转发时需要排队 尤其通信量过大时 时延可能很大 分组携带的控制信息增加了开销 且需要专门的管理控制机制 1 集中式 星型结构 2 分布式 网状结构 3 总线结构4 环形结构 1 1 2计算机网络的几种分类方法 互联网internet内部网Intranet外部网Extranet因特网Internet 1 2计算机网络的主要性能指标 1 2 1带宽 bandwidth 带宽 本来的意思是指某个信号具有的频带宽度 带宽的单位是赫兹 Hz 千赫 kHz 兆赫 MHz 等 模拟信道 对于数字信道 带宽 是指在信道上 或一段链路上 能够传送的数字信号的速率 即数据率或比特率 比特 bit 是计算机中的数据的最小单元 它也是信息量的度量单位 带宽的单位就是比特每秒 bit s 带宽有时也称为吞吐量 throughput 单位时间内通过的数据量 1 2 2时延 delay 时延 delay或latency 是指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 总时延 发送时延 传播时延 处理时延 排队时延 时延的计算方法 传播时延 信道长度 信道上电磁波的传播速率 路 发送时延 数据块长度 信道带宽 口 排队时延 取决于网络通信量 多信源 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 三种时延在实际中的产生示意 1 2 3时延带宽积和往返时延 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 传播时延20ms 带宽10Mbit s 时延带宽积 20 10 3 10 106 2 105bit在链路上第1个信号到接收端发送端已发送了20万bit 以bit为单位的链路长度 1 2 3时延带宽积和往返时延 往返时延RTT Round TripTime 也是一个重要的性能指标 它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 总共经历的时延 链路的时延带宽积又称为以比特为单位的链路长度 1 2 4信道利用率和网络时延 信道利用率 网络当前的时延 令D0表示网络空闲时的时延 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计算机网络的协议 1 3 1网络协议的概念 计算机系统互相通信是需要规则的规则的制定 从SNA到OSI RM规则的推广 TCP IP协议簇成为事实上的国际标准 重要的规则 协议 制定者 美国国家标准协会 ANSI 国际电工委员会 IEC 国际电信联盟 ITU 电子工业协会 EIA 电气和电子工程师协会 IEEE 国际标准化组织 ISO 国家标准和技术协会 NIST 国际商用机器公司 IBM 什么是协议 人际交往的协议和计算机网络协议 Hi Hi TCPconnectionreq 一 计算机协议的概念 为进行网络中的数据交换而建立的规则 标准或约定即称为网络协议 一个网络协议主要由以下三个要素组成 1 语法 即数据与控制信息的结构或格式 2 语义 即需要发出何种控制信息 完成何种动作以及做出何种响应 3 同步 即事件实现顺序的详细说明 二 协议protocol的特点 1 分层layering网络系统体系结构是有层次的 通信协议也被分为多个层次 在每个层次内又可分成若干子层次 协议各层次有高低之分 二 协议的特点 2 协调配合每一层和相邻层有接口 较低层通过接口向它的上一层提供服务 但这一服务的实现细节对上层是屏蔽的 较高层又是在较低层提供的低级服务的基础上实现更高级的服务 1 4计算机网络的原理体系结构 1 4 1原理体系结构 因特网协议栈 应用层 支持网络应用ftp smtp http传输层 主机进程间的数据传递tcp udp网络层 将数据报从信源传递到信宿ip 路由选择协议链路层 数据在网络上的相邻结点间的传输ppp ethernet物理层 信道上传送的位流 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 数据传递过程 1 4 2实体 协议 服务和服务访问点 实体entity 任何可发送或接收信息的硬件或软件进程 协议protocol 水平的操作 控制两个对等实体进行通信的规则集合 服务service 垂直的操作 即服务是由下层向上层通过层间接口提供的 服务访问点SAP 在同一系统中相邻两层的实体进行交互 即交换信息 的地方 协议数据单元PDU 对等层peerlayers之间传送的数据单位 服务原语 服务原语primitive 供上下层之间联络使用 请求 上层实体要求下层服务进行何种操作指示 下层实体告知上层实体某事件发生响应 上层实体表示对某事件的响应确认 下层实体回复关于它收到的请求确认服务 请求 指示 响应 确认 无确认服务 请求 指示 分层 逻辑通信 每个层次 分布的运行 实体 在每个节点上实现该层的功能实体实现动作 与对等实体交换信息 分层 逻辑通讯 如传输层 从应用层取得数据加上地址 校验信息形成 数据报 向对等实体 peer 发送数据报等待对等体在接收后的应答比喻 邮局服务 分层 物理通信 协议分层和数据的封装 每个层次都从上层取得数据加上首部信息形成新的数据单元将新的数据单元传递给下一层次 帧 数据报 数据段 1 4 3面向连接服务与无连接服务 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 如电路交换无连接服务 不需要通信的两个实体同时处于激活态 如报文交换数据报 datagram 无连接服务 IP数据报 证实交付 confirmeddelivery 请求回答 request reply 1 5OSI与TCP IP体系结构的比较 OSI参考模型中采用了七个层次的体系结构 将原理体系结构中的应用层再划分为应用层 表示层和会话层 OSI网络体系介绍 物理层 数据链路层 网络层 运输层 会话层 表示层 应用层 OSI与TCP IP体系结构对比 在一些问题的处理上 TCP IP与OSI不同点 TCP IP一开始就考虑到多种异构网的互连问题 TCP IP一开始就对面向连接服务和无连接服务并重 TCP IP有较好的网络管理功能 按层次高低的一些协议来表示TCP IP协议族 面向连接服务 无连接服务 1 6客户 服务器方式 在TCP IP的进程之间的通信常用客户 服务器方式 为了解决具体的应用问题而彼此通信的进程称为 应用进程 而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 客户 client 和服务器 server 都是指通信中所涉及的两个应用进程 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 1 7对等连接对等连接 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 双方都可以下载对方已经存储在硬盘中的共享文档 网络边缘 网络核心 运行P2P程序 运行P2P程序 D C E F 运行P2P程序 运行P2P程序 作业 P33 1 03 1 10 1 11 1 17 1 19 1 21 1 22 1 24 1 26 1 03试从多方面比较电路交换 报文交换和分组交换的主要有缺点 电路交换 在发送数据前要先建立物理链路的连接 呼叫阶段 链路建立后所有数据都经该链路有序传送 数据发送后要释放该物理链路 电路交换连接一旦建立 整个通信过程独占整个信道 连接的建立和释放需要时间 适合有大量数据发送的场合 报文交换 一次发送整个报文 报文中有目的地址等控制信息 分组交换 数据报分组交换 每个分组独立选择路由 分段占用各段链路 但分组控制信息要浪费资源 数据不保证按序到达 各分组在结点等待排队浪费时间 适合计算机通信 虚电路分组 交换虚电路 通信完毕后对应的通信信道的逻辑链路释放 永久虚电路 对应的通信信道永久占用此逻辑通道 在发送数据前要先建立逻辑链路的连接 呼叫阶段 链路建立后所有数据都经该链路有序传送 数据发送后要释放该逻辑链路 将要发送的数据分割成一个个小的数据段 每个数据段加上目的地址分组信息等控制信息构成分组 每个分组独立选择路由 1 10试在下列条件下比较电路交换和分组交换 要传送的报文共x bit 从源站到目的站的共经过k段链路 每段链路的传播时延为d s 数据率为b bit s 在电路交换是电路的建立时间为s s 在分组交换是分组长度为p bit 且各结点的排队等待时间可忽略不计 问在怎样的条件下 分组交换的时延比电路交换的要小 解 电路交换时延 电路建立时间 发送时延 传输时延t1 s x b kd 分组发送时延 发送时延 存储转发时间 传输时延 排队时延t2 x b k 1 p b kd 0 若t1 t2则 s k 1 p b 在习题1 10的分组交换网中 设报文长度和分组长度分别为x和 p h bit 其中p为分组的数据部分的长度 而h为每个分组所带的控制信息固定长度 与p的大小无关 通信的两端共经过k段链路 链路的数据率为b bit s 但传播时延和结点的排队时间均可忽略不计 若打算使总的时延为最小 问分组的数据部分长度p应取为多大 解 1 11 分组发送时延 呼叫建立时间 发送时延 传输时延 排队时延D k 1 h p b x p h p b 0 0 dD dp k 1 b hx bp2 0 1 17收发两端之间的传输距离为1000km 信号在媒体上的传播速率为2 108m s 试计算一下两种情况的发送时延和传播时延 1 数据长度为107bit 数据发送速率为100kbit s 2 数据长度为103bit 数据发送速率为1Gbit s 从以上计算结果可得出什么结论 2 发送时延 x b 103 109 10 6s 传输时延 L c 106 2 108 5 10 3s 1 发送时延 x b 107 105 100s 传输时延 L c 106 2 108 5 10 3s 解 结论 1 在长距离传输时 传输时延占主要成分 2 发送时延中 数据长度越短 数据发送速率越高 发送时延越小 1 21简述协议和服务之间的区别和联系 可以简单的说 服务是垂直的 协议是水平的 服务是网络体系结构中各层向它的上一层提供的一组原语 操作 定义了该层应该完成哪些操作 但丝毫没有涉及如何实现这些操作 如何实现这些操作 则由相应层的协议来完成 服务是描述相邻两层之间的接口 下层是服务提供者 上层是服务使用者 而协议是定义同层对等实体间交换帧 数据报的格式和意义的一组规则 1 1IP数据通信有什么特点 从技术上说 新的变革实际上就是从基于电路交换的技术转变为IP分组交换的技术 从模式上看 IP分组传输是一种全新的通信模型 在该模型中 数据正迅速取代语音成为主要的网络流量类型 互联网的应用的普及使传统的电信业务的格局发生了改变 大量的互联网服务供应商迅速崛起 其服务范围也越来越广 IP分组传输是通信技术发展的趋势所在 IP网络将是未来通信网络的基础 补充作业 1