CH1-计算机网络基础知识.ppt

计算机网络 任课教师 武海燕 E mail whyan666 本课程的特点 计算机网络技术是计算机技术和通信技术的结合体 计算机网络除涉及计算机技术和通信技术外 还与计算数学 工程数学 信息论 人工智能 专家系统 生物工程等高新技术有关 因此说它是一门综合性技术 学科 其理论性和实践性都很强 几个问题 什么是计算机网络 为什么要学习计算机网络 学习计算机网络的目的 学习本课程的目的 通过本课程的学习 使学生在已有的计算机知识和电子技术的基础上 能对计算机网络知识有一个较全面和系统地了解 掌握计算机网络的基本概念 理解网络基本原理 掌握计算机网络的基本知识和常用的网络操作和使用技术 了解网络的发展趋势和新技术为今后的继续学习和工作中具备计算机网络操作 使用及维护等能力打下良好的理论基础 几个问题 如何学习计算机网络 这门课包括哪些内容 OSI参考模型 TCP IP四层协议的表示方法举例 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 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 参考书 谢希仁著计算机网络 第五版 电子工业出版社冯博琴陈文革主编计算机网络 第二版 高等教育出版社 2004JamesEKuroseKeithW Ross著陈鸣等译计算机网络自顶向下方法与Internet特色机械工业出版社 2003 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 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 发展最快的并起到核心作用的是计算机网络 计算机网络对社会信息化发展的影响 1 管理信息化2 企业生产自动化3 商贸电子化4 公众生活服务信息化5 军事指挥自动化 6 网络协同工作7 教育现代化8 政府上网和电子政府9 网络安全 计算机网络向用户提供的最重要的功能 连通性 计算机网络使上网用户之间都可以交换信息 好像这些用户的计算机都可以彼此直接连通一样 共享 即资源共享 可以是信息共享 软件共享 也可以是硬件共享 因特网 Internet 的发展 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 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 因特网 网络的网络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都称为主机 host 网络与因特网 网络把许多计算机连接在一起 因特网则把许多网络连接在一起 1 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 自治的计算机的集合 定义 利用 通信线路将 地理上分散的 具有 独立功能的计算机系统和 通信设备按 不同的形式连接起来 以功能完善的网络软件实现资源共享和 信息传递的复合系统 因特网 Internet 是 网络的网络 计算机网络的基本特征 各计算机自治 计算机自成系统 网络协议支持 管理 控制和通信 具有通信功能具有共享能力 1 2计算机网络的发展过程 计算机网络的发展经历了从简单到复杂 从单机到多机 从终端与计算机之间的通信到计算机与计算机之间的直接通信的演变过程 1 2 1计算机网络的演变与发展的四个阶段 第一个阶段是面向终端的计算机网络 第二个阶段是多个计算机互连的简单网络 第三个阶段是开放式标准化的 易于普及和应用的网络 第四个阶段是计算机网络的高速化发展阶段 第一代 面向终端的计算机网络 1946年 世界上第一台电子数字计算机ENIAC在美国诞生 开始时 一台计算机只能供一个用户使用 1954年 为了使计算机这个昂贵的资源得到更多的有效使用 将计算机技术和通信技术相结合 使地理上分散的多个终端与主机远程联接 由一台主机通过MODEM连接远程的多台终端 构成多终端系统 如下图所示 第一代计算机网络系统的特点 面向终端 以主机为中心 终端无处理能力第一代计算机网络是由主机 通信线路 终端组成 只可算是计算机网络的 雏形 第二代 计算机 计算机网络 与第一代计算机网络的显著区别在于 第二代计算机网络的多台主计算机都具有自主处理能力 它们之间不存在主从关系 第二代的典型代表 ARPANET 是20世纪60年代美苏冷战时期的产物 60年代初 美国国防部领导的远景研究规划局ARPA AdvancedResearchProjectAgency 提出要研制一种生存性 survivability 很强的网络 ARPA网是美国国防部高级研究计划局于1969年建成的 开始时有4个主机相连接 到1975年已经有100多台不同型号的大型计算机连于网内 它是一个典型的 也是全球第一个分组交换网 通信子网资源子网 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 特点 采用通信子网和资源子网两级网络结构采用报文分组交换方式层次结构的网络协议 第二代计算机网络最主要的缺点 第二代计算机网络大都由研究单位 大学 应用部门或计算机公司各自研制的 没有统一的网络体系结构 若要实现更大范围内的信息交换与共享 要把不同的第二代计算机网络互连起来是十分困难甚至是不可行的 因而 计算机网络必然要向更新的一代 即开放式标准化的网络发展 第三代 开放式标准化 具有统一的网络体系结构 遵循国际标准化的协议 标准化将使得不同的计算机能方便地互连在一起 标准化还将带来大规模生产 产品VLSI化和成本降低 开放式标准化 国际标准化组织ISO经过若干年卓有成效的工作 制定并在1984年正式颁布了一个称为开放系统互连基本参考模型 开放系统互连基本参考模型OSI模型分为七个层次 有时也被称为OSI七层模型 虽然开放式标准化网络内部的结构 采用的信道及设备不尽相同 但它们向外部的用户提供的界面是相同的 互连的界面也是相同的 因而易于互连互通 第四代 高速化发展 计算机网络向高速化 宽带化发展计算机网络向多媒体方向发展未来通信和网络的目标是实现5W的个人通信即任何人 whoever 在任何时间 whenever 任何地方 wherever 都可以和任何一个其他人 whomever 通过网络进行通信 以传递任何信息 whatever 1 2 2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 Internet和Internet的区别 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协议族作为通信的规则 且其前身是美国的ARPANET 三级结构的因特网 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 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 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 多层次ISP结构的因特网 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 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 万维网WWW的问世 因特网已经成为世界上规模最大和增长速率最快的计算机网络 没有人能够准确说出因特网究竟有多大 因特网的迅猛发展始于20世纪90年代 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 1 3计算机网络的功能与应用 功能数据通信资源共享提高系统的可靠性实现分布式处理负荷均衡 应用 用于企业的网络 Intranet服务于公众的网络 1 4计算机网络的基本组成 物理组成 主机终端通信控制处理机通信设备通信线路 软件组成 网络操作系统通信软件网络协议软件网络应用系统 1 5网络的拓扑结构 网络拓扑结构 就是网络中各节点及连线的几何构形 网络中各节点由通信线路连接 可构成多种类型的网络计算机网络是由多个具有独立功能的计算机系统按不同的形式连接起来的 这不同的形式就是指网络的拓扑结构 网络的拓扑结构对整个网络的设计 网络功能 网络可靠性 费用等方面有着重要的影响 常见的网络拓扑结构有星型 树型 总线型 环型和网型等 组成 由中央节点与各站点通过传输介质连接而成 以中央节点为中心 实行集中式控制 该节点可能是转接设备 也可是主机 特点 结构简单 建网 扩充 管理 控制和诊断维护容易 但可靠性差 分布式处理能力差 电缆长度大 1 星型网络 2 总线型网络 组成 各站点通过相应的连接器连接到公共传输介质 总线 上 各站信息均在总线上传输 属广播式信道 特点 结构简单 扩充容易 可靠性较高 但控制复杂且时延不确定 受总线长度限制而使系统范围小 诊断维护较困难 3 环型网络 组成 各站点由传输介质连接构成闭合环路 数据在一个环路中单向传输 要双向传输时 必须有双环支持 特点 节省线路 路径选择简单 但故障诊断困难 不容易扩充 节点多时响应时间长 4 树型网络 组成 多级星型 分级连接 特点 线路总长度短 成本较低 节点易于扩充 故障隔离容易 但结构较复杂 传输延时较大 5 网型网络 组成 节点间连线较多 各节点间都有直线连接时为全连通网 大多数连接不规则 特点 可靠性较高 节点共享资源容易 便于信息流量分配及负荷均衡 可选择较佳路径 传输延时小 但控制和管理复杂 协议和软件复杂 布线工程量大 建设成本高 1 6计算机网络的分类 从网络的交换功能进行分类从网络的技术进行分类从网络的作用范围进行分类从网络的使用者进行分类其他分类方法 从网络的交换功能分类 电路交换报文交换分组交换混合交换 从网络的技术分类 广播式网络点到点网络 从网络的作用范围 规模 进行分类 局域网LAN LocalAreaNetwork 城域网MAN MetropolitanAreaNetwork 广域网WAN WideAreaNetwork 接入网AN AccessNetwork 互联网Internet 局域网 LAN LAN覆盖范围有限 属于一个部门或单位组建的小范围网络 是目前计算机网络发展中最活跃的分支 十公里以内 城域网 MAN 是指建立在大城市 大都市区域的计算机网络 覆盖城市的大部分或全部地域 广域网 WAN WAN覆盖的范围大 如一个大城市一个国家或洲际间建立的网络 作用范围通常为几十到几千公里 接入网 AccessNetwork 接入网是局域网和城域网之间的桥接区 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 从网络的使用者进行分类 公用网 publicnetwork 专用网 privatenetwork 返回本章 公用网也叫通用网 一般由政府的电信部门组建 控制和管理 网络内的数据传输和交换设备可租用给任何个人或部门使用 部分的广域网是公用网 专用网通常是由某一部门 某一系统 某机关 学校 公司等组建 管理和使用的 多数局域网属于专用网 某些广域网也可用作专用网 如广电网 铁路网等 目前专用广域网发展也极为迅速 它们也提供对外租用服务 形成与公用网竞争的局面 其它分类方法 按照网络的拓扑结构划分 星型网 总线型网 环型网 树型网和网型网等 按照网络的传输介质的形态划分 有线网和无线网 按传输介质的种类划分 双绞线网 同轴电缆网 光纤网 卫星网和微波网等 1 7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 1 7 1划分层次的必要性 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 网络协议 networkprotocol 简称为协议 是为进行网络中的数据交换而建立的规则 标准或约定 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 划分层次的概念举例 主机1向主机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 两个主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 两个主机交换文件 文件传送模块 主机1 主机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 再设计一个通信服务模块 文件传送模块 主机1 主机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 再设计一个网络接入模块 文件传送模块 主机1 主机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 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 1 7 2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 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 两种国际标准 法律上的 dejure 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 defacto 国际标准 OSI参考模型 TCP IP四层协议的表示方法举例 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 1 7 3具有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 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 4 3 2 1 5 4 3 2 1 主机1 AP2 AP1 主机2 网络层剥去分组首部后把分组的数据部分交给运输层 H4 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 运输层剥去报文首部后把报文的数据部分交给应用层 应用程序数据 H5 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 应用层剥去应用层PDU首部后把应用程序数据交给应用进程 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 1 7 4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