计算机网络概述PPT课件

,CNNIC：中国网民规模7.72亿，互联网普及率达55.8%,Email:Office:计算机学院,计算机网络,课程简介,培养目标：掌握计算机网络的体系结构，各层的主要协议、工作原理及相关概念、理论和技术；了解常用网络技术、网络应用及最新进展。问题分析能力：能够根据给出的实际工程案例发现问题、提出问题及分析问题能够针对计算机领域复杂工程对系统的要求进行需求分析和描述设计/开发解决方案：设计或开发满足特定需求的软硬件系统、模块或算法流程，并能够进行模块和系统级优化使用现代工具：能够通过图书馆、互联网及其他资源或信息检索工具，进行资料查询、文献检索，掌握运用现代信息技术和工具获取相关信息的基本方法够在计算机领域复杂工程问题的预测、建模、模拟或解决过程中，开发、选择与使用恰当的技术、软硬件及系统资源、现代工程研发工具，提高解决复杂工程问题的能力和效率沟通能力：对计算机网络领域及其行业的国际发展趋势有初步了解，了解计算机专业相关的技术热点，并能够发表看法计划学时理论：40学时实验：16学时实验安排？第3、5、8、9周，周六晚上18：00-21：30东区实验楼SY102,教材及参考书,教材计算机网络：原理与实践陈鸣参考教材计算机网络（第4，5，6版）谢希仁COMPUTERNETWORKS(4rdEdition)AndrewS.Tanenbaum,课程要求,理解为主不需要死记硬背，考试不会出现死记硬背的题目。所有同学必须记课堂笔记作为考试的复习资料。关于出勤严格执行三次不到，取消考试资格。不定时点名每次上课提问，提问时不到，就算一次缺勤（请注意，一次不到，下次被提问到的机率会陡增，两次不到，第三次提问将是必然）。关于作业必须独立完成，并按时提交（一周内）。延迟提交者视为未完成作业，无成绩。电子版与纸质版（手写）相结合，准备专门的作业本。关于上机实验必须独立完成，哪怕做得不够好。实验报告（电子版）按时提交（一周内），延迟提交者视为未完成作业，无成绩。严格杜绝抄袭、拷贝现象，一旦发现，以考试作弊处理。特别说明电子版作业的文件名命名要求：学号-姓名-第n次作业.doc例子：081410101-张三-第1次作业.doc实验报告的文件名命名要求：学号-姓名-实验报告n.doc例子：081410101-张三-实验报告1.doc,课程要求,关于考核随堂考理论课成绩=平时成绩（40%）+闭卷考试成绩（60%）平时成绩由平时出勤/提问+课堂练习+每章课后作业构成考试重点内容会在讲课过程中透露给大家，不会超出课堂讲授内容。实验课成绩=出勤成绩（50%）+实验报告成绩（50%）,第1章计算机网络概论,第1章内容提要,1.1计算机网络定义*1.2因特网的结构1.3协议分层与服务模型*1.4分组交换网的性能指标*1.5计算机网络简史(自学、作业1)1.6小结作业1：查阅和学习自己感兴趣的计算机网络热点技术（电子版），并发表自己对该项技术的看法（手写），字数=600字。（提交作业时间：2018-3-6）,什么是计算机网络？,计算机网络(computernetwork)定义由通信信道连接的主机和网络设备的集合，以方便用户共享资源和相互通信主要特征通用性，不对特定应用优化能支持广泛、不断出现的新型应用,计算机网络用途,共享信息具有访问在共享存储设备上的数据和信息的能力协同计算组织许多计算机共同完成特定的计算任务方便通信人之间的信息沟通共享硬件访问和使用网络上的特定硬件,网络组成,网络实体可抽象为两种基本构件：结点(node)(亦称节点)：计算设备链路(link)：物理媒体,构成网络的三种方式:直接连接,直接连接的网络由某种物理媒体直接相连所有主机组成直接连接的网络的分类物理链路与一对结点相连：点到点链路(point-to-pointlink)多结点共享同一物理链路：多路访问链路(multipleaccess),更多的主机互相连通,5部主机两两相连5部主机两两相连，需10对线。N部主机两两相连，需N(N1)/2对线。当主机的数量很大时，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。,使用交换机,当主机的数量增多时，就要使用交换机来完成全网的交换任务。,交换机,交换机,用户线,构成网络的三种方式:网络云,网络云交换结点(switchingnode)形成了交换网，交换网可视为一朵网络云网络云抽象将网络云内部结点和网络云外部结点分开,网络云表示任何类型的网络通常采用分组交换技术主机间接连通的第一种方法,构成网络的三种方式:网络云互联,网络云互联递归地连接网络云形成更大规模的网络，有很好的扩展性由网络云构建成网络称为互联网，或网络的网络,当前使用TCP/IP的国际互联网写成Internet即因特网技术术语internet即互联网连接两个或多个网络云的结点称路由器主机间接连通的第二种方法,传递数据的方法,电路交换(circuitswitching)主要用于电话网，在发送方和接收方之间通过多台交换机建立一条连接(电路circuit)报文交换分组交换(packetswitching)主要用于计算机网络,电路交换,A和B、C和D经过交换机通话三阶段建立连接通信释放连接,(,(,(,(,交换机,用户线,D,C,A,电路交换不适合计算机通信电路交换传送计算机数据效率低计算机数据具有突发性,报文交换(messageswitching),报文在分段的连接上进行存储转发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,M,交换机E,交换机F,B,D,C,A,报文,分组交换,在发送端，先把较长的报文划分成较短的、固定长度的数据段。,数据,数据,数据,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”,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）。,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,数据,数据,数据,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。,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,路由器E,路由器F,路由器G,路由器H,B,D,C,A,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！,网络的核心部件结点交换机,主机,链路,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,补充：按拓扑结构分,拓扑结构：总线星型树型环型网状,总线型结构,优点：结构简单缺点：单点故障可能会影响全网,星型结构,优点：扩展方便缺点：对中心节点的依赖较大,树型结构,优点：扩展方便缺点：对非叶子节点的依赖大,环形结构,优点：结构简单，扩展方便缺点：单点故障可能会影响全网,网状结构,优点：扩展方便缺点：冗余太多,网络服务,网络服务是向用户所提供的有用网络功能，由运行在网络中不同主机上的网络应用程序协作提供网络为分布于主机中的应用程序进程提供了通信基础设施应用程序运行在端系统上，而不运行在交换机和路由器上因特网成功的因素：在网络边缘用软件实现，方便地增加新的网络应用功能,提问,计算机网络定义网络实体可抽象成什么基本构件？构成网络的三种方式传递数据的方法包括哪三种？分组交换的原理和过程计算机网络的拓扑结构,第1章：内容提要,1.1计算机网络定义1.2因特网的结构1.3协议分层与服务模型1.4分组交换网的性能指标1.5计算机网络简史1.6小结,以主机为中心的联机终端网络系统,20世纪60s以前特征共享主机资源单台主机计算、通信多台终端用户交互本地、远程连接结构此结构的网络至今仍在使用,示例：美国的飞机订票系统SABRE-11HOST2000Terminal通信线路（电话线路）缺点主机负荷重，数据处理通信线路利用率低改进多点通信，近距终端集中器，近/远距前端处理机通信任务分离,主机主机网络,20世纪60s20世纪70s特征单主机终端网络的互联，形成多主机为中心的网络网络结构从“主机终端”转变为“主机主机”结构,主机主机网络的演变（阶段1）,通信任务从主机中分离CCP-通信控制处理机(CommunicationControlProcessor)专门处理主机之间的通信任务,主机主机网络的演变（阶段2）,通信部件规模扩大，私有社会公用公用数据通信网PSTN（公共交换电话网络）PublicSwitchedTelephoneNetworkX.25X.25交换网是第一个面向连接的网络，也是第一个公共数据网络优点降低用户系统建设成本通信线路利用率高兼容性好,因特网组成,网络边缘(edge):应用与主机网络核心(core):路由器(网络的网络),接入网(accessnetwork)：连接两者的通信链路,因特网结构特点,“端到端原则(end-to-endarguments)”边缘智能，核心简单将复杂的网络处理功能(如差错控制、流量控制功能、安全保障和应用等)置于网络边缘相对简单的分组交付功能(如分组的选路和转发功能)置于网络核心位于网络边缘的端系统的强大计算能力，用软件方式处理大量复杂的控制和应用逻辑，位于网络核心的路由器尽可能简单，以高速地转发分组,因特网边缘,端系统(主机):运行应用程序例如Web,电子邮件在“网络边缘”客户(client)/服务器(server)模式：客户主机请求，从总是打开的服务器接收服务例如Web浏览器/服务器；电子邮件客户/服务器,对等(peer-to-peer,P2P)模式:最小限度(或不)使用专用服务器例如BitTorrent,Skype,接入网(accessnetwork),将端系统连接到其边缘路由器(edgerouter)的物理链路及设备的集合,因特网核心：网络的网络,由许多路由器形成的网状网，大致为等级制在中心:“第一层”ISP(如UUNet,BBN/Genuity,Sprint,AT(b)15针;(c)25针;(d)37针;(e)34针,ISO五种标准连接器,数据链路层,传输帧：数据链路层依靠组建数据帧、实现帧同步、按帧进行检错、重发出错帧、根据需要进行流量和顺序控制等，来进行相邻结点之间的数据传输传输的数据单位：帧frame为网络层提供服务,2,网络层,如何将分组从源主机传送到目的主机数据传输单位：分组packet路由选择：算法网络/子网划分：有效利用IP、防止广播流量控制拥塞控制,3,传输层,传输层是计算机与通信子网间的界面，一方面可弥补网络层的不足之处，另一方面又对高层屏蔽了网络的细节传输层的目的是提供进程间的通信传输的数据单位：报文、数据段流量控制差错控制,4,会话层,会话同步为通信的应用进程建立与组织会话，使应用进程能管理与控制通信进程。从而使网络上的应用灵活、可靠，既易于暂时中止一个活动，在着手进行了更紧急的活动后，再继续它，也能高效地从与通信无关的高层故障中恢复,5,表示层,为通信双方的应用层实体提供共同的表达手段，使双方能正确地理解所传送的信息实际上表示层的功能涉及到格式转换、数据加密与数据压缩等诸多方面数据格式的转换,6,应用层,与最终用户的接口服务：FTAM：FileTransfer,AccessandManagement文件传送、访问和管理MHS：MessageHandlingSystem信报处理系统SMTP：SimpleMailTransferProtocol电子邮件,7,信息单位,OSI参考模型中，对等层协议之间交换的信息单元统称为协议数据单元(PDU,ProtocolDataUnit)。传输层及以下各层的PDU还有各自特定的名称：传输层数据段（Segment）网络层分组（数据报）（Packet）数据链路层数据帧（Frame）物理层比特（Bit）,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,应用程序数据,TCP/IP体系结构特点,协议栈呈“沙漏”形状IP是“细腰”细腰部代表最小、精选的通用功能集使高层应用和低层通信网技术独立发展,因特网设计实现时，为提高效率并未严格分层,报文,段,数据报,帧,源,应用层运输层层网络层链路层物理层,目的地,应用层运输层层网络层链路层物理层,路由器,交换机,报文流经端系统、路由器和链路层交换机的层次,核心简单高效边缘复杂智能！,通信子网和资源子网的划分,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,端到端原则,DavidD.Clark著名的“端到端原则”决定网络某个特定功能应当放在哪个层次模块中为好如路由选择、数据可靠传输等,边缘智能，核心简单端系统处理能力日益增强，用软件来增强网络协议的处理能力，性价比不断提高降低网络的复杂性，等价于提升网络的传输速率，也等价于增强网络适应新兴应用的灵活性,两种文件可靠传输方案比较,方案一保证文件在每两个结点之间都能可靠传输，从而最终到达接收方方案二只进行发送方到接收方的端到端检查，如果有必要则再重传该文件,方案一不够全面结点存储出错、缓存不足等方案二则更完善和简单无需链路层、网络层和运输层分别提供，使传输更为快速,端到端原则：如果在较高层能够完善地实现某种功能，就无需再由较低层提供这种功能,通信技术的发展，使得传输过程中出现差错的概率大为减少,第1章：内容提要,1.1计算机网络定义1.2因特网的结构1.3协议分层与服务模型1.4分组交换网的性能指标1.5计算机网络简史1.6小结,带宽(bandwidth),网络带宽链路在一段特定的时间内所能传送的比特数的额定值“带宽”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、bps)。,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。,带宽和吞吐量,网络带宽链路在一段特定的时间内所能传送的比特数的额定值吞吐量网络在单位时间内无差错地传输数据的能力,瓶颈链路路径中可用带宽最小的链路)可用带宽带宽与干扰流量之差,跳与路径,路径可以定义为形式为的序列，是单向的每个hi是一个结点每个li是一条hi-1到hi之间的链路对于端到端路径而言，h0和hn是端系统，而h1hn-1是路由器。每个二元组被称为一“跳”,丢包率,定义：在一定的时段内在两结点间传输过程丢失分组数量与总的分组发送数量的比率无拥塞时为0%，轻度拥塞为14%，严重拥塞为515%丢包率高的网络无法使网络应用正常工作,IP网丢包主要原因路由器无法容纳到达的分组，只能丢弃(drop)到达的分组丢包率指标非常重要,丢包是怎样产生的？,分组在路由器缓存中排队分组到达链路的速率超过输出链路能力将导致分组排队分组在缓存中排队等待交换，排队过多则丢包,A,B,四种时延：位置和原因,1011001,发送器,队列,结点B,结点A,在结点A中产生排队时延和处理时延,数据,链路,检查比特差错决定输出链路,等待输出链路传输的时间取决于路由器拥塞的等级,R=链路带宽(bps)L=分组长度(比特)发送比特进入链路的时间=L/R,d=物理链路的长度s=在介质中传播的速度(2x108m/sec)传播时延=d/s,发送时延,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。,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。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。,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,A,B,A,B,宽带线路,窄带线路,在宽带线路上比特传播得快,在窄带线路上比特传播得慢,错误的概念,A,B,A,B,宽带线路,窄带线路,宽带线路：每秒有更多比特从计算机注入到线路。宽带线路和窄带线路上比特的传播速率是一样的。,正确的概念,比喻：汽车运货,宽带和窄带线路：车速一样宽带线路：车距缩短,结点时延,dproc=处理时延通常几个微秒或更少dqueue=排队时延取决于拥塞dtrans=传输时延=L/R,对低速链路很大dprop=传播时延几微秒到几百毫秒,第1章：内容提要,1.1计算机网络定义1.2因特网的结构1.3协议分层与服务模型1.4分组交换网的性能指标1.5计算机网络简史(自学)1.6小结,因特网历史,1961:Kleinrock排队表明了分组交换的效能1964:Baran在军事网络中的分组交换1967:由高级研究项目局构想的ARPAnet1969:首个ARPAnet节点运行,1972:ARPAnet对公众演示NCP(网络控制协议)第一个主机到主机协议第一个电子邮件程序ARPAnet有15个节点,1961-1972:早期分组交换原则,因特网历史,1970:在夏威夷的ALOHAnet卫星网络1973:Metcalfes博士论文提出了以太网1974:Cerf和Kahn：互联网络的体系结构20世纪70年代后期：专用体系结构:DECnet,SNA,XNA20世纪70年