计算机网络第一章概述.ppt

1,第一章概述,内容提要,计算机网络课程简介计算机网络概述因特网概述计算机网络的性能指标计算机网络体系结构,2,课程主要内容,计算机网络体系结构物理层数据链路层网络层运输层应用层,3,课程特点,覆盖面广；知识点分散；理论性较强，概念较抽象；以网络体系结构为主线，按照网络分层结构自底向上逐层讲述计算机网络基本原理和技术。,4,计算机网络的产生,计算机网络源于计算机技术与通信技术相结合1946年第一台电子计算机诞生（ENIAC）20世纪50年代，计算机与通信技术相结合，产生了计算机网络,5,ENIAC,计算机网络的定义,资源共享观点的定义：以能够相互共享资源的方式互连起来的自治计算机系统的集合。网络建立的主要目的是实现计算机资源的共享；互连的计算机是分布在不同地理位置的多台独立的“自治计算机系统”；连网计算机在通信过程中必须遵循相同的网络协议。,6,计算机网络的分类,从网络的作用范围进行分类从网络的使用者进行分类其它分类方法,7,几种不同的分类方法,从网络的作用范围进行分类广域网WAN(WideAreaNetwork)50km局域网LAN(LocalAreaNetwork)几米到几公里城域网MAN(MetropolitanAreaNetwork)介于广域网与局域网之间个人区域网PAN(PersonalAreaNetwork)范围大约在10m左右,8,局域网的技术特点,覆盖有限的地理范围（几米到几公里），它适用于公司、机关、校园、工厂等有限范围内的计算机、终端与各类信息处理设备连网的需求；提供高数据传输速率（10Mb/s-10Gb/s）、低误码率的高质量数据传输环境；一般属于一个单位所有，易于建立、维护与扩展；从介质访问控制方法的角度，局域网可分为共享介质式局域网与交换式局域网两类。,9,局域网的应用领域,个人计算机局域网大型计算设备群的后端网络存储区域网络办公室与实验室的网络企业与学校的主干网,10,城域网的技术特点,城域网是介于广域网与局域网之间的一种高速网络；城域网设计的目标是要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求；实现大量用户之间的数据、语音、图形与视频等多种信息的传输功能；城域网在技术上与局域网相似。,11,广域网的技术特点,广域网也称为远程网；覆盖的地理范围从几十公里到几千公里；覆盖一个国家、地区，或横跨几个洲，形成国际性的远程网络；通信子网主要使用分组交换技术；它将分布在不同地区的计算机系统互连起来，达到资源共享的目的。,12,几种不同的分类方法,从网络的使用者进行分类公用网(publicnetwork)专用网(privatenetwork),13,其它分类方法,按通信介质划分有线网无线网按拓扑结构划分拓扑结构图星形结构层次结构或树形结构总线形结构环形结构点到点部分连接的不规则形点到点全连接结构N个节点需N*(N-1)/2条线路,14,拓扑结构图,15,内容提要,计算机网络课程简介计算机网络概述因特网概述计算机网络的性能指标计算机网络体系结构,16,因特网（Internet）,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。互联网是“网络的网络”(networkofnetworks)。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。因特网的前身：ARPANETTCP/IP协议是因特网上的标准。,17,18,简单的网络,由网络构成的互联网,因特网的具体构成,19,主机=端系统运行网络应用,通信链路光缆,铜线,无线电,卫星传输率=带宽,路由器:转发分组,因特网的发展阶段,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。第一阶段：ARPANET向互联网发展；第二阶段：三级结构的因特网；第三阶段：多层次ISP结构的因特网。,20,因特网的组成,从因特网的工作方式上看，可以划分为以下的两大块：(1)边缘部分由所有连接在因特网上的主机组成，也称为资源子网。这部分是用户直接使用的，用来进行通信（传送数据、音频或视频）和资源共享。(2)核心部分由大量网络和连接这些网络的路由器组成，也称为通信子网。这部分是为边缘部分提供服务的（提供连通性和交换）。,21,22,因特网的核心部分,因特网的边缘部分,主机,网络,路由器,因特网的边缘部分与核心部分,因特网的边缘部分,端系统(主机):运行应用程序如：Web，Email等在“网络的边缘”,23,客户服务器方式:客户端主机请求，接收服务器的服务例如：Web浏览器/服务器，Email客户端/服务器,对等方式（P2P）:最小化或不使用服务器例如：Skype，BitTorrent,因特网的核心部分,互联的路由器网基本问题:数据如何通过网络传输？电路交换报文交换分组交换,24,数据交换技术,25,为降低通信线路造价，大型网络主要采用部分连接的拓扑结构。两个端节点之间的通信连接一般都要通过中间节点的转接，中间节点要在它所连接几条线路中选择一条进行接续。就像电话交换机为通话双方接续线路一样，这个过程被称为交换。,实现交换的方法主要有：电路交换、报文交换、分组交换。,电路交换,26,交换设备在通信双方找出一条实际的物理线路的过程。(最早的电路交换连接是由电话接线员通过插塞建立的，现在则由计算机化的程控交换机实现。)特点：数据传输前需要建立一条端到端的通路。三个阶段：建立连接通话释放连接优缺点：建立连接的时间长；一旦建立连接就独占线路，线路利用率低；无纠错机制；建立连接后，传输延迟小。,电路交换举例,A和B通话经过四个交换机通话在A到B的连接上进行,27,(,(,(,(,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,电路交换举例,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,28,(,(,(,(,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,电路交换,电路交换主要是为传输语音而设计的一旦建立连接就独占线路进行数据传输的时候，一条连接的大部分时间都是空闲的数据传输速率固定不变（线路两端具有相同的传输速率）更高效的数据交换技术：报文分组交换,29,报文交换,30,整个报文作为一个整体一起发送。在交换过程中，交换设备将接收到的报文先存储，待信道空闲时再转发出去，一级一级中转，直到目的地。这种数据传输技术称为存储转发。缺点：1）报文大小不一，造成缓冲区管理复杂。2）大报文造成存储转发的延时过长；3）出错后整个报文全部重发。,分组交换,31,将报文划分为若干个大小相等的分组(Packet)进行存储转发。分组长度一般为1000个字节。更长的报文将被分割成多个分组，每个分组中包含了部分用户数据和一些控制信息。控制信息：路由信息中间节点对分组进行存储并传递给下一个节点。,32,首部,首部,分组交换,在发送端把要发送的报文分隔为较短的数据块每个块增加带有控制信息的首部构成分组（包）依次把各分组发送到接收端接收端剥去首部，抽出数据部分，还原成报文,首部,发送,发送,发送,接收端,首部,数据,首部,数据,首部,数据,1101001110100101001110,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，最后分组就能到达最终目的地。,33,34,分组交换网的示意图,H1,A,互联网,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！,路由器,主机,35,注意分组的存储转发过程,H1,A,互联网,B,D,E,C,H5,H6,H4,H2,H3,H1向H5发送分组,路由器,主机,在路由器E暂存查找转发表找到转发的端口,最后到达目的主机H5,在路由器C暂存查找转发表找到转发的端口,在路由器A暂存查找转发表找到转发的端口,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。,36,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。,37,三种交换的比较,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,内容提要,计算机网络课程简介计算机网络概述因特网概述计算机网络的性能指标计算机网络体系结构,39,计算机网络性能指标,速率带宽吞吐量时延利用率,40,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。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。,41,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)。常用的带宽单位千比每秒，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）,42,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。即在发送者和接收者之间传送比特的速率。瞬时：接收时的速率平均：一段时间内的速率,43,服务器向客户端发送大小为F比特的文件,链路容量Rsb/s,链路容量Rcb/s,服务器发送比特流进入管道,时延(delay或latency),传输时延（发送时延）发送数据时，数据块从结点进入到传输媒体所需要的时间。也就是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。,44,45,时延(delay或latency),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。,时延(delay或latency),处理时延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。,46,时延(delay或latency),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：,47,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,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。,49,内容提要,计算机网络课程简介计算机网络概述因特网概述计算机网络的性能指标计算机网络体系结构,50,计算机网络体系结构的形成,计算机网络是个非常复杂的系统。有许多“部件”组成：如主机、路由器、各种媒体链路、应用、协议、硬件、软件。如何组织网络体系结构呢？“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。,51,现实中的分层举例1,52,哲学家-翻译-秘书,现实中的分层举例2,53,邮政系统,网络体系结构的分层原理,在网络分层结构中，第N层是第N-1层的用户，同时是第N+1层的服务提供者。分层结构的好处：各层之间相互独立;灵活性好;各层都可以采用最合适的技术来实现;易于实现和维护;有利于促进标准化。,54,55,层次结构方法要解决的问题1.网络应该具有哪些层次？每一层的功能是什么？（分层与功能）2.各层之间的关系是怎样的？它们如何进行交互？（服务与接口）3.通信双方的数据传输要遵循哪些规则？（协议）,层次结构方法包括三个内容：分层及每层功能，服务与层间接口，协议。,计算机网络体系结构的定义,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。,56,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。协议的三要素：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，即“讲什么”。语法数据与控制信息的结构或格式，即“怎么讲”。同步事件实现顺序的详细说明。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。,57,实体、协议、服务和服务访问点（续）,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。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)。,58,实体、协议、服务和服务访问点（续）,59,协议(n+1),SAP,SAP,交换服务原语,交换服务原语,实体(n+1),服务提供者,第n层,第n+1层,实体(n+1),服务用户,实体(n),实体(n),协议(n),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。,60,网络体系结构的两种国际标准,法律上的国际标准OSI/RM（开放系统互联参考模型）并没有得到市场的认可。而非国际标准的TCP/IP现在获得了最广泛的应用。TCP/IP常被称为事实上的国际标准。,61,OSI/RM模型,开放系统互联参考模型（OSI/RM）是作为计算机通信体系结构的模型由国际标准化组织（ISO）制定并构架的开放协议标准它由七个层次构成，由下至上分别是：物理层，数据链路层，网络层，运输层，会话层，表示层，应用层,62,OSI/RM模型图,63,OSI/RM模型,各层功能：物理层：在物理介质上透明地传输比特流数据链路层：为穿越物理链路的信息提供可靠的传输手段，为数据块发送提供必要的同步，差错控制和流量控制网络层：主要任务是如何将分组从源传送到目的地,64,OSI/RM模型,各层功能：运输层：提供可靠的、透明的端到端数据传输，并提供端点间的错误校正和流量控制会话层：为应用程序间的通信提供对话控制机制表示层：定义了两个应用之间进行交换的数据格式应用层：提供给用户访问OSI环境的手段,65,对OSI参考模型的评价,层次数量与内容选择不是很好，会话层很少用到，表示层几乎是空的，数据链路层与网络层有很多的子层插入；寻址、流控与差错控制在每一层里都重复出现，降低系统效率；数据安全性、加密与网络管理在参考模型的设计初期被忽略了；参考模型的设计更多是被通信的思想所支配，不适合于计算机与软件的工作方式；严格按照层次模型编程的软件效率很低。,66,OSI参考模型没有成为事实上的标准,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的协议实现起来过于复杂，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的层次划分也并不太合理，有些功能在多个层次中重复出现。,67,TCP/IP参考模型,在TCP/IP协议研究初期，并没有提出参考模型；1974年Kahn定义了最早的TCP/IP参考模型；80年代Leiner、Clark等人对TCP/IP参考模型进一步的研究；TCP/IP协议一共出现了6个版本；目前我们使用的是版本4，它的网络层IP协议一般记作IPv4；版本6的网络层IP协议一般记作IPv6（或IPng,IPnextgeneration）；IPv6被称为下一代的IP协议。,68,TCP/IP协议的特点,开放的协议标准；独立于特定的计算机硬件与操作系统；独立于特定的网络硬件，可以运行在局域网、广域网，更适用于互连网中；统一的网络地址分配方案，使得整个TCP/IP设备在网中都具有唯一的地址；标准化的高层协议，可以提供多种可靠的用户服务。,69,TCP/IP参考模型层次划分,应用层运输层网际层网络接口层,70,TCP/IP与OSI体系结构的比较,71,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,TCP/IP四层协议的表示方法举例,72,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,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,对TCP/IP参考模型的评价,在服务、接口与协议的区别上不很清楚，一个好的软件工程应该将功能与实现方法区分开，参考模型不适合于其它非TCP/IP协议族；TCP/IP参考模型的网络接口层本身并不是实际的一层；物理层与数据链路层的划分是必要和合理的，而TCP/IP参考模型却没有做到这点。,74,五层协议的体系结构,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。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。,75,五层协议的体系结构,应用层(applicationlayer)运输层(transportlayer)网络层(networklayer)数据链路层(datalinklayer)物理层(physicallayer),76,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,计算机1向计算机2发送数据,77,5,4,3,2,1,5,4,3,2,1,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,计算机1向计算机2发送数据,78,5,4,3,2,1,5,4,3,2,1,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,计算机1向计算机2发送数据,79,5,4,3,2,1,5,4,3,2,1,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）,计算机1向计算机2发送数据,80,5,4,3,2,1,5,4,3,2,1,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,计算机1向计算机2发送数据,81,5,4,3,2,1,5,4,3,2,1,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,计算机1向计算机2发送数据,82,5,4,3,2,1,5,4,3,2,1,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,计算机1向计算机2发送数据,83,5,4,3,2,1,5,4,3,2,1,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,计算机1向计算机2发送数据,84,5,4,3,2,1,5,4,3,2,1,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,计算机1向计算机2发送数据,85,5,4,3,2,1,5,4,3,2,1,计算机1,AP2,AP1,计算机2