计算机网络-概论.ppt

1、计算机网络Computer Networks,COURSE,2020/12/10,CN-Chapter1,2,课程介绍,前导课程:操作系统,程序设计,计算机通信等； 后续课程:与数据库系统相结合,支撑信息系统及分布信息系统的技术. 学习方法: 注重概念和体系结构 vs 网络技术的复杂性 了解新的、具体的网络技术 vs 网络技术的抽象性,2020/12/10,CN-Chapter1,3,课程介绍,教材 计算机网络（第二版），谢希仁，电子工业出版社,1999. 参考书 计算机网络（中译本,第三版），Andrew S.Tanenbaum, 熊桂喜等译，清华大学出版社。 Computer Networ

2、k: A system Approach,2E, Larry L. Peterson et al, (中英文版). Computer Networks and Internets, 2E, Douglas E.Comer, (中英文版,2020/12/10,CN-Chapter1,4,第一章 概论,1.1 计算机网络与信息时代 1.2 计算机网络的发展 1.3 计算机网络的概念 1.4 计算机网络的类型 1.5 计算机网络的应用 1.6 协议与体系结构 1.7 网络标准,2020/12/10,CN-Chapter1,5,1.1 计算机网络与信息时代,18世纪-机械系统伴随工业革命 19世纪-蒸

3、汽机时代 20世纪-关键技术之一：信息收集、处理和分布 21世纪信息时代和生物技术 =计算机网络成为信息社会的命脉和基础,2020/12/10,CN-Chapter1,6,1.1 计算机网络与信息时代,美国的NII：国家信息基础结构；GII全球信息基础结构。 信息高速公路。 本课程主题： 计算机网络：系统、概念、结构和设计,2020/12/10,CN-Chapter1,7,1.2 计算机网络的发展,一、通信与计算机的结合 联机系统主机远程终端传输设备电话线路电话交换。 产生面向终端的计算机通信系统。 电路交换的特点： 预先分配传输带宽 通路需预先建立 不适合突发式和间歇性的计算机数据 传统的电

4、路交换技术不适合计算机数据的传输,2020/12/10,CN-Chapter1,8,1.2 计算机网络的发展,二、分组交换网的出现 “存储转发”概念的提出(64.8)美国Rand公司的Paul Baran在其研究报告“论分布式通信”中提出。 “分组”名词提出(66.6)NPL的Davies。 分组交换的特点 采用存储转发技术 动态分配传输带宽，适合于传输突发性计算机数据 不需事先建立直通的物理信道,2020/12/10,CN-Chapter1,9,1.2 计算机网络的发展,二、分组交换网的出现,2020/12/10,CN-Chapter1,10,1.2 计算机网络的发展,二、分组交换网的出现,

5、资源子网,通信之网,2020/12/10,CN-Chapter1,11,1.2 计算机网络的产生与发展,三、ARPANET 60年代中期，美国DoD要建立在核战争中生存的指挥和控制网络。传统的电路交换认为不可靠。 DoD属下的ARPA(Advanced Research Projects Agency)最终选择了分组交换网络。 1969年12月，ARPANET投入运行,2020/12/10,CN-Chapter1,12,1.2 计算机网络的发展,三、ARPANET ARPANET网的成功和发展使计算机网络的概念发生了根本变化。 面向终端的计算机通信系统发展成为计算机网络系统。 83年，ARPA

6、NET分解出军用部分：MILNET,2020/12/10,CN-Chapter1,13,1.2 计算机网络的发展,三、ARPANET 86年，美国国家科学基金会NFS围绕六个大型计算机中心建立NSFNET，覆盖全美主要大学和研究机构。 NSFNET和ARPANET互联，连接的计算机和用户指数增长。TCP/IP成为唯一的网络标准。 80年代中期，人们开始把网络的集合看成是网际网internet，即Internet,2020/12/10,CN-Chapter1,14,1.2 计算机网络的发展,三、ARPANET Internet在中国又称“因特网”。 90年，ARPANET被新的后续网络替代而正式

7、关闭。 如果一台机器运行TCP/IP协议栈，具有IP地址、并且能够向Internet上的所有其它机器发送IP分组，那么这台机器就在Internet上,2020/12/10,CN-Chapter1,15,1.2 计算机网络的发展,四、网络体系结构的形成 74年，IBM的系统网络体系结构SNA。 77年，ISO的开放系统互连参考模型OSI/RM。 然而OSI/RM失败了。Internet用的是TCP/IP体系结构。 本课程将关注于TCP/IP及其应用,2020/12/10,CN-Chapter1,16,1.3 计算机网络的概念,定义一：独立自治，相互连接的计算机集合。(an interconnec

8、ted collection of autonomous computers) - Andrew S. Tanenbaum “Computer Network” 自治的计算机：非主从关系、独立的计算机。 联机系统不是计算机网络,2020/12/10,CN-Chapter1,17,1.3 计算机网络的概念,定义二：以资源共享为目的，利用通信手段将地域上相对分散的若干台独立计算机系统、终端设备和数据设备连接起来，并在协议的控制下进行数据交换的系统。 资源子网 通信子网 一系列协议,2020/12/10,CN-Chapter1,18,1.3 计算机网络的概念,分布系统与计算机网络的区别 分布系统：多

9、个自治计算机的存在对用户是透明的。OS选择最优处理器执行任务；查找和传送输入文件到目的处理器；并把结果送到合适的地方。它是用建立在网络之上的软件系统。 网络：用户必须显式地登录到一台计算机上，显式地远程提交作业和移动文件。 二者区别在于软件，而不是硬件,2020/12/10,CN-Chapter1,19,1.4 计算机网络的类型,一、按交换功能分类 电路交换、报文交换、分组交换、混合交换。 二、按传输技术分类 广播网络 网络上所有机器共享通信信道,2020/12/10,CN-Chapter1,20,1.4 计算机网络的类型,小型本地网络一般用广播网络。 本身具有Broadcasting and

10、 Multicasting能力. 点到点网络 机器按点连接构成的网络。 大规模网络通常使用这种形式。 三、按拓扑结构分类 星、环、树、全连通、相切环、不规则,2020/12/10,CN-Chapter1,21,1.4 计算机网络的类型,点到点网络拓扑结构,2020/12/10,CN-Chapter1,22,1.4 计算机网络的类型,常见的广播式网络的拓扑结构: (a) bus; (b) ring,2020/12/10,CN-Chapter1,23,1.4 计算机网络的类型,四、按规模分类,2020/12/10,CN-Chapter1,24,1.4 计算机网络的类型,四、按规模分类 LAN(Lo

11、cal Area Network)-局域网。 MAN（Metropolitan Area Network)-城域网。范围处于广域网和局域网之间。 WAN(Wide Area Network)-广域网,2020/12/10,CN-Chapter1,25,1.4 计算机网络的类型,五、按信道性质分类 有线网络：双绞、电缆、光缆 无线网络（wireless） 无线网络与移动计算的联系和区别： 移动计算可以不用无线网络，e.g. Hotel 无线网络不仅仅支持移动计算：大楼里固定计算机的联网,2020/12/10,CN-Chapter1,26,1.5 计算机网络的用途,一、公司用途 资源共享(shar

12、ing)程序、设备、数据 高可靠性(reliability)文件和数据的多址备份；计算机资源的可替代。 性价比高(saving money)计算机网络与大型机系统,2020/12/10,CN-Chapter1,27,1.5 计算机网络的用途,一、公司用途 可扩展性(scalability)计算机能力和用户数量的扩展。与面向终端的系统相比，网络的扩展有明显优势。 交流媒介(communication medium)雇员之间协作工作,2020/12/10,CN-Chapter1,28,1.5 计算机网络的用途,二、个人通信 远程信息存取对远程数据库和Web信息的存取。 个人之间的通信Email,

13、视频会议，IP电话等。 交互娱乐VoD、交互直播电视、观众远程参与的娱乐节目、多人实时仿真游戏,2020/12/10,CN-Chapter1,29,1.6 协议与体系结构,1.6.1 分层的网络体系结构 复杂的计算机网络，其结构最好采用层次式。每一层建立在下层之上。 层的目的是向上层提供一定的服务，屏蔽底层的细节。 计算机网络各层及其协议的集合称为网络的体系结构(architecture,2020/12/10,CN-Chapter1,30,1.6.1 分层的网络体系结构,示例： （邮局的例子,2020/12/10,CN-Chapter1,31,1.6.1 分层的网络体系结构,示例,2020/1

14、2/10,CN-Chapter1,32,1.6.2 网络的原理体系结构,1.层次划分 OSI七层体系结构：复杂不实用，但概念清楚。 相反，TCP/IP：协议广泛使用，但是模型不完整。 综合的一种五层原理体系结构,2020/12/10,CN-Chapter1,33,1.6.2 网络的原理体系结构,原理体系结构,2020/12/10,CN-Chapter1,34,1.6.2 网络的原理体系结构,物理层： 在物理信道上透明传输原始比特 机械、电气、过程特性 数据单位：bit 数据链路层 在相邻节点提供无差错的数据传输功能 帧损坏、丢失和重复问题；流量控制问题 LAN中的共享信道访问（介质控制子层）

15、数据单位：Frame,2020/12/10,CN-Chapter1,35,1.6.2网络的原理体系结构,网络层 子网的运行控制。仍然是机器之间的关系，但是涉及到源到目的之间的网络。 路由选择问题（从源到目的） 拥塞控制 通信子网互连 广播网络中，路由选择问题很简单，因此网络层很弱，甚至不存在 数据单位：Packet,2020/12/10,CN-Chapter1,36,1.6.2网络的原理体系结构,传送层 在不同主机的进程之间提供可靠的、有效的数据传输 流量控制问题（与低层不同） 报文较长时，先分割为若干分组，交下层（网络层）传输。 可靠的端到端服务 13层：Chained；4层以上：End-e

16、nd。 数据单位：Message,2020/12/10,CN-Chapter1,37,1.6.2网络的原理体系结构,应用层 为用户的应用进程提供服务 提供应用进程所需的信息交换和远地操作 应用层不是解决用户各种具体应用的协议。 例如：FTP，Telnet etc,2020/12/10,CN-Chapter1,38,1.6.2网络的原理体系结构,2.概念：实体、协议、服务、SAP 实体（Entity）任何可发送或接收信息的硬件或软件进程。 协议（Protocol）控制二个对等实体进行通信的的规则和约定(rules and conventions) 语法：定义交换信息的格式 语义：收发方的操作及过

17、程,2020/12/10,CN-Chapter1,39,1.6.2网络的原理体系结构,2020/12/10,CN-Chapter1,40,1.6.2网络的原理体系结构,2020/12/10,CN-Chapter1,41,1.6.2网络的原理体系结构,对等(peer)层和对等实体在网络层次结构中任何的二个同等层。处于对等层中的实体为对等实体。 接口（Interface）位于相邻二层之间。定义下层向上层提供的原语操作和服务。 服务（Service）二个对等实体的通信使得本层能够向上层提供服务,2020/12/10,CN-Chapter1,42,1.6.2网络的原理体系结构,协议是“水平”的；服务是

18、“垂直”的。 服务原语通过层间交换一些命令，上层使用下层提供的服务。这些命令称为服务原语。 Request, Indication, Response, Confirm 服务访问点（SAP）同一系统中相邻二层实体交互的地方。n层SAP就是n+1层可以访问n层服务的地方,2020/12/10,CN-Chapter1,43,1.6.2网络的原理体系结构,SAP一种逻辑接口；Socket概念；从SAP获取服务。 服务提供者和服务用户(service provider and service user)如果第n层向第n+1层提供服务，那么第n层为服务提供者，第n+1层为服务用户,2020/12/10,

19、CN-Chapter1,44,1.6.2网络的原理体系结构,2020/12/10,CN-Chapter1,45,1.6.2网络的原理体系结构,2020/12/10,CN-Chapter1,46,1.6.2网络的原理体系结构,接口数据单元IDU：n+1层实体通过SAP把一个IDU传递给n层实体。IDU由SDU和接口控制信息ICI组成（例如SDU中的字节数）。 服务数据单元SDU：是跨过网络传递给对等实体，然后向上交给n+1层的信息。即(N)服务所要传送的逻辑数据单元。 协议数据单元PDU：对等层实体之间，为实现该层协议所交换的信息单元,2020/12/10,CN-Chapter1,47,1.6.

20、2网络的原理体系结构,接口处层之间的关系,2020/12/10,CN-Chapter1,48,1.6.2 网络的原理体系结构,2020/12/10,CN-Chapter1,49,1.6.2 网络的原理体系结构,N-SDU,N-SDU,N-PDU,N-PDU,N-PDU,N-PDU,N-PDU,N-PDU,N-SDU,N-SDU,N-SDU,N-SDU,segmentation,reassembly,N层SDU太大,Blocking,unblocking,N层SDU太小,2020/12/10,CN-Chapter1,50,1.6.2 网络的原理体系结构,3. 面向连接服务与无连接服务 (1)面向

21、连接服务 （模拟电信系统） 三个阶段：建立连接、数据传输、释放连接。 服务类型 可靠的面向连接服务 报文序列：保持报文界限，e.g.页序列 字节流：没有报文界限，e.g.远程登录 不可靠的面向连接服务（e.g. 音频流,2020/12/10,CN-Chapter1,51,1.6.2 网络的原理体系结构,2)无连接服务 （模拟邮政系统） 两实体通信前，不需先建立连接。 服务类型 不可靠数据报(datagram-telegram)不可靠无连接服务。（Best effort delivery）e.g.电子信函。 证实交付可靠的数据报服务。每个报文得到一个应答。e.g. 挂号邮件。 请求回答发送端发送

22、一个包含请求的数据报，应答数据报中包含回答。e.g.数据库查询,2020/12/10,CN-Chapter1,52,1.6.3 TCP/IP系统结构,四层：应用、传送、网际和网络接口层,2020/12/10,CN-Chapter1,53,1.6.3 TCP/IP系统结构,应用层 为应用提供服务。e.g.Telnet, FTP, SMTP。 传送层 又称主机到主机层。 面向连接的TCP(Transmission Control Protocol) 无连接的UDP(User Datagram Protocol) 数据单位：message, stream,2020/12/10,CN-Chapter1

23、,54,1.6.3 TCP/IP系统结构,网际层 无连接的网际协议IP(Internet Protocol) 数据单位：packet ICMP, ARP, RARP 网络接口层无具体说明。只是说主机必须通过某些协议连接到网络上，以发送IP包,2020/12/10,CN-Chapter1,55,1.6.3 TCP/IP系统结构,TCP/IP模型中的协议和网络,2020/12/10,CN-Chapter1,56,1.6.4 OSI体系结构,七层体系结构。在前面的原理体系结构中的应用层下增加两个层次： 会话层和表示层 会话层建立通信会话session，管理对话dialogue。例如：会话是单向的、双

24、向的，还是同时进行的，非同时进行的？会话中断任何恢复？（e.g.传大文件时,2020/12/10,CN-Chapter1,57,1.6.4 OSI体系结构,表示层不象底层关心比特的可靠传输，它关心信息的语法和语义。例如，以标准的协商好的格式对数据编码。交换的数据在不同的国家、地区，不同的机器上，其格式是不同的。为了使这些计算机能够互相通信，交换的数据必须以一种抽象的方式定义，需要格式转换,2020/12/10,CN-Chapter1,58,1.6.4 OSI体系结构,OSI参考模型,2020/12/10,CN-Chapter1,59,1.6.4 OSI体系结构,OSI模型是任何使用的,2020

25、/12/10,CN-Chapter1,60,1.7 网络标准,两类标准： 事实标准de facto(from the fact)：已有但是没有任何正式规划的标准。例如：IBM PC，TCP/IP 法律标准de jure(by law)：由某个权威标准化团体采纳的正式合法标准。 国际标准化权威机构：政府；民间,2020/12/10,CN-Chapter1,61,1.7 网络标准,一、电信业标准化组织 ITU(International Telecommunication Union)国际电信联盟。三个分部： 无线电通信(ITU-R) 电信标准(ITU-T) 电话和数据通信 发展(ITU-D) 5693年，ITU-T称为CCIT