计算机网络课件-概述1[1]

1、计算机网络计算机网络computer networks蔡丽蔡丽QQ:3663279课程任务课程任务n对计算机网络从整体上有一个较清晰的了解；对计算机网络从整体上有一个较清晰的了解；n对当前计算机网络的主要种类和常用网络协议有对当前计算机网络的主要种类和常用网络协议有较清晰的概念；较清晰的概念；n初步掌握以初步掌握以TCP/IP协议族为主的网络协议结构；协议族为主的网络协议结构；n对当前计算机网络的应用有所了解；对当前计算机网络的应用有所了解；n对当前计算机网络的新技术新发展有所了解。对当前计算机网络的新技术新发展有所了解。课程主要内容课程主要内容n概述概述n物理层物理层n数据链路层数据链路层n

2、网络层网络层n运输层运输层n应用层应用层要求要求n课前预习课前预习n上课时请关闭手机，认真听讲，积极参与上课时请关闭手机，认真听讲，积极参与课堂问答及讨论课堂问答及讨论n课后认真复习总结、按时完成作业课后认真复习总结、按时完成作业成绩评定成绩评定n总成绩总成绩=平时成绩平时成绩+实验成绩实验成绩+期末考查成绩期末考查成绩n平时成绩占平时成绩占20作业作业10%平时表现平时表现10%n实验成绩占实验成绩占30%n期末考查成绩占期末考查成绩占50第第 1 章章 概述概述n计算机网络的定义计算机网络的定义n计算机网络在信息时代中的作用计算机网络在信息时代中的作用n因特网概述因特网概述n因特网的组成因

3、特网的组成n计算机网络的类别计算机网络的类别n计算机网络的性能计算机网络的性能n计算机网络的体系结构计算机网络的体系结构1. 计算机网络的定义计算机网络的定义n计算机网络是一些计算机网络是一些互相连接互相连接的、的、自治自治的计算机的集合。的计算机的集合。2.计算机网络在信息时代的作用计算机网络在信息时代的作用n最初的通信方式最初的通信方式n“烽火烽火连三月，连三月，家书家书抵万金抵万金”光电报光电报n时间：时间：18世纪末世纪末n地点：欧洲，法国地点：欧洲，法国n发明人：发明人：Claude Chappen98个位置个位置(编码编码)组合代表组合代表 各种字母、数字、符号等各种字母、数字、符

4、号等调整器调整器指示器指示器电报电报n19世纪早期世纪早期n美国人摩尔斯美国人摩尔斯n技术基础：电磁学技术基础：电磁学n电报系统的组成：电报系统的组成：发射机发射机接收机接收机编码图：点、划编码图：点、划密码本密码本传输线路传输线路电话电话n19世纪中期世纪中期n美国人贝尔美国人贝尔n技术基础：电报（利用电报系统传输声音）技术基础：电报（利用电报系统传输声音）电话电话n与电报系统的本质区别：线路上始终带电，与电报系统的本质区别：线路上始终带电，可传输语音信号可传输语音信号n发送机、接收机（电话机，扩音）发送机、接收机（电话机，扩音）n交换机：从人工交换到自动交换交换机：从人工交换到自动交换n传

5、输线路：铜丝代替铁丝传输线路：铜丝代替铁丝计算机网络计算机网络简单的网络简单的网络结点结点链路链路互联网（网络的网络）互联网（网络的网络）主机主机因特网因特网计算机网络向用户提供的计算机网络向用户提供的最重要的功能最重要的功能 n连通性连通性计算机网络使上网用户之间都可以交换信息，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好像这些用户的计算机都可以彼此直接连通一样。样。 n共享共享即资源共享。可以是信息共享、软件共享，也即资源共享。可以是信息共享、软件共享，也可以是硬件共享。可以是硬件共享。 3.因特网概述因特网概述n起源于美国的因特网现已发展成为起源于美

6、国的因特网现已发展成为世界世界上最大的国际性计算机互联网上最大的国际性计算机互联网 。n网络网络(network)由若干由若干结点结点(node)和连接和连接这些结点的这些结点的链路链路(link)组成。组成。 n互联网是互联网是“网络的网络网络的网络”(network of networks)。 n连接在因特网上的计算机都称为连接在因特网上的计算机都称为主机主机(host)。 因特网发展的三个阶段因特网发展的三个阶段n第一阶段是从第一阶段是从单个网络单个网络 ARPANET 向互联向互联网发展网发展。 n第二阶段是建成了第二阶段是建成了三级结构的因特网三级结构的因特网。n第三阶段是逐渐形成第

7、三阶段是逐渐形成多层次多层次ISP结构的因特结构的因特网网。 从单个网络从单个网络 ARPANET 向互联网发展向互联网发展n1969年美国国防部创建了年美国国防部创建了ARPANE分组交分组交换网。换网。n1983 年年 TCP/IP 协议成为协议成为 ARPANET 上的上的标准协议。标准协议。n人们把人们把 1983 年作为因特网的诞生时间。年作为因特网的诞生时间。n1990年年ARPANET关闭。关闭。 三级结构的因特网三级结构的因特网 n美国国家科学基金会美国国家科学基金会NSFNET（National Science Foundation NET）n三级计算机网络三级计算机网络主干

8、网主干网地区网地区网校园网（或企业网）校园网（或企业网） 三级结构的因特网三级结构的因特网n各网络之间需要使用各网络之间需要使用路由器路由器来连接。来连接。 n 主机到主机的通信可能要经过多种网络。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地区网地区网地区网路由器多层次多层次 ISP 结构的因特网结构的因特网 n出现了出现了因特网服务提供者因特网服务提供者 ISP (Internet Service Provider)。 用户因特网ISP1ISP2因特网服务提供者用户通过用户通过 ISP 上网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

9、，ISP 也分成为不同的层次。 大公司公司本地 ISPAB主机A 本地 ISP 地区 ISP 主干 ISP 地区 ISP 本地 ISP 主机B本地 ISP主干 ISP本地 ISP本地 ISP地区 ISP主干 ISP主干 ISP地区 ISP地区 ISP地区 ISP本地 ISP本地 ISPIXP本地 ISP校园网校园网下面是具有三层下面是具有三层 ISP 结构的因特网的概念示意图结构的因特网的概念示意图 因特网交换点因特网交换点IXPn由一个或多个网络交换机组成。由一个或多个网络交换机组成。n允许两个网络直接相连并交换分组，而不允许两个网络直接相连并交换分组，而不需要再通过第三个网络来转发分组。需

10、要再通过第三个网络来转发分组。n减少分组转发延迟，降低分组转发费用。减少分组转发延迟，降低分组转发费用。n对等交换免费，高层转发收费。对等交换免费，高层转发收费。到到 2012 年年 3 月，全球已经有月，全球已经有 91 个国家拥有个国家拥有 IXP，其中拥有其中拥有 10 个以上个以上 IXP 的国家仅有的国家仅有 9 个，个，而仅拥有一个而仅拥有一个 IXP 的有的有 48 个国家。个国家。 万维网万维网 WWW 的问世n因特网已经成为世界上规模最大和增长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。确说出因

11、特网究竟有多大。n因特网的迅猛发展始于因特网的迅猛发展始于 20 世纪世纪 90 年代。年代。由欧洲原子核研究组织由欧洲原子核研究组织 CERN 开发的万开发的万维网维网 WWW (World Wide Web)被广泛被广泛使用在因特网上，大大方便了广大非网使用在因特网上，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。的这种指数级增长的主要驱动力。 因特网在我国的发展情况因特网在我国的发展情况n1987年，北京大学钱天白教授向德国发出第一封电子邮年，北京大学钱天白教授向德国发出第一封电子邮件。件。n1994年年3月，中国获准

12、加入互联网，并在同年月，中国获准加入互联网，并在同年5月完成全月完成全部联网工作。部联网工作。n1995年年5月，张树新创立第一家互联网服务供应商月，张树新创立第一家互联网服务供应商瀛海瀛海威，中国的普通百姓开始进入互联网络。威，中国的普通百姓开始进入互联网络。n1997年年10月，中国公用计算机互联网（月，中国公用计算机互联网（CHINANET）实）实现了与中国科技网（现了与中国科技网（CSTNET）、中国教育和科研计算机）、中国教育和科研计算机网（网（CERNET）、中国金桥信息网（）、中国金桥信息网（CHINAGBN）的互）的互联互通。联互通。n2013年年7月，月，CNNIC第第32次

13、中国互联网络发展状况统计报次中国互联网络发展状况统计报告显示，我国网民数已达到告显示，我国网民数已达到5.91亿，亿，IPv4地址数量达地址数量达3.31亿个，亿个，没多大变化，没多大变化，IPv6地址数为地址数为14607块块/32，较去年，较去年增长增长16.5%。（http:/）因特网在我国的发展情况因特网在我国的发展情况因特网在我国的发展情况因特网在我国的发展情况因特网在我国的发展情况因特网在我国的发展情况因特网的标准化工作因特网的标准化工作因特网协会 ISOC因特网研究指导小组IRSG 因特网研究部 IRTF 因特网工程部 IETF 因特网工程指导小组IESG RGWGRG领域领域因

14、特网体系结构研究委员会 IAB WGWGWG制订因特网的正式标准要经过以制订因特网的正式标准要经过以下的四个阶段下的四个阶段 n因特网草案因特网草案(Internet Draft) 在这在这个阶段还个阶段还不是不是 RFC 文档。文档。n建议标准建议标准(Proposed Standard) 从这个阶段开始就成为从这个阶段开始就成为 RFC 文档。文档。n草案标准草案标准(Draft Standard)n因特网标准因特网标准(Internet Standard) 各种各种RFC之间的关系之间的关系 因特网草案建议标准草案标准因特网标准历史的 RFC实验的 RFC提供信息的 RFC6 种 RFC

15、4.因特网的组成因特网的组成 (1) 边缘部分边缘部分 由所有连接在因特网上的主机组成。这部分由所有连接在因特网上的主机组成。这部分是用户直接使用的，用来进行通信（传送数是用户直接使用的，用来进行通信（传送数据、音频或视频）和资源共享。据、音频或视频）和资源共享。(2) 核心部分核心部分 由大量网络和连接这些网络的路由器组成。由大量网络和连接这些网络的路由器组成。这部分是为边缘部分提供服务的（提供连通这部分是为边缘部分提供服务的（提供连通性和交换）。性和交换）。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边缘部分边缘部分n处在因特网边缘的部分就是连接在因特网处在因特

16、网边缘的部分就是连接在因特网上的所有的主机。这些主机又称为上的所有的主机。这些主机又称为端系统端系统(end system)。n “主机主机 A 和主机和主机 B 进行通信进行通信”，实际上是，实际上是指：指：“运行在主机运行在主机 A 上的某个程序和运行上的某个程序和运行在主机在主机 B 上的另一个程序进行通信上的另一个程序进行通信”。n即即“主机主机 A 的某个进程和主机的某个进程和主机 B 上的另一上的另一个进程进行通信个进程进行通信”。或简称为。或简称为“计算机之计算机之间通信间通信” 通信方式通信方式在网络边缘的端系统中运行的程序之间的通在网络边缘的端系统中运行的程序之间的通信方式通

17、常可划分为两大类：信方式通常可划分为两大类：n客户服务器方式客户服务器方式（C/S 方式）方式） 即即Client/Server方式方式 n对等方式对等方式（P2P 方式）方式） 即即 Peer-to-Peer方式方式 客户服务器方式客户服务器方式n客户客户(client)和和服务器服务器(server)都是指通信都是指通信中所涉及的两个应用进程。中所涉及的两个应用进程。n客户服务器方式所描述的是进程之间服务客户服务器方式所描述的是进程之间服务和被服务的关系。和被服务的关系。n客户是客户是服务的请求方服务的请求方，服务器是，服务器是服务的提服务的提供方供方。运行客户程序网络边缘网络核心运行服务

18、器程序AB 请求服务 得到服务客户服务器客户 A 向服务器 B 发出请求服务，而服务器 B 向客户 A 提供服务。对等连接方式对等连接方式 n对等连接对等连接(peer-to-peer，简写为，简写为 P2P)是指是指两个主机在通信时并不区分哪一个是服务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。请求方还是服务提供方。n只要两个主机都运行了对等连接软件（只要两个主机都运行了对等连接软件（P2P 软件），它们就可以进行软件），它们就可以进行平等的、对等连平等的、对等连接通信接通信。n双方都可以下载对方已经存储在硬盘中的双方都可以下载对方已经存储在硬盘中的共享文档。共享文档。 网络边

19、缘网络边缘网络核心网络核心运行运行P2P 程序程序运行运行P2P 程序程序DCEF运行运行P2P 程序程序运行运行P2P 程序程序核心部分核心部分n网络核心部分是因特网中最复杂的部分。网络核心部分是因特网中最复杂的部分。n网络中的核心部分要向网络边缘中的大量网络中的核心部分要向网络边缘中的大量主机提供连通性，使边缘部分中的任何一主机提供连通性，使边缘部分中的任何一个主机都能够向其他主机通信（即传送或个主机都能够向其他主机通信（即传送或接收各种形式的数据）。接收各种形式的数据）。n在网络核心部分起特殊作用的是在网络核心部分起特殊作用的是路由器路由器(router)。 路由器路由器n路由器是实现路

20、由器是实现分组交换分组交换(packet switching)的关键构件，其任务是转发收到的分组，的关键构件，其任务是转发收到的分组，这是网络核心部分最重要的功能。这是网络核心部分最重要的功能。三种交换方式三种交换方式n电路交换电路交换整个报文的比特流连续的从源点直达终点，好像整个报文的比特流连续的从源点直达终点，好像在一个管道中传送。在一个管道中传送。n报文交换报文交换整个报文先传送到相邻节点，全部存储起来后查整个报文先传送到相邻节点，全部存储起来后查找转发表，转发到下一个节点。找转发表，转发到下一个节点。n分组交换分组交换单个分组（整个报文的一部分）传送到相邻节点，单个分组（整个报文的一部

21、分）传送到相邻节点，存储下来后查找转发表，转发到下一个节点。存储下来后查找转发表，转发到下一个节点。（1） 电路交换电路交换n两部电话机只需要用一对电线就能够互相两部电话机只需要用一对电线就能够互相连接起来。连接起来。 更多的电话机互相连通更多的电话机互相连通n5 部电话机两两相连，需部电话机两两相连，需 10 对电线。对电线。nN 部电话机两两相连，需部电话机两两相连，需 N(N 1)/2 对电线。对电线。n当电话机的数量很大时，这种连接方法需要的电线当电话机的数量很大时，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。对的数量与电话机数的平方成正比。 使用交换机使用交换机n当电话机的

22、数量增多时，就要使用交换当电话机的数量增多时，就要使用交换机来完成全网的交换任务。机来完成全网的交换任务。 交换机“交换交换”的含义的含义n在这里，在这里，“交换交换”(switching)的含义就的含义就是是转接转接把一条电话线转接到另一条把一条电话线转接到另一条电话线，使它们连通起来。电话线，使它们连通起来。n从通信资源的分配角度来看，从通信资源的分配角度来看，“交换交换”就是按照某种方式就是按照某种方式动态地分配动态地分配传输线路传输线路的资源。的资源。 电路交换的特点电路交换的特点n电路交换必定是电路交换必定是面向连接面向连接的。的。 n电路交换的三个阶段：电路交换的三个阶段：建立连接

23、建立连接通信通信释放连接释放连接电路交换举例电路交换举例nA 和和 B 通话经过四个交换机通话经过四个交换机n通话在通话在 A 到到 B 的连接上进行的连接上进行电路交换传送计算机数据效率低电路交换传送计算机数据效率低n计算机数据具有突发性。计算机数据具有突发性。n这导致通信线路的利用率很低。这导致通信线路的利用率很低。（2）报文交换）报文交换 n在在 20 世纪世纪 40 年代，电报通信也采用年代，电报通信也采用了基于存储转发原理的了基于存储转发原理的报文交换报文交换(message switching)。 n报文交换的时延较长，从几分钟到几小报文交换的时延较长，从几分钟到几小时不等。现在报

24、文交换已经很少有人使时不等。现在报文交换已经很少有人使用了。用了。 报文交换示意图报文交换示意图H1A互联网BDECH5H6H4H2H3H1 向 H5 发送报文路由器主机报文（3）分组交换）分组交换 n在发送端，先把较长的报文在发送端，先把较长的报文划分成较短划分成较短的、固定长度的数据段的、固定长度的数据段。 1101000110101010110101011100010011010010假定这个报文较长不便于传输数 据数 据数 据报文添加首部构成分组添加首部构成分组n每一个数据段前面添加上每一个数据段前面添加上首部首部构成分组。构成分组。首部首部首部分组 1分组 2分组 3请注意：现在左边

25、是“前面”分组交换的传输单元分组交换的传输单元n分组交换网以分组交换网以“分组分组”作为数据传输单作为数据传输单元。元。n依次依次把各分组发送到接收端（假定接收把各分组发送到接收端（假定接收端在左边）。端在左边）。数 据首部分组 1数 据首部分组 2数 据首部分组 3分组首部的重要性分组首部的重要性n每一个每一个分组的首部都含有分组的首部都含有地址地址等控制信等控制信息。息。n分组交换网中的结点交换机根据收到的分组交换网中的结点交换机根据收到的分组的首部中的分组的首部中的地址信息地址信息，把分组，把分组转发转发到下一个结点交换机。到下一个结点交换机。n用这样的用这样的存储转发存储转发方式，最后

26、分组就能方式，最后分组就能到达到达最终目的地最终目的地。收到分组后剥去首部收到分组后剥去首部n接收端收到分组后剥去首部还原成报文。接收端收到分组后剥去首部还原成报文。数 据首部分组 1数 据首部分组 2数 据首部分组 3收到的数据数 据数 据数 据最后还原成原来的报文最后还原成原来的报文n最后，在接收端把收到的数据最后，在接收端把收到的数据恢复成为恢复成为原来的报文原来的报文。n这里我们假定分组在传输过程中没有出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。现差错，在转发时也没有被丢弃。报文1101000110101010110101011100010011010010H1H

27、5H2H4H3H6发送的分组路由器AEDBC网络核心部分主机分组交换网的示意图分组交换网的示意图H1A互联网BDECH5H6H4H2H3H1 向 H5 发送分组H2 向 H6 发送分组注意分组路径的变化！路由器主机注意分组的注意分组的存储转发存储转发过程过程H1A互联网BDECH5H6H4H2H3H1 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分组交换的优点n高效高效 动态分配传输带宽，对通信链动态分配传输带宽，对通信链路是逐段占用。路是逐段占用。

28、 n灵活灵活 以分组为传送单位和查找路由。以分组为传送单位和查找路由。n迅速迅速 不必先建立连接就能向其他主不必先建立连接就能向其他主机发送分组。机发送分组。n可靠可靠 保证可靠性的网络协议；分布保证可靠性的网络协议；分布式的路由选择协议使网络有很好的生存式的路由选择协议使网络有很好的生存性。性。 分组交换带来的问题分组交换带来的问题n分组在各结点存储转发时需要分组在各结点存储转发时需要排队排队，这，这就会造成一定的就会造成一定的时延时延。 n分组必须携带的首部（里面有必不可少分组必须携带的首部（里面有必不可少的控制信息）也造成了一定的的控制信息）也造成了一定的开销开销。 三种交换的比较三种交换的比较 P1P2