计算机网络第01讲网络概述

第1页计算机网络与通讯第1讲网络概述第2页计算机网络与通讯1.1网络的定义★概念的两个方面：自主：不是主从关系主控－从属主机－终端（终端网络）互连：以任何通信方式铜线、光纤红外、激光、微波、卫星计算机网络——自主计算机的互连集合。以相互共享资源方式连接起来，且各自具有独立功能的计算机系统的集合。利用各种通信手段，把地理分散的计算机互联起来，互相通信且共享资源的系统。其他的定义：第3页计算机网络与通讯与计算机网络类似的系统■终端分时系统多机系统分布式系统计算机网络与终端分时系统从设备在系统中的地位进行比较分时系统主机以分时方式为终端服务终端完全依赖于主机主机与终端是支配与被支配的关系，数据处理用户交互资源高度集中，由许多用户共享终端之间无联系计算机网络每台计算机地位平等，互相共享每台计算机都能独立工作资源分布第4页计算机网络与通讯计算机网络与多机系统从耦合度和用途方面进行比较多机系统设备之间耦合度紧设备分布近传输速度极快主要用途为科学计算计算机网络网络设备之间耦合度松设备分布相对较远传输速度快主要用途为资源共享计算机网络与分布式系统从协调性和用途两方面进行比较分布式系统在分布式OS统一调度下，各计算机协调工作，共同完成一项任务。如并行计算用户面对的是一台逻辑上的计算机，组成分布式系统的各计算机怎样协同工作，对用户透明用途主要是科学计算和数据处理计算机网络非协调性的各计算机对用户非透明，用户必须指定资源的位置用途主要是资源共享第5页计算机网络与通讯1.２计算机网络的发展过程■从体系结构来看，网络的发展可分为三个时代：联机终端系统以通信子网为中心采用标准化的层次体系结构１以主机为中心的联机终端网络系统20世纪60’s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、远程连接第6页计算机网络与通讯结构这个时期的网络被称为“大型主机＋终端”网络。第7页计算机网络与通讯２主机——主机网络系统20世纪60’s–20世纪70’s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HOSTHOSTHOSTTTTTTTTTTT通信线路第8页计算机网络与通讯在这一时期出现了两层网络概念——通信子网与资源子网CCCHHHTTTTTTT资源子网通信子网TT第9页计算机网络与通讯在这一时期出现了新的交换方式——分组交换●网络交换电路交换报文交换分组交换电路交换第10页计算机网络与通讯电路交换必定是面向连接的；电路交换必定有“建立连接→通信→释放连接”三个过程；在通信期间，用户始终占用端到端的固定传输带宽；其实用户无数据传输，也会占用线路；电路交换的传输效率较低。分组交换电路交换至分组交换的演变第11页计算机网络与通讯分组交换的原理是存储转发；分组交换将电路中的信号划分成较小的数据段，加入首部进行传递；分组交换不一定要求连接的建立；分组交换不需要用户始终独占线路；分组交换需要在首部中加入用户的标记；分组交换提高了线路的利用率。三种交换方式的比较：见图１－５第12页计算机网络与通讯３体系结构标准化网络20世纪70’s-至今不同网络设备之间的兼容性和互操作性是推动网络体系结构的标准化的原动力各厂商、研究机构、大学在网络技术、方法、理论等方面的研究日趋成熟是其基础标准化过程的两个阶段厂商标准：IBM-SNA,DEC-DNA国际标准：ISO-OSI/RM在该阶段产生了三个值得主要的标准： ISO/OSI TCP/IP IEEE802同一时期产生了Internet。第13页计算机网络与通讯４下一代计算机网络美国从1996年开始进行下一代高速互联网络（NGI或Internet2）研究计划及其关键技术研究。近年来，下一代互联网络的技术发展很快，主要表现在以下几个方面：

(1)高速计算机网络技术的研究焦点集中在IP协议下的网络互连技术上。千兆位Ethernet，IPoverSDH/SONET,IPoverWDM/DWDM等高速计算机网络互连技术已成为研究的热点。

(2)光通信已经得到长足发展。

(3)第三层交换技术的发展使高速路由不再成为网络互连的瓶颈。

(4)千兆位Ethernet网技术日趋成熟。

(5)产业界采用的协议和技术规范与国际标准接近统一。

(6)解决计算机网络的基础理论问题没有。例如：网络传输服务质量QoS的控制；网络路由的优化；网络组播的功能机制及其协议；网络的可靠性和安全性问题；网络的行为和管理问题；网络的计费模型问题等等。

(7)基于高速计算机网络环境的新的网络计算应用研究给人们带来广阔的研究机会，例如：远程高速计算理论、复杂大系统的控制和管理、高速协同工作理论、远程教育、虚拟科学试验和实验室、远程高速虚拟环境等等。

(8)无线移动计算的融入。

第14页计算机网络与通讯1.3计算机网络分类●按距离划分广域网——网络覆盖范围为几十至几千公里城域网——介于广域网和城域网之间的网络局域网——网络覆盖范围为几米至几十公里按通信介质划分有线网——采用同轴电缆、双绞线、光纤等物理介质来传输数据的网络无线网——采用卫星、微波等无线形式来传输数据的网络按通信传播方式划分点对点传播网络——网络中节点之间通过特定的连接来传递数据广播式传播网络——网络中节点共享传播介质，数据以广播方式在介质上传播按交换方式划分电路交换网报文交换网分组交换网混合交换网第15页计算机网络与通讯按通信速率划分低速网——传输速率在300bps～1.4Mbps之间的网络系统中速网——传输速率在1.5Mbps～45Mbps之间的网络系统高速网——传输速率在50Mbps～750Mbps之间的网络系统按使用范围划分公众网——又被称为公众网，面向全社会用户提供服务的网络专用网——为特殊群体提供特殊服务的网络按网络控制方式划分集中式网络——网络处理的控制功能高度集中在一个或少数几个节点上，所有的信息流都必须经过这些节点之一。分布式网络——网络中不存在一个处理的控制中心，网络中的任一节点都至少和另外两个节点连接，信息从一个节点到达另一个节点时，可能存在多条路径。按网络环境划分部门网络——局限于一个部门内部的网络，通常是局域网络企业网络——存在一个企业中，能覆盖整个企业的计算机网络园区网络——存在一个范围较大的园区内部，为整个园区提供服务的网络第16页计算机网络与通讯1.４计算机网络的主要性能指标◆１带宽与数据传输率带宽——指某个信号具有的频带宽度，其单位是赫兹（Hz）。一般 来说，通信线路允许通过的信号频带范围就称为线路的带 宽。高频滤波器高于100MHz的模拟信号被过滤低频滤波器低于20MHz的模拟信号被过滤信号传递方向线路的带宽为100－20=80MHz小于20MHz大于20M小于100MHz大于100MHz第17页计算机网络与通讯数据传输率——指信道上可以传输数据的最大速率，在计算机网络中，无 论数字信号、模拟信号都用于传递数字数据,因此其单位为 比特每秒（bps）。一般来说，线路的带宽越大，其允许的数据传输率就越高；同时，人们已经习惯用带宽来等同于线路上的数据传输率；实际上，两者之间有一定的联系，但是并不是相等的关系。第18页计算机网络与通讯２时延时延——是指一个报文或分组从一个网络（或者一条链路）的一端 传送至另一端所需的时间。发送时延传播时延处理时延时延总时延＝发送时延＋传播时延＋处理时延第19页信号在信道上的传播速度计算机网络与通讯（1）发送时延发送时延=数据块长度信道带宽发送时延=1GB×8100Mbps1024×8M100Mbps==81.92s例如，发送大小为1GB的数据块的发送时延为：（2）传播时延传播时延=信道长度传播时延=1000km200000km/s=0.005s例如在长度为1000km的光纤中，光信号的传播时延为（光在光纤中的传播速率为200000km/s）：第20页计算机网络与通讯（3）处理时延处理时延是指数据在交换节点存储转发而进行一些必要操作所花费的时间。一般来说，处理时延和产品以及处理的方式有直接的关系。例如，普通路由器的处理时延为几十毫秒，而普通交换机的处理时延为几十至几百微秒。（４）关于时延的注意数据经历的总时延等于以上三种时延的总和；在不同的传输技术与传输方式中，占主导地位的时延不一致，例如光纤网络中发送延迟占主导地位，而卫星通信中传播延迟占主导地位；高速网路链路中，主要提高的是数据的发送速率而不是传播速率，也就是说提高链路带宽仅减小了数据的发送时延；第21页计算机网络与通讯３时延带宽积时延带宽积=传播时延×带宽时延带宽积——是指将网络上的两个度量——传播时延和带宽相乘得到的 度量。例如，设某段链路的传播时延为20ms，带宽为10Mbps，则时延带宽积＝20×0.001×10×1000000＝200000bit。表示在发送的第一个比特达到终点时，发送端已经发送了20万个比特，也就是说在这段链路上包含了20万个比特的信号，因此时延带宽积又称为以比特为单位的链路长度。同样，我们也可以推算出每个比特所占有的链路长度。第22页计算机网络与通讯４往返时延往返时延——是指从发送端发送数据开始，到发送端接收到来自接收端 的确认（接收端收到数据后便立即开始发送确认），总共 经历的时延。在复杂网路中，往返时延要包括中间结点的处理时延和转发数据的发送时延。第23页计算机网络与通讯1.５计算机网络的体系结构◆１协议定义——在计算机网络中，层次和协议的集合被称为网络体系结构。计算机网络是由多种类型的计算机和终端通过通信线路连接起来的复合系统，这些计算机和终端等就是通常所说的计算机网络中的结点，结点之间需要不断的交换数据和控制信息。要做到信息的正确传输，就要求信息的内容、格式、传输顺序等有一整套的规则、标准和约定，这些为网络数据交换而制定的规则、约定与标准被称为网络协议（Protocol）。一个网络协议主要由以下三个要素组成：语法语义同步网络协议第24页计算机网络与通讯（１）语法——协议的语法规定了将若干个协议元素和数据组合在一起来表达一个更完整的内容时所应遵循格式，亦即对所表达内容的数据结构形式的一种规定。例如，在不同的数据帧中含有不同的帧格式，由不同的帧元素构成。（２）语义——协议的语义是指对构成协议的协议元素含义的解释，不同类型的协议元素规定了通信双方所要表达的不同内容。例如，在HDLC协议中，规定“01111110”表示数据帧的开始；在以太网帧的目标地址域，当目标地址全部为“1”时表示全局广播地址。（３）同步——规定事件的执行顺序，同步实际上是一种程序流程，通讯双方都按照预先设计好的流程来执行特定的操作，从而实现双方的协同协作。例如，在双方通信时，首先由源站发送一份数据报文，如果目标站收到的是正确的报文，就发送确认信息通知对方已正确接收；如果目标站收到的是一份错误的报文，则发送以出错信息要求源站重发。帧头目的地址级别标志质量标志帧尾内容级别标志0代表最高级别，１代表基本级别，２代表最差级别甲方发送乙方接收是否错误乙方要求重发乙方要求继续发第25页计算机网络与通讯３协议分层将网络划分为不同的层次，是解决复杂网络问题的有效解决途径。层次的划分标准是基于功能划分的独立性；层次之间是通过接口来实现通信的； 接口的概念例如电灯的开关面板，通过该面板连接人与电路两个层次；层次之间的接口定义了下层向上层提供的操作原语与服务，从而保证了层次实现的独立性； 例如，开关面板上仅提供了两种类型的操作原语——“开”和“关”，其中“开”用于获取照明服务，“关”用于终止照明服务。人是无须关心关心电线是如何部署的，只需要知道面板通过操作原语提供照明服务。２实体在网络分层体系结构中，每一层都是由一些实体组成，这些实体抽象的表示了通信时的软件元素（例如进程或子进程）或硬件元素（例如智能I/O芯片等）。也可以说，实体是通信时能发送和接收信息的任何软硬件设备。第26页计算机网络与通讯同层次之间利用协议进行通信，是由不同系统中同层次的实体——对等进程来完成的；同层次之间实体的通信为虚拟通信，是由发送机各层依次下传数据，最后一层物理介质进行物理通信，再由接收机各层依次上传数据实现的；第4层第3层第2层第1层物理介质第4层第3层第2层第1层1/2层接口2/3层接口3/4层接口第1层协议第2层协议第3层协议第4层协议虚拟通信物理通信上层向下层传递数据时，下层将加入报头信息；返回时，下层将对等同层实体虚拟传递的数据去除报头，上传至上层实体。第27页计算机网络与通讯４接口与服务不同系统的同层实体称为对等实体；同一系统中下层实体向上层实体提供服务，下层实体为服务提供者，上层实体为服务用户，服务是在服务访问点（SAP，ServiceAccessPoint）提供给上层使用的；（n+1）服务用户实体（n+1）服务用户实体（n）服务提供者实体（n）服务提供者实体（n）SAP对等实体使用服务提供服务第28页计算机网络与通讯中层向上层提供的服务由两部分构成，一部分为中层自身提供的服务，另一部分为下层向中层提供的服务，也就是说网络的层次服务具有一定的叠加性。第29页计算机网络与通讯５接口数据在层次间的数据交换中，数据的传输单元分为三类：协议数据单元（PDU）:在不同系统的对等实体之间根据协议要求 所交换的数据单元。接口数据单元（IDU）:在同一系统中相邻两层实体经过层间接口 所交换的数据单元。服务数据单元（SDU）:本层实体为了完成服务用户请求所需要的 数据单元。PDU＝SDU＋PCI(ProtocolControlInformation)IDU＝PDU＋ICI(InterfaceControlInformation)SDUPDUIDU+PCI+ICI第30页计算机网络与通讯第31页计算机网络与通讯６服务类型服务类型建立逻辑通路每个数据包都需要寻径数据包发送每个数据包都需要地址开销速度可靠性面向连接的服务是否有序发送有序接收连接阶段需要传输阶段不需要大慢强无连接的服务否是有序发送无序接收每个数据包都需要小快差从通信的角度看,各层所提供的服务可分为两大类,即面向连接的(connection-oriented)和无连接的(connectionless)服务。所谓连接，就是两个对等实体为进行数据通信而进行的一种结合，其下层的有关资源必须事先进行预留。所谓无连接，就是指两个实体之间的通信不需要先建立连接，因此其下层的有关资源不需要事先进行预定保留，资源将在数据传输时动态地进行分配。。第32页计算机网络与通讯7服务原语一个服务通常是由一组原语（primitive）操作来描述的，用户进程通过这些原语操作可以访问服务。描述服务的原语通常由以下内容构成。请求（Request）指示（Indication）响应（Reponse）证实（Confirm）服务原语第33页计算机网络与通讯一次请求的完整响应过程④接收②接收用户实体ARequestConfirm用户实体BResponseIndication下层实体提供的服务平台①产生③产生向下层传递向上层传递向下层传递向上层传递第34页计算机网络与通讯有确认的服务与无确认的服务服务用户RequestConfirmRequest服务提供者服务用户IndicationResponseIndication①②③④①②有确认服务无确认服务在不同的服务中，存在着不同的服务原语，但是无论原语如何变化，都会符合上述的服务原语分类和响应过程。第35页计算机网络与通讯服务为同系统异层之间的原语；协议为异系统同层之间的规程；8总结第36页计算机网络与通讯1.５网络参考模型●１OSI参考模型第37页计算机网络与通讯（１）OSI/RM只给出了计算机网络的一些原则性说明，并不是一个具体的网络。（２）它将整个网络的功能划分成七个层次： OSI/RM的最高层是应用层，面向用户提供应用服务； 最底层是物理层，连接通信媒体实现真正的数据通信。 物理层到应用层之间从下到上依次为数据链路层、网络层、传输层、会话层和表示层。（３）层与层之间的联系是通过各层之间的接口来进行的，上层通过接口向下层提出服务请求，而下层通过接口向上层提供服务。（４）两个用户计算机通过网络进行通信时，除物理层之外，其余各对等层之间