第1讲 计算机网络基础

计算机网络与通信网信息与通信工程学院主讲教师周细义

课程特点计算机网络是计算机技术与通信技术相互渗透、紧密结合的一门交叉科学。

概念繁多

协议、标准复杂

工程性强课程的任务、目的和基本要求了解计算机网络的基本概念掌握计算机网络各层协议的基本工作原理及其所采用的技术学会计算机网络的一些基本设计方法掌握典型计算机网络的特点和具体实现方法熟悉网络设备，掌握计算机网络通信的基本实现技术主要教学内容及学时分配第一讲 计算机网络基础

4第二讲 物理层2第三讲 数据链路层4第四讲 网络层4第五讲 传输层2第六讲 应用层2第七讲 交换机技术4第八讲 路由器技术6第九讲服务器技术2第十讲网络规划与设计4第十一讲网络综合布线4

习题课+总复习2

实验课8

合计 48考核方法作业、出勤占20%实验成绩占20%期末笔试成绩占60%参考教材AndrewS.Tanenbaum《计算机网络》清华大学出版社JamesF.Kurose,Keith

W.Ross,《ComputerNetworking–ATop-DownApproachFeaturingtheInternet》机械工业出版社DouglasE.Comer,《计算机网络与因特网》机械工业出版社W.richard

stevens《TCP/IP详解》机械工业出版社谢希仁《计算机网络》电子工业出版社张公忠,《现代网络技术教程》,电子工业出版社李宇峰，《破解思科之CCNA》，机械工业出版社杨威等，《网络工程设计与系统集成》，人民邮电出版社内容提要

1.1网络概述

1.2计算机网络的构成

1.3因特网的组成

1.4计算机网络体系结构

第一讲计算机网络基础1.1网络概述1.1.1计算机网络定义:

将分布在不同的地理位置的、具有独立功能的计算机通过通信设备和通信线路连接起来,在操作系统的支持下实现资源共享和数据通信的系统。是20世纪60年代美苏冷战时期的产物。1.1.2因特网网络(network)由若干结点(node)和连接这些结点的链路(link)组成。互联网是“网络的网络”(networkofnetworks)。结点链路Internet和Internet的区别以小写字母i

开始的internet（互联网或互连网）是一个通用名词，它泛指由多个计算机网络互连而成的网络。以大写字母I开始的的Internet（因特网）则是一个专用名词，它指当前全球最大的、开放的、由众多网络相互连接而成的特定计算机网络，它采用TCP/IP协议族作为通信的规则，且其前身是美国的ARPANET。1.1.3计算机网络的功能数据通信；资源共享；提高可靠性；负载均衡1.1.4网络的性能指标1.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。2.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)。常用的带宽单位更常用的带宽单位是千比每秒，即kb/s（103

b/s）兆比每秒，即Mb/s（106

b/s）吉比每秒，即Gb/s（109

b/s）太比每秒，即Tb/s（1012

b/s）请注意：在计算机界，K=210=1024M=220,G=230,T=240。问题某用户反映，为什么我的网速和我办的带宽不一样？我办的是2M的宽带，可为什么我测试却只有2百多K的网速啊?是不是电信骗了我？什么是宽带？宽带线路：可通过较高数据率的线路。宽带是相对的概念，并没有绝对的标准。在目前，对于用户接入到因特网的用户线来说，每秒传送几个兆比特就可以算是宽带速率。对宽带传输的理解有些人用“汽车在公路上跑”来比喻“比特流在网络上传输”，认为宽带传输的好处就是传输更快，好比汽车在高速公路上可以跑得更快一样。两种速率在网络中有两种不同的速率：信号（即电磁波）在传输媒体上的传播速率（米/秒，或公里/秒），这个速度对于使用相同传输媒体的网络是相同的；计算机向网络发送比特的速率（比特/秒）这两种速率的意义和单位完全不同。宽带传输：计算机向网络发送比特的速率较高。ABAB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ABAB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：汽车运货宽带线路窄带线路宽带和窄带线路：车速一样宽带线路：车距缩短另一种错误概念

——“宽带”相当于“多车道”多车道公路是并行传输……100101110100100111010001011010通信线路上通常都是串行传输3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。发送时延=数据块长度（比特）信道带宽（比特/秒）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。传播时延=信道长度（米）信号在信道上的传播速率（米/秒）处理时延交换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。有时将排队时延纳入处理时延。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。即：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…发送器队列在链路上产生传播时延结点

B结点

A在发送器产生传输时延(即发送时延)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。提高链路带宽可以减小数据的发送时延。1.2计算机网络的构成硬件构成软件构成逻辑结构1.2.1硬件构成1.计算机2.通信设备3.传输媒体1.计算机作用:用来彼此通信。在现代的计算机网络中，最常用的通信设备有两种：一种是路由器，另一种是交换机。2.通信设备为主机存储和转发分组传输媒体双绞线同轴电缆光纤微波红外线3.传输媒体有线媒体无线媒体1.它通过通信设备将主机连接起来，构成通信链路2.它是信息传输的载体。1.2.2软件构成网络操作系统网络协议通信软件根据组成计算机网络的每种设备的功能及其所具有的数据通信和数据处理功能，可以将计算机网络划分为：资源子网由主机构成，实现信息共享。通信子网由物理媒体和通信设备组成，实现主机间的分组交换。1.2.3逻辑结构通信子网资源子网1.3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。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。这部分是为边缘部分提供服务的（提供连通性和交换）。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1.3.1因特网的边缘部分处在因特网边缘的部分就是连接在因特网上的所有的主机。这些主机又称为端系统(endsystem)。“主机A和主机B进行通信”，实际上是指：“运行在主机A上的某个程序和运行在主机B上的另一个程序进行通信”。即“主机A的某个进程和主机B上的另一个进程进行通信”。或简称为“计算机之间通信”

两种通信方式在网络边缘的端系统中运行的程序之间的通信方式通常可划分为两大类：客户服务器方式（C/S方式）即Client/Server方式对等方式（P2P方式）即Peer-to-Peer方式1.客户服务器方式客户(client)和服务器(server)都是指通信中所涉及的两个应用进程。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。客户是服务的请求方，服务器是服务的提供方。运行客户程序网络边缘网络核心运行服务器程序AB①请求服务②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。客户软件的特点被用户调用后运行，在打算通信时主动向远地服务器发起通信（请求服务）。因此，客户程序必须知道服务器程序的地址。不需要特殊的硬件和很复杂的操作系统。服务器软件的特点一种专门用来提供某种服务的程序，可同时处理多个远地或本地客户的请求。系统启动后即自动调用并一直不断地运行着，被动地等待并接受来自各地的客户的通信请求。因此，服务器程序不需要知道客户程序的地址。一般需要强大的硬件和高级的操作系统支持。2.对等连接方式对等连接(peer-to-peer，简写为P2P)是指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。只要两个主机都运行了对等连接软件（P2P软件），它们就可以进行平等的、对等连接通信。双方都可以下载对方已经存储在硬盘中的共享文档。对等连接方式的特点对等连接方式从本质上看仍然是使用客户服务器方式，只是对等连接中的每一个主机既是客户又同时是服务器。例如主机

C请求D的服务时，C是客户，D是服务器。但如果C又同时向F提供服务，那么C又同时起着服务器的作用。网络边缘网络核心运行P2P程序运行P2P程序DCEF运行P2P程序运行P2P程序1.3.2因特网的核心部分网络核心部分是因特网中最复杂的部分。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）。在网络核心部分起特殊作用的是路由器(router)。路由器是实现分组交换(packetswitching)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。H1H5H2H4H3H6路由器网络网络核心部分主机1.电路交换两部电话机只需要用一对电线就能够互相连接起来。电路交换必定是面向连接的。电路交换的三个阶段：建立连接通信释放连接

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((((交换机交换机交换机交换机用户线用户线中继线中继线BDCA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((((交换机交换机交换机交换机用户线用户线中继线中继线BDCA电路交换传送计算机数据效率低计算机数据具有突发性。这导致通信线路的利用率很低。报文2.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。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每一个数据段前面添加上首部构成分组。首部首部首部分组

1分组

2分组

3请注意：现在左边是“前面”分组交换的传输单元分组交换网以“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）。数据首部分组

1数据首部分组

2数据首部分组

3收到分组后剥去首部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，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。报文1101000110101010110101011100010011010010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。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存储转发过程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。可靠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性。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。1.4计算机网络的体系结构

1.4.1网络协议及划分层次1.网络协议

为进行网络中的数据交换而建立的规则,标准或约定。它控制对等实体间的通信。协议的三个要素：语法：即数据与控制信息的结构或格式。语义：即需要发出何种控制信息,完成何种动作以及做出何种应答.同步:即事件实现顺序的详细说明.2.划分层次的概念举例主机

1

向主机

2

通过网络发送文件。可以将要做的工作进行如下的划分。文件传送模块文件传送模块主机

1主机

2文件传送模块只看这两个文件传送模块好像文件及文件传送命令是按照水平方向的虚线传送的把文件交给下层模块进行发送把收到的文件交给上层模块与传送文件直接有关的工作。确信对方已做好接收和存储文件的准备。双方协调好一致的文件格式。通信服务模块文件传送模块主机

1主机

2文件传送模块只看这两个通信服务模块好像可直接把文件可靠地传送到对方把文件交给下层模块进行发送把收到的文件交给上层模块通信服务模块通信服务模块与通信服务有关的工作。保证文件和文件传送命令可靠地在两系统之间交换。网络接入模块文件传送模块主机

1主机

2文件传送模块通信服务模块通信服务模块网络接入模块网络接入模块通信网络网络接口网络接口网络接入模块负责做与网络接口细节有关的工作例如，规定传输的帧格式，帧的最大长度等。分层的好处各层之间是独立的。灵活性好。结构上可分割开。易于实现和维护。能促进标准化工作。1.4.2计算机网络体系结构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。1.开放系统互连参考模型

OSI/RM1983年形成正式标准。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的协议实现起来过分复杂，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的层次划分并也不太合理，有些功能在多个层次中重复出现。

两种国际标准法律上的(dejure)国际标准OSI并没有得到市场的认可。是非国际标准TCP/IP现在获得了最广泛的应用。TCP/IP常被称为事实上的(defacto)国际标准。2.计算机网络体系结构的描述物理层数据链路层网络层运输层会话层表示层应用层1234567OSI网络接口层网际层IP运输层TCP应用层TCP/IP物理层数据链路层网络层运输层会话层表示层应用层12345一般网络模型物理层（PhysicalLayer）

任务:就是在物理媒体上传送原始的比特流.

单位:比特(Bit)数据链路层（Datalinklayer)

任务：在二个相邻结点的线路上

无差错地传送以帧为单位的数据。单位：帧（Frame）网络层(Networklayer)

任务:选择合适的路由,使分组正确地找到目的站。单位：分组、包（Packet)物理层数据链路层网络层运输层应用层5层一般网络模型描述运输层(TransportLayer）

任务:就是建立一条运输连接,以透明地传送报文。单位:报文（Massage)应用层(Applicationlayer)

任务:(1)提供应用进程所需要的信息交换和远地操作。

(2)作为应用进程的用户代理,完成信息交换所须的功能.

一般网络模型描述3.数据传递过程多信封包装原理发送时每往下传递一层，进行一次包装；

接收时，每往上传递一层，进行一次拆封。主机

1

向主机

2

发送数据5432154321主机

1AP2AP1主机

2应用程序数据应用层首部H510100110100101比特流110101110101注意观察加入或剥去首部（尾部）的层次应用程序数据H5应用程序数据H4H5应用程序数据H3H4H5应用程序数据H4运输层首部H3网络层首部H2链路层首部T2链路层尾部主机

1

向主机

2

发送数据5432154321主机

1AP2AP1主机

210100110100101比特流110101110101计算机2的物理层收到比特流后交给数据链路层H2T2H3H4H5应用程序数据H3H4H5应用程序数据主机

1

向主机

2

发送数据5432154321主机

1AP2AP1主机

2数据链路层剥去帧首部和帧尾部后把帧的数据部分交给网络层H2T2H3H4H5应用程序数据H4H5应用程序数据H3H4H5应用程序数据主机

1

向主机

2

发送数据5432154321主机

1AP2AP1主机

2网络层剥去分组首部后把分组的数据部分交给运输层H5应用程序数据H4H5应用程序数据主机

1

向主机

2

发送数据5432154321主机

1AP2AP1主机

2运输层剥去报文首部后把报文的数据部分交给应用层应用程序数据H5应用程序数据主机