中南大学计算机网络课件计算机网络(第一章概述)

计算机网络第一章概述计算机：20世纪40年代诞生头20年，计算机系统高度集中，主要是大型机以主机为中心的网络随着微机的普及，将大量分散的微机连接起来，就形成了计算机网络。互联：两台计算机若相互交换信息即称互联。连接介质：铜线、光纤、微波，通信卫星等。

计算机网络与分布式系统区别：分布式系统建立在计算机网络上，多台计算机的存在对用户是透明的。而在网络中用户必须明确地指定在哪一台机器上登录；明确地远程递交任务；明确指定文件传输的源和目的地，还要管理整个网络。在分布式系统中，不需要明确地指定这些内容，系统会自动地完成而无须用户的干预。两者的区别更多地取决于软件（尤其是操作系统）而不是硬件。

计算机网络的应用

用于企业资源共享：目的是让网络上的用户，无论他在什么地方，也无论资源的物理位置在哪里，都能使用网络中的程序、设备，尤其是数据。高可靠性：依靠可替代的资源来实现。节约经费：小型计算机比大型计算机有更高的性价比。C/S模型通信手段：为分布在各地的雇员提供通信能力。

服务于公众访问远程信息：例子：1、电子支付,网上银行2、万维网：浏览网页，电子邮件，视频会议3、娱乐：视频点播、游戏社会问题网络硬件

两个分类标准：传输技术和规模

传输技术：广播式网络，点对点网络广播式网络：仅有一条通信信道，由网络上的所有机器共享。可进行一对一通信或一对多通信。点对点网络：由一对对机器之间的多条连接构成。

规模——连接距离数据流机器：高度并行，多个处理单元为同一程序服务。位置在同一电路板上。多计算机：在非常短、速度很快的总线上发送消息进行通信的机器。位于同一系统。局域网，城域网，广域网，互联网广播式网络拓扑点对点网络拓扑局域网

LAN与其他网络不同的三个特征：（1）范围，（2）传输技术，（3）拓扑结构。LAN通常的传输技术：广播式网络；总线型，环型特点：传输延时低，出错率低总线型：任意时刻只有一台机器是主站并可以进行发送。当多台机想发送，需要一种仲裁机制。该机制可以是集中式，也可以是分布式。例如，以太网就是分布式控制的总线广播式网络。环型：也需要一种仲裁机制根据信道的分配方式，广播式网络可进一步划分为静态和动态。典型的静态分配法：将时间分为离散的区间，采用循环算法，每台机器使用自己的时间区间。动态分配法：集中，分散。

城域网广域网无线网

互联网

各种网络常常使用不同的硬件和软件。网关：连接使用不同技术的网络，并提供硬件和软件的转换。互联网：互联的网络集合。常见的网络是通过WAN连接起来的LAN集合。子网：通常在谈到广域网时才有意义，它指由网络经营者拥有的路由器和通信线路的集合。在广域网中，子网与主机构成了网络。在局域网中，电缆和主机构成了网络，无子网的概念。

网络软件

协议分层

各层的设计问题

协议分层

协议：通信双方关于通信如何进行达成的一致。或者说是：定义同层对等实体之间交换的帧、分组和报文的格式及意义的一组规则。网络体系结构：层和协议的集合。或者说：从整体角度抽象定义计算机网络的构成及各个网络部件之间的逻辑关系和功能，给出协调工作的方法和计算机必须遵守的规则。协议栈：系统使用的协议列表，每层一个协议。

层、协议、接口各层的设计问题

全双工通信：数据能同时双向传输。半双工通信：数据能在任意一个方向上传输，但不能同时传。单工通信：数据仅在一个方向上传输。差错控制：物理链路非完美顺序错误：存在先发后到的情况发送速度的控制：报文分割、传输和重新组装多路复用：解多路复用：路由选择：接口和服务实体：每一层中的活动元素。例如，软件、硬件。对等实体：不同机器上同一层的实体。服务提供者：服务用户：服务接入点SAP：接口数据单元IDU服务数据单元SDU协议数据单元PDU分段和重组面向连接的服务无连接的服务服务质量面向连接的可靠服务：报文序列，字节序列数据报服务：不可靠的无连接的服务（无确认）有确认的数据报服务问答服务：发送者传送一个询问数据报，应答数据报包含回答。常用于C/S模式服务原语服务在形式上是由一组原语（或操作）来描述的。提供给用户和其他实体使用。CONNECT.requestCONNECT.indicateCONNECT.responeCONNECT.confirm有证实的服务，包括4个原语。无证实的服务，包括请求和指示两个原语。一个简单的面向连接的例子。服务与协议的关系服务是各层向它上层提供的一组原语（操作）。不涉及操作如何完成。协议是定义同层对等实体之间交换的帧、分组和报文的格式及意义的一组规则。参考模型OSI参考模型TCP/IP参考模型OSI参考模型分层原则：根据不同层次的抽象分层。每层应当实现一个定义明确的功能。每层功能的选择应该有助于制定协议的国际标准。各层边界的选择应尽量减少跨过接口的通信量。层数适中。物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层、应用层物理层传输原始比特流。传输是否在两个方向上同时进行。连接的建立和终止。主要处理机械的、电气的和过程的接口，物理介质传输问题。物理层协议包括了一系列接口特性，有:机械连接、电气信号、信号功能、交换电路的规程数据链路层为网络呈现一条无差错线路。形成数据帧差错控制流量控制双向传输时需解决的问题控制对共享信道的访问网络层关系到子网的运行控制确定分组从源端到目的端的路由选择路由表：静态（可几乎不变，也可会话开始时决定），动态（根据网络负载状况灵活决定）拥塞控制在子网中同时出现过多分组，将会相互拥塞。计帐功能跨越多个网络产生的问题：寻址方式可能不同，分组可能太长而无法接收，使用的协议也可能不同传输层基本功能：从会话层接收数据，在必要时把它分成较小的单元，传递给网络层，并确保到达对方的各段信息正确无误。会话层每请求建立一个传输连接，传输层就为其创建一个独立的网络连接。也可建立多个网络连接提高吞吐量。传输连接复用：当创建或维持一个网络连接不合算，传输层可以将几个传输连接复用在一个网络连接上，以降低费用。向上层提供的服务可靠，不可靠；真正的“端到端”的层主机上可能有多个连接，每个连接要有个标识来区分流量控制防止高速节点将低速节点淹没；主机之间和路由器之间的流量控制不同。会话层允许不同机器上的用户建立会话关系提供对某些应用有用的增强服务会话管理会话：同时双向，单向（任一时刻）令牌管理持有令牌才能执行每种关键操作同步在数据流中插入检查点表示层表示层关心的是所传输的信息的语法和语义，而表示层以下各层只关心可靠地传输比特流。用一致同意的标准方法对数据编码交换中使用的数据结构可以用抽象的方式定义表示层管理抽象数据结构，并且在计算机内部表示法和标准表示法之间进行转换。表示层的主要功能就是确定表示上下文，表示上下文是规定抽象语法和传输语法之间的对应关系。

应用层包含大量人们普遍需要的协议TCP/IP参考模型互联网层功能：使主机能将分组发往任何网络，并使分组独立地传向目标。分组可能乱序，若要按序接收，高层必须对分组排序。IP协议：互联网层定义的正式分组格式和协议。设计问题：分组路由，避免组塞与OSI网络层非常相似传输层功能：使源端和目的端主机上的对等实体可以进行会话，和OSI的传输层一样。TCP：面向连接，处理的是字节流，处理流量控制UDP：不可靠，无连接，无排序和流量控制能力，这些要由使用UDP的应用程序完成。应用层包含所有的高层协议例如，虚拟终端协议（TELNET）、文件传输协议（FTP）、简单电子邮件协议（SMTP）、域名系统服务（DNS）、NNTP协议、HTTP协议OSI参考模型与TCP/IP参考模型的比较相似之处：都是基于独立的协议栈的概念，层的功能也大致相似。关键差别：1、OSI模型使服务、接口、协议这3个概念之间的区别明确化了，而TCP/IP模型最初没有明确区分。2、OSI模型产生在协议发明之前，没有偏向于任何特定的协议，非常通用。而TCP/IP模型却正好相反。3、层的数量不同。4、OSI模型在网络层支持无连接和面向连接的通信，但在传输层仅有面向连接的通信，而TCP/IP模型在网络层仅有一种通信模式（无连接），但在传输层支持两种模式。网络实例NovellNetware因特网因特网

因特网的前身是美国国防部的高级研究计划局负责的一个网络项目，因为高级研究计划局（AdvancedResearchProjectsAgency）简称ARPA，因此这个网络就以它命名为ARPANET。为什么研制这个网络？

二十世纪六十年代正是冷战高峰，国防部希望有一个能够在核战争中幸免于难的网络，而传统的电路交换电话网络不能满足的它的要求。因为这种网络太脆弱了，损失一条线路或开关，就会终止所有使用它们的会话。于是国防部指派它的研究部门ARPA来解决这个问题。

ARPA没有科学家和实验室。它通过资助和合同方式，让技术思想比较有希望的公司和大学来完成。

当时PaulBaran建议采用分组交换的思想。ARPA认为国防部需要的网络应该是分组交换网络，由子网和主机组成。子网：由一些小型机组成，称作接口信息处理机（IMP）。IMP由传输线连接。为了保证高可靠性，每台IMP至少应与两台其他IMP连接。网络的每个节点由一台IMP和一台主机组成，处于同一间屋内，由短线连接。ARPA以投标方式选择了BBN公司组建子网。BBN选择了小型机DDP-316作为IMP，IMP由电话公司租用的56kb/s线路互连。软件也被分成两部分：子网软件和主机软件。子网软件包括：IMP端的主机-IMP连接；

IMP-IMP协议；为了增强可靠性而设计的源IMP到目标IMP的协议主机软件包括：主机端的主机-IMP连接；主机-主机协议；应用软件

ARPANET在1969年只有四个节点，在随后的3年里增长很快，见书P36页的图1-25。

后来发现ARPANet协议不适合于在多个网络上运行，这导致了对协议的更深入研究，最后产生了TCP/IP模型和协议。为了鼓励采用这些新的协议，ARPA给了BBN和加州大学伯克利分校几个合同，以便把它们集成到BerkeleyUNIX中。有了TCP/IP，就可以把LAN很容易连接到ARPANET。

二十世纪七十年代末，美国国家科学基金会（NSF）注意到ARPANET在大学科研上的巨大影响，于是决定开设一个虚拟网络CSNET，以BBN的一台机器为中心，支持拨号入网，并且与ARPANET及其他网络相连。到了1984年，NSF开始设计ARPANET的高速替代网，为了能打下坚实的基础，NSF决定建立一个主干网以连接它的6个超级计算机中心，还资助了一些地区网络，他们与主干网相连，允许数以千计的用户访问任何超级计算机，并且能相互通信。这个完整的网络包括主干网和地区网，被称为NSFNET。它通过IMP和卡内基-梅隆大学机房里的一台fuzzball（由LSI-11微机组成，称作模糊球）之间的连接而连通ARPANET。其他国家和地区也建立了和NSFNET相似的网络。当NSFNET和ARPANET互联以后，很多地区网络开始加入，并且开始与加拿大、欧洲和太平洋地区的网络连接。到了80年代中期，人们开始把互联的网络集合看成互联网，后来就是因特网。它的大致组成为：主干网、中级（地区）网，如前所述NSFNET及类似网络等；局域网（LAN）；主机和用户等。因特网的层次因特网的发展历史：

1969年，因特网的前身ARPANET在美国问世。1983年，ARPANET分解成两个网络，一个仍称ARPANET，是民用科研网；另一个是军用计算机网络MILNET。1984年，ARPANET上的主机超过1000台。1985年，美国国家科学基金会（NSF）围绕其六个大型计算机中心建设计算机网络。1986年，NSF建成了美国国家科学基金网NSFNET，它是一个三级计算机网络，分为主干网、地区网和校园网，覆盖了全美国主要的大学和研究所。NSFNET后来接管了ARPANET，并改名为Internet。1987年，Internet上的主机超过1万台。1989年，NSFNET的主干网的速率达到1.544Mbit/s，即T1的速率，并成为因特网中的主要部分。（最初，NSFNET的主干网的速率仅有56kbit/s）1990年，ARPANET的实验任务已经完成，宣布关闭。1991年，因特网的范围扩大，不再局限于大学和研究机构。许多公司接入到因特网，网络上的通信量急剧增大。因特网的容量又满足不了需要了，于是美国政府决定将因特网的主干网转交给私人公司来经营，并开始对接入因特网的单位收费。1992年，Internet上的主机超过100万台。1993年，因特网主干网的速率达到45Mbit/s，即T3的速率。1996年，速率达到155Mbit/s的主干网vBNS（veryhigh-speedBackboneService）建成。1998年，速率达到2.5Gbit/s的主干网Abilene建成。1999年，美国的因特网主干网速率达到2.5Gbit/s。到此年底，因特网上注册的主机超过1000万台。当ARPANET发展成为因特网之后，公司和个人都想连接到因特网上，这就是因特网服务提供商（Internetserviceprovider，即ISP）和因特网访问提供商（Internetaccessprovider，即IAP）出现的原因。ISP通常只为小规模用户服务。ISP并不一定是直接连接因特网主干的庞大组织。它可以从IAP那里租用到因特网主干的连接线路。IAP是只提供因特网连接的通信公司，它是通过网络访问点（networkaccesspoint，即NAP）连接到因特网主干的。NAP是一种公共交换设施，它能够提供任何数量的IAP到因特网主干的连接。各个NAP是通过一组中继线路连接起来的，这组中继线路也是因特网主干的一部分。每一个NAP都位于因特网中继线路上，这些中继线路可以让IAP互相通信，它们进行通信的最终结果就是数据在因特网上的传送。除非是一个非常大的公司，否则可能不会通过NAP直接连接到因特网主干上。SanFranciscoNationalCenterforAtmosphericResearchSanDiegoSupercomputerCenterHoustonDenverChicagoNationalCenterforSupercomputingApplicationsClevelandPerryman,MDPittsburghSupercomputingCenterLosAngelesAtlantaNewYorkCityBostonWashington,DCSeattle

Asia-PacificAdvancedNetwork2004.3ExchangePointAccessPointCurrentstatusEurope

Australia

KoreaJapanChinaThailandMalaysiaSingaporeIndonesiaUSA

PhilippinesVietnamHongKong

SriLanka

TaiwanJANET-CERNETFrance-Korea

GigaPOPVancouverCalgaryReginaWinnipegOttawaMontrealTorontoHalifaxSt.John’sFrederictonCharlottetownRANBCnetWURCnetSRnetMRnetONetRISQACORNOC3OC3DS3OC12OC48ChicagoSTARTAPCA*net3OC12TeleglobeCA*net3NationalOpticalNetwork目前接入Internet的主要方式：

PSTN接入

ISDN接入

ADSL接入有线电视网接入光纤接入局域网接入NovellNetwareNovellNetware是基于客户-服务器模式的。NovellNetware的协议栈类似TCP/IP。数据通信服务实例公用网：是由网络经营者拥有，为顾客的主机和终端提供通信服务的子网。SMDS——