计算机网络 讲义

计算机网络

ComputerNetworks

杨付正

fzhyang@

西安电子科技大学信息科学研究所多媒体通信研究室

XIDIANMMC

为什么学习计算机网络

1计算机网络与信息时代

20世纪出现了计算机，计算机与通信技术的结

合、发展，出现了计算机网络，出现了Internet；

它是20世纪最伟大的科技成就之一。21世纪将是

信息时代。计算机网络是信息社会的基础。

计算机网络无处不在，改变了人们的工作生活

方式。工作、学习研究、日常生活

XIDIANMMC

Slide2

为什么学习计算机网络

2相关领域提供了大量的工作机会

■信息的收集、生产、存储、传递、检索和使用都离

不开计算机网络；因此，许多国家斥巨资建立”信

息高速公路”和发展信息业，并把它作为基本国

策。一场世界范围内的网络信息竞争已经开始，信

息浪潮波及全球，其影响面之大，范围之广，投资

之巨，发展之快，史无前例。

•通信机制，通信设备

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Slide3

教材

•中文版：“计算机网络"（第4版），潘爱民

译，清华大学出版社

•AndrewS.Tanenbaum,Computer

Networks,4rded,PrenticeHall,2003

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■课程安排：

46学时授课，16学时实验

•考核方式：

闭卷笔试

・成绩评定

平时测验及作业20%,期末考试80%

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Slide5

课程内容

1.概述

2.物理层

3.数据链路层

4.媒体访问控制

5.网络层

6.传输层

7.应用层

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Slide6

课程目的

・要求掌握计算机通信网的基本概念和体系结

构。

•理解网络协议机制并掌握重要协议的基本内

容。

•掌握分析研究网络通信问题的基本方法。

■理解网络通信技术的新进展。

XIDIANMMC

Slide7

计算机网络的形成与发展

・早期的计算机应用模式——单机

•大、中、小型机一庞大，昂贵，资源无法共享

•计算机构成了一个个的信息“孤岛”

•计算机网络产生始于1950g产生的原因：

•资源共享的需求（计算能力、外设、软件、数

据）

•大型项目的合作（进行工程项目协作）

•人与人之间的信息沟通（数据通信）

XIDIANMMC

Slide8

计算机网络的形成与发展

•网络出现前的数据共享方式

XIDIANMMC

Slide9

计算机网络的形成与发展

1.以主机为中心的联机终端系统

计算机网络的形成与发展

2.以通信子网为中心的主机互连

•多网络结构从“主机一终端"转变为“主机一主机

•各终端联机系统互联，形成了多主机互联网络

XIDIANMMC

Slide

计算机网络的形成与发展

•2.以通信子网为中心的主机互连

通信任务从主机中分离，由通信控制处理机

(CCP)完成

HOST

XIDIANMMC

Slide12

计算机网络的形成与发展

•2.以通信子网为中心的主机互连

通信任务从主机中分离，由通信控制处理机

(CCP)完成

n

XIDIANMMC

Slide13

计算机网络的形成与发展

•2.以通信子网为中心的主机互连

通信子网规模逐渐扩大，公用数据通信网出现

XIDIANMMC

Slide14

计算机网络的形成与发展

•3.体系结构标准化网络

为什么需要标准化？

・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

­而兼容性和互操作性的最终目的仍是资源共享

标准化的时机？

•先制定标准再开发还是先开发再制定标准？

•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基础

XIDIANMMC

Chapter1概述

XIDIANMMC

计算机网络的概念

•计算机网络的定义

通过同一种技术相互连接起来，且各自具有独立功

能的计算机系统的集合。

,要点：

连入网络的计算机是独立自主的,是可以独立运行

的系统。

网络必须是互联的.物理上的.逻辑上的.要求遵守

共同的协议.

XIDIANMMC

计算机网络与分布式系统

•分布处理是指分布的多个处理器或计算机分

工协同地完成某一任务，其目的是为了充分

发挥系统的整体特性。

•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，明确地指

定文件传输的源地址和目的地，并且要管理

整个网络。

XIDIANMMC

计算机网络与分布式系统

­区别：

•在分布式系统中，用户面对一台虚拟主机，由系统对多台主

机分配任务，不需用户指定，系统自动完成用户提交的任

务。

•分布式系统是建立在网络上软件系统，它具有高度地整体

性和透明性。因此网络和分布式系统的区别更多地取决于

软件（尤其是操作系统），而不是硬件。

•但是二者之间也有许多共同之处，如都需要文件的传送，

区别在于是谁发起传送，用户还是系统。

XIDIANMMC

Chapter1概述

•1.1计算机网络的应用

•1.2网络硬件

•1.3网络软件

・1.4参考模型

•1.5网络实例

•1.6网络标准化

XIDIANMMC

Chapter1概述

•1.1计算机网络的应用

•1.2网络硬件

•1.3网络软件

・1.4参考模型

•1.5网络实例

•1.6网络标准化

XIDIANMMC

1.1计算机网络的应用

•商业应用

・家庭应用

•移动用户

,社会问题

XIDIANMMC

Slide22

商业应用

■资源共享

Server

客户-服务器模型

XIDIANMMC

Slide23

商业应用

客户-服务器模型的请求应答机制

XIDIANMMC

Slide24

商业应用

•通信媒介

电子邮件

视频会议

•电子商务

XIDIANMMC

Slide25

家庭应用

•访问远程信息

•个人之间的通信

・交互式娱乐

•电子商务

XIDIANMMC

家庭应用

对等通信系统P2P(peer-to-peersystem)

XIDIAN

Slide27

•移动用户

笔记本、PDA

•社会问题

信息真伪

游戏

XIDIANMMC

Slide28

Chapter1概述

•1.1计算机网络的应用

•1.2网络硬件

•1.3网络软件

・1.4参考模型

•1.5网络实例

•1.6网络标准化

XIDIANMMC

1.2网络硬件

•网络分类

•局域网

•城域网

•广域网

・无线网络

•家庭网络

・互联网

XIDIANMMC

按传输技术

•广播式

只有一个通信信道，网络上所有的机器都共享该信

O任何一台机器发送的短消息都可以被其它所有

机器接收到，分组中的地址域指明了目标接收者。

一台机器收到了一个分组后检查它的地址域，如果

该分组正是发送给自己的就处理该分组，否则忽

略。

•点对点

由许多连接构成的。每个连接对应于一对机器。为

了将一个分组从源端传送到目的端，该分组可能要

经过一台或多台中间机器。

XIDIANMMC

Slide31

按距离分类

InterprocessorProcessorsExample

distancelocatedinsame

1mSquaremeterPersonalareanetwork

10mRoom

100mBuildingaLocalareanetwork

1kmCampus

J

10kmCityMetropolitanareanetwork

100kmCountry

卜Wideareanetwork

1000kmContinent

10,000kmPlanetTheInternet

XIDIANMMC

Slide32

局域网

三个特征：

・(1)范围，覆盖范围受限。

•(2)传输技术，可以是广播式。

•(3)拓扑结构，总线型(随机接入)、环

型(受控接入)、星型(交换机)。

XIDIANMMC

Slide33

局域网

Computer

⑻(b)

总线型环型

XIDIANMMC

Slide34

城域网

国国££

Junction

Antenna

SS

Headand

Internet国国国国国国国国国国国国

一个基于有线电视的城域网

XIDIANMMC

Slide35

广域网

XIDIANMMC

Slide36

广域网(2)

子网采用存储转发或分组交换

XIDIANMMC

Slide37

无线网络

・无线网络分类：

•系统互联

通过短距离的无线电，将一台计算机的各个部件连

接起来。

•无线LAN

IEEE802.11

•无线WAN

如蜂窝电话网络，高带宽广域无线网标准

IEEE802.16o

XIDIANMMC

Slide38

无线网络(2)

Baselbwirednetwork

station

(b)

系统互联(蓝牙技术)无线LAN

XIDIANMMC

Slide39

家庭网络

・计算机（桌面PC,PDA,共享辅助设备）

•娱乐（TV,DVD,VCR,摄像机，照相机，

MP3）

•无线通信（电话，移动电话，对讲机，传

真）

•家用电器（微波炉，冰箱，空调等）

•遥测设备（电表，烟雾警报器等）

XIDIANMMC

Slide40

互联网

•Internet

•internet

•WWW

XIDIANMMC

Slide41

Internet

•因特网又称国际计算机互联网，是目前世界上影响

最大的国际性计算机网络。其准确的描述是：因

特网是一个网络的网络(anetworkofnetwork)它

以TCP/IP网络协议将各种不同类型、不同规粳o、

位于不同地理位置的物理网络联接成一个整体。它

也是一个国际性的通信网络集合体，融合了现代

通信技术和现代计算机技术，集各个部门、领域的

各种信息资源为一体，从而构成网上用户共享的信

息资源网。它的出现是世界由工业化走向信息化

的必然和象征。

•因特网最早来源于1969年美国国防部高级研究计

戈U局(DefenseAdvancedResearchProjects

Agency,DARPA)的前身ARPA建立的ARPAnet

XIDIANMMC

Slide42

internet

・互联网

•泛指由多个计算机网络相互连接而成一个大

型网络。

•因特网并不是全球唯一的互联网络。例如在

欧洲，跨国的互联网络就有“欧盟网”

（Euronet）「欧洲学术与研究网”

（EARN）,“欧洲信息网"（EIN）,在美国

还有“国际学术网"（BITNET）,世界范围的

还有“飞多网”（全球性的BBS系统）等。

XIDIANMMC

Slide43

WWW

•万维网(WorldWideWeb:www)：又称环球

网。万维网的历史很短，1989年CERN(欧

洲粒子物理实验室)的研究人员为了研究的

需要，希望能开发出一种共享资源的远程访

问系统，这种系统能够提供统一的接口来访

问各种不同类型的信息，包括文字、图像、

音频、视频信息。

•万维网是无数个网络站点和网页的集合。

Web最主要的两项功能是读超文木

(Hypertext)文件和访问Internet资源。

XIDIANMMC

Slide44

WWW

•使用Web需要三项基本技巧，一是控制文本

显示，二是怎样连接，三是怎样搜索。

•Internet提供的主要服务有万维网

(WWW)、文件传输(FTP)、电子邮件

(E-mail)、远程登录(Telnet)等。

XIDIANMMC

Slide45

Chapter1概述

•1.1计算机网络的应用

•1.2网络硬件

•1.3网络软件

・1.4参考模型

•1.5网络实例

•1.6网络标准化

XIDIANMMC

1.3网络软件

•网络体系结构

•各层的设计问题

•面向连接与无连接的服务

•服务原语

•服务与协议的关系

XIDIANMMC

1.3网络软件

•网络是结构化的，体现在网络软件是结构化

的。

•结构化设计思想是计算机网络的基础。

•具体体现在网络的协议分层设计上，网络体

系结构。

XIDIANMMC

Slide48

网络体系结构

•网络体系结构提出的背景一计算机网络的复

杂性、异质性

•不同的通信介质一有线、无线、..

•不同种类的设备一主机、路由器、交换机、复

用设备、…“

•不同的操作系统一Unix、Windows、•…

・不同的软/硬件、接口和通信约定（协议）

•不同的应用环境—固定、移动、..

•不同种类业务一分时、交互、实时、…

XIDIANMMC

Slide49

1.3.1协议层次

模块化的设计-将通信软件分

一个通信软件割成小的相互叠加的层

Layer7

Layer6

CommunicationLayer5

SoftwareLayer4

Layer3

Layer2

Layer1

非常复杂

软件实疏者必须了解所有的细节・相对简单

.容易理解

难于理解

难于实现对软件的更新和升级•容易实现软件的更新和升级

XIDIANMMC

Slide50

协议层次

•计算机网络中采用了方法。一把复杂的问题划分为若

干个较小的、单一的局部问题，在不同层上予以解决。

•协议分层

•简化了通信软件的设计

•每一层的实现都是可替换的

■每一层都向上一层提供特定的服务，而把如何实现这些

服务的细节对上一层加以屏蔽。

•网络的层次结构方法要解决的问题：

■网络应该具有哪些层次？每一层的功能是什么？（

）

•各层之间的关系是怎样的？它们如何进行交互？（

）

•通信双方的数据传输要遵循哪些规则？（）

XIDIANMMC

Slide51

网络体系结构

LocationALocationB

IlikeJ'aime

MessagePhilosopher

rabbitsbienles

lapins

Information

L:DutchfortheremoteTranslatorL:Dutch

IkvindtranslatorIkvind

konijnenkonijnen

22

leukleuk

I

Information

Fax#---fortheremoteFax#一

L:DutchsecretarySecretaryL:Dutch

IkvindIkvind

1

konijnenkonijnen

leukleuk

XIDIANMMC

Slide52

协议层次

•协议（protocol）

•一台机器上第n层与另一台机器上的第n层进行

对话，在对话中用到的规则和约定称为第n层协

议。

•协议，即通信双方关于如何进行通信的一种约

定。

XIDIANMMC

Slide53

协议层次

(Peerentities)：即不同机器上包含对应层的实体。对等

实体利用协议进行通信。

•对等实体间的通信是虚拟通信(virtualcommunication),实际上的通

信(物理通信，physicalcommunication)都是每一层都包数搪和拄制

信息传递给它的下一层，直到传递到最底层，再通过物理介质进行实

际的通信。

(Interface)：定义了下层向上层提供哪些原语(primitive)操作

和服务(service)。接口的定义必须清薪。

•每层完成明确的功能。

•尽可能减少层与层之间必须要传递的信息数量。

•便于用一个实现替代另外一个完全不同的实现。

(Networkarchitecture)：层和协议的集合。

•实现的细节和接口规范不属于网络体系结构的内容。

•实际上，每台机器只要能够正确使用所有的协议即可，其内部各层

之间的接口可以不必相同。

(protocolstack)：一个特定的系统使用的一组协议。

XIDIANMMC

Slide54

网络体系结构

Host2

•层Layer5protocol

(layer)“Layer5

•协议(protocol)

•月艮务

(service)Layer4protocol

aLayer4

•接口(interface)

•原语(primitive)

Layer3protocol

aLayer3

Layer2protocol

aLayer2

Layer1protocol

»Layer1

Physicalmedium

XIDIANMMC

Slide55

网络体系结构

HostlHost2

XIDIANMMC

Slide56

网络体系结构

HostlHost2

XIDIANMMC

Slide57

网络体系结构

HostlHost2

XIDIANMMC

Slide58

网络体系结构

HostlHost2

层Layer5protocol

(layer)Layer5«“Layer5

协议(protocol)

服务Layer4/5interface

(service)Layer4protocol

Layer4-aLayer4

接口(interface)

原语(primitive)Layer3/4interface

Layer3protocol

Layer3«aLayer3

Layer2/3interf

服务由一组原语描述。Layer2protocol

Layer2♦aLayer2

如果协议位于操作系统

中，则这些服务原语通Layer1/2interface

常是一些系统调用。Layer1protocol

Layer1-»Layer1

Physicalmedium

XIDIANMMC

Slide59

网络体系结构

•头部（header）：包括控制信息，如序列号、长度、时间

等；内容随各层协议功能而定。

•尾部：通常进行差错校验。FCS

XIDIANMMC

Slide60

各层的设计问题

•编址(Addressing)：标识和区别接收方和发送方。

•数据传输规则：

•单工(simplex)：一个连接只允许一个方向的数据通过

•半双工(half-duplex)：一个连接允许任何一个方向数据通过，但

是同时只能有一个方向可以传输数据

•全双工(fullduplex)：一个连接同时允许在两个方向上传输数据

•差错控制(Errorcontrol)

■流量控制(Flowcontrol)：平衡接收方和发送方之间的信

息处理能力。反馈机制

■报文的拆分与重组；打包/拆包

•多路复用(Multiplexing)＞多路解复用

(demultiplexing)

•路由选择(Routing)

各层侧重解决的问题不同，因此上述机制在不同的层上实

现。

XIDIANMMC

Slide61

面向连接与无连接的服务

•同一系统内，下层为上层提供服务(service)。分类：

•面向连接的月艮务(connection-orientedservice)：用户首

先建立一个连接，然后使用该连接传输数据，再释放该连

接。类似电话网络

•无连接的服务(connectionlessservice)：每一个报文都

携带完整的目标地址，可以被系统独立的路由。类似邮政

系统

•服务质量(QualityofService)：描述服务特征

•不同的业务有不同的QoS需求。实时业务；数据业务。

•QoS可用相关的QoS参数刻画：时延、丢包率、时延抖动

XIDIANMMC

Slide62

曰齐聊np忡

Reila蝌eme京aqe金隹am

Connecban-4

defiledReliableaytestreamRmctelogin

Unr创而WeconnedKin口igME

UnreliableS〔叩ramElectronicjunknail

Connectton-

lessdatagran'iRwgiKer30maH

Request-repiyDaiabasequery

•可靠的面向连接服务，根据是否保持报文(message)的边

界，分为：报文序列和字节流两种。

•句读：脚不大好头发没有麻子

•连接与可靠性(reliability)：可以是相关的，但也有例外

•有连接服务，并不代表可靠。

・无连接服务，并不一定不可靠。

_______________________________________________XIDIANMMC

Slide63

服务原语

•原语：上下层之间交换的一些指令，通常带

有参数。用于层间的模块调用。参数用以

说明具体要求或在层间传递一些信息。

•一个版务通常用一组原语(primitive)操作

描述，用户进程通过这些原语操作可以访问

该服务。

XIDIANMMC

Slide64

ClientmachineServermachine

⑴Connectrequest

⑵ACK

Server

⑶Requestk＞「data

process

⑷Reply(?

(5)Disconnect

Protocol'

⑹KernelDrivers

Disconnectstack

面向连接网络中，简单的c-s交互过程中发送的分组

•为什么要引入有连接的服务呢？

•没有理想的通信网络。可能出现：信息丢失、

错误、乱序、延迟等问题，从而影响QoS。

XIDIANMMC

Slide65

服务与协议的关系

•二者是完全不同的概念

■服务是某层为其上一层提供的一组原语（操

作）。服务涉及层之间的接口。

：第k层；：第k+1层

•服务对上层用户是可见的；

•协议：同一层上对等实体的通信规则。

■协议对上层用户是不可见的。

XIDIANMMC

服务与协议的关系

Layerk+1Layerk+1

Serviceprovidedbylayerk

Protocol

Layerkv--------------------------------------------------------►Layerk

Layerk-1Layerk-1

在同一系统中相邻两层的实体进行交互（即

交换信息）的地方。即k层实体向（k+1）层实体提供

服务的地点。SAP是对层间接口的一种抽象。这种接口

在软件上的实现常有两种方法：（1）层间的模块调用；

（2）共享数据结构以及共享数据缓冲区。

XIDIANMMC

Slide67

Chapter1概述

•1.1计算机网络的应用

•1.2网络硬件

•1.3网络软件

・1.4参考模型

•1.5网络实例

•1.6网络标准化

XIDIANMMC

1.4.1OSI参考模型

•国际标准化组织(ISO:International

StandardsOrganization)

•开放系统互联(OSI:OpenSystem

Interconnection)

■目标：如何将开放的系统连接起来。

XIDIANMMC

OSI参考模型

•物理层(physicallayer)：涉及到在通信信道上

传输的原始数据位。包括机械、电子和定时接口，

以及位于物理层之下的物理传输介质。

•数据链路层(datalinklayer)：将一个原始的传

输设施转变成一条逻辑的传输线路。具体问题包括

成帧、寻址、差错控制、流量控制、介质访问控制

等。

•网络层(networklayer)：控制子网的运行过程，

确定如何将分组从源端路由到目的端。具体问题包

括寻址、路由、网络互联、拥塞控制等。

XIDIANMMC

Slide71

OSI参考模型

•传输层(transportlayer)：真正的端到端协议，

负责将源端上层的协议数据传送到目的端。具体问

题包括Naming,multiplexing,Disassemblingand

reassembling,errorcontrol,flowcontrol.

•会话层(sessionlayer)：允许在不同机器上的用

户之间建立会话。具体包括会话控制、令牌管理以

及同步。

•表示层(presentationlayer)：定义所传递信息的

语法和语义。

•应用层(applicationlayer)：直接针对用户的需

要的协议。

XIDIANMMC

Slide72

142TCP/IP参考模型

OSITCP/IP

7ApplicationApplication

6PresentationNotpresent

inthemodel

5Session

4TransportTransport

3NetworkInternet

2DatalinkHost-to-network

1Physical

XIDIANMMC

Slide73

1.4.2TCP/IP参考模型

■互联网层(internetlayer)：允许主机将分组发送到任何

网络上，并且让这些分组独立地到达目标端(可能位于不

同的网络上)，IP(InternetProtocol)协议。

・传输层：位于互联网层之上，允许源和目标主机的对等体

之间进行对话。两个协议：可靠的面向连接的TCP

(TransportControlProtocol)和不可靠的无连接的UDP

(UserDatagramProtocol)。

•应用层：所有的高层协议。

•Virtualterminal:TELNET

•Filetransfer:FTP

・Email:SMTP

•Hostnametonetworkaddress:DNS

•BrowsetheWeb:HTTP

・主机至网络层：没有明确规定。

XIDIANMMC

Slide74

1.4.2TCP/IP参考模型

Layer(OSInames)

TELNETFTPSMTPDNSApplication

Protocols4TCPUDPTransport

IPNetwork

PacketPhysical+

NetworksARPANETSATNETradiodatalink

XIDIANMMC

Slide75

143OSI和TCP/IP的比较

•共同点

•两者都是以协议栈的概念为基础

•协议栈中的协议相互独立

•各个层的功能大体相似

•传输层以上的各层都是传输服务的用户，并且

是面向应用的用户。

XIDIANMMC

Slide76

•不同点：

■服务、接口、协议是OSI的核心概念，但TCP/IP模型并

没有清晰的定义它们。

•OSI模型出现在协议发明之前，而TCP/IP模型是现有协

议，再有模型。

•OSI模型更便于理解计算机网络，但是却没有实际的协议实

现。

•TCP/IP模型仅仅是对已有模型的描述，不适合任何其它的协议

栈，但是TCP/IP却被广泛的应用，称为实际的“事实标准”。

•OSI模型的网络层同时支持无连接和面向连接的通信，

但是在传输层只支持面向连接的通信；TCP/IP模型的网

络层只支持无连接的通信，但是在传输层却同时支持面

向连接的通信（TCP）和无连接的通信（UDP）。

XIDIANMMC

Slide77

OSIModelvsTCP/IPModel

TCP/IP(indetail

(4Layers)

ApplicationUserUserUserUserUser

ProcessProcessProcessProcessProcess

Application

Presentation

Host-To-Host

Session

TransportUDP

(TCP)

ICMP

Transport

Internetwork

Network(IP)

ARP

DatalinkRARP

Ethernet,FR,TR,FDD

Network*PPP,SLIP,etc

Physical

MediaXIDIANMMC

Slide78

Hey,Ivegotmail!

rmgonnasendan

Oh,itsmybro...

emailtomytwinbro

Forwardingpacket

nextdoor...Whydoesnthejust

tootherinterfacewalkoverhere?

E1...writingnew