计算机网络的分类、协议与体系结构下载

计算机通信与网络技术

刖百

0.1计算机网络在信息时代的作用

•21世纪的一些重要特征就是数字化、网络化和信

息化，它是一个以网络为核心的信息时代。

•知识经济的两个重要特点就是信息化和全球化。

•三网：电信网络、有线电视网络、计算机网络。

•20世纪90年代以来，以因特网(Internet)为代表的

计算机网络的发展迅速。

・计算机网络已经全面贯穿于人类的生活和工作之

中，网络的应用无处不在。

0.2该课程在专业体系中的作用::

•电气专业或工业控制等领域，网络的应用和互

联成为大趋势。

•数据远传和共享变得越来越重要。

•随着软硬件技术的发展，统一和标准的网络协

议逐渐成熟起来。

•系统集成是我们所要面对的任务之一，通信是

非常关键的一部分。

本课程主要教学内容：

-.计算机网络的分类、协议与体系结构

二物理层及数字通信基础

三数据链路控制及其协议

四.局域网

五.广域网

六.网络互连

七.路由协议

八.运输层

九.应用层协议

-。.网络安全

对该课程的学习要求

•掌握计算机网络的基本概念，熟悉计算机网络

的基本技术，理解计算机网络的工作原理。

•面对高速发展的网络技术，具有积极动手、主

动跟踪、继续学习的基础和能力。

对该课程的学习要求

•掌握计算机网络的基本概念，熟悉计算机网络

的基本技术，理解计算机网络的工作原理。

•面对高速发展的网络技术，具有积极动手、主

动跟踪、继续学习的基础和能力。

对该课程的学习要求

•掌握计算机网络的基本概念，熟悉计算机网络

的基本技术，理解计算机网络的工作原理。

•面对高速发展的网络技术，具有积极动手、主

动跟踪、继续学习的基础和能力。

课程进度安排

•1周——16周，34个讲授课时，8个实验

课时,4个习题课时，2个考试课时

•教材：《计算机网络教程》黄永峰

•参考：《计算机网络教程》（第二版），

谢希仁

•考核方式：闭卷考试70%,实验20%,

作业10%

实验题目••

实验一网络基本知识::

了解网络基本配置中包含的协议、服务和

基本参数；掌握WindowsXP系统网络组件的

安装和卸载方法；掌握WindowsXP系统共享

目录的设置和使用方法；学会制作两种类型的

RJ・45接头直通线、交叉线；掌握使用双绞线

作为传输介质的网络连接方法；掌握测线仪的

使用方法。

实验题目••

实验二网络应用实验y

了解常用的网络应用；掌握IIS的安装和配

置；掌握IP地址和TCP端口（SOCKET）的配

置；熟悉CRC校验的原理，掌握CRC校验的实

现方法。

实验题目;;

实验三网络协议分析•

熟悉网络分析软件，学习捕捉数据的方

法；分析数据帧和报文，掌握以太网数据帧和

IP数据报的结构；按照协议类型分析数据包的

各个首部的字段含义的方法；初步尝试用软件

编写解析IP数据报首部的字段含义的方法。

实验题目

实验四转发表与路由算法

熟悉广域网络的转发机理，理解转发表的

作用；理解路由算法的基本思路。

实验题目

实验四转发表与路由算法

熟悉广域网络的转发机理，理解转发表的

作用；理解路由算法的基本思路。

第1讲计算机网络基础

知识

1.1计算机网络的分类

1.1.1计算机网络的定义

•计算机网络的精确定义并未统一。关于计算机网络的

最简单的定义是：一些互相连接的、自治的计算机的

集合。

•更准确的定义：凡是将地址位置不同，并具有独立功

能的计算机系统通过通信设备和线路连接起来，以功

能完善的网络软件实现在网络中资源共享和信息交换

的系统，称为计算机网络系统。

1.1.2计算机网络的几种分类方法

电路交换

报文交换

按交换功能分＜

分组交换

.混合交换

集中式

按拓扑结构分《分散式

、分布式

电路交换：用模拟信道的连接在

线路上传输信息

＞电路交换要求在通信的双方之间建立一条实际的物理

通路，并且在整个通信过程中，这条通路被独占。这

种联网方式称为面向连接的(connection-

oriented),过程为“建立连接、通信、释放连

接”。OO

OO

BOO

AD

源站

O..O

O'\O目的站

o0<

C

00

0O

0O

存储交换：数字化网络;

存储-转发方式

缓

输冲

入存信息处理输

储和转发出

报文（帧Frame）

标志地址控制信息FCS标志

标志：表示帧的开始和结束

地址：包括源地址和目的地址

控制：报文类型和功能

信息：传送的数据

FCS：帧校验码

报文交换：不定长报文为单位

报文交换每次是无需通过物理连接而建立通信信道的O这种

联网方式称为无连接的(connectionless)。

T2

目的站

存储转发报文的优点::

•信道利用率高。多报文共享“节点一节点”信

道

•接收方和发送方无需同时工作。节点暂存报文

•可同时向多个目标发送同一报文。

•在网络上实现报文的差错控制和纠错处理。

分组交换（包交换）：定常报文

为单位分组传输

欲发送的整块数据：报文

-*-------分组-------A-------分组-------*---------分组

分组(packet)又称为“包”，是在计算机网络中传送

的数据单元。分组交换时在传送数据之前可不必先建立一条

连接，即使用无连接(connectionless)方式，亦可使用面向

连接方式。因为分组的首部(header)也称为“包头”，包

含了诸如目的地址和源地址等重要信息，使每个分组能够在

a组交换网中独立地选择路由，故分组交换的特征是基于标

记(label-based)。

•分组交换优点：：：：'

高效：传输过程中动态分配传输带宽，对通信链路逐段疵占;

灵活：为每一个分组独立地选择转发路由；

迅速：以分组为传送单位，传输出错时重传的是小的分组；可

不先建立连接，分组暂存于内存；网络使用高速链路；

可靠：完善的网络协议，分布式多路由的分组交换网，使网络

有很好的生存性。

•分组交换缺点

分组在各结点存储转发时需要排队，尤其通信量过大时，时延

可能很大。

分组携带的控制信息增加了开销，且需要专门的管理控制机制O

⑥集中式网络（b）具有集中器或复用器的集中式网络

（C）分散式网络（d）分布式网络

O—终端；•一交换结点；△—集中器或复用器

图1-9几种常见的网络拓扑

集中式（星型结构）

COOGOOGCOOtJOUC!

分布式（网状结构）

1.1.2计算机网络的几种分类方法

局域网

按作用范围分《城域网

L广域网公用网

按使用范围分《

互联网internet

内部网Intranet

外部网ExtranetI专用网

因特网Internet

1.2计算机网络的主要

性能指标

121带宽(bandwidth)::

•“带宽”本来的意思是指某个信号具有的频带

宽度。带宽的单位是赫兹(Hz)、千赫(kHz)、

兆赫(MHz)等。

•对于数字信道，“带宽”是指在信道上(或一

段链路上)能够传送的数字信号的速率，即数

据率或比特率。比特(bit)是计算机中的数据的

最小单元，它也是信息量的度量单位。带宽的

单位就是比特每秒⑻t/s)。

•带宽有时也称为吞吐量。

10101I时间

-----------1秒钟有10叫比恃------------------

0.25国

时间

p-----------------1秒钟有4x1/个比恃---------------

图1」。随着带宽的增大，数字信号在时间轴上的宽度就越窄

1.2.2时延(delay)t:

•时延(delay或latency)是指一个报文或分组从一

个网络(或一条链路)的一端传送到另一端所需

的时间。

•总时延=传播时延+发送时延+排队时延

三类时延的计算方法

•传播时延=信道长度/信道上电磁波的传播速率（路）

•发送时延=数据块长度/信道带宽（口）

•排队时延：取决于网络通信量（多信源）

average

queueingdelay

•R二链路带宽（b/s）

•L二分组长度（bits）

•a二平均分组到达速率

数据流量的强度=La/R

三种时延在实际中的产生示意

在这里产生发送时筵（叨栈蜡时超）

高速错路（或高港究错路）是摄

在这里寰秒可发送更多的出将敛

在这里产生性M时越

图1」1三种时延所产生的地方

1.2.3时延带宽积和往返时延

以b代为单位的链路长度

•时延带宽积二（传播时延）x（带宽）。链路的时延带宽

积又称为以比特为单位的链路长度。

图1-12链路像一条空心管道

传播时延20ms,带宽10Mbit/s,

时延带宽积=20X10-3X10X106=2X105bit

在链路上有20万个bit

1.2.3时延带宽积和往返时延:::

＞往返时延RTT(Round-TripTime)也是一个重

要的性能指标，它表示从发送端发送数据开始,

到发送端收到来自接收端的确认，总共经历的

时延。

＞往返时延带宽积的意义

1.3计算机网络的协议

1.3.1网络协议的概念

＞计算机系统互相通信是需要规则的

＞规则的制定：从SNA到OSI/RM

»规则的推广：TCP/IP协议簇成为事实上的国

际标准

重要的规则（协议）制定者

•美国国家标准协会（ANSI）

•国际电工委员会（IEC）

•国际电信联盟（ITU）

•电子工业协会（EIA）

•电气和电子工程师协会（IEEE）

•国际标准化组织（ISO）

•国家标准和技术协会（NIST）

•国际商用机器公司（IBM）

什么是协议？

人际交往的协议和计算机网络协议:

time

一.计算机协议的概念

为进行网络中的数据交换而建立的规则、标

准或约定即称为网络协议。一个网络协议主要由

以下三个要素组成：

（1）语法，即数据与控制信息的结构或格式；

（2）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响应；

（3）同步，即事件实现顺序的详细说明。

二.协议protocol的特点::

1.分层layering

网络系统体系结构是有层次的，通信协议也

被分为多个层次，在每个层次内又可分成若干子

层次，协议各层次有高低之分。

二.协议的特点::

2.协调配合

每一层和相邻层有接口，较低层通过接口向

它的上一层提供服务，但这一服务的实现细节对

上层是屏蔽的。

较高层又是在较低层提供的低级服务的基础

上实现更高级的服务。

1.4计算机网络的原理

体系结构

1.4.1原理体系结构（因特网协议栈）

＞应用层：支持网络应用

ftp,smtp,httpapplication

＞传输层：主机进程间的数据传递

tcp,udptransport

＞网络层:将数据报从信源传递到信宿

network

ip,路由选择协议

＞链路层：数据在网络上的相邻结点间link

的传输

ppp,ethernetphysical

＞物理层:信道上传送的位流

数据传递过程

让值机2

4

rf

3u

A

2u

^

1u

图2・3数据在各层之间的传递过程

1.4.2实体、协议、服务和服务访问点：：

＞实体entity：任何可发送或接收信息的硬件或软件进

程。

＞协议protocol："水平的操作”，控制两个对等实体

进行通信的规则集合。

＞服务service："垂直的操作”，即服务是由下层向上

层通过层间接口提供的。

＞服务访问点SAP：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。

＞协议数据单元PDU：对等层pee门ayers之间传送的数

据单位

图2・4相邻两层之间的关系

服务原语

服务原语primitive：供上下层之间联络使用。

＞请求：上层实体要求下层服务进行何种操作

＞指示：下层实体告知上层实体某事件发生

＞响应：上层实体表示对某事件的响应

＞确认：下层实体回复关于它收到的请求

确认服务：“请求”“指示”“响应”“确认”

无确认服务：“请求”“指示”

分层：逻辑通信

每个层次：application

transport

＞分布的运行network

link

A“实体”在每个physical

节点上实现该

层的功能application

transport

＞实体实现动作，network

link

与对等实体交physical

换信息applicationapplication

transporttransport

networknetwork

linklink

physicalphysical

分层：逻辑通讯，如传输层

＞从应用层取得数

据

＞加上地址,校验信

息形成“数据报”

physical

＞向对等实体（peer）network

发送数据报application

transportdataphysical

＞等待对等体在接network

link

收后的应答physical

＞比喻:邮局服务transport

network

physicalphysical

分层：物理通信

__data

appncuji15

transp|ort

network.

linlj

physiarf"

eTwo

applicationlink

transportnysical

network""

link-

physical—dataH

applicationapRli卒tioh

transporttransoort

network""netviOTK

link-lirk

physical阳deal

协议分层和数据的封装

每个层次都从上层取得数据

帧、数据报、数据

•加上首部信息形成新的数据单元段、

•将新的数据单元传递给下一层次

message

segment

datagram

frame

1.4.3面向连接服务与无连接服务

面向连接服务：具有连接建立、数据传输和连接

释放这三个阶段。如电路交换

无连接服务：不需要通信的两个实体同时处于激

活态。如报文交换

1.数据报(datagram)：无连接服务，IP数据报。

2.证实交付(confirmeddelivery)o

3.请求回答(request-reply)。

1.5OSI与TCP/IP体系结构的比较7

•OSI参考模型中采用了七个层次的体系结构，

将原理体系结构中的应用层再划分为应用层、

表示层和会话层。

OSI网络体系介绍

应用层与用户应用进程的接口“做什么”

表示层数据格式的转换“对方看起来象什么”

会话层会话管理与数据传输同步“该谁讲话”“从哪儿讲起

传输层端到端可靠的数据传输“对方在哪儿”

网络层分组传送，路由选择，流量“走哪条路可以到达对方”

控制

数据链路层相邻结点间无差错地传送帧“每一步该怎么走”

物理层在物理媒体上透明传输位流“怎样利用物理媒体”

OSI与TCP/IP体系结构对比

物理层

在一些问题的处理上，TCP/IP与

OSI不同点

1.TCP/IP一开始就考虑到多种异构网的互连

问题。

2.TCP/IP一开始就对面向连接服务和无连接

服务并重。

3.TCP/IP有较好的网络管理功能。

I•••

主:机A主机B

/~7\

应用层路由黔应用层

-：J.A'*•a

运输层运输层

▲

••••/•.,-•x>

网际层网标层网际层s

，网络网络网络

楼口层楼口层接口层

、网络1

图2・6TCPHP四层协议的表示方法举例

一-™.一♦.•:一一.▼.***K^、L...*/▼,.丁r

按层次高低的一些协议来表示

TCP/IP协议族

图2・7沙漏计时器形状的TCPUP协议族

2.6客户■服务器方式::

•在TCP/IP的进程之间的通信常用客户-服务器

方式。

•为了解决具体的应用问题而彼此通信的进程称

为“应用进程”。而应用层的具体内容就是规

定应用进程在通信时所遵循的协议。

•客户(client)和服务器(server)都是指通信中所

涉及的两个应用进程。

图2-8客户进程和服务器进程使用TCP/IP协议进行通信

计般u计卷机3计良机2

■■…■■一一一

应用层应用层应用层

运输层运输层运输层

网络层网络层网络层

数幄链路层款据链路层毅喻路层

物理层物理层物理层

图2-9一台计篁机中的多个服务器可被多个计篁机的客户访问

,・.--.丁*丁••・.•，：：T

作业：

教材：P25:1-2,1-8,1-9

1-2IP数据通信有什么特点？

1-8简述协议和服务之间的区别及联系。

1-9分析面向连接和无连接服务的特点。列举

生活实例中哪些是面向连接服务，哪些是无连接

服务。

参考教材：P22:3、11、12、16

P33:2、5

习题1—3试从多方面比较电路交换、报文交换和分组

交换的主要有缺点。

电路交换：在发送数据前要先建立物理链路的连接（呼叫阶段），路建立

后所有数据都经该链路有序传送，数据发送后要释放该物理链路。

电路交换连接一旦建立，整个通信过程独占整个信道，连接的建立和释放需

要时间，适合有大量数据发送的场合。

报文交换：一次发送整个报文，报文中有目的地址等控制信息。

分组交换数据寸艮分组交换：每个分组独立选择路由，分段占用各段链路，

将要发送的但分组控制信息要浪费资源，数据不保证按序到达，各分组在结点等

数据分割成Y待排队浪费时间，适合计算机通信。

一个个小的虚电路分组：厂交换虚电路：通信完毕后对应的通

数据段，每

信信道的逻辑链路释放。

个数据段加IJ

在发送数据前要先建1

上目的地址立逻辑链路的连接〔、一一人

分组信息等

控制信息构（呼叫阶段），链路水久虚电路：对应的通信信道永久占

成分组，每建立后所有数据都经用此逻辑通道

个分组独立该链路有序传送，数

选择路由。据发送后要释放该逻

辑链路。

电路交换报文交换分组交换

优点1、线路专用，可1、无通信链路建立时间,1、报文定长，传

靠性高。数据量少时传输效率高。输时可分路径、

2、无有交换结点，2、有路径选择，提高了定间隔,效率IWJ、

无转发时的排队延线路的可恢复性。时延小，可防控

迟。网络堵塞。

缺点1、因有通信链路1、报文不定长，线路传1、分组时带控制

建立时间，数据量输效率受影响。信息，有一定开

少时传输效率低。2、有交换结点，有存储销。

转发，有排队延迟，实2、转发时有排队

时性差。延迟。

第一章::

••

习题i—n：：

试在下列条件下比较电路交换和分组交换。要传送的j艮文

共x(bit),从源站到目的站的共经过k段链路，每段链路的传播

时延为d(s),数据率为b(bit/s)。在电路交换是电路的建立时间

为s(s)。在分组交换是分组长度为p(bit),且各结点的排队等待

时间可忽略不计。问在怎样的条件下，分组交换的时延比电路

交换的要小？

解：

电路交换时延=电路建立时间+发送时延+传输时延

L=s+x/b+kd

分组发送时延=呼叫建立时间+发送时延+传输时延+结点排队时延

t2=(k-1)p/b+x/b+kd+0

若L>t2贝II：s>(k-1)p/b

iI:

在习题i—n的分组交换网中，设报文长度和分组长归

分别为X和(p+h)(bit),其中p为分组的数据部分的长度，

而h为每个分组所带的控制信息固定长度，与p的大小无关。

通信的两端共经过k段链路。链路的数据率为b(bit/s)，但传

播时延和、结点的排队时间均可忽略不计。若打算使总的

时延为最小，问分组的数据部分长度p应取为多大？

解：

分组发送时延=呼叫建立时间+发送时延+传输时延+结点排队时延

D=(k-1)X(h+p)/b+x/pX(h+p)/b+0+0

dD/dp=(k-1)/b—hx/bp