计算机网络（第2版）计算机网络概论

ComputerNetwork计算机网络

计算机网络概述2计算机网络的发展及应用计算机网络的定义、组成计算机网络的功能1.1计算机网络的基本概念1.2计算机网络的分类1.3计算机网络的体系结构本章主要内容分层体系结构几个概念：实体、协议、接口、服务分层参考模型：OSI、TCP/IP按覆盖范围分类、拓扑结构、传输介质、交换技术、组建属性分类1.1计算机网络的基本概念计算机网络是通信技术和计算机技术相结合的产物。3网络的功能网络的组成网络的发展网络的应用网络的定义1835年莫尔斯发明了电报，实现了远程电子通信1876年贝尔发明了电话，实现了实时语音通话1888年德国物理学家海因里希·鲁道夫·赫兹发现了电磁波，使无线电技术有了重大发展，通信迈入了近代通信阶段20世纪50年代起，通信理论逐步建立，可实现语音、图像的传输，产生了电话系统、彩色电视、通信卫星等20世纪80年代起，无线的移动通信飞速发展，其发展历程为1G、2G、3G、4G、5G、6G……通信技术的发展1.1计算机网络的基本概念4网络的功能网络的组成网络的发展网络的应用网络的定义1642年，法国哲学家和数学家帕斯卡发明了第一台加减法计算机1833年，英国巴贝奇引入程序控制概念设计了分析机

提出设想：自动化计算机1925年美国麻省制造：第一台机械模拟计算机1942年采用继电器：模拟式计算机，速度更快1944年艾肯实现了巴贝奇设想：第一台数字式自动计算机MarkI1946年，美国宾夕法尼亚大学：第一台电子数字计算机（ENIAC）数学家冯·诺依曼提出了二进制程序控制、计算机体系结构由运算器、存储器、控制器、输入设备、输出设备组成等概念，提出了重大改进理论，促使计算机技术飞速发展计算机技术的发展1.1计算机网络的基本概念5网络的功能网络的组成网络的发展网络的应用网络的定义50年代，主机-终端网络60中期~70中期，分组交换网络70后期~90初期，网络标准化自由制定网络标准标准化：OSI参考模型90中期至今，互联网，如：Internet网络相关的研究热点：移动网络、并行计算、物联网、云计算、大数据和网络空间安全等中央主机（处理中心）数据运算结果终端（I/O设备）主机主机间通信通过分组交换网OSI

7层体系结构应用层表示层会话层传输层网络层数据链路层物理层应用层表示层会话层传输层网络层数据链路层物理层分组交换网对等层协议主机-终端网络计算机网络的发展1.1计算机网络的基本概念计算机网络定义分为广义观点、资源共享观点以用户透明观点。6网络的功能网络的组成网络的定义网络的应用网络的发展将不同地理位置的具有独立工作能力的计算机及通信设备利用通信线路连接在一起的，在网络协议控制下实现数据传输的系统集合。以资源共享为目的将自治计算机系统互连在一起的集合。能够为用户提供统一自动管理资源的网络操作系统的自治分布式计算机系统的集合，其网络结构对用户来说是“透明”的。资源共享是现阶段对计算机网络较为准确的描述。协作计算是计算机网络未来目标。注意广义观点资源共享观点用户透明观点1.1计算机网络的基本概念两个容易混淆的概念：7互联网（Internet）互连网（internet）相似之处多个网络互相连接在一起形成的网络，即网络的网络不同之处特指遵循TCP/IP标准、利用路由器将各种计算机网络互连所形成的覆盖全球的特定互连网泛指由多个不同类型计算机网络互连而成的各类网络使用TCP/IP除

TCP/IP

外，还可使用其他协议专用名词通用名词网络的功能网络的组成网络的定义网络的应用网络的发展互联网与互连网1.1计算机网络的基本概念8网络的发展网络的组成网络的功能网络的应用网络的定义资源共享数据通信提高系统可靠性用户通过网络可以实现各种资源（硬件、软件、数据等）无地域共享，提高了系统资源利用率，减少重复资源投资，节约成本，它是计算机网络的目的。计算机网络最基本和最重要的功能。利用网络实现聊天、购物、教育、医疗、娱乐等。网络中各计算机均可相互成为后备机，可避免由于某台计算机发生故障而引起整个系统瘫痪。均衡负载分布式处理人工智能均匀分配网络中各计算机工作任务。网络中多台计算机共同承担同一大型任务，提高网络系统利用率。智能化资源管理、数据挖掘、智能入侵检测、物联网等。1.1计算机网络的基本概念9网络的功能网络的发展网络的组成网络的应用网络的定义从组成单元角度从功能角度硬件软件网络协议通信子网资源子网主机（端系统）、通信线路（如双绞线、光纤、无线电波）、通信设备（交换机、路由器等）、通信处理机（如网卡）。实现资源共享的软件（如网络操作系统、邮件收发软件、即时通信软件等）。网络核心，规定网络中传输数据所应遵循的规则。路由器交换机主机终端无线终端无线接入点基站通信子网资源子网1.1计算机网络的基本概念10网络的功能网络的发展网络的组成网络的应用网络的定义从组成单元角度从功能角度硬件软件网络协议通信子网资源子网ISP家庭网络移动网络网络核心网络边缘网络边缘网络边缘企业网/校园网主机（端系统）、通信线路（如双绞线、光纤、无线电波）、通信设备（交换机、路由器等）、通信处理机（如网卡）。实现资源共享的软件（如网络操作系统、邮件收发软件、即时通信软件等）。网络核心，规定网络中传输数据所应遵循的规则。资源子网从工作方式角度网络边缘网络核心通信子网通信子网资源子网资源子网资源子网1.1计算机网络的基本概念无所不在的网络应用：工业、农业、商业、医疗、教育、军事、生活等各领域。11网络的功能网络的组成网络的应用网络的发展网络的定义工业网络监控与通信通信大数据行程卡网络电子支付智慧农业物联网远程医疗远程教育1.1计算机网络的基本概念12网络的功能网络的组成网络的应用网络的发展网络的定义能源互联网互联网+X工业互联网金融互联网云计算物联网大数据三网融合智慧城市人工智能互联网（Internet）3G/4G/5GWiFi卫星通信超高速光纤底层通信技术计算系统应用支撑技术行业互联网互联网（Internet）成为网络空间的基础设施。注意1.2

计算机网络的分类13按传输介质分按交换技术分按覆盖范围分按组建属性分按拓扑结构分Internet分公司1局域网广域网局域网分公司2(1)局域网LAN(2)广域网WAN(3)城域网WAN(4)个域网PAN覆盖范围有限，如：一个实验室、一幢大楼、一个校园。特点：私有性、范围小、组建简单、传输速度快、误码率低等。覆盖范围最广，如

Internet是最大的WAN。特点：覆盖范围广、成本高、安全系数低、传输速度慢、误码率高等。覆盖范围介于LAN和WAN之间。特点：一般用于提供公共服务，通常可将其归入LAN讨论。局域网覆盖范围最小。通常指将个人电子设备（如智能手机等）用无线技术连接，也称无线个域网（WPAN）。公司总部1.2

计算机网络的分类14按传输介质分按交换技术分按覆盖范围分按组建属性分按拓扑结构分总线根节点中间节点叶子节点用户节点中心节点环转发器(1)星形网络(2)总线型网络(3)环形网络(4)树形网络(5)网状网络1.2

计算机网络的分类15按传输介质分按交换技术分按覆盖范围分按组建属性分按拓扑结构分(1)星形网络(2)总线型网络(3)环形网络(4)树形网络(5)网状网络由一个中心节点和周围若干用户节点组成。中心节点可与用户节点直接通信，用户节点之间通信由中心节点转发。采用一条公共总线作为整个网络的传输介质，网络中各计算机通过硬件接口连接到总线上，数据在总线上以广播方式传输。该结构目前已淘汰。一种层次结构，可以看作是一种多级连接的星形结构。这种多级星形结构从上至下以三角形结构分布，形状如一棵树。封闭的环形结构，网络节点有一个硬件入网接口，首尾相连，形成一条链路。链路中信息单向（如顺时针或逆时针）、逐点、广播方式传送。无固定模式，网络中任意两个节点间均可直连，也可能存在多条传输路径。数据传输可选择适当路由，绕过失效路径或者过忙节点。各种拓扑结构网络的特点。1.2

计算机网络的分类16按传输介质分按交换技术分按覆盖范围分按组建属性分按拓扑结构分各种拓扑结构网络的优缺点。拓扑结构优点缺点星形传输效率高、可靠性高、可扩展性好布线、安装耗时耗力，网络的可靠性依赖中心节点总线型可靠性高、可扩展性高、节约线缆总线上节点过多时，容易产生信息的堵塞；硬件接口发生故障时，整个网络会瘫痪；网络发生故障时，故障的诊断与隔离困难树形易于扩展、容易排查故障网络的可靠性依赖根节点，根节点出现故障，整个网络将瘫痪环形可采用光纤连接，传输距离远，线缆用量少、故障易定位可靠性差，费用高、灵活性差、配置和维护较困难网状可靠性高、不受瓶颈问题和失效问题影响不易建网和扩充，构建成本高，网络协议、网络控制机制复杂1.2

计算机网络的分类17按传输介质分按交换技术分按覆盖范围分按组建属性分按拓扑结构分(1)有线网络(2)无线网络采用双绞线、同轴电缆和光纤等实体作为传输介质。双绞线和同轴电缆传输电信号，光纤传输光信号。采用无线传输介质传输数据，网络结构不采用有线的物理连接。无线传输介质一般是指自由空间中的电磁波，数据被加载到电磁波上在自由空间中传输。双绞线、光纤等无线电波1.2

计算机网络的分类18按传输介质分按交换技术分按覆盖范围分按组建属性分按拓扑结构分(1)电路交换通信时需建立专用线路，通信双方独占物理通信链路（电路），实时通信，因此，又称为线路交换。传输单位：比特（位）。(2)报文交换采用存储转发技术，不需建立专用线路。传输单位：报文。(3)分组交换采用存储转发技术，不需建立专用线路。传输单位：分组（包），因此，又称为包交换。数据在网络中传递时，网络的中间交换节点将收到的数据报文或分组暂时存储在节点的缓冲区中，根据目的地址找到下一个连接节点，然后将缓存的数据报文或分组转发到下一节点。存储转发技术1.2

计算机网络的分类19按传输介质分按交换技术分按覆盖范围分按组建属性分按拓扑结构分电路交换工作原理【例】以主机A-主机B通信为例。1）建立连接：主机A-主机B建立一条物理连接线路2）传输数据：主机A发送数据：数据独占建立的物理线路传输主机B发送数据：数据独占建立的物理线路传输3）释放连接：数据传输结束，撤消建立的物理线路主机A主机B1)建立物理线路连接2)数据在独占的线路上传输产生数据1.2

计算机网络的分类20按传输介质分按交换技术分按覆盖范围分按组建属性分按拓扑结构分报文、分组交换工作原理以下图所示的分组交换网的路由转发为例，主机之间端到端通信可由多个点到点通信构成。例如：H1

向H5

发送分组，H2

向H6

发送分组，中间经过若干中间节点，路径不唯一，采用存储转发技术。红色或蓝色等不同分组可以共享使用同一节点或链路H1

向

H5

发送分组H2

向

H6

发送分组ABDEC路由器H2H4H6H5H3H1互联网主机分组交换可能使用的不同路径路径1：H1-A-C-E-H5路径2：H1-A-B-E-H5……可能使用的不同路径路径1：H2-B-E-H6……1.2

计算机网络的分类21按传输介质分按交换技术分按覆盖范围分按组建属性分按拓扑结构分电路交换报文交换分组交换电路交换需建立连接、预留资源，独占链路，难以实现灵活复用报文交换和分组交换采用存储转发技术，灵活、抗毁性高，分组交换时延小，适合有大量突发数据传输需求的互联网3种交换技术比较报文报文报文ABCDABCDP1ABCD报文连接建立数据传输连接释放tP2P3P1P2P3P1P2P3传输节点数据传输特点比特流直达终点报文报文报文分组分组分组存储转发存储转发1.2

计算机网络的分类根据计算机网络的组建、经营和管理方式，特别是对数据传输和交换系统的拥有性，可将计算机网络分为公用网（PublicNetwork）和专用网（PrivateNetwork）。22按传输介质分按交换技术分按覆盖范围分按组建属性分按拓扑结构分(1)公用网一般指通信公司出资建造的大型网络（网络基础设施），为所有愿意按通信公司的规定缴纳费用的公众（可以是企业、部门、个人等）提供服务的网络。(2)专用网一般指为政府、企业、行业等部门提供的具有部门特点、特定服务应用功能的计算机网络。如：虚拟专用网（VirtualPrivateNetwork，VPN）。1.3

计算机网络的体系结构为了降低网络设计的复杂性，通常将网络系统划分为多个层次（层次栈），每层实现相对独立的功能，各层单向依赖，除最底层外，每一层都依赖其下一层。23OSI

模型分层结构TCP/IP

模型实体、协议、接口、服务第5层第4层第3层第2层第1层第5层第4层第3层第2层第1层主机A主机B第4/5层接口第3/4层接口第2/3层接口第1/2层接口对等实体对等实体对等实体对等实体对等实体物理介质分层原则网络中各系统需划分相同的层次结构各层实现的功能相对独立相邻层的功能具有一定的依赖关系明确规定各层需实现的功能（服务）及实现过程不同系统的对等层具有相同功能（服务）高层使用低层提供的服务时，不需知道低层服务实现的具体方法分层原因1.3

计算机网络的体系结构24OSI

模型分层结构TCP/IP

模型实体、协议、接口、服务网络协议网络协议：为了两个对等实体间能够有条不紊地交换数据而建立的规则、标准或约定的集合。网络协议由以下3个要素组成。语法：规定了传输数据的格式。即规定数据和控制信息的结构、编码及信号电平等。语义：规定了通信双方需要完成的功能。即规定通信双方需要发出何种控制信息、完成何种动作及做出何种应答等。同步（时序）：规定了执行各种操作的条件、时序关系等，即事件实现顺序的详细说明、双方速率匹配等。接口：一个系统内相邻两层间交换信息的连接点。每层只为紧邻的上下层次之间定义接口，不能跨层定义接口。服务服务：一个系统内下层为相邻上层提供的功能，服务提供是单向的。服务原语：上下相邻层实体交互时需要使用的命令。OSI

提供的4类服务原语：请求、指示、响应、证实。实体实体：分层体系中各层的活动元素，是实现网络功能的载体，通常为特定的软件模块。对等实体：不同系统的同一层次的实体，对等实体通常实现相同功能。接口1.3

计算机网络的体系结构25OSI

模型分层结构TCP/IP

模型实体、协议、接口、服务实体、协议、接口、服务间的关系n+1层实体n层实体第n+1层服务用户第n层服务提供者n层协议服务原语请求证实SAP①响应指示端系统A接口n+1层实体n层实体第n+1层服务用户第n层服务提供者服务原语SAP②端系统B接口④③n+1层协议1.3

计算机网络的体系结构26OSI

模型分层结构TCP/IP

模型实体、协议、接口、服务OSI参考模型OSI（OpenSystemsInterconnection），开放系统互连参考模型，7层模型端系统A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数据链路层网络层物理层数据链路层网络层物理层数据链路层网络层传输层会话层表示层应用层端系统B传输介质数据链路层协议通信子网物理层协议网络层协议比特、二进制位(bit)帧(frame)分组、包(packet)报文段(segment)会话层协议数据单元(SPDU)表示层协议数据(PPDU)应用层协议数据单元(APDU)应用层协议表示层协议会话层协议传输层协议第1层第2层第3层第4层第5层第6层第7层路由器路由器1.3

计算机网络的体系结构27OSI

模型分层结构TCP/IP

模型实体、协议、接口、服务物理层(PhysicalLayer)比特传输（Bitsonthewire）：定义如何在信道上传输比特

0

和

1机械接口（Mechanical）：网线接口大小、形状、线缆排列等电子信号（Electronic）：电压、电流、脉冲等时序接口（Timing）：采样频率、波特率、比特率等传输介质（Medium）：各种线缆、无线频谱等物理层的功能是在一条物理通信线路上传输比特。应用层ApplicationLayer表示层PresentationLayer会话层SessionLayer传输层TransportLayer网络层NetworkLayer数据链路层DataLinkLayer物理层PhysicalLayer1.3

计算机网络的体系结构28OSI

模型分层结构TCP/IP

模型实体、协议、接口、服务数据链路层(DataLinkLayer)组帧（Framing）：从物理层的比特流中提取出完整的帧错误检测与纠正：提供可靠的数据通信物理地址（MACaddress）：48位，理论上唯一网络标识流量控制，避免“淹没”（overwhelming）：当快速的发送端遇上慢速的接收端时，接收端缓存将会溢出（“淹没”）共享信道上的访问控制（MAC）：控制如何在同一个信道上同时传输信号实现相邻网络实体间的数据传输。应用层ApplicationLayer表示层PresentationLayer会话层SessionLayer传输层TransportLayer网络层NetworkLayer数据链路层DataLinkLayer物理层PhysicalLayer1.3

计算机网络的体系结构29OSI

模型分层结构TCP/IP

模型实体、协议、接口、服务网络层(NetworkLayer)路由（Routing）：在网络中选取从源端到目的端的转发路径，可以根据网络可达性动态选取最佳路径，也可以使用静态路由数据包转发：根据选择的转发路径，转数据包逻辑地址（IPaddress）寻址：逻辑上唯一标识一个网络路由协议：路由器之间交互路由信息所遵循的协议规范，使得单个路由器能够获取整个网络的可达性等信息服务质量（QoS）控制：有效处理网络拥塞、负载均衡、准入控制、保障延迟异构网络互连：在异构编址和异构网络中进行路由寻址和转发根据目的IP地址，将数据分组跨越网络从源设备传输到目的设备。应用层ApplicationLayer表示层PresentationLayer会话层SessionLayer传输层TransportLayer网络层NetworkLayer数据链路层DataLinkLayer物理层PhysicalLayer思考：为什么在唯一的MAC地址之外，还需要唯一的IP地址？1.3

计算机网络的体系结构30OSI

模型分层结构TCP/IP

模型实体、协议、接口、服务传输层(TransportLayer)网络层定位到一台主机，传输层定位到主机上某一个进程网络层的控制主要面向运营商（ISP），传输层为终端用户提供端到端的数据传输控制采用两类传输模式：可靠传输模式、不可靠传输模式可靠传输：可靠的端到端数据传输，适合于对通信质量有要求的应用场景，如文件传输等不可靠传输：更快捷、更轻量的端到端数据传输，适合于对通信质量要求不高，对通信响应速度要求高的应用场景，如语音对话、视频会议等流媒体传输传输层的功能是将报文从源端口传输到目的端口（进程到进程）。应用层ApplicationLayer表示层PresentationLayer会话层SessionLayer传输层TransportLayer网络层NetworkLayer数据链路层DataLinkLayer物理层PhysicalLayer1.3

计算机网络的体系结构31OSI

模型分层结构TCP/IP

模型实体、协议、接口、服务会话层(SessionLayer)利用传输层提供的服务，在应用程序之间建立和维持会话，并能使会话获得同步应用层ApplicationLayer表示层PresentationLayer会话层SessionLayer传输层TransportLayer网络层NetworkLayer数据链路层DataLinkLayer物理层PhysicalLayer表示层(PresentationLayer)关注所传递信息的语法和语义，管理数据的表示方法，传输的数据结构，压缩/解压缩，加密/解密应用层(ApplicationLayer)