三级网络第2章-计算机网络基础知识

第二章计算机网络基础知识互联网的神话0计算机基础知识1计算机网络基础知识2局域网基础3网络操作系统412.1技术网络的形成与发展2.1.1、计算机网络的发展阶段（1）第一阶段：20世纪50年代

数据通信技术的研究与发展第二章计算机网络基础知识2第二章计算机网络基础知识第一阶段的特点：以单台计算机为中心的远程联机系统。IBM在1963年投入使用的飞机订票系统SABRE-13（2）第二阶段：初级计算机网络

20世纪60年代

ARPANET与分组交换技术的研究与发展典型代表是美国国防部高级研究计划局（advancedresearchprojectsagency,ARPA）的ARPAnet（通常称为ARPA网）分组交换技术出现。ARPAnet网络首先将计算机网络划分为“通信子网”和“资源子网”两大部分

第二章计算机网络基础知识4第二章计算机网络基础知识第二阶段特点：(1)完成了对计算机网络定义、分类与子课题研究内容的描述；(2)提出了资源子网、通信子网的两级网络结构的概念；(3)研究了报文分组交换的数据交换方法；(4)采用了层次结构的网络体系结构模型与协议体系；(5)促进了TCP/IP协议的发展；(6)为Internet的形成与发展奠定了基础。5第二章计算机网络基础知识通信子网”和“资源子网通信子网”和“资源子网6（3）第三阶段：开放式的标准化计算机网络

20世纪70年代

网络体系结构与协议标准化的研究广域网、局域网与公用分组交换网的研究与应用国际标准化组织（InternationalStandardsOrganization,ISO）提出了开放系统的互连参考模型与协议第二章计算机网络基础知识7第二章计算机网络基础知识第三阶段的特点“开放式”所有的计算机网络和通信设备都遵循着共同认可的国际标准，从可以保证不同厂商的网络产品可以在同一网络中顺利进行通信。8（4）第四阶段：新一代的计算机综合性、智能化、宽带高速网络20世纪90年代

Internet技术的广泛应用网络计算技术的研究与发展宽带城域网与接入网技术的研究与发展网络与信息安全技术的研究与发展第四阶段的特点：Internet的普及与应用第二章计算机网络基础知识9第二章计算机网络基础知识2.2计算机网络概述2.2.1计算机网络的定义和功能1计算机网络的定义资源共享观点将计算机网络定义为“以能够相互共享资源的方式互联起来的自治计算机系统的集合”。（1）计算机网络建立的主要目的是实现计算机资源的共享；（2）互联的计算机是分布在不同地理位置的多台独立的“自治计算机”；（3）联网计算机之间的通信必须遵循共同的网络协议。2计算机网络的功能具有数据通信、共享资源、高可靠性和可用性及易于分部式处理的功能。103计算机网络的分类（1）按网络传输技术进行分类

在通信技术中，通信信道的类型有两类：广播通信信道与点对点通信信道。广播通信信道：多个结点共享一个通信信道，一个结点广播信息，其他结点必须接收信息。点对点通信信道：一条通信线路只能连接一对结点，如果两个结点之间没有直接连接的线路，那么它们只能通过中间结点转接。广播式网络（BroadcastNetworks）：所有的计算机都共享一个公共通信信道，当一台计算机利用共享通信信道发送报文分组时，所有其他的计算机都会“收听”到这个分组。所以任意时刻只有一台计算机发送数据。在广播式网络中，发送的报文分组的目的地址可以有3类：单一结点地址、多结点地址与广播地址。点对点式网络(Point-to-PointNetworks)。每条物理线路连接一对计算机，假如两台计算机之间没有直接连接的线路，那么它们之间的分组传输就要通过中间结点的接收、存储与转发，直至目的结点。第二章计算机网络基础知识11（2）按网络覆盖范围进行分类

按覆盖的地理范围划分，计算机网络可以分为以下3类：局域网（LocalAreaNetwork，LAN）；城域网（MetropolitanAreaNetwork，MAN）；广域网（WideAreaNetwork，WAN）；第二章计算机网络基础知识12广域网、城域网、接入网以及局域网的关系

城域网城域网接入网接入网接入网接入网接入网接入网广域网局域网局域网校园网企业网……13第二章计算机网络基础知识局域网（LocalAreaNetwork，LAN）的特点：（1）局域网覆盖有限的地理范围，它适用于机关、校园、工厂等有限范围内的计算机、终端与各类信息处理设备联网的需求；（2）局域网提供高数据传输速率（10Mb/s∽10Gb/s）、低误码率的高质量数据传输环境；（3）局域网一般属于一个单位所有，易于建立、维护与扩展；（4）从介质访问控制方法的角度，局域网可分为共享介质式局域网与交换式局域网两类。（5）采用以太网（Ethernet）、令牌总线、令牌环原理的局域网产品形成了三足鼎立之势。局域网增强了信息社会中资源共享的深度。目前，在覆盖范围比较小的局域网中使用双绞线，在远距离传输中使用光纤，在有移动结点的局域网中采用无线技术的趋势已经明朗。14第二章计算机网络基础知识城域网：

城域网是介于广域网与局域网之间的一种高速网络，城域网设计的目标是要满足几十公里范围内的大量企业、机关、公司的多个局域网互联的需求。早期的城域网产品主要是光纤分布式数据接口。目前各种城域网建设方案的共同点是：传输介质采用光纤，交换结点采用基于IP交换的高速路由交换机或ATM交换机。在体系结构上采用核心交换层、业务汇聚层与接入层的三层模式。

15第二章计算机网络基础知识广域网：广域网也称为远程网。它所覆盖的地理范围从几十公里到几千公里。具备以下特点：（1）适应大容量与突发性通信的要求；（2）适应综合业务服务的要求；（3）开放的设备接口与规范化的协议；（4）完善的通信服务与网络管理。广域网中涉及以下概念：X.25网、帧中继、SMDS、B－ISDN与ATM网。X.25网：建立在速率较低、误码率较高的电缆传输介质之上执行过程比较复杂。帧中继：建立在数据传输速率高、误码率低的光纤上。ATM网：新一代数据传输与分组交换技术，能够保证用户对数据传输的服务质量QoS

的需求。结合了线路交换和分组交换的优点，符合B－ISDN的需求。162.2.3计算机网络拓扑结构1网络拓扑的定义计算机网络拓扑通过网中结点与通信线路之间的几何关系表示网络结构，反映出网络中各实体之间的结构关系。拓扑设计是建设计算机网络的第一步，也是实现各种网络协议的基础。计算机网络拓扑主要是指通信子网的拓扑构型。2网络拓扑的特点星型：结点通过点—点通信线路与中心结点连接，中心结点控制全网。环型：结点通过点—点通信线路连接成闭合环路。树型：结点按层次进行连接,可看成星型拓扑的扩展，适用于汇集信息的应用。网状型：结点之间连接是任意的，可靠性高，结构复杂，广域网基本上都采用它。第二章计算机网络基础知识17第二章计算机网络基础知识18第二章计算机网络基础知识19第二章计算机网络基础知识20第二章计算机网络基础知识21第二章计算机网络基础知识22第二章计算机网络基础知识23第二章计算机网络基础知识242.2.4数据传输质量指标描述计算机网络中数据通信的基本技术参数有两个：数据传输速率与误码率。（1）数据传输速率：在数值上等于每秒钟传输构成数据代码的二进制比特数。单位为：比特/秒，记作bit/ss=1/T(bit/s)奈奎斯特准则与香农定律奈奎斯特准则与香农定律从定量的角度描述了带宽与速率的关系。奈奎斯特定理描述了有限带宽、无噪声信道的最大数据传输速率与信道带宽的关系。最大数据传输速率(Rmax)与信道带宽B(B＝f)的关系：

Rmax=2*f香农定理则描述了有限带宽、有随机热噪声信道的最大传输速率与信道带宽、信号噪声功率比之间的关系其计算公式为：Rmax=Blog2(1+S/N)式中，Rmax为最大传输速率，单位为bps；B为信道带宽，单位为Hz；S/N为信号与噪声功率比，为无量纲。第二章计算机网络基础知识25香农定理香农定理则描述了有限带宽、有随机热噪声信道的最大传输速率与信道带宽、信号噪声功率比之间的关系其计算公式为Rmax=Blog2(1+S/N)式中，Rmax为最大传输速率，单位为bps；B为信道带宽，单位为Hz；S/N为信号与噪声功率比，为无量纲。例如，S/N为1000，B＝3000Hz，求Rmax为多少Mbps。计算步骤如下：①Rmax＝Blog2(1+S/N)。我们先计算log2(1+S/N)部分，log2(1+1000)=log21001≈log21024=log2210=10log22=10×1=10。②Rmax＝Blog2(1+S/N)=3000×10=30000(bps)。③将bps换算成Mbps∶30000bps=0.03Mbps。所以Rmax＝0.03Mbps。262误码率:是指二进制码元在数据传输系统中被传错的概率，它在数值上近似等于被传错的码元数/传输的二进制码元总数。理解误码率定义时，应注意：（1）误码率应该是衡量数据传输系统正常工作状况下传输可靠性的参数;（2）对于一个实际系统，要根据实际传输要求提出误码率要求;（3）对于实际数据传输系统，如果传输的不是二进制码元，要折合成二进制码元来计算。差错的出现有随机性，在实际中，只有被测量的传输二进制码元数越大，才会越接近于真正的误码率值。普通的通信线路如不采取差错控制技术，是不能满足计算机的通信要求的10-9数量级。第二章计算机网络基础知识272.3分组交换技术2.3.1电路交换的基本概念早期广域网的通信子网数据交换方式，采用的方法可以分为两类：存储转发交换、电路交换。存储转发交换又可以分为两类：报文存储转发交换（简称为报文交换）与报文分组存储转发交换（简称为分组交换）。电路交换（CircuitSwitching）方式与电话交换的工作过程类似。两台计算机通过通信子网进行数据交换之前，首先要在通信子网中建立一个实际的物理线路连接。电信交换的通信过程分为3个阶段。（1）线路建立阶段如果主机A要向主机B传输数据，首先要通过通信子网在主机A与主机B之间建立线路连接。（2）数据传输阶段当主机A与主机B通过信子网的物理线路连接建立后，主机A与主机B就可以通过该连接实时、双向地交换数据。（3）线路释放阶段在数据传输完成后，就要进入线路释放阶段。第二章计算机网络基础知识28第二章计算机网络基础知识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BDCA29第二章计算机网络基础知识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BDCA30电路交换的特点电路交换是面向连接的，即必须经过以下三个步骤的联网方式：建立连接通信释放连接采用电路交换时，通信过程中一直占有一条物理通路。31报文分组交换的原理（一）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32数据数据数据报文分组交换的原理（二）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”33分组交换的原理（三）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数据首部分组

1数据首部分组

2数据首部分组

334分组交换的原理（四）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35数据数据数据分组交换的原理（五）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110100011010101011010101110001001101001036分组交换网的示意图H1A分组交换网BDECH5H6H4H2H3H1向H5

发送分组H2向H6

发送分组注意分组路径的变化！结点交换机主机37分组的存储转发过程H1A分组交换网BDECH5H6H4H2H3H1

向

H5

发送分组结点交换机主机在结点交换机

A

暂存查找转发表找到转发的端口在结点交换机

C

暂存查找转发表找到转发的端口在结点交换机

E

暂存查找转发表找到转发的端口最后到达目的主机

H538结点交换机有多个端口，但在输入和输出端口之间没有直接连线ABCDEH1H5H2H4H3H6高速链路结点交换机123412341

2

3

412

3

41

2

3

439结点交换机的存储转发过程结点交换机处理分组的过程是：把收到的分组先放入缓存（暂时存储）；查找转发表，找出到某个目的地址应从哪个端口转发；把分组送到适当的端口转发出去。

40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；充分使用链路的带宽。可靠完善的网络协议；自适应的路由选择协议使网络有很好的生存性。41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。42三种交换的比较

P1P2P3P4P1P2P3P4P3P4报文报文报文ABCDABCDABCD报文交换电路交换分组交换t连接建立数据传送报文P2P1连接释放43第二章计算机网络基础知识2.4网络协议与网络体系结构2.4.1网络协议的基本概念

计算机网络是由多个互联的结点组成，结点之间要不断地交换数据和控制信息。为网络数据交换而制定的规则、约定与标准被称为网络协议。一个网络协议主要由以下3个要素组成：语法 用户数据与控制信息的结构和格式语义 即需要发出何种控制信息，以及完成的动作与做出的响应时序 即对事件实现顺序的详细说明

44第二章计算机网络基础知识2.4.2网络体系结构网络协议对计算机网络是不可缺少的，对于复杂的计算机网络协议，最好的组织方式是层次结构模型。计算机网络层次结构模型和各层协议的集合定义为计算机网络体系结构。采用层次结构的好处是：（1）各层之间相互独立；（2）灵活性好；（3）各层都可以采用最合适的技术来实现，各层实现技术的改变不影响其他层；（4）易于实现和维护；（5）有利于促进标准化。世界上第一个网络体系结构是IBM公司的“系统网络体系结构SNA”。453.1基本概念网络体系结构为了便于理解计算机网络体系结构，以两大城市（如广州和大连）邮寄信件的工作过程为例来说明。

46第二章计算机网络基础知识2.4.3ISO/OSI参考模型OSI参考模型的基本概念国际标准化组织ISO发布了OSI（开放系统互联）参考模型，以实现开放系统环境中的互联性、互操作性和应用的可移植性。在OSI中采用了3级抽象：体系结构、服务定义和协议规格说明。OSI参考模型定义了开放系统的层级机构、层次之间的相互关系及各层所包括的可能的服务。OSI的服务定义详细说明了各层所提供的服务。OSI标准中的各种协议定义非常精确，协议的规程说明具有最严格的约束。同时，OSI参考模型并没有提供一个可以实现的方法。OSI模型只是描述了一些概念，用来协调进程间通信标准的制定。4748OSI参考模型描述49第二章计算机网络基础知识ISO将整个通信功能划分为7个层次，划分的原则是：网中各结点都有各自的层次；不同结点同等层有相同的功能；同一结点内相邻层之间通过接口通信；每一层使用下层提供的服务，并向其上层提供服务；不同结点的同等层之间按照协议实现对等层之间的通信。名称 功能作用应用层

OSI参考模型的最高层。确立进程之间的通信的性质，以满足用户的需要表示层处理在两个通信系统中交换信息的表示方式会话层组织两个会话进程之间的通信，并管理数据的交换传输层向用户提供可靠的端到端服务，透明地传送报文。向高层屏蔽了下层数据通信的细节，因而是计算机通信体系结构中最为关键的一层网络层通过路由算法，为分组通过通信子网选择最适当的路径数据链路层在通信实体之间建立数据链路连接，传送以帧为单位的数据，使有差错的物理线路变成无差错的数据链路物理层

OSI的最底层，利用物理传输介质为数据链路层提供连接，以便透明地传送比特流502.4.4TCP/IP参考模型及层次TCP/IP参考模型与协议的发展过程TCP/IP的特点：开放的协议标准，独立于特定的网络硬件，统一的网络地址分配方案，标准化的高层协议。TCP/IP参考模型分为4个层次：应用层、传输层、互联层与主机—网络层。第二章计算机网络基础知识51TCP/IP参考模型模型描述52第二章计算机网络基础知识2、TCP/IP协议应用层包括了所有的高层协议，并且不断有新的协议加入。应用层协议分为三类：①依赖TCP协议的：文件传送协议FTP、电子邮件协议SMTP、超文本传输协议HTTP；②依赖UDP协议的：简单网络管理协议SNMP、简单文件传输协议TFTP；③可以使用TCP协议、又可以使用UDP协议的：域名服务DNS。TELNET 网络终端协议 实现互联网中远程登录功能FTP 文件传输协议 实现互联网中交互式文件传输功能SMTP 电子邮件协议 实现互联网中电子邮件功能DNS 域名服务 实现网络设备名字到IP地址映射的网络服务RIP 路由信息协议 用于网络设备之间交换路由信息NFS 网络文件系统 用于网络中不同主机之间的文件共享HTTP 超文本传输协议 用于WWW服务533、传输层传输层的作用：负责应用进程之间的端—端通信。定义了两种协议：传输控制协议TCP与用户数据报服务协议UDP。TCP 可靠的面向连接的协