工学计算机网络技术及应用课件

计算机网络技术及应用

March,2011

董开坤

ComputerNetworks

Self-introduction

董开坤：

口PHD.AssociateProfessorof

ComputerSci.&Tech.

□Off:RSB424

□TeL:

00631-5687079(0.)

ComputerNetworks2

RelationshipwithotherCourses(1)

pp.Dev&Practice

INet&ProtocolsN

e

y/Concepts&Theory/t

D

e

cv

Applicationo

cAo

mP

pP

Presentationu

t

Sessione，eV

r&pt

N1-

Transportem1na

t.pn

wn-

og

Networkr

k

DataLinks

Physical

ComputerNetworks3

或

RelationshipwithotherCourses(2)

Application

Presentation

Session

ComputerNetTransport

NetworkNetPlanning

DataLink&lmplementationJ

Physical

ComputerNetworks4

圮

■计算机网络的基础知识和主流技术。包括计

算机网络的组成、体系结构及协议原理、局

域网标准及主流局域网技术、广域网、网络

互连技术、网络安全技术等。

ComputerNetworks5

&Courseschedule

・计算机网络概述

-物理层

-数据链路层

■网络层

-运输层

・应用层

・网络安全

ComputerNetworks6

敖材和参考书

♦教材：

谢希仁编著，《计算机网络》（第5版），电子工业出版社,

2008年。

♦参考书目：

1.BehrouzA.Forouzan,SophiaChui^Fegan.TCP/IPProtocolSuite,

清华大学出版社，2004年1月。

2.JamesF.Kurose,KeithW.Ross，ComputerNetworidng-ATop-

DownApproachFeaturingtheInternet,ThirdEdition,Higher

EducationPress(China)&PearsonEducation,2005.

3.WilliamStallings,Data&ComputerCommunicatioiis(Seventh

Edition),HigherEducationPress(China),2006,9.

ComputerNetworks7

4——Assess—me—nt-----

■考试(60%)+实验(20%)+作业(10%)封艮告(10%)

ComputerNetworks8

《Chapter：计博机网络辍述

1.1计算机网络在信息时代中的作用

1.2因特网概述

1.3因特网的组成

1.4计算机网络在我国的发展

1.5计算机网络的分类

1.6计算机网络的性能

1.7计算机网络的体系结构

ComputerNetworks9

守

1.1计算机网络在信息时代中的作用

■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。

■网络现已成为信息社会的命脉和发展知识经济

的重要基础。

■人们的生活、工作、学习和交往都已离不开因

特网。

■网络是指“三网”，即电话网络、有线电视网络

和计算机网络。

-发展最快的并起到核心作用的是计算机网络。

ComputerNetworks10

计算机网络向用户提供的功能

■通讯

使上网用户之间可以交换信息；

-资源共享

■信息共享

・软件共享

・硬件共享。

ComputerNetworks11

“Cool”internetappliances

Web-enabledtoaster+

weatherforecaster

IPpictureframe

/

webACEServer

World'ssmallestwebserverInternetphones

ComputerNetworks12

L2因特网概述

1.2.1基本概念

■网络(network)由若干结点(node)和连接这些结点的链

路(link)组成。

■互联网是“网络的网络”(networkofnetworks)o

■Internet：当前全球最大的、开放的、由众多网络相

互连接而成的计算机网络，采用TCP/1P协议族作为

通信的规则。

■连接在因特网上的计算机都称为主机(host)。

ComputerNetworks13

I

网络互联网（网络的网络）

因特网

1.2.2因特网的发展

因特网的基础结构大体上经历了三个阶段的演进。

■第一阶段是从单个网络ARPANET向互联网发展的过

程。(ARPA,AdvancedResearchProjectAgency)

»1967年，一次ACM会议上，ARPA提出；

>1967年,ARPANET成为现实。

-1983年TCFHP协议成为ARPANET上的标准协

议。

-人们把1983年作为因特网的诞生时间。

ComputerNetworks16

1969-1990：ARPANET

■提出了资源子网、通信子网的概念―一

■研究了分组交换方法了33n

品

三级结构的因特网

-因特网发展第二阶段的特点是建成了三级结构的因特

网。

■1985年，NSF建立了国家科学基金网NSFNET。它是

一个三级计算机网络：分为主干网、地区网和校园网

（或企业网）。

■1991年，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。

■1993年因特网主干网的速率提高到45Mb/s（T3速

率）。

ComputerNetworks18

三级结构的因特网

・各网络之间需要使用路由器来连接。

三级结构的因特网

■主机到主机的通信可能要经过多种网络。

多层次ISP结构的因特网

■因特网发展第三阶段的特点是逐渐形成了多层

次ISP结构的因特网。

■出现了因特网服务提供者ISP(lnternet

ServiceProvider)o

ComputerNetworks21

用户通过ISP上网

根据提供服务的覆盖面积大小以及所拥有的

IP地址数目的不同，ISP也分成为不同的层次。

今日多级结构的因特网

・大致上可将因特网分为以下五个接入级

■网络接入点NAP

-国家主干网（主干ISP）

.地区ISP

■本地ISP

■校园网、企业网或PC机上网用户

ComputerNetworks24

万维网WWW的问世

■因特网的迅猛发展始于20世纪90年代。由

欧洲原子核研究组织CERN开发的万维网

WWW(WorldWideWeb)被广泛使用在因特

网上，大大方便了广大非网络专业人员对网络

的使用，成为因特网指数级增长的主要驱动

力。

ComputerNetworks25

州1.2.3因特网的标准化

ComputerNetworks26

■因特网草案(IinternetDraft)----在这个阶段

还不是RFC文档。

■建议标准(ProposedStandard)----从这个阶

段开始就成为RFC文档。

■草案标准(DraftStandard)

■因特网标准(InternetStandard)

ComputerNetworks27

各种RFC之间的关系

1.3因特网的组成

What5stheInternet:"nutsandbolts”view

router

workstation

0server

但mobile

ComputerNetworks29

品

因特网的组成

■边缘部分：端系统（endsystem）

由所有连接在因特网上的主机组成。这部分

是用户直接使用的，用来进行通信（传送数

据、音频或视频）和资源共享。

■核心部分

由大量网络和连接这些网络的路由器组成。

这部分是为边缘部分提供服务的（提供连通性

和交换）。

ComputerNetworks30

因特网的边缘部分与核心部分

因特网的边缘部分

1.3.1因特网的边缘部分

■处在因特网边缘的部分就是连接在因特网上的

所有的主机一端系统。

>“主机A和主机B进行通信”，实际上是指：

“运行在主机A上的某个程序和运行在主机B

上的另一个程序进行通信”。

■即“主机A的某个进程和主机B上的另一个进

程进行通信”。或简称为“计算机之间通信”。

ComputerNetworks32

两种通信方式

在网络边缘的端系统中运行的程序之间的通信方

式通常可划分为两大类：

-客户服务器方式（C/S方式）

即Client/Server方式

■对等方式（R2P方式）

即Peer-to-Peer方式

ComputerNetworks33

1.客户-服务器方式

-客户(client)和服务器(server)都是指通信中所

涉及的两个应用进程。

・客户-服务器方式所描述的是进程之间服务和

被服务的关系。

■客户是服务的请求方，服务器是服务的提供

方。

运行

客户

网络边缘

程序运行

服务器

/程序

网络核心

服务器''

/

客户A向服务器B发出请求服务,

而服务器B向客户A提供服务。

品

客户软件的特点

-被用户调用后运行，在通信时主动向远地服务

器发起通信（请求服务）。因此，客户程序必

须知道服务器程序的地址。

■通常不需要特殊的硬件和很复杂的操作系统。

ComputerNetworks36

5?

服务器软件的特点

■专门用来提供某种服务的程序，一般可同时处

理多个远地或本地客户的请求。

■系统启动后即自动调用并一直不断地运行着，

被动地等待并接受来自各地的客户的通信请

求。因此，服务器程序不需要知道客户程序的

地址。

-一般需要强大的硬件和高级的操作系统支持。

ComputerNetworks37

2.对等连接方式

■对等连接（peer-to-peer,简写为P2P）是指两

个主机在通信时并不区分哪一个是服务请求方

还是服务提供方。

■只要两个主机都运行了对等连接软件（P2P软

件），它们就可以进行平等的、对等连接通

信。

■双方都可以下载对方已经存储在硬盘中的共享

文档。

品

对等连接方式的特点

■对等连接方式从本质上看仍然是使用客户-服

务器方式，只是对等连接中的每一个主机既是

客户又同时是服务器。

■例如主机C请求D的服务时，C是客户，D

是服务器。但如果C又同时向F提供服务，那

么C又同时起着服务器的作用。

ComputerNetworks39

运行.E---------1P运行

P2P程序丁I网络边缘「LCP2P程序

夫

I

X-------:——■

网络核心|

\F分

运行Xj

ODT—运行

_____Z1I

P2P程序P2P程序

1.3.2因特网的核心部分

■因特网中最复杂的部分。

■网络中的核心部分要向网络边缘中的大量主机

提供连通性，使边缘部分中的任何一个主机都

能够向其他主机通信。

-在网络核心部分起特殊作用的是路由器

(router)o

ComputerNetworks41

品

路由器的功能

Router■是一台计算机，用于连接多个逻辑上分

开的网络。路由器是一种典型的网络层设备，

在互连网络中的位置是在子网与网络之间或网

络与网络之间，分离(连接)各网络。网络之

间的通信通过路由器进行。

路由器是实现分组交换(packetswitching)的关

键构件，其任务是转发收到的分组，这是网络

核心部分最重要的功能。

ComputerNetworks42

路由器处理分组的过程

■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。

ComputerNetworks43

《分组交换技术的产生

-20世纪60年代美苏冷战时期的产物。

-60年代初，美国国防部领导的远景研究规划局ARPA

提出要研制一种生存性(survivability)很强的网络。

■传统的电路交换(circuitswitching)电信网有一个缺

点：正在通信的电路中有一个交换机或有一条链路被

炸毁，则整个通信电路就要中断。

-如要改用其他迂回电路，必须重新拨号建立连接。这

将要延误一些时间。

ComputerNetworks44

品

新型网络的基本特点

■网络用于计算机之间的数据传送，而不是为了

打电话；

■网络能够连接不同类型的计算机；

■所有的网络结点都同等重要，因而大大提高网

络的生存性；

-计算机在进行通信时，必须有冗余的路由。

■网络的结构应当尽可能地简单，同时还能够非

常可靠地传送数据。

ComputerNetworks45

回顾：电路交换的特点

■两部电话机只需要用一对电线就能够互相连接

起来。

ComputerNetworks46

更多的电话机互相连通

■5部电话机两两相连，需10对电线。

■/V部电话机两两相连，需1)/2对电线。

■当电话机的数量很大时，这种连接方法需要的电线

对的数量与电话机数的平方成正比。

使用交换机

■当电话机的数量增多时，就要使用交换

机来完成全网的交换任务。

“交换”的含义

■在这里，“交换”(switching)的含义就是转

接一把一条电话线转接到另一条电话线，

使它们连通起来。

■从通信资源的分配角度来看，“交换”就是按

照某种方式动态地分配传输线路的资源。

ComputerNetworks49

电路交换的特点

■电路交换必定是面向连接的。

-电路交换的三个阶段：

■建立连接

・通信

■释放连接

ComputerNetworks50

I电路交换举例(1)

■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

中继线

交换

C3机

A用户线0中继线

CcP

交换机CcP

CCP

P

3交换机?

D

户

3C0用

C

C3

C3

ComputerNetworks51

电路交换举例(2)

■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

-/

电路交换传送计算机数据效率低

■计算机数据具有突发性。

■这导致通信线路的利用率很低。

ComputerNetworks53

分组交换原理

-步骤一：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。

-------------------报文------------------

1101000110101010110101011100010011010010

假定这个报文较长

不便于传输

ComputerNetworks54

添加首部构成分组

-步骤二：每一个数据段前面添加上首部构成分

组。

-报文-

I胸1据数据

分组2

_______________________________人___________

/--------------------------------

画

分组3

画

请注意：现在左边是“前面”

ComputerNetworks55

分组交换的传输单元

■步骤三：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（假定接收端

在左边）。

冬且1

---------------分组2

__________________________入__________________________

iil~~i~i-

-------------------分组3

__________________________人__________________

厂

aS~i~i

ComputerNetworks56

5?

分组首部的重要性

-每一个分组的首部都含有地址等控制信息。

・分组交换网中的结点交换机根据收到的分组的

首部中的地址信息，把分组转发到下一个结点

交换机。

・用这样的存储转发方式，最后分组就能到达最

终目的地。

ComputerNetworks57

收到分组后剥去首部

■步骤四：接收端收到分组后剥去首部还原成报

文。

逑1

首部数据

-------------分组2

-----------------------------入___________

首部数据

-----------_-_-___分_组__3

首部数据

收到的数据

ComputerNetworks58

最后还原成原来的报文

■步骤五：最后，在接收端把收到的数据恢复成

为原来的报文。

-------------------报文------------------

1101000110101010110101011100010011010010

■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。

ComputerNetworks59

因特网的核心部分

-因特网的核心部分是由许多网络和把它们互连起来的路

由器组成，而主机处在因特网的边缘部分。

-在因特网核心部分的路由器之间一般都用高速链路相连

接，而在网络边缘的主机接入到核心部分则通常以相对

较低速率的链路相连接。

-主机的用途是为用户进行信息处理的，并且可以和其他

主机通过网络交换信息。路由器的用途则是用来转发分

组的，即进行分组交换的。

ComputerNetworks60

分组交换网的示意图

H4Q

注意分组路径的变化!

D

路由器

B

H

主机6

VEH向H发送分组

A26

H1向H5发送分组

H5

C—

互联可

ComputerNetworks63

分组的存储转发过程

■।—1I

illn「最后到达目的主机H5

ComputerNetworks64

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。

■可靠保证可靠性的网络协议；分布式的路由

选择协议使网络有很好的生存性。

ComputerNetworks65

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。

ComputerNetworks66

存储转发原理并非完全新的概念

■在20世纪40年代，电报通信也采用了基于

存储转发原理的报文交换(message

switch!ng)o

■报文交换的时延较长，从几分钟到几小时不

等。现在报文交换已经很少有人使用了。

ComputerNetworks67

三种交换的比较

L4计算机网络在我国的发展

(1)中国公用计算机互联网CHINANET

⑵中国教育和科研计算机网CERNET

(3)中国科学技术网CSTNET

(4)中国联通互联网UNINET

(5)中国网通公用互联网CNCNET

(6)中国国际经济贸易互联网ClETNET

(7)中国移动互联网CMNET

(8)中国长城互联网CGWNET

(9)中国卫星集团互联网CSNET

ComputerNetworks69

4^^

1.5计算机网络的分类

-1.5.1计算机网络的不同定义

■最简单的定义：计算机网络是一些互相连接

的、自治的计算机的集合。

■因特网(Internet)是“网络的网络”。

■1.5.2几种不同类别的网络

・不同作用范围的网络

■不同拓朴结构的网络

■不同使用者的网络

ComputerNetworks70

不同作用范围的网络

■广域网WAN(WideAreaNetwork)

-几十到几千km

■城域网MAN(MetropolitanAreaNetwork)

■5~50km

■局域网LAN(LocalAreaNetwork)

■1km左右

■个人区域网PAN(PersonalAreaNetwork)

■10m左右

ComputerNetworks71

不同拓朴结构的网络

■拓扑(topology)

从图论演变而来的概念，是一种研究与

大小形状无关的点、线、面特点的方法。

ComputerNetworks72

耳

计算机网络的拓朴结构

-在计算机网络中，抛开具体的设备，把诸如工

作站、服务器、交换机等网络单元抽象为

“点”，把网络中的电缆等通信介质抽象为“线”，

这样从拓扑学的观点看计算机和网络系统，就

形成了点和线组成的几何图形，从而抽象出了

网络系统的具体结构。称这种采用拓扑学方法

抽象的网络结构为计算机网络的拓扑结构。

ComputerNetworks73

通信子网的拓扑构型

-计算机网络的拓扑主要是指通信子网的

拓扑构型。分为两大类：

①点一点线路通信子网拓扑结构

②广播信道通信子网拓扑结构。

ComputerNetworks74

（a）星型（b）环型（c）树型（d）全连接（e）交叉环（f）网状

ComputerNetworks75

广播信道通信子网拓扑结构

■在采用广播信道的通信子网中，一个公共的

通信信道被多个网络结点共享。所有节点共

享传输介质，任何一个节点发送到网上的信

息可为网中所有其它节点接受。适合于局域

网。

ComputerNetworks76

也

广人\|z工vl/xR|z

(a)地面无线电网

(c)总线局域网

广播信道通信子网的拓朴结构

计算机网络按拓朴结构分类

■星型网络

■环型网络

■总线型网络

■树型网络

■网状型网络

ComputerNetworks78

壮本星型结构单元示例

星型网络

■组成：各节点间无直接的链路，分节点间的通

信必须通过中心节点间接实现。

-优点：结构简单、构造容易、便于管理和访问

协议简单。

■缺点：中心节点负担过重、扩充困难，对中心

节点的可靠性要求高，通信线路总长度长，费

用高，安装、维护麻烦。

ComputerNetworks80

J

图3-4环型结构网络示例

环型网络

■组成：各主机经由各自的中继器或转发器和点

到点链路组成闭合环。

-优点：结构简单，传输路径长度较短，最大延

迟确定，时实性较好。

-缺点：某个节点出错可能会终止全网运行，可

靠性较差；同时扩充困难，这是由于此时需要

对全网拓扑和访问机制进行调整所致。

ComputerNetworks82

J

T作站

总线w结构示例

守

总线型网络

■组成：采用单根传输线作为传输介质,所有站

点都通过相应的硬件接口直接连到传输介质既

总线上；任一站点发送的信号都可以沿介质传

输且能被其他所有站点接收，但只有目的站点

真正接收,其他的站点则把信号丢弃。

-优点：电缆长度短、可靠性高、易于扩充。

■缺点：总线的物理长度和容纳的站点数有限，

多用于组建局域网。

ComputerNetworks84

交发机

工作站

树型结构示例

品

《树型网络

-组成：各节点按层次进行连接，处于越高层次

的节点，其可靠性要求越高。

-优点：这种结构总线路长度较短，容易扩展和

进行故障隔离。

-缺点：结构比较复杂且对根的依赖性太大。

ComputerNetworks86

网状型网络

■组成：一般又分有规则和无规则型

-优点：最大特点是可靠性高，因为节点间存在

着冗余链路，某个链路出了故障，还可以选择

其它。

-缺点：通信线路长、成本高、路径控制复杂。

ComputerNetworks87

不同使用者的网络

■公用网(publicnetwork)

■专用网(privatenetwork)

ComputerNetworks88

&接入网AN(AccessNetwork)

＞又称为本地接入网或居民接入网。

-由ISP提供的接入网只是起到让用户能够与

因特网连接的“桥梁”作用。

ComputerNetworks89

J

AccessNetworkandTechnologies

1.6计算机网络的性能

1.6.1计算机网络的性能指标

1.速率

-比特(bit)是计算机中数据量的单位，也是信息论中

使用的信息量的单位。

■速率：连接在计算机网络上的主机在数字信道上传送数

据的速率，即数据率(datarate)或比特率(bitrate)。

速率是计算机网络中最重要的一个性能指标。速率的单

位是b/s,或kb/s,Mb/s,Gb/s等

■速率往往是指额定速率或标称速率。

ComputerNetworks91

2.带宽

■“带宽”(bandwidth)本来是指信号具有的频带

宽度，信号的带宽是指该信号所包含的各种

成分所占据的频率范围。带宽的单位是赫

(或千赫、兆赫、吉赫等)。

■现在“带宽”是数字信道所能传送的“最高数据

率”的同义语,单位是“比特每秒"，或b/s

(bit/s)o

ComputerNetworks92

常用的带宽单位

■千比每秒,即kb/s(103b/s)

■兆比每秒,即Mb/s(106b/s)

・吉比每秒,即Gb/s(109b/s)

■太比每秒,即Tb/s(1012b/s)

*请注意：在计算机界，K=210=1024

203040

M=25G=25T=2O

ComputerNetworks93

3.吞吐量

IB——―----------

■吞吐量(throughput)表示在单位时间内通过某

个网络(或信道、接口)的数据量。

■吞吐量更经常地用于对现实世界中的网络的一

种测量，以便知道实际上到底有多少数据量能

够通过网络。

-吞吐量受网络的带宽或网络的额定速率的限

制。

ComputerNetworks94

4.时延(delay或latency)

■传输时延（发送时延）

发送数据时，数据块从结点进入到传输媒

体所需要的时间。也就是从发送数据帧的第一

个比特算起，到该帧的最后一个比特发送完毕

所需的时间。

数据块长度（比特）

发送时延=

信道带宽（比特/秒）

ComputerNetworks95

以L

&时延（delay或latency）

■传播时延

电磁波在信道中需要传播一定的距离而花

费的时间。

-信号传输速率（即发送速率）利信号在信道上

的传播速率是完全不同的概念。

信道长度（米）

传播时延=

信号在信道上的传播速率（米/秒）

ComputerNetworks96

里•

&时延(delay或latency)

＞处理时延交换结点为存储转发而进行一些必

要的处理所花费的时间。

-排队时延结点缓存队列中分组排队所经历的

时延。

排队时延的长短往往取决于网络中当时的

通信量。

ComputerNetworks97

&时延(delay或latency)

-数据经历的总时延就是发送时延、传播

时延、处理时延和排队时延之和：

总时延=发送时延+传播时延+处理时延+排队时延

ComputerNetworks98

四种时延所产生的地方

结点A发送器结点B

从结点A向结点B发送数据

ComputerNetworks99

、i5.―时延―带―宽积

时延带宽积

（传播）时延•A

市范

链路

时延带宽积=传播时延X