计算思维导论 课件 第11、12讲-网络连接世界-由机器网络到互联网、网络与社会-互联网与互联网+

第11讲网络联结世界-由机器网络到互联网哈尔滨工业大学计算学部教学委员会主任国家教学名师战德臣第11讲网络联结世界-由机器网络到互联网

一、为什么要连接和利用网络二、机器网络之网络通信基础三、机器网络之计算机组网与连接四、TCP/IP协议之概述张三丰太极拳创始人武当派掌门人湖北.武当山.江湖武当派WeChat:00000001QQ：000000001Mobile:11111111111E-mail:Zhangsanfeng@为什么要交换电子邮件地址?为什么要连接和利用网络交流方式的改变QQ用户电子邮箱@邮箱所在计算机(E-mail服务器)Zhangsan@Internet电子邮件服务器电子邮件服务器接收方/发送方(Lisi)发送方/接收方(Zhangsan)信箱信箱Zhangsan@Lisi@163.无数台路由器被连接在一起为什么两台计算机能够通过路由器和协议进行通信?什么是路由器?什么是协议?为什么要连接和利用网络网络如何支持现代化交流方式：

【示例】电子邮件Internet上的资源分布示意Internet：信息库和资源库--获取知识方式的改变为什么要连接和利用网络获取知识与信息途径的变化

关键词语的选择检索结果的浏览与识别网页的浏览为什么搜索引擎能够找到我们所需要的内容呢?搜索引擎的机理是怎样的呢?什么是网页?网页为什么会连接到另外的网页呢?为什么要连接和利用网络网络是如何为用户发现知识和信息的图是表达联结的重要数据结构结点边（结点之间的联结）有向图（边是有方向的）vs.无向图（边是无方向的）加权图（边上有数值，反映联结的某种特性）多类型结点图（结点是分不同类型的）语义图（不同结点有不同语义，不同边有不同语义）ACDBEFGHIGJKACDBEFGHIGJK为什么要连接和利用网络理解网络要从【图】开始计算机网络是一种无向图。结点表示计算机【主机】或者一些网络设备【交换设备】集线器（Hub）--物理层设备交换机（Switch）--链路层设备路由器（Router）--网络层设备边表示两台计算机之间的物理连接【信道/载体】边上可有数值标记，表示该物理线路的数据传输速率。分析：结点之间是否联结可达、数据传输是否通畅、是否存在瓶颈结点等。【示例1】用图表达计算机网络为什么要连接和利用网络文档网络是一种有向图结点表示“网页”有向边表示从一个网页到另一个网页的链接每个结点可有一数值标记，表示指向该网页的链接的数量或者指向该网页的有向边的数量。分析：可评估每个网页的重要程度为什么要连接和利用网络【示例2】用图表达文档网络/信息网络ACDBEFGHIGJK合作网络/社交网络是一种无向图一个限定条件下，人与人之间的工作关系。【示例】结点表示科学家。边表示科学家之间联合发表了作品。分析：科学家之间的合作关系、合作程度等。【示例】结点表示具体的人。边表示两个人之间有微信联系。分析：人之间的交际关系为什么要连接和利用网络【示例3】用图表达合作网络/社交网络ACDBEFGHIGJK知识图谱是一种有向图结点表示知识（术语/概念、原理等）。边表示概念之间的联系。为什么要连接和利用网络【示例4】用图表达知识网络-知识图谱节点1:类别C

节点2:类别B节点3:类别A

联系1：类别L联系2：类别K联系3：类别N机器网络信息网络群体互动网络与社会网络未来互联网与网络化社会FromSergioGusmeroli,TXTe-solutionsSPA,Sergio.gusmeroli@为什么要连接和利用网络网络化思维概述?现实社会/自然网络互联网为什么要连接和利用网络未来互联网与网络化社会机器网络信息网络群体互动网络与社会网络未来互联网与网络化社会虚拟现实网络元宇宙机机相联物物相联物人相联人人相联人机物相联FromInternet第11讲网络联结世界-由机器网络到互联网

一、为什么要连接和利用网络二、机器网络之网络通信基础三、机器网络之计算机组网与连接四、TCP/IP协议之概述信源(信息的发送者)载体(传送信息的媒体)或者信道信宿(信息的接收者)编解码器(编码/解码,发送/接收,存储/转发)编解码器(发送/接收,编码/解码,

存储/转发)信源、信宿、信道：信号的编码-发送-传输-接收-解码机器网络之网络通信基础计算机连接与信息传输?载体可以是有线的,也可以是无线载体信源(信息的发送者)信宿(信息的接收者)tttt01011信号的编码，不同符号：不同波形或不同频率机器网络之网络通信基础计算机连接与信息传输?测练题：若要实现如右图所示任意两台计算机之间的通信，是否需要两两之间都有连接线路？不需要。需要。需要有N*(N-1)/2条连接线路AB提交投票最多可选1项网络的不同连接方式被称为网络拓扑每个节点计算机要有转发功能编码-发送接收-解码编码-发送接收-解码编码-发送编码-发送接收-解码接收-解码接收-解码编码-发送机器网络之网络通信基础怎样连接与传输?不同的连接与传输方式有什么问题?机器网络之网络通信基础怎样连接与传输?不同的连接与传输方式有什么问题?按拓扑结构分类星形拓扑总线形拓扑环形拓扑网状拓扑树形拓扑混合拓扑不同的连接，还需要不同的控制规则-即不同的协议不同的结构，有不同的问题测练题：关于网络连接，表述正确的是_________网络协议是控制网络信息传输的一组规则，这组规则是由软件来控制的不同的网络拓扑结构，网络传输性能是一样的网络拓扑除了有必要的网络设备连接外，还需要不同的网络协议才能实现其功能网络可有不同的连接结构，被称为网络拓扑ABCD提交多选题1分P5P4P3P2P1P6i5i4i3i2i1i6iallP2P3P5P1P4P6P1P4P6P2P3P5P2P3P5P5P4P3P2P1P6i5i4i3i2i1i6iallABCDE化整为零和还零为整的机制：分组信息交换待传输的信息化整为零打包-数据包数据包的传输拆包-数据包还零为整待传输的信息机器网络之网络通信基础不同大小的信息如何高效率地利用信道传输?如何更高效率地运用网络连接通道并发、分布、复用、混用P2P1P3i2i1i3iallP2P1P3i2i1i3iallCP1P3AF3F2F1F4j3j2j1j4jallFF3F2F1F4j3j2j1j4jallGP1F1P3F3P1P3F1F3P2F2F4F1F3F2F4P2P2F2F4机器网络之网络通信基础不同大小的信息如何高效率地利用信道传输?什么情况接收?什么情况转发?向哪台计算机转发?信息怎样拆分?怎样打包?怎样选择路径传送?怎样接收?怎样合并?怎样保证信息传送正确性?怎样处理线路拥堵?一般而言，“协议”是为双方能够正确实现信息交换而建立的一套规则、标准或约定。机器网络之网络通信基础如何保证信息传输的正确性--协议?速率即数据率(datarate)或称数据传输速率或比特率(bitrate)单位时间（秒）传输信息（比特）量。计算机网络中最重要的一个性能指标单位：b/s（或bps）、Kb/s、Mb/s、Gb/s。K=103、M=106、G=109网络的“带宽”通常是数字信道所能传送的“最高数据率”，单位：b/s(bps)，衡量网络最高传输速率或网络传输容量、网络传输能力的一个指标时延：衡量网络传输时间和响应时间的一个指标，通常是指数据报文或数据分组等的传输时间。可靠性：即数据传输过程中的正确性。包括数据分组传输的正确性和完整信息传输的正确性等。机器网络之网络通信基础网络的性能化整为零机器A编码-发送机器B接收-解码还零为整(不同的)网络拓扑(不同的)协议带宽时延可靠机器网络之网络通信基础小结?最典型电路交换网络：电话网络电路交换的三个阶段：建立连接（呼叫/电路建立）通信释放连接（拆除电路）独占资源机器网络之网络通信基础【示例】电路交换（circuitswitching）电路交换网络如何共享中继线？ —多路复用（Multiplexing）A1A2B1B2C1C2+()+A1A2B1B2C1C2共享信道复用分用机器网络之网络通信基础【示例】电路交换（circuitswitching）典型多路复用方法:频分多路复用、时分多路复用、波分多路复用、码分多路复用等—请自学之源Rbps目的Rbps报文：源（应用）发送信息整体比如：一个文件报文机器网络之网络通信基础【示例】报文交换（messageswitching）比特率是指单位时间内传送的比特(bit)数，单位为bps:bitpersecond源Rbps目的Rbps报文：源（应用）发送信息整体比如：一个文件机器网络之网络通信基础【示例】报文交换（messageswitching）比特率是指单位时间内传送的比特(bit)数，单位为bps:bitpersecond报文分组：报文分拆出来的一系列相对较小的数据包分组交换需要报文的拆分与重组产生额外开销源Rbps目的Rbps分组报文数据头分组机器网络之网络通信基础【示例】分组交换（packageswitching）分组：报文分拆出来的一系列相对较小的数据包分组交换需要报文的拆分与重组产生额外开销源Rbps目的Rbps数据头分组机器网络之网络通信基础【示例】分组交换（packageswitching）分组分组：报文分拆出来的一系列相对较小的数据包分组交换需要报文的拆分与重组产生额外开销源Rbps目的Rbps数据头分组机器网络之网络通信基础【示例】分组交换（packageswitching）分组分组：报文分拆出来的一系列相对较小的数据包分组交换需要报文的拆分与重组产生额外开销源Rbps目的Rbps数据头分组机器网络之网络通信基础【示例】分组交换（packageswitching）报文报文交换与分组交换均采用存储-转发交换方式区别：报文交换以完整报文进行“存储-转发”分组交换以较小的分组进行“存储-转发”哪种交换更好呢？源Rbps目的123L

bits/分组Rbps机器网络之网络通信基础存储-转发（store-and-forward）？发送主机:接收应用报文（消息）拆分为较小长度为

Lbits的分组（packets）在传输速率为R的链路上传输分组R:链路传输速率（bps）主机12两个分组,L

bits/分组分组传输延迟（时延）（delay）L(bits)R(bits/sec)=机器网络之网络通信基础分组交换:传输延迟（时延）测练题：参看图。报文交换时间是10秒，分组交换时间是5002ms报文交换时间是10秒，分组交换时间是5000ms报文交换时间是15秒，分组交换时间是5002ms

报文交换时间是5秒，分组交换时间是5000ms

ABCD提交已知报文长度为M=7.5Mbits；链路带宽为R=1.5Mbps；每次传输报文需要M/R秒；报文被拆分为多个分组，分组长度为L=1500bits；每个分组传输时延为L/R秒。问将报文以报文交换方式和分组交换方式，从源计算机传输到目的计算机所需要的时间分别是多少______。RRRM单选题1分时间（s）RRR05M/R=7.5/1.5=5M机器网络之网络通信基础【报文交换】传输计算示例例:M=7.5Mbits，L=1500bitsM=5000LR=1.5Mbps时间（s）RRR0510M/R=7.5/1.5=5M机器网络之网络通信基础【报文交换】传输计算示例例:M=7.5Mbits，L=1500bitsM=5000LR=1.5Mbps时间（s）RRR051015M/R=7.5/1.5=5M机器网络之网络通信基础【报文交换】传输计算示例例:M=7.5Mbits，L=1500bitsM=5000LR=1.5Mbps报文交换:报文交付时间=15s时间（ms）RRR01L/R=1500/(1.5×106)=11机器网络之网络通信基础【分组交换】传输计算示例例:M=7.5Mbits，L=1500bitsM=5000LR=1.5Mbps时间（ms）RRR01L/R=1500/(1.5×106)=1212机器网络之网络通信基础【分组交换】传输计算示例例:M=7.5Mbits，L=1500bitsM=5000LR=1.5Mbps时间（ms）RRR01L/R=1500/(1.5×106)=132231机器网络之网络通信基础【分组交换】传输计算示例例:M=7.5Mbits，L=1500bitsM=5000LR=1.5Mbps时间（ms）RRR01L/R=1500/(1.5×106)=12349995000499949985000≈机器网络之网络通信基础【分组交换】传输计算示例例:M=7.5Mbits，L=1500bitsM=5000LR=1.5Mbps时间（ms）RRR01L/R=1500/(1.5×106)=1234999500049995000≈5001机器网络之网络通信基础【分组交换】传输计算示例例:M=7.5Mbits，L=1500bitsM=5000LR=1.5Mbps时间（ms）RRR01L/R=1500/(1.5×106)=123499950005000≈50015002M例:M=7.5Mbits，L=1500bitsM=5000LR=1.5Mbps分组交换:报文交付时间=5002ms

=5.002sec机器网络之网络通信基础【分组交换】传输计算示例第11讲网络联结世界-由机器网络到互联网

一、为什么要连接和利用网络二、机器网络之网络通信基础三、机器网络之计算机组网与连接四、TCP/IP协议之概述计算机计算机网卡网卡电缆简单局域网：计算机+网卡

+电缆网卡：进行网络数据物理传输的设备--编码-发送-接收-解码-转发，负责处理网络上数据发送和接收的细节本质上是执行某种协议的“编解码器”不同设备类型、不同网络结构、不同传输性能、不同传输媒介要求有不同的网卡目前，很多的网卡已被集成到计算机内部的主板上，成为标配机器网络之计算机组网与连接I--局域网与广域网近距离的两台计算机如何连网?双绞线(TwistedPair)屏蔽双绞线(STP电缆：ShieldedTwistedPair)非屏蔽双绞线(UTP电缆:UnshieldedTwistedPair)电缆线中的双绞线网卡RJ45连接器近距离的两台计算机如何连网?机器网络之计算机组网与连接I--局域网与广域网连接器连接器简单局域网：计算机+网卡

+电缆+连接器/集线器近距离的多台计算机如何连网?机器网络之计算机组网与连接I--局域网与广域网电源开关连接和/或通信LED管理控制台端口(可选)上行连接端口主干端口数据端口通风扇集线器(Hub)：简单情况--多端口连接器，复杂情况具有处理数据、监视数据传输、过滤数据、提供故障排除信息等能力。本质上是执行某种协议的“编解码器”。可以利用集线器将更多的计算机连成一个较大的局域网。简单局域网：计算机+网卡

+电缆+连接器/集线器近距离的多台计算机如何连网?机器网络之计算机组网与连接I--局域网与广域网多台计算机的局域网络结构:广播网络广播网络:

网络上所有计算机共享唯一的一条通信信道。环形网络：连接方式如下左图。总线网络：连接方式如下右图。Ethernet近距离的多台计算机如何连网?机器网络之计算机组网与连接I--局域网与广域网IBMCompatibleIBMCompatibleIBMCompatibleWorkstationMacIILaptopcomputerIBMlaserprinterMacClassic多台计算机的局域网络结构:点对点网络点对点网络:一条通信信道只连接网络上的两台机器。星形网络：连接方式如下左图。树型网络：连接方式如下右图。近距离的多台计算机如何连网?机器网络之计算机组网与连接I--局域网与广域网基于服务器的局域网：Client/Server服务器是集中管理网络共享资源(硬、软件及信息)、提供网络通信及各种网络服务的计算机系统，服务器一般运行网络操作系统，建立客户机之间的通信联系。客户机是网络上的个人计算机，一般称为工作站，工作站之间交流信息要通过网络的服务器来进行。服务器可按功能进行设置，如设置文件服务器、邮件服务器、打印服务器等。近距离的多台计算机如何连网?机器网络之计算机组网与连接I--局域网与广域网公共电话系统调制解调器调制解调器电话电话计算机(单位)计算机(家庭)简单广域网：计算机+调制解调器

+公共电话线远距离的两台计算机如何连网?机器网络之计算机组网与连接I--局域网与广域网调制解调器(Modem)：数字信号调制成模拟信号，模拟信解调变成数字信号。调制(Modulation)是将数字信号变换成适合于模拟信道传输的模拟信号。解调(Demodulation)是将从模拟信道上取得的模拟信号还原成数字信号。tttt01011远距离的两台计算机如何连网?机器网络之计算机组网与连接I--局域网与广域网广域网：计算机+调制解调器+公共电话系统+交换设备交换设备，又称节点计算机，是一种特殊的计算机，用于连接两条或更多传输线，当数据从输入线到达时，交换单元必须为它选择一条输出线以传递它们。远距离的多台计算机如何连网?机器网络之计算机组网与连接I--局域网与广域网多台计算机的广域网结构也可组织成星形、树形、环形和总线形等。广域网利用的信道是公共信道，而局域网利用的信道则是专用信道。EthernetIBMCompatibleIBMCompatibleIBMCompatibleLaptopcomputerWorkstationIBMCompatibleIBMCompatibleIBMCompatibleWorkstationMacIILaptopcomputerIBMlaserprinterMacClassic远距离的多台计算机如何连网?机器网络之计算机组网与连接I--局域网与广域网如何组建网络计算机网络:是以共享资源(硬件、软件和数据)为目的，利用某种传输媒介，将不同地点的独立自治计算机系统或外部设备连接起来所形成的系统。局域网(LocalAreaNetwork/LAN)：有限距离内的高速连接网络。

广域网(WideAreaNetwork/WAN)：利用公共通信线路连接成的网络。局域网广域网机器网络网卡、连接器、集线器、交换机小结机器网络之计算机组网与连接I--局域网与广域网局域网通常可划分为以太网(Ethernet)令牌环网(TokenRing)令牌总线网(TokenBus)广域网通常可划分为公用电话网(PSTN：PublicSwitchedTelephoneNetwork)：分组交换方式传输数据DDN专线(DigitalDataNetwork)：专用数据线路、半固定连接或永久固定连接综合业务数字网(ISDN：IntegratedServiceDigitalNetwork)：话音、图像、视频的统一传输高速综合业务数字网(宽带网，如ADSL：AsymmetricDigitalSubscriberLine)：采用频分复用技术把普通的电话线分成了电话、上行和下行三个相对独立的信道，进行信息传输。无线网络：无线局域网、无线广域网有线/无线电话网、广播电视网、计算机网三网合一机器网络之计算机组网与连接II-互联网与国际互联网网络的类型划分是怎样的?无线广域网1G网络：主要提供一般的语音通话服务；2G网络：有GSM和CDMA2000，数字语音通话网络，主要承载语音或低速通信服务；

2.5G网络，语音为主兼顾数据的通话网络；3G网络：有CDMA2000，WCDMA，TD-SCDMA等，数字语音和数据网络，能够处理图像、音乐、视频流等多种媒体形式，提供包括网页浏览、电话会议、电子商务等多种信息的网络服务；4G网络：有LTE、HSPA+和WiMax等，能够以100Mbps的速度下载，上传的速度也能达到20Mbps，预期能满足几乎所有用户对无线服务的需求。5G网络/6G网络

无限局域网：WiFi技术、蓝牙技术无线网络?机器网络之计算机组网与连接II-互联网与国际互联网网络与网络的连接互联网互联网：局域网/广域网+路由器网络之间如何连接?机器网络之计算机组网与连接II-互联网与国际互联网路由器：一种多端口设备，它可以连接不同传输速率并运行于各种环境中的局域网和广域网，还能选择出网络两节点间的最近、最快的传输途径。路由器可以认为是一种特殊的计算机，有自己的CPU、内存、电源以及为各种不同类型的网络连接器而准备的输入输出插座等。本质上也是一种复杂的编解码设备。通过路由器的连接可以将不同的网络连接起来。网络之间如何连接?机器网络之计算机组网与连接II-互联网与国际互联网因特网最大的互联网，最大的局域网/广域网的集合；由路由器连接，运行TCP/IP协议国际互联网组织ISP：InternetServiceProvider如何接入Internet?因特网是什么?机器网络之计算机组网与连接II-互联网与国际互联网接入Internet?Internet防火墙组织的服务器长话/市话Modem(家庭)计算机ISP：InternetServiceProvider个人计算机Modem个人计算机长话/市话因特网是什么?机器网络之计算机组网与连接II-互联网与国际互联网测练题：请问广域网是一种什么网络________?通过专用互联设备连接在一起的若干个网络的集合是世界最大的互联网及其组织的代名称，是由广域网连接的局域网的最大集合利用公共通信线路连接成的网络有限距离内基于专用线路实现高速连接的网络ABCD提交单选题1分测练题：请问因特网是一种什么网络________?通过专用互联设备连接在一起的若干个网络的集合是世界最大的互联网及其组织的代名称，是由广域网连接的局域网的最大集合利用公共通信线路连接成的网络有限距离内基于专用线路实现高速连接的网络ABCD提交单选题1分如何组建网络计算机网络:是以共享资源(硬件、软件和数据)为目的，利用某种传输媒介，将不同地点的独立自治计算机系统或外部设备连接起来所形成的系统。局域网(LocalAreaNetwork/LAN)：有限距离内的高速连接网络。

广域网(WideAreaNetwork/WAN)：利用公共通信线路连接成的网络。互联网(internet)：通过专用互联设备连接在一起的若干个网络的集合。因特网(Internet)：国际互联网，是世界最大的互联网及其组织的代名称，是由广域网连接的局域网的最大集合。局域网广域网互联网Internet机器网络信息网络小结：网络的类型划分是怎样的?机器网络之计算机组网与连接II-互联网与国际互联网第11讲网络联结世界-由机器网络到互联网

一、为什么要连接和利用网络二、机器网络之网络通信基础三、机器网络之计算机组网与连接四、网络协议与TCP/IP协议分层制定协议化复杂为简单的重要思想用中文表达的信息用英文表达的信息物理信号法国的建筑专家认识层用法文表达的信息语言表达层用英文表达的信息共同语言表达层物理信号信号传输层中国的建筑专家用0/1表达的信息用0/1表达的信息0/1编码层网络协议与TCP/IP协议怎样利用协议解决复杂问题?网络协议:

为网络中各节点和计算机之间的数据交换而建立的规则、标准或约定即称为网络协议。协议的三要素：语法：数据与控制信息的结构或格式(做什么)语义：即需要发出何种控制信息，完成何种动作以及作出何种应答(如何做)同步：即事件实现顺序的详细说明(实现顺序)应用层传输层网络层数据链路层物理层应用层传输层网络层数据链路层物理层硬件实现组织成标准的传输数据串(帧)解析信息传输的源和目的地址机电信号的传输与控制常见网络协议:OSI七层网络协议(族)、TCP/IP协议(族)、NetBEUI协议(族)、IPX/SPX协议(族)……网络协议与TCP/IP协议网络协议

10101010101011111110000000101010PHA-PDUTHS-PDUSHP-PDUNHT-PDUDHDTN-PDUNetwork用户数据PHSHTHNHDHDT10101010101011111110000000101010A-PDUS-PDUP-PDUT-PDUN-PDUAH

用户数据AH主机A主机B7654321应用层表示层会话层传输层网络层数据链路层物理层7654321应用层表示层会话层传输层网络层数据链路层物理层网络用户数据用户数据用户数据网络协议与TCP/IP协议OSI参考模型数据封装与通信过程HTTPSMTPDNSRTPTCPUDPIP网际层网络接口层运输层应用层………网络接口

1网络接口

2网络接口

3EverythingoverIPIP可为各式各样的应用程序提供服务IPoverEverythingIP可应用到各式各样的网络上网络协议与TCP/IP协议TCP/IP参考模型IP：InternetProtocal。IPv4和IPv6IP地址是由ISP组织分配给连接在Internet上每一台主机的一个32位地址，可用4个字节的十进制来表示。IPv4网络号(NetID)–高位比特主机号(HostID)–低位比特网络号和主机号有不同的划分方案IPv6由128位地址构成，可识别2128个设备。IP地址网络协议与TCP/IP协议什么是IP地址?Internet域名系统(DNS)Internet上以符号命名的计算机，与IP地址有一一对应关系，由域名服务器负责转换，域名服务器分布于世界各地，管理各自范畴的网络。域名与域名解析-与IP地址的映射网络协议与TCP/IP协议Internet域名?综合

OSI和

TCP/IP

的优点应用层:

支持各种网络应用FTP,SMTP,HTTP传输层:

进程-进程的数据传输TCP,UDP网络层:

源主机到目的主机的数据分组路由与转发IP协议、路由协议等链路层:

相邻网络元素（主机、交换机、路由器等）的数据传输以太网（Ethernet）、802.11(WiFi)、PPP物理层:比特传输应用层传输层网络层数据链路层物理层网络协议与TCP/IP协议5层参考模型源主机应用层传输层网络层链路层物理层HtHnM段(segment)Ht数据报(datagram)目的主机应用层传输层网络层链路层物理层HtHnMHtMM网络层链路层物理层链路层物理层HtHnHlMHtHnMHtHnHlM路由器（router）交换机（switch）报文(message)MHtMHn帧(frame)网络协议与TCP/IP协议5层参考模型的数据封装信件内容被信封封装，来自于不同发件人分拣-再聚集：收件邮局相同的信件去向不同邮路大邮包邮包：发件邮局A-邮路接收站点B1中转邮路相同的邮包可能经多次中转聚集点：聚集来自不同发件人信件信件：发件人&收件人邮包：发件邮局A&收件邮局B邮包：邮路发出站点B1-邮路接收站点B邮路中转站点B1发件邮局A邮包：收件邮局B收件邮局B信件：发件人&收件人邮包：发件邮局A&收件邮局B包装：收件邮局相同的邮包分送点：分送发给不同收件人信件分拣-再聚集：分送点相同的邮包拆包：收件邮局相同的邮包不同邮路发来的邮包聚集点&发送点聚集点&发送点运输发送接收运输发送接收网络协议与TCP/IP协议【类比理解】生活中的邮政网络是如何运作的呢?信件内容被信封封装，来自于不同发件人分拣-再聚集：收件邮局相同的信件去向不同邮路大邮包邮包：发件邮局A-邮路接收站点B1中转邮路相同的邮包可能经多次中转聚集点：聚集来自不同发件人信件信件：发件人&收件人邮包：发件邮局A&收件邮局B邮包：邮路发出站点B1-邮路接收站点B邮路中转站点B1发件邮局A邮包：收件邮局B收件邮局B信件：发件人&收件人邮包：发件邮局A&收件邮局B包装：收件邮局相同的邮包分送点：分送发给不同收件人信件分拣-再聚集：分送点相同的邮包拆包：收件邮局相同的邮包不同邮路发来的邮包聚集点&发送点聚集点&发送点运输发送接收运输发送接收网络协议与TCP/IP协议【类比理解】生活中的邮政网络是如何运作的呢?发件人信件—收发件人详细地址收发件邮局(邮政编码)聚集点邮包—相同收件邮局的信件聚集收发件邮局(邮政编码)邮局邮路邮包—运输路线中相同方向目的地邮局的邮包聚集发送站点-接收站点发送站点接收站点发送站点接收站点分送点邮局收件人交通运输交通运输邮政网络Internet发件人&收件人发送者&接收者聚集点&发送点端口号发送邮局&接收邮局发送IP&接收IP邮路发送或接收站点链路层地址,即MAC地址(物理地址)发件人聚集点邮局发送站点交通运输应用层传输层IP层/网络层链路层物理网络协议与TCP/IP协议由生活中的邮政网络到计算机网络?如何组建网络网络协议网络协议与TCP/IP协议机器网络之总结

机器网络信息网络群体互动网络与社会网络未来互联网与网络化社会通讯与联网局域网广域网互联网国际互联网通讯基础、网络拓扑、分组信息交换、协议、网络分类网卡、连接器、集线器、交换机、路由器执行协议的编解码器组织体系：ISPTCP/IP协议：应用层、传输层、【网络层-链路层-物理层】(路由器)网络协议与TCP/IP协议机器网络之总结

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应用层物理层数据链路层网络层传输层应用层主机A主机B路由器传输介质传输介质协议协议协议协议协议协议协议物理层数据链路层交换机协议协议协议传输介质网络协议与TCP/IP协议物理连接vs功能层次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应用层物理层数据链路层网络层传输层应用层主机A主机B路由器传输介质传输介质协议协议协议协议协议协议协议物理层数据链路层交换机协议协议协议传输介质端-端层（End-End）互联网络网络协议与TCP/IP协议物理连接vs功能层次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应用层物理层数据链路层网络层传输层应用层主机A主机B路由器传输介质传输介质协议协议协议协议协议协议协议物理层数据链路层交换机协议协议协议传输介质网络协议与TCP/IP协议物理连接vs功能层次测练题：关于“协议”，表述正确的是_________网络协议一般都设计为分层结构，上层调用下层提供的服务完成本层功能，下层为上层提供基本的服务网络中的计算机，既有按照协议进行编码的功能，也由按照协议进行解码的功能协议只能由软件实现，而不能由硬件实现协议是为网络中各节点和计算机之间的数据交换而建立的规则、标准或约定ABCD提交多选题1分测练题：关于“TCP/IP协议”，上下层关系自上而下表述正确的是_________应用层协议

链路层协议IP层协议

传输层协议

物理层协议应用层协议

传输层协议

IP层协议

物理层协议

链路层协议应用层协议

传输层协议IP层协议

链路层协议

物理层协议应用层协议

传输层协议

链路层协议IP层协议

物理层协议ABCD提交单选题1分测练题：关于IP地址，表述正确的是_________IPv6是一128位的地址，可唯一识别2128个地址，因此其不仅可编址计算机，也可编址各种可联网的物体，是物联网广泛使用的地址能够解析IP地址的网络设备被称为路由器IPv4是一32位的地址，由网络号和主机号两部分构成IP地址，是网络唯一识别一台计算机的地址ABCD提交多选题1分测练题：关于因特网的三个重要特征，表述正确的是_________IP地址、域名解析和各种协议广域网、局域网和互联网ISP组织、路由器和TCP/IP协议传输层协议、IP层协议和链路层协议ABCD提交单选题1分第11讲网络联结世界-由机器网络到互联网【自学与拓展】哈尔滨工业大学计算学部教学委员会主任国家教学名师战德dechen@第11讲网络联结世界-由机器网络到互联网【自学与拓展】一、TCP/IP协议二、TCP/IP协议之IP层协议三、TCP/IP协议之应用层协议四、TCP/IP协议之传输层协议五、TCP/IP协议之物理层协议六、TCP/IP协议之链路层协议七、TCP/IP协议总结TCP/IP协议InternetTCP/IP协议为什么需要TCP/IP协议?邮政网络Internet发件人&收件人发送者&接收者聚集点&发送点端口号发送邮局&接收邮局发送IP&接收IP邮路发送或接收站点链路层地址,即MAC地址(物理地址)发件人聚集点邮局发送站点交通运输应用层传输层IP层/网络层链路层物理TCP/IP协议对比生活中的邮政网络，理解计算机网络邮政网络Internet发件人&收件人发送者&接收者聚集点&发送点端口号发送邮局&接收邮局发送IP&接收IP邮路发送或接收站点链路层地址,即MAC地址(物理地址)发件人聚集点邮局发送站点交通运输应用层传输层IP层/网络层链路层物理关注点：每一层完成什么工作?怎样识别完成该工作的具体资源

具体的设备-具体的计算机-具体的软件每一层是怎么完成的?又是怎样保证工作的正确性和完成时间的?TCP/IP协议对比生活中的邮政网络，理解计算机网络第11讲网络联结世界-由机器网络到互联网【自学与拓展】一、TCP/IP协议二、TCP/IP协议之IP层协议三、TCP/IP协议之应用层协议四、TCP/IP协议之传输层协议五、TCP/IP协议之物理层协议六、TCP/IP协议之链路层协议七、TCP/IP协议总结P5P4P3P2P1P6i5i4i3i2i1i6iallP2P3P5P1P4P6P1P4P6P2P3P5P2P3P5P5P4P3P2P1P6i5i4i3i2i1i6iall待传输的信息化整为零打包-数据包拆包-数据包还零为整待传输的信息ABCDE数据包的传输P1P1问题：如何识别网络中的计算机?如何为数据包确定一个传输路径—路由?TCP/IP协议之IP层协议回顾：信息传输的基本思想及IP层拟解决的问题IPTCP/IP协议之网络层(IP层)对应收发邮局层以“数据分组/数据包”为基本传输单位,依据IP地址和路由选择将数据包由起始IP地址发往目的地IP地址

两大功能：网络中计算机或主机的唯一可识别地址:IP地址路由选择--选择数据包传输路径中的每一中转设备或计算机，即确定其IP地址TCP/IP协议之IP层协议TCP/IP协议的IP层起什么作用?IP：InternetProtocal。IPv4和IPv6IP地址是由ISP组织分配给连接在Internet上每一台主机的一个32位地址，可用4个字节的十进制来表示。IPv4IPv6由128位地址构成，可识别2128个设备。IP地址TCP/IP协议之IP层协议什么是IP地址?N-PDUNHT-PDU网络层分组去往数据链路层来自传输层N-PDUNHT-PDU网络层分组来自数据链路层去往传输层负责源主机到目的主机数据分组（packet）传输可能穿越多个网络逻辑寻址（Logicaladdressing）

全局唯一逻辑地址，确保数据分组被送达目的主机，如IP地址路由（Routing）路由器（或网关）互连网络，并路由分组至最终目的主机TCP/IP协议之IP层协议网络层功能从发送主机向接收主机传送数据段（segment）发送主机：将数据段封装到数据报（datagram）中接收主机：向传输层交付数据段（segment）主机和路由器都运行网络层协议路由器检验所有穿越它的IP数据报的头部域决策如何处理IP数据报applicationtransportnetworkdatalinkphysicalapplicationtransportnetworkdatalinkphysicalnetworkdatalinkphysicalnetworkdatalinkphysicalnetworkdatalinkphysicalnetworkdatalinkphysicalnetworkdatalinkphysicalnetworkdatalinkphysicalnetworkdatalinkphysicalnetworkdatalinkphysicalnetworkdatalinkphysicalnetworkdatalinkphysicalnetworkdatalinkphysicalTCP/IP协议之IP层协议网络层功能传输层:TCP,UDP链路层物理层转发表(路由表)主机、路由器网络层主要功能：路由协议

路径选择RIP,OSPF,BGPIP协议

寻址规约(IP地址)

数据报(分组)格式

分组处理规约ICMP协议

差错报告

路由器“信令”网络层TCP/IP协议之IP层协议Internet网络层1230111地址转发(forwarding):将分组从路由器的输入端口转移到合适的输出端口路由(routing):确定分组从源到目的经过的路径路由算法转发表地址输出链路01000101011110013221路由算法(routingalgorithm)路由算法(协议)确定通过网络的端到端路径转发表确定在本路由器如何转发分组TCP/IP协议之IP层协议网络层核心功能—转发与路由TCP/IP协议之IP层协议网络层核心功能—转发与路由IP地址:

32比特(IPv4)编号标识主机、路由器的接口IPv6地址为128位IP地址与每个接口关联怎样为接口分配IP地址呢？110111110000000100000001000000012231117=TCP/IP协议之IP层协议IP编址(addressing)223.1.1.1223.1.1.3223.1.1.4223.1.2.9223.1.3.2223.1.3.1223.1.1.2223.1.3.27223.1.2.2223.1.2.1IP地址:

网络号(NetID)–高位比特主机号(HostID)–低位比特IP子网：IP地址具有相同网络号的设备接口不跨越路由器（第三及以上层网络设备）可以彼此物理联通的接口subnet/24/24/24TCP/IP协议之IP层协议IP子网（Subnets）子网地址：

32位IP地址取值：NetID位特定值，HostID位全取0例如：子网掩码：

32位IP地址形式取值：NetID位全取1，HostID位全取0例如：高8位为网络号的子网的子网掩码为：高16位为网络号的子网的子网掩码为：高24位为网络号的子网的子网掩码为：高27位为网络号的子网的子网掩码为：24一个子网的准确表达：,子网地址+子网掩码→准确确定子网大小TCP/IP协议之IP层协议如何表达一个IP子网?无类地址形式NetID→网络前缀(Prefix)，可以任意长度融合子网地址与子网掩码无类地址格式：a.b.c.d/x，其中x为前缀长度例如：子网4，92→4/2611001000000101110001000000000000PrefixHostID/23TCP/IP协议之IP层协议如何表达一个IP子网?R2L028/2624/27L054E2E3DNS服务器L1E400-22-22-22-22-b100-22-22-22-22-b300-22-22-22-22-b4S200-22-22-22-22-b5R1E026/25S1互联网123400-22-22-22-22-b6S3H2H3H4H5H6H1局域网4：/2500-11-11-11-11-a2E192/27E1TCP/IP协议之IP层协议如何表达路由目的网络子网掩码下一跳（IP地址）接口2892—E19224—E22424—E328—E428L05455L0L0R1的路由表TCP/IP协议之IP层协议如何表达路由目的网络下一跳（IP地址）接口28/26—E192/27—E224/27—E3/25—E4/25L054/32L0/0L0TCP/IP协议之IP层协议如何表达路由R1的路由表Internet域名系统(DNS)Internet上以符号命名的计算机，与IP地址有一一对应关系，由域名服务器负责转换，域名服务器分布于世界各地，管理各自范畴的网络。域名与域名解析-与IP地址的映射TCP/IP协议之IP层协议Internet域名?FTP.HIT.EDU.CNCNEDUHITBBSWWWFTP顶级域COMORGGOV计算机组织BBS.HIT.EDU.CNWWW.HIT.EDU.CNTsingHuaNIKE(CN:中国)(EDU:中国教育科研网)(HIT:哈工大校园网)Internet基本的域名结构TCP/IP协议之IP层协议Internet域名?问题：如何识别网络中的计算机?如何为数据包确定一个传输路径—路由?IP层协议：(1)IP地址(2)域名(3)路由选择(4)一个数据包的传输IP数据包数据包TCP/IP协议之IP层协议小结第11讲网络联结世界-由机器网络到互联网【自学与拓展】一、TCP/IP协议二、TCP/IP协议之IP层协议三、TCP/IP协议之应用层协议四、TCP/IP协议之传输层协议五、TCP/IP协议之物理层协议六、TCP/IP协议之链路层协议七、TCP/IP协议总结数据包的传输P5P4P3P2P1P6i5i4i3i2i1i6P2P3P5P1P4P6P1P4P6P2P3P5P2P3P5P5P4P3P2P1P6i5i4i3i2i1i6化整为零打包-数据包拆包-数据包还零为整ABCDEialliall一台计算机上有很多资源(文件和程序)，网络如何区分?不同类型的资源需要不同的处理程序按不同方式进行处理待传输的信息待传输的信息TCP/IP协议之应用层协议回顾：信息传输的基本思想及应用层拟解决的问题应用层TCP/IP协议之应用层对应发件人/收件人层由收发件人决定传输的数据类型，管理收发的数据两大功能：计算机中各种资源的定位:URL统一资源定位地址（基于Web的应用使用URL）面向用户的不同需求，提供不同的服务,如电子邮件、文件传输、远程控制访问等TCP/IP协议之应用层协议TCP/IP协议的应用层起什么作用?InternetFtp服务器用户上载下载文件文件FTP：FileTransferProtocol，Internet上进行文件的双向传输控制。它是一个应用程序(Application)，用户可以通过它把自己的计算机与世界各地所有运行FTP协议的服务器相连，访问服务器上的大量程序和信息。应用层服务：文件传输FTPTCP/IP协议之应用层协议应用层不同的服务协议?Telnet：TelecommunicationNetworkProtocol，远程通信网络协议，Internet提供的进行远程登录访问的一种服务，使用Telnet可以登入到远程服务器上进行工作和信息处理。应用层服务：远程登录TelnetTCP/IP协议之应用层协议应用层不同的服务协议?E-mail是Internet提供的实现相互传送和接收信件的网络通信。用户电子邮箱@邮箱所在计算机(E-mail服务器)Zhangsan@Internet电子邮件服务器电子邮件服务器接收方/发送方(Lisi)发送方/接收方(Zhangsan)信箱信箱Zhangsan@Lisi@163.无数台路由器被连接在一起应用层服务：电子邮件服务EmailTCP/IP协议之应用层协议应用层不同的服务协议?WorldWideWeb，W3或Web，环球信息网，或称万维网,是当今最流行的Internet服务。WWW通过超文本(Hypertext)技术将不同计算机上的不同类别文档和程序链接起来(网页与超文本)，形成一个大规模、在线式的分布式信息和资源的储藏库。WWW基于一组公用协议(Http协议)，允许特殊配置的服务器在Internet上传送各种网页。应用层服务：万维网服务WWWTCP/IP协议之应用层协议应用层不同的服务协议?URLvs.IP地址===

资源(文件或程序)地址

vs.机器地址网址与URL：各类文件或程序的统一地址URL(UniversalResourceLocator，统一资源定位器)。URL的三部分：协议、欲访问机器的IP地址或域名、在该机器下的目录及文件名。网页中的超文本链接是一种可点击的URL。Protocol://host.domain.first-level-domain/path/filename.ext协议://主机名.域名.第一层域名/路径/文件名.扩展名Protocol://host.domain.first-level-domain协议://主机名.域名.第一层域名TCP/IP协议之应用层协议URL--统一资源定位地址Protocol://host.domain.first-level-domain协议://主机名.域名.第一层域名Http://WWW./Http:///例如：哈尔滨工业大学的主页(homepage）的URL哈尔滨工业大学的文件服务器的URLFtp:///URLvs.IP地址===

资源(文件或程序)地址

vs.机器地址TCP/IP协议之应用层协议URL--统一资源定位地址应用层URL提供不同的服务协议FTPE-mailWWWTelnetTCP/IP协议之应用层协议小结第11讲网络联结世界-由机器网络到互联网【自学与拓展】一、TCP/IP协议二、TCP/IP协议之IP层协议三、TCP/IP协议之应用层协议四、TCP/IP协议之传输层协议五、TCP/IP协议之物理层协议六、TCP/IP协议之链路层协议七、TCP/IP协议总结数据包的传输P2P3P5P1P4P6P1P4P6P2P3P5P2P3P5ABCDE待传输的信息待传输的信息ialliall化整为零打包-数据包P5P4P3P2P1P6i5i4i3i2i1i6拆包-数据包还零为整P5P4P3P2P1P6i5i4i3i2i1i6打包/拆包的问题?化整为零与还零为整的问题?一个信息的所有包的正确性传输?TCP/IP协议之传输层协议回顾：信息传输的基本思想及传输层拟解决的问题传输层TCP/IP协议之传输层对应聚集点/分送点层将“数据”拆分成“数据分组”或“数据包”，调用IP层发送或接收数据分组或数据包，再将其还原成“数据”

基本功能：多路复用和解多路复用拥塞控制流量控制差错控制典型协议：用户数据包协议(UDP)传输控制协议(TCP)TCP/IP协议之传输层协议TCP/IP协议的传输层起什么作用?T-PDUA-PDU传输层去往网络层来自应用层THTHTHT-PDUT-PDUT-PDUA-PDU传输层来自网络层去往应用层THTHTHT-PDUT-PDU报文段（segments）报文段（segments）负责源-目的（端-端）进程间完整报文传输进程寻址，如端口号分段与重组服用与分解（Multiplexing/De-multiplexing）TCP/IP协议之传输层协议传输层功能：端-端通信TCP/IP协议之传输层协议传输层功能：端-端通信Why？如果某层的一个协议对应直接上层的多个协议/实体，则需要复用/分用applicationtransportnetworklinkphysicalP1applicationtransportnetworklinkphysicalapplicationtransportnetworklinkphysicalP2P3P4P1host1host2host3=process=套接字接口传输层依据报文段头部的端口号将收到的报文段封装的应用层数据交给正确的进程接收端进行多路分用:传输层从多个进程接收数据，为每数据封装上头部信息，包含源和目的端口号，生成报文段，交给网络层发送端进行多路复用:TCP/IP协议之传输层协议传输层功能：多路复用/多路分解UDP协议基于IP协议复用/分用简单差错校验“尽力”服务，UDP报文段可能丢失非按序到达无连接UDP发送方和接收方之间不需要握手每个UDP段的处理独立于其他段TCP协议点对点全双工(full-duplex)面向连接通信双方在发送数据之前必须建立连接可靠、有序字节流传输服务流量控制拥塞控制TCP/IP协议之传输层协议Internet传输层：端-端通信分拣-再聚集：收件邮局相同的信件去向不同邮路大邮包邮包：发件邮局A-邮路接收站点B1中转邮路相同的邮包可能经多次中转聚集点：聚集来自不同发件人信件信件：发件人&收件人邮包：发件邮局A&收件邮局B邮包：邮路发出站点B1-邮路接收站点B邮路中转站点B1发件邮局A邮包：收件邮局B收件邮局B信件：发件人&收件人邮包：发件邮局A&收件邮局B包装：收件邮局相同的邮包分送点：分送发给不同收件人信件分拣-再聚集：分送点相同的邮包拆包：收件邮局相同的邮包不同邮路发来的邮包聚集点&发送点聚集点&发送点运输发送接收运输发送接收信件内容被信封封装，来自于不同发件人发件人信件—收发件人详细地址收发件邮局(邮政编码)聚集点邮包—相同收件邮局的信件聚集收发件邮局(邮政编码)邮局邮路邮包—运输路线中相同方向目的地邮局的邮包聚集发送站点-接收站点发送站点接收站点发送站点接收站点分送点邮局收件人交通运输交通运输TCP/IP协议之传输层协议传输层、链路层vs.邮政网络第11讲网络联结世界-由机器网络到互联网【自学与拓展】一、TCP/IP协议二、TCP/IP协议之IP层协议三、TCP/IP协议之应用层协议四、TCP/IP协议之传输层协议五、TCP/IP协议之物理层协议六、TCP/IP协议之链路层协议七、TCP/IP协议总结TCP/IP协议之物理层对应交通运输层基本功能：信号转为电磁信号，通过物理介质进行传播将二进制数据转为电磁信号，并发送；或接收电磁信号，并将电磁信号转为二进制数据物理层TCP/IP协议之物理层协议TCP/IP协议的物理层起什么作用?比特编码/解码

、调制/解调比特同步时钟同步传输模式单工（Simplex）半双工（half-duplex）全双工（full-duplex）1100100111DL-PDU物理层1100100111DL-PDU数据链路层数据链路层物理介质物理层TCP/IP协议之物理层协议物理层功能第11讲网络联结世界-由机器网络到互联网【自学与拓展】一、TCP/IP协议二、TCP/IP协议之IP层协议三、TCP/IP协议之应用层协议四、TCP/IP协议之传输层协议五、TCP/IP协议之物理层协议六、TCP/IP协议之链路层协议七、TCP/IP协议总结链路层TCP/IP协议之链路层对应发送站点/接收站点层将“数据分组”或“数据包”，从一个节点传到另一个节点(计算机或路由器)，直到目的地基本功能：链路节点传输，由一个节点到另一个节点，直到目的地物理地址，MAC(介质访问控制)地址例如：以太网的48位地址07：01：02：11：2C：5BTCP/IP协议之链路层协议TCP/IP协议的链路层起什么作用?DHDTN-PDU数据链路层帧去往物理层来自网络层DHDTN-PDU数据链路层帧来自物理层去往网络层负责结点-结点（node-to-node）数据包（帧）传输物理寻址（Physicaladdressing）

物理地址/MAC地址/局域网地址在帧头中增加发送端和/或接收端的MAC地址标识数据帧的发送端和/或接收端大部分局域网采用48位MAC地址，如：1A-2F-BB-76-09-AD或1A:2F:BB:76:09:AD1010101011110110101010111101TCP/IP协议之链路层协议数据链路层功能局域网中的每块网卡都有一个唯一的MAC地址网络适配器1A-2F-BB-76-09-AD58-23-D7-FA-20-B00C-C4-11-6F-E3-9871-65-F7-2B-08-53LAN(wiredorwireless)TCP/IP协议之链路层协议MAC地址每个主机或路由器接口链路层在“适配器”

(即网络接口卡-NIC)中实现或者在一个芯片上实现以太网网卡，802.11网卡；以太网芯片组实现链路层和物理层链接主机的系统总线由硬件、软件与固件组成控制器物理传输cpumemory主机总线(e.g.,PCI)网络适配卡应用层传输层网络层链路层链路层物理层TCP/IP协议之链路层协议链路层功能的具体实现？发送端：将数据报封装成帧增加差错检测比特，实现可靠数据传输和流量控制等.接收端：检测差错，