（中国地质大学）计算机网络概述

1、计算机网络概述,梁 音 地球信息科学与技术系 地球物理与空间信息学院,课程简介,计算机网络应该是一门偏向应用的课程。 从这个层面上来说，计算机网络更像是一门技术。,课程简介,本课程的目的是课程广度而非深度。我们将集中精力于基本概念和基本原理而避开许多技术细节。 本课程将学习计算机网络和因特网是如何运作的，从最底层的硬件到最高层的应用（层次模型）。,为什么学习此课程？,信息化时代是以网络为核心的。 21世纪的各行各业无时无刻不接触着网络。 资源共享。 3S的技术哪一项能离开网络而独立的生存？（WebGIS, GPS）,课程的考核,平时成绩30 考试成绩70 平时成绩：出勤率课堂交流作业 考试成绩

2、：以卷面考试分数为主,参考书籍,课本：计算机网络（第四版），谢希仁编著，电子工业出版社 参考资料： Computer Networks：A System Approach（3rd Edition），Larry L. Peterson and Bruce S. Davie,概述,计算机网络的概念 计算机网络在信息时代中的作用 计算机网络的发展（重点） 计算机网络的分类 计算机网络的体系结构（重点） 计算机网络的主要性能指标,计算机网络的概念,“网络”与“计算机网络”并非统一概念； 把若干“元件”连接在一起，便构成一个网络。例如：电网络、电话网络、通信网络、交通运输网络、神经网络等等。 计算机网络

3、，是指由通信系统将不同计算机连接在一起，以达到资源共享目的所组成之系统。,计算机网络在信息时代的作用,知识经济的两个重要特点： 信息化 全球化 信息化和全球化根本目的就是资源共享，必须依靠完善的网络。 “三网”：中以计算机网络为核心，并且正在朝着融合的方向发展。,计算机网络的发展,现代计算机网络实际上是20世纪60年代美苏冷战时期的产物； ARPANET（分组交换试验性网络） 电路交换 报文交换 分组交换,计算机网络的发展,电路交换（Circuit Switching） 传统的数据交换模式； 电信网常采用的方式； 一旦有一个交换机或链路被破坏，整个网络就有可能瘫痪； 如果需要重新通话，必须再次

4、拨号建立连接。,计算机网络的发展,电路交换的连接方式：,计算机网络的发展,（b）图的不足： 要将N部电话相连，需要O(N2)条电线； 如果电话机数量太大，需要的电线数量就会很大了。 （c）图的不足： 一旦交换机瘫痪，所有的电话机之间就无法通话了。,计算机网络的发展,电路交换的工作方式： (1)拨号（主叫方）； (2)拨号信令通过许多交换机到达被叫方； (3)被叫方的电话机振铃； (4)被叫方摘机； (5)摘机信令通过许多交换机到达主叫方，呼叫完成。,计算机网络的发展,电路交换的工作方式：,计算机网络的发展,通话完毕挂机后，挂机信令通知在这条链路上的所有交换机，使交换机释放刚才使用的这条物理链路

5、。 建立连接通话释放连接 电路交换是面向连接的； 电路交换又称为面向连接的交换。,计算机网络的发展,对于面向连接的交换，用户线归电话用户专用； 而交换机之间的中继线则是许多用户共享的，即中继线上可以同时跑多个话路； 在通话的全部时间内，通话的两个用户始终占用端到端的固定传输带宽。,计算机网络的发展,电路交换的弊端： 对突发式数据（计算机数据），其线路的传输效率往往很低； 通信线路上的资源在9099的时间里面被白白的浪费了。,计算机网络的发展,解决电路交换弊端的方法： 存储转发技术： 存储（将包放入内存队列中） 转发（将包转发给下一个交换机） 就像击鼓传花一样。,计算机网络的发展,几个基本的概念

6、： 报文(message)：欲发送的整块数据； 分组(包: packet)：因为报文的数据量实在是太大了，于是将报文划分成一个个更小的等长的数据段。 在这些数据段前面加上一些必要的控制信息，这些控制信息称为首部(header)。,计算机网络的发展,计算机网络的发展,分组交换： “首部”是非常重要的，每一个包能否顺利的达到目的地主要是依靠首部。 首部包含诸如目的地址和源地址等重要控制信息。 “包”在网络中的传送可以不必先建立一条连接。,计算机网络的发展,分组交换： 包在网络中的传送主要靠首部进行路由的选择； 这样，就能减少建立连接和释放连接所需要的开销。 分组交换是无连接式的(connectio

7、nless),计算机网络的发展,计算机网络的发展,H1H6是进行通信的计算机，称为主机(host)，他们实际上是进行信息处理的计算机； 交换机AE其实也是计算机，只不过他们的主要任务是存储转发数据包，并且每隔一端时间更新路由表。,计算机网络的发展,在B这个交换机中： BE 被破坏,计算机网络的发展,一个有趣的例子： 一封信涵盖10页等重量的纸张，每一张纸重量是10克； 假设邮局的邮寄标准是：50克以下物品10元，超过50克的每5克收费10元； 假设信封重量是5克。,计算机网络的发展,分组交换的优点： 高效：在分组传输的过程中动态分配传输带宽； 灵活：每个结点均有智能，可根据情况决定路由和对数据

8、做必要的处理； 迅速：以分组为转送单位，在每个结点存储转发，网络使用高速链路 可靠：完善的网络协议，分布式多路由的通讯子网,计算机网络的发展,分组交换的不足： 分组在各结点存储转发因排队，造成一定的延时。信息量过大时延时也可能会很大。 控制信息造成了一定的额外开销。 还需专门的管理和控制机制。,计算机网络的发展,三种交换方式的比较： 若要连续转送大量的数据，电路交换具有传输速率较快的优点； 在传送突发数据时，分组交换比报文交换的延时小，并且他们都不需要预先分配传输带宽。,三种交换的比较,A B C D,A B C D,A B C D,报文交换,电路交换,分组交换,t,计算机网络的分类,从网络的

9、交换功能分类： (1)电路交换； (2)报文交换； (3)分组交换； (4)混合交换； 混合交换是在一个数据网中同时采用电路交换和分组交换。,计算机网络的分类,从网络的作用范围分类： (1)广域网(Wide Area Network)：几十到几千公里 (2)局域网(Local Area Network)：1公里 (3)城域网(Metropolitan Area Network)：550公里 (4)接入网(Access Network)：桥接网。,计算机网络的分类,从网络的使用者分类： (1)公用网(public network)：指国家的电信公司出资建造的大型网络，公众网； (2)专用网(pr

10、ivate network)：某个部门为本单位的特殊业务工作的需要而建造的网络。,计算机网络的分类,计算机网络与分布式计算机系统的区别： 分布式计算机系统的每一台计算机对用户来说都是透明的； 登陆传送程序在另外一台计算机上运行程序。,计算机网络的体系结构,形成过程： ARPANET设计时即提出了分层的思想； 1974年，IBM公司研制出SNA(System Network Architecture)，按照分层制定的。 其他公司相继推出自己的体系结构； 弊端：不同公司的产品很难相互连通。,计算机网络的体系结构,形成过程： 国际化标准组织ISO提出了一个试图使各种计算机在世界范围内互连成网的标准框

11、架； 开放系统互连基本参考模型(OSI 7498国际标准)OSI/RM七层参考模型。,计算机网络的体系结构,形成过程： 虽然很多大公司和国家政府都纷纷支持OSI； 但是Internet抢先一步在全世界范围内覆盖； 所以在市场方面，OSI失败了。,计算机网络的体系结构,OSI失败的原因： (1)没有商业驱动力； (2)协议复杂，运行效率低； (3)标准制定时间太长，使得按OSI标准生产的设备市场化进程太慢； (4)层次划分不合理，有些功能重复出现。,计算机网络的体系结构,可见，我们现在使用最广泛的Internet不是遵循OSI模型的； Internet是一个典型的先有市场，后有标准的产物； TC

12、P/IP协议； 新标准的出现往往以市场为背景。,计算机网络的体系结构,层次划分的必要性： 怎样保证计算机数据能在网路上正确的发送和接受； 网络和计算机如何识别接受的数据； 在网络出现差错和意外事故时，如何保证通信的双方能最终受到正确的文件。,计算机网络的体系结构,要保证有条不紊的交换数据，我们就必需事先约定好一些规则； 比如：所交换数据的格式，通信的双方如何建立连接、所交换数据的同步问题等等； 网络协议（Network Protocol），简称协议。,计算机网络的体系结构,协议的三个主要要素： (1) 语法：数据和控制信息的结构或格式； (2) 语义：需要发出何种控制信息，完成何种动作，做出何

13、种响应。 (3) 同步：事件实现顺序的详细说明。,计算机网络的体系结构,协议通常有两种存在的形式： 文档形式：便于人们阅读和理解的文字描述； 程序描述：让计算机能够理解的程序代码。,计算机网络的体系结构,对于复杂的网络协议，其结构应采用层次式的； 比如：两台计算机进行文件传送。 准备文件：格式转换，文件划分； 确信接受方做好了接受文件的准备； 如何保证文件和控制信息传送的可靠性； 网络硬件接口细节。,计算机网络的体系结构,网络分层的好处： 独立性：下层对上层是透明的； 灵活性：只要层次间的接口不变，一层的改变对其他层次没有任何的影响； 易维护：各层次可以独立实现和调试； 易标准化：各层次的功能

14、和所提供的服务非常精确。,计算机网络的体系结构,每一层的功能应该非常明确； 层次数应该适中； 层数太少会使每一层的协议太复杂； 层数太多又会在描述和综合各层功能的系统任务遇到较多的困难； 层数太多还会造成有些功能在不同的层次中重复出现，产生额外开销。,计算机网络的体系结构,OSI七层体系结构：,计算机网络的体系结构,OSI七层体系结构层数太多，结构复杂，实用性不高； OSI七层体系结构很多层次的功能相互包含，重复出现； TCP/IP体系结构更加的简洁明了。（应用层、传输层、网际层和网络接口层）,计算机网络的体系结构,TCP/IP体系结构,计算机网络的体系结构,(1) 应用层（applicati

15、on layer）：体系结构中的最高层，提供服务和请求服务。Internet的应用层协议主要支持WWW应用的HTTP协议（Hyper-Text Transfer Protocol）、电子邮件的SMTP协议（Simple Mail Transfer Protocol）、文件传送的FTP协议（File Transfer Protocol）。,计算机网络的体系结构,计算机网络的体系结构,(2)运输层（transport layer）：负责主机中两个进程之间的通信； 面向连接的传输控制协议TCP，传送的单位是报文段(segment)； 无连接的用户数据报协议UDP，传送的单位是用户数据报。,计算机网络

16、的体系结构,面向连接的 TCP 无连接的 UDP,计算机网络的体系结构,(3)网络层(network layer)： 负责为分组交换网上的不同主机提供通信； 在发送数据时，网络层将运输层产生的报文段或用户数据报封装成分组或包(IP数据报或IP包)； 选择路由。,计算机网络的体系结构,计算机网络的体系结构,网络接口层： TCP/IP标准并没有定义具体的网络接口协议，而是旨在提供灵活性，以适应各种网络类型； 对应于OSI七层模型中数据链路层(data link layer)和物理层(physical layer),计算机网络的体系结构,数据链路层：将网络层交下来的IP包封装成帧(framing)；

17、 每一帧包括数据和必要的控制信息(同步信息、地址信息，差错控制、流量控制等等)。 物理层：透明地传送比特流。,7 6 5 4 3 2 1,OSI参考模型,TCP/IP概念层次,Ethernet,802.3,802.5,FDDI等等,TCP/IP与OSI参考模型的对应关系,一台计算机要发送数据到另一台计算机，数据首先必须打包，打包的过程成为封装。 封装就是在数据前面加上特定的协议头部。,发送邮件的例子：信装入写有源地址和目的地址的信封中发送，还要写明用航空或挂号。,数 据,数据封装,数据,数据 段 数据包 帧 比特 电脉冲,011101000011000010100101111010110,数据

18、多层封装,计算机网络的体系结构,透明：某一实际存在的事物看起来却好像不存在一样。 实体(entity)：任何可以发送或接受信息的硬件或软件进程。 协议(protocol)：为进行网络中的数据交换(通信)而建立的规则、标准或约定。 协议栈(protocol stack): 某一系统内的各层协议集。,计算机网络的体系结构,对等实体：位于不同系统内同一层次的两个实体。协议作用在对等实体之间。 接口：相邻两层之间交互的界面，定义相邻两层之间的原语操作及上层对下层的服务。 服务:某一层及其以下各层的一种能力，通过接口提供给其相邻上层。,计算机网络的体系结构,在协议的控制下，两个对等实体间的通信使得本层能

19、够向上一层提供服务； 要实现本层的协议，还需要下面一层所提供的服务。 协议是水平的； 服务是垂直的。,计算机网络的体系结构,本层的服务用户只能看见服务，而无法看见下层的协议，下层的协议对上层的服务用户是透明的。 服务访问节点(Service Access Point, SAP)：统一系统中相邻两层实体进行交互的地方； SAP实际上就是一个逻辑接口。(抽象),计算机网络的体系结构,面向连接服务： 连接：两个对等实体为进行通信而进行的一种结合； 建立连接数据传输释放连接 数据是按序传输； 对于零星报文，开销过大。,计算机网络的体系结构,无连接服务(best effort delivery) 两个对

20、等实体之间的通信不需要事先建立连接； 资源在数据传输时动态地进行分配； 不要求两个对等实体同事是活跃的； 灵活、方便、快速，但是服务不可靠。,计算机网络的体系结构,OSI与TCP/IP体系结构的比较： OSI模型过于复杂； TCP/IP考虑了异构网的互连问题； TCP/IP面向连接服务和无连接服务并重； TCP/IP有较好的网络管理功能； TCP/IP没有清晰地区分服务、协议和接口等概念。,计算机网络的主要性能指标,带宽(bandwidth) 时延(delay or latency) 时延带宽积与往返时延,计算机网络的主要性能指标,带宽(bandwidth)： 信号具有的频带宽度； 单位：赫(

21、Hz)； 通信线路的带宽：允许通过的信号的频带范围； 传送数字信号时，将带宽和数字信道所能传送的“最高数据率”等同。,计算机网络的主要性能指标,所以在数字信道的数据率不能采用“赫”为单位； 单位：比特率(bit/s)； 信息量的度量单位：比特(bit)； 每秒传送的比特越多，就说明这条通信信道的数据率越大。,计算机网络的主要性能指标,时延： 一个报文或者是分组从网络的一端传送到另一端所需要的时间； 发送时延 传播时延 处理时延,计算机网络的主要性能指标,发送时延： 结点计算机(主机)在发送数据时使数据块从节点进入到传输媒介所需要的时间； 传输时延； 公式：,计算机网络的主要性能指标,传播时延： 电磁波在信