1-2计算机网络概论2009.ppt

1、2020/8/29,计算机网络A,1,计算机网络 Computer Network 信息科学与技术学院 窦军 Lecture slides by Dou Jun ,西南交通大学,2020/8/29,计算机网络A,2,本章主要内容,1.1 前言 1.1.1 计算机网络课程重要性 1.1.2 计算机网络定义 1.1.3 计算机网络课程学习方法 1.1.4 计算机网络分类 1.2 计算机网络基础概述 1.2.1 计算机网络发展历史回顾三个里程碑 1.2.2 What is next? 1.3 网络体系结构 1.3.1 概念 1.3.2 OSI/RM 1.3.3 TCP/IP体系结构 1.4 网络标准

2、化组织,2020/8/29,计算机网络A,3,1.3 网络体系结构,1.3.1 概念与分析 Architecture (Longman Dictionary of Contemporary English) the art and science of building, including its planning, making, and ornamentation (风格、美化、修饰）：建筑艺术与科学 (包括规划、建造与风格） the style of manner of building ：建筑风格 Network Architecture：网络体系结构 In computing, n

3、etwork architecture is the design of a computer network （计算机网络的构成）,2020/8/29,计算机网络A,4,In telecommunication, the term network architecture has the following meanings: The design principles, physical configuration, functional organization, operational procedures, and data formats used as the bases for

4、 the design, construction, modification, and operation of a communications network. The structure of an existing communications network, including the physical configuration, facilities, operational structure, operational procedures, and the data formats in use.,2020/8/29,计算机网络A,5, 小结：计算机网络体系结构是对计算机

5、网络系统的组成及各组成部分的相互关系与基本工作原理的抽象。 计算机网络是一个是由若干分、子系统组成的复杂的系统。 从计算机计算机网络的概念（第一讲）分析网络体系结构 计算机网络是由多台独立自主的计算机以资源共享为目的互联而成的系统的总称，因而其体系结构必须解决： 多台计算机间交换信息：信息格式（语法）、如何交换（语义）、时序（同步）？ 什么样的网络设备内部结构（组成与相互关系）能达到计算机间的信息交换的目的？ 如何在网络应用之间实现资源共享（资源的定义、发布、寻找、访问与利用）,2020/8/29,计算机网络A,6,计算机网络是个复杂的地理位置分布的系统 简化描述复杂的系统常用的方法是：将系统

6、分解为若干分系统，必要时再进一步将分系统划分为若干子系统，从而使一个复杂系统的研究问题简化为若干个相互关联但更易处理的分、子系统的问题。 在计算机网络系统的研究中，采用了分层结构的概念，即任何计算机网络的设备都是由上下排列的若干层（即分系统）以及层内可能的若干子层（即子系统）组成系统，各层完成部分网络需要的功能，下层为上层提供某种“服务”。 计算机网络分、子系统之间以内、外部事件的触发而实现地理位置分散的网络设备之间的数据/信息的交换,2020/8/29,计算机网络A,7,1.3.2 计算机网络体系结构的参考模型(OSI/RM) OSI/RM提出的背景 (回忆上一讲：第二里程碑）： 多种网络体

7、系结构的不兼容开放互联 讨论、分析和发展网络参考模型 从网络通信实例分析为什么OSI/RM需要所定义的复杂体系结构 实例一：两台相邻的相同计算机在理想环境下互联 两台相邻的相同的微机（最简单情况：相邻（可直连）、相同（硬软件相同，容易直接互访，共享资源） 理想的通信环境：通信误码率为“0”或小到可以忽略 传送数据或文件（简单应用，也是当时最关注的问题）。,2020/8/29,计算机网络A,8,如何实现？ 将PC内数据转换成光或电信号以便传输 需要某种通信介质连接两台PC机，以便传输光/点信号 通信接口实现PC与通信介质间的连接接口 实际上这就是OSI/RM中物理层（Physical Layer

8、）所完成的工作。 物理层的基本功能传输二进制位流（bit stream) 表1.2详细地列出了物理层协议（也常称为物理接口）通常涉及的内容，它包括对通信介质的选择以及对通信接口的机械、光/电气、功能和通信规程4个方面的描述。,2020/8/29,计算机网络A,9,2020/8/29,计算机网络A,10,实例二：两台相同计算机在非理想通信环境下直接互联 （其他条件不变） 非理想通信环境：“1”“0”或“0” “1”，因此需要检错与纠错（直接采用纠错码或检错后重传）。 纠错码开销较大 采用检错-重传方式：为了减少重传开销，将大文件划分为小数据块分帧（Framing) 成帧：定帧界（Delimiti

9、ng) 确定帧头、尾 帧传输控制：帧头(Frame Head)、用户数据/净荷(Payload) 帧头：检错（校验字段 ）、帧编号（检错后只重传出错帧）、接收方控制帧的发送流量控制（Flow Control)、同步（双方从重新定位到通信间断点） 这就是OSI/RM定义的数据链路层要解决的问题。,2020/8/29,计算机网络A,11,2020/8/29,计算机网络A,12,（续）,2020/8/29,计算机网络A,13,实例三：两台或两台以上相同计算机间接互联 除可能需要部分与数据链路层类似的功能外，还必须处理新的问题： 标识目的计算机：定名（Naming) 需要地址 间接互联：需要其他设备中

10、转/中继找路(寻址：Routing) 多台计算机向网内注入数据量和时间的动态特征：防止数据过量而是中转节点数据堆积拥塞预防与缓解，即拥塞控制（Congestion Control)、流量疏导(Traffic Shaping)、流量工程（Traffic Engineering) 这就是OSI/RM中网络层需要解决的问题，相关功能列于下表：,2020/8/29,计算机网络A,14,2020/8/29,计算机网络A,15,迄今为止，我们所讨论的问题仅涉及不同条件下如何通过直连，或其他设备中转/中继将数据投递到目的地的问题。在传输过程中，每次只前传/转发到下一个网络节点（One-Hop operati

11、on)。在实例三中，数据源站点与目的站点之间由于不能直接相连，数据的投递是通过一个节点一个节点地（Hop-by-hop)转发来完成的。换言之，对相关协议的运作过程的设计出发点是：如何逐级将数据投递到目的地，而不是站在源-的节点的立场上考虑相关的信息交换问题。 下面将从源-的节点，即端到端（End-to-end)的角度来考虑问题：,2020/8/29,计算机网络A,16,实例四：两台或两台以上相同计算机通过多个或多种网络互联 网络层原则上只实现网络的逐段（hop-by-hop）确认，并不代表能保证端到端的可靠传输（例如中间节点向上游节点确认可靠接收数据后突然瘫痪）。 在跨网传输环境中，各网提供的

12、网络服务可靠性可能不一样，因此端到端的传输质量为各网服务质量之下限，不一定能满足两端通信用户的需要。 在一条端到端传输连接上，由于各网提供的其他服务质量参数（如吞吐率）有高有低，一条连接不能满足两端要求的，希望能用多条网络连接来完成任务（分流Splitting）；而当单个连接吞吐率远高于需求时，又希望同一对端系统中的多个进程能共用一条网络连接（复用Multiplexing）。,2020/8/29,计算机网络A,17,2020/8/29,计算机网络A,18,实例五：条件与实例四相同，从实际应用角度出发仍存在需要解决新问题： 应用系统的交互式（半双工）与通信全双工的矛盾：需要控制由某一方发送，另一

13、方应答的交互过程发送权标/令牌（Token)对话控制（Dialogue Control) 面向事务处理/交易（Transaction)的过程完整性问题（例：银行通过金融中心转账），需要保障要么完整的完成一次“交易”过程，要么恢复到初始状态。 在一次很长的数据传输过程，因接收计算机出故障如何避免全部重传问题（例如：数据库更新） 设置主、次同步点，按同步点进行“端到端”确认，接收方从故障状态后恢复后，可仅从最后一个已确认的同步点开始继续传输数据。 这就是OSI/RM的会话（Session Layer)提出的背景,2020/8/29,计算机网络A,19,实例六：条件与实例四相同，但从应用数据的语义出

14、发，仍然存在信息的表达问题。 为了减少网络数据的传输量数据压缩(Data compression) 为了解决信息传输安全性数据加密(Data encryption) 实例：数据在内存中的存放方式的差异（由于机器硬件、操作系统、程序设计语言引起）、不同程序设计语言对数据定义的差异、新型数据的表达与描述（如多媒体数据） 抽象数据语义的描述（例如ASN.1 Abstract Syntax Notation one)与传输语法(BER - Binary Encoding Rule)、HTML（Hyper Text Markup Language)/XML (Extensible Markup Lang

15、uage)以及HTTP (Hyper Text Transfer Protocol)、WSDL (Web Service Definition Language)。 这就是OSI/RM的表示层（Presentation Layer)提出的背景！,2020/8/29,计算机网络A,20,为什么OSI/RM中还需要第7层应用层（ Application Layer)? 到现在为止，我们涉及计算机网络中，“与信息可靠传输（Hop-by-hop和End-to-end)相关的功能及相关层”（1-5层）、涉及源-的计算机系统间所需的同步、对话控制和交易完整性的功能（会话层）以及“待交换信息表达与专用传输相

16、关的功能”（表示层），似乎已经解决了在分布式环境中信息交换所需要的所有功能。为什么还需要“应用层”（Application Layer)? Application Layer是为了避免为同一目的而分别定义互不兼容的公用（常用）应用系统互访而设置的层。如：IETF的文件传输协议(FTP File Transfer Protocol)、ISO的FTAM (File Transfer and Access Management)、W3C的WSRF (Web Service Resource Framework)等。,2020/8/29,计算机网络A,21, OSI/RM,2020/8/29,计算机网

17、络A,22,数据单元 APDU PPDU SPDU 报文 分组 帧 比特,OSI/RM,2020/8/29,计算机网络A,23,OSI/RM,2020/8/29,计算机网络A,24, OSI/RM运作过程,2020/8/29,计算机网络A,25,OSI/RM数据封装,Application,Presentation,Session,Transport,Network,Data Link,Physical,Application,Presentation,Session,Transport,Network,Data Link,Physical,Network,Data Link,Physical

18、,2020/8/29,计算机网络A,26, OSI/RM的两个基本概念 服务（Service) -对OSI协议层间操作关系的抽象,用服务原语（Service Primitive)在服务提供者与服务用户之间的交换过程来描述。 注：电信领域的Service（译作“业务”）用于描述电信业务提供商向电信业务使用者提供的服务，典型的电信业务有：话音与电报传送业务、普通数据传送业务、多媒体实时传送业务等等。 OSI服务原语只涉及种类、参数及交互过程，不涉及原语的具体的表达格式，故称之为抽象服务原语， 在OSI文本中，广泛使用“状态变迁图”来描述在服务访问点SAP的服务原语交换关系和状态变迁关系；“时序图”

19、则用来描述服务原语在一对SAP间交换的时序。 在单个服务访问点（SAP Service Access Point)用“状态变迁图”（State Transition Diagram）来描述;对一对服务访问点(SAP)之间的状态变迁关系用“时序图”（Time Sequence Diagram）来描述。,Important definitions,2020/8/29,计算机网络A,27,2020/8/29,计算机网络A,28,States, Events and Actions,Condition of system,Stimulus to move system,State,Event,Acti

20、on,State,Response of system to stimulus,Condition of system,Important definitions,/ Wakeup,Instantaneous,2020/8/29,计算机网络A,29,服务分类：面向连接服务（Connection-Oriented)与无连接服务(Connectionless)，以网络层为例： 面向连接的服务（类似打电话）：由连接建立阶段（呼叫、应答/拒绝）、通话阶段（数据传输阶段）、拆除连接三个阶段组成，适合连续数据流的传输。 无连接服务（类似邮政服务）：每个基本数据单元（报文）带上网络地址（类信函带上邮政地址）

21、在网络内被各节点（邮政中转站）转发（事先不需要像打电话那样必须先呼叫）。简单、不太可靠（先后顺序不保证），适合不连续数据的传输。 按有确认/无确认划分服务,Important definitions,2020/8/29,计算机网络A,30,协议（Protocol)对等层实体间的通信（信息交换）规程。 基本数据称为“协议数据单元”（PDU Protocol Data Unit) 协议必须严格定义PDU的字段、参数及其格式（对比服务原语！） 程序性描述常采用非形式化技术（自然语言）+半形式化技术（状态变迁图/表）,2020/8/29,计算机网络A,31,2020/8/29,计算机网络A,32,实体

22、、协议、服务和服务访问点,服 务 用 户,第 n 层,第 n + 1 层,服 务 用 户,Important definitions,2020/8/29,计算机网络A,33,实体、协议、服务和服务访问点（续）,实体(entity) 表示任何可发送或接收信息的硬件或软件进程。 协议是控制两个对等实体进行通信的规则的集合。 在协议的控制下，两个对等实体间的通信使得本层能够向上一层提供服务。 要实现本层协议，还需要使用下层所提供的服务。,Important definitions,2020/8/29,计算机网络A,34,实体、协议、服务和服务访问点（续）,本层的服务用户只能看见服务而无法看见下面的协

23、议。 下面的协议对上面的服务用户是透明的。 协议是“水平的”，即协议是控制对等实体之间通信的规则。 服务是“垂直的”，即服务是由下层向上层通过层间接口提供的。 同一系统相邻两层的实体进行交互的地方，称为服务访问点 SAP (Service Access Point)。,Important definitions,2020/8/29,计算机网络A,35,小节 服务与协议的关系,服务与协议是完全不同的两个概念，但二者常常被混淆。 Service says what a layer does Interface says how to access the service Protocol says

24、 how is the service implemented 服务是各层向它的上层提供的一组原语（或称操作），定义了两层之间的接口(纵向），上层是服务的用户，下层是服务的提供者。 协议是定义同层对等实体之间交换的帧、分组和报文的格式及意义的一组规则（横向）。,2020/8/29,计算机网络A,36,OSI网络体系结构的核心和贡献,过去：OSI是80年代计算机网络技术，网络体系结构的主流。 OSI网络体系结构的核心和贡献： 分层模型 服务、接口、协议 服务：同一实体中的相邻层之间，低层为高层提供服务； 接口：服务的实现位于层间的接口； 协议：对等实体（对等层）之间的约定。 目前：Interne

25、t网络体系结构是主流。,2020/8/29,计算机网络A,37,OSI/RM总结,应用协议：Telnet,FTP, WWW,NNTP,SMTP, POP3,IMAP,SNMP,LANs:Ethernet, Fast Ethernet,G-Ethernet,Token Ring,FDDI,ATM WANs:Voice/H.321/HDLC/PPP/Frame Relay/SDLC/ISDN,协议: FTP, TFTP, RTCP; NCP, UDP, NetBIOS,协议: Internet IP,Novell IPX,IBM SNA, Apple AppleTalk,Banyan Vines,

26、Digital DEC net,2020/8/29,计算机网络A,38,小知识,网络仿真软件 OPNET Modeler,2020/8/29,计算机网络A,39,OPNET Environment,Process model is heart of simulation development,小知识：网络仿真软件 OPNET Modeler,2020/8/29,计算机网络A,40,OPNET建模层次(1),OPNET三个建模层次：网络层、节点层、进程层。网络由节点组成，进程模型描述节点的行为。,网络层中的通信设备和通信链路共同构成了通信系统的拓扑结构。同时，网络层还模拟通信系统的地理布局、设

27、备移动性、设备故障、通信时延和通信错误。 节点层实现节点的功能，组成节点的包括处理机、队列、数据包线和各种收发信机的模块。 进程模型主要用来刻画节点模型里的处理器以及队列模型的行为,并实现算法。,小知识：网络仿真软件 OPNET Modeler,2020/8/29,计算机网络A,41,OPNET建模层次(2),状态分为强制（绿色）和非强制（红色）两种。强制状态将依次执行其入口代码和出口代码，然后将控制权交给下一个状态。非强制状态将会在执行进入代码后暂停，允许仿真过程转向模型中的其它实体和时间，并等待下一次中断，诸如包到达或计数器超时。 进程模型所执行的操作用C或C+语言描述，OPNET提供大约

28、400个核心函数, 为进程建模提供了巨大的方便。,进程层的进程模型可以用状态转移图来描绘。 状态转移图中的圆形图标表示逻辑状态，连线表示状态间的转移。,小知识：网络仿真软件 OPNET Modeler,2020/8/29,计算机网络A,42,Sample Node Model,Node models support Layering of protocol functions Dynamic inter-module monitoring Arbitrary node architectures Definition of node classes through attribute prom

29、otion,ethernet_wkstn_adv Node Model,小知识：网络仿真软件 OPNET Modeler,2020/8/29,计算机网络A,43,State Connections - Transitions,Transitions describe the possible movement of a process from state to state and the conditions allowing such a change. Exactly one condition must evaluate to true. If the condition statem

30、ent (x = y) is true, the transition executive (Reset_Timers;) is invoked.,Transition executive,Condition statement,小知识：网络仿真软件 OPNET Modeler,2020/8/29,计算机网络A,44,Proto-C consists of State transition diagrams The complete C programming language The library of OPNET Kernel Procedures (KPs) State variabl

31、es (private to each process) Temporary variables,What is Proto-C ?,小知识：网络仿真软件 OPNET Modeler,2020/8/29,计算机网络A,45,1.3.3 Internet的网络体系结构, Internet的体系结构,2020/8/29,计算机网络A,46,典型计算机网络的参考模型,2020/8/29,计算机网络A,47,注意：许多早期的Internet文献和现在的部分书籍中仍然沿袭了早期的描述，即把端系统描述为4层结构。实际上，是把端系统(Internet术语中叫主机Host)与节点机之间Host-IMP协议视为

32、一层，实质上涵盖OSI/RM中的数据链路层与物理层的功能。 这一描述的缺点是：在概念上，由于用户-网络接口（UNI User-Network Interface)未将物理层与数据链路层分开，因此把端系统视为4层结构，但与在介绍Internet通信子网层次时又视为二者分开的三层结构，相互矛盾。,2020/8/29,计算机网络A,48,TCP头,应用层数据,应用层数据,TCP头,应用层数据,IP头,帧头,TCP头,应用层数据,IP头,帧尾,TCP/IP协议的封装,应用层,传输层,网际层,数链层,2020/8/29,计算机网络A,49,OSI模型的优点： 结构严谨、科学、完备，是计算机网络的国际标准

33、,OSI模型的优缺点,OSI模型的缺点： 过分追求完美性使协议体系过于复杂，难以尽快投入应用 标准制订周期太长，不适应市场需求的迅速变化和技术的发展,2020/8/29,计算机网络A,50,TCP/IP参考模型的优点： 从体系结构上看, Internet的4层结构比OSI/RM的7层结构简单, 也没有OSI/RM中复杂的“服务”定义，制订的时机合适, 在实践中它明显地占了上风既成事实的网络标准,TCP/IP的优缺点,TCP/IP参考模型的缺点： 结构不严谨、不科学、不完善。 在实践中不断发现问题，不断完善打补丁。,2020/8/29,计算机网络A,51,1.4 网络标准化组织,标准可分为两大类

34、： 既成事实(De facto，拉丁语“从事实而来”) IBM PC是个人计算机的既成事实标准。 UNIX是操作系统的既成事实标准。 TCP/IP是网络的既成事实标准。 合法(De jure，拉丁语“依据法律” ) 是由一些权威标准化实体采纳的正式的、合法的标准。,2020/8/29,计算机网络A,52,网络界的权威组织（一）,1、国际电信联盟ITU (International Telecommunication Union) 19531993称为CCITT(国际电报电话咨询委员会),来源于法语的首字母缩写。 ITU有三个主要部门： 无线通讯部门(ITU-R) 电信标准部门(ITU-T) 研

35、究组(study group)、工作班(working party) 专家小组(expert team）、特别小组(ad hoc group) 电信发展部门(ITU-D),2020/8/29,计算机网络A,53,网络界的权威组织（二）,2、国际标准化组织ISO International Standards Organization 美国在ISO中的代表是ANSI(美国国家标准协会) 国际标准制定流程： 工作组提出委员会草案CD(Committee Draft) 多数成员通过形成国际标准草案DIS(Draft International Starndard) 评价投票形成国际标准(Intern

36、ational Starndard) 3、电器和电子工程师协会IEEE Institute of Electrical and Electronics Engineers,2020/8/29,计算机网络A,54,网络界的权威组织（三）,4、因特网体系结构委员会IAB Internet Architecture Board 组织 IRTF(Internet Research Task Force) 注重长期的研究。 IETF(Internet Engineering Task Force) 处理短期的工程问题。 标准制定 请求评注RFC(Request For Comments) 草案标准(Dr

37、aft Standard) 因特网标准(Internet Standard),2020/8/29,计算机网络A,55,Internet及其 RFC(请求评议）,需要至少两个具体的实现,由IAB发布,Internet实际的、广泛运行的网络。 所有的 Internet 标准均以 RFC形式给出，但并不是所有的RFC文档都是Internet 标准 (STD)! 获取RFC文档: ,RFC的发布过程,2020/8/29,计算机网络A,56,小节、课后预、复习与练习,1 小节 OSI/RM与Internet体系结构 服务与协议的概念 2 复习与预习 认真阅读电子版现代网络通信技术第一章与体系结构相关部分。 3 练习与思考 继续在网上查找：网络