第1章计算机网络基础知识2.ppt

1、第一部分计算机网络基础知识第1章计算机网络概论,1.1计算机网络的形成与发展 1.2计算机网络的基本概念 1.3计算机网络的拓扑构型 1.4计算机网络的分类 1.5网络体系结构的基本概念 1.6本章总结,1.5网络体系结构的基本概念,1.5.1网络体系结构与通信协议的概念,图1.3是目前实际运行的邮政系统结构，以及信件发送与接收过程的示意图。,图1.3,1. 网络协议的概念,计算机网络的结点之间为有条不紊地交换数据与控制信息，必须遵守一些事先约定好的交换数据的格式和时序。这些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（protocol）。,网络协议主要由以下三个要素组成： 语法：用户

2、数据与控制信息的结构与格式。 语义：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：对事件实现顺序的详细说明。,图1.4,写信人在书写信封时一定要严格遵照中文或英文的书写规范（包括语义、语法等），才能使收信人明白是不是给自己的信。图1.4比较了中英文信封的书写规范。,从广义的角度讲，人们之间的交往就是一种信息交互的过程，我们每做一件事都必须遵循一种事先规定好的规则与约定。为了保证在计算机网络中的大量计算机之间有条不紊地交换数据，就必须制定一系列的通信协议。因此，协议是计算机网络中一个重要而基本的概念。,2. 层次与接口的概念 无论是邮政通信系统还是计算机网络，它们都有以下几个重要的

3、概念： 协议（protocol）； 层次（layer）；接口（interface）； 体系结构（architecture）。,层次的概念,层次结构体现出对复杂问题采取“分而治之”的模块化方法，可以大大降低复杂问题处理的难度，这正是网络研究中采用层次结构的直接动力。因此，层次是计算机网络体系结构中又一个重要而基本的概念。,是人们对复杂问题处理的基本方法。其思想是：将总体要实现的很多功能分配在不同的层次中，每个层次要完成的功能及实现的过程都有明确规定；不同地点的系统分成相同的层次；不同地点系统的同等层具有相同的功能；高层使用低层提供的服务时，并不需要知道低层服务的具体实现方法。如：邮政服务系统。,

4、接口的概念,是同一结点内相邻层之间交换信息的连接点。同一个结点的相邻层之间存在着明确规定的接口，低层向高层通过接口提供服务。,只要接口条件、低层功能不变，低层功能的具体实现方法与技术的变化就不会影响整个系统的工作。因此，接口同样是计算机网络实现技术中一个重要而基本的概念。如：邮政系统中，邮箱就是发信人与邮递员之间规定的接口。,3. 网络体系结构的提出,一个功能完备的计算机网络需要制定一整套复杂的协议集。其最好的组织方式是层次结构模型。将组织计算机网络协议的层次结构模型与各层协议的集合定义为计算机网络体系结构（network architecture）。,网络体系结构对计算机网络应该实现的功能进

5、行了精确的定义，而这些功能是用什么样的硬件与软件去完成的，则是具体的实现（implementation）问题。体系结构是抽象的，而实现是具体的，它是指能够运行的一些硬件和软件。,计算机网络采用层次结构的优点：,（1） 各层之间相互独立，高层不需要知道低层是如何实现的，而仅知道该层通过层间的接口所提供的服务。,（2）当任何一层发生变化时，只要接口保持不变，则在其他各层均不受影响。,（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）整个系统被分解为若干个易于处理的部分，使得一个庞大而复杂系统的实现和维护变得容易控制。,（5）每层的功能与所提供的服务都有精确的说明，有利

6、于促进标准化过程。,1974年，IBM公司提出了世界上第一个网络体系结构，SNA（ system network architecture）。此后，许多公司纷纷提出各自的网络体系结构。其共同之处是它们都采用了分层技术，但层次的划分、功能的分配与采用的技术术语均不相同。,由于各公司采用各自的网络体系结构制造产品，使各公司的产品之间难以互连，为了解决这一难题。ISO提出了OSI参考模型。,1.5.2ISO/OSI参考模型,1. OSI参考模型的提出,在制定计算机网络标准方面，有两个重要国际组织：国际电报与电话咨询委员会（CCITT,Consultative Committee on Interna

7、tional Telegraph and Telephone）与国际标准化组织（ISO,International Organization for Standardization）。,CCITT 主要是从通信的角度考虑一些标准的制定，而ISO则关心信息的处理与网络体系结构。随着科学技术的发展，通信与信息处理之间的界限已变得比较模糊。于是，通信与信息处理就都成为CCITT与ISO共同关心的领域。,1974年，ISO发布了著名的ISO/IEC 7498标准，定义了网络互连的7层框架，即开放系统互连（OSI，Open System Interconnect）参考模型。详细规定了每一层的功能，以实现

8、开放系统环境中的互连性（interconnection）、互操作性（interoperation）与应用的可移植性（portability）。,CCITT的X.400建议书也定义了一些相似的内容。,2. OSI参考模型的概念,OSI中的“开放”是指只要遵循OSI标准，一个系统就可以与位于世界上任何地方、遵循同一标准的其他任何系统进行通信。,在OSI 标准的制定过程中，将整个庞大而复杂的问题划分为若干个容易处理的小问题，这就是分层的体系结构方法。采用的是三级抽象： 体系结构（architecture）； 服务定义（service definition）； 协议规格说明（protocol spec

9、ification）。,体系结构定义了开放系统的层次结构、层次之间的相互关系及各层所包括的可能的服务。它是作为一个框架来协调和组织各层协议的制定，也是对网络内部结构最精炼的概括与描述。,服务定义详细地说明了各层所提供的服务。某一层的服务就是该层及其以下各层的一种能力，它通过接口提供给更高一层。各层所提供的服务与这些服务是怎样实现的无关。同时，各种服务定义还定义了层与层之间的接口与各层使用的原语，但不涉及接口是怎样实现的。,协议规格说明精确地定义了各种协议应当发送什么样的控制信息，以及应当用什么样的过程来解释这个控制信息。协议的规格说明具有最严格的约束。,OSI参考模型只是描述了一些概念，用来协

10、调进程间通信标准的制定。在OSI的范围内，只有各种协议是可以被实现的，而各种产品只有和OSI的协议相一致时才能互连。,3. OSI参考模型的结构,根据分而治之的原则，ISO将整个通信功能划分为7个层次，图1.5所示。划分层次的主要原则是：,(1) 网络中不同的结点都具有相同的层次。 (2) 不同结点的同等层具有相同的功能，并通过协议实现对等层之 间的通信。 (3) 同一结点内相邻层之间通过接口通信。 (4) 每一层可使用下层提供的服务，并可向上层提供服务。,图1.5,OSI参考模型的结构,4. OSI参考模型各层的功能,（1）物理层（physical layer）,（2）数据链路层（data

11、link layer）,是参考模型的最低层。是网络通信的数据传输介质，由连接不同结点的电缆与设备共同构成。 主要功能是：利用传输介质为数据链路层提供物理连接，实现比特（bit）数据流的透明传输。,是参考模型的第2层。在物理层提供的服务基础上，建立通信实体间的数据链路，传输以帧（Frame）为单位的数据流，并采用差错控制与流量控制方法，使有差错的物理线路变成无差错的数据链路。,（3）网络层（network layer）,是参考模型的第3层。为数据在结点之间传输创建逻辑链路，用路由选择算法为数据包或分组（packet）通过通信子网选择最适当的路径，以及实现拥塞控制、网络互连等功能。,（4）传输层（

12、transport layer）,是参考模型的第4层。向用户提供可靠的端到端（end-to-end）服务，处理数据报文（ message）错误、次序，以及其他一些关键传输问题。,传输层向高层屏蔽了下层数据通信的细节，它是计算机通信体系结构中关键的一层。,（5）会话层（session layer）,是参考模型的第5层。负责维护两个主机之间的传输链接，以便确保点到点传输不中断，以及管理数据交换等功能。两个重要协议Structured Query Language (SQL) Remote Procedure Call (RPC),（6）表示层（presentation layer）,是参考模型的第

13、6层。用于处理在两个通信系统中交换信息的表示方式，主要包括数据格式变换、数据加密与解密、数据压缩与恢复等功能。,（7）应用层（application layer）,是参考模型的最高层。为各种应用软件提供网络服务，例如文件服务、数据库服务、电子邮件与其他网络软件服务等。,5. OSI环境中的数据传输过程,原语（primitive） 将信息从一层传送到下一层使用的命令称为原语。,数据交换的规则 在网络中信息传送的单位，称为数据单元（PDU）。 不同系统的对等层在协议的控制下交换信息（PCI）。 同一系统的相邻层按服务交换信息（ICI）。 OSI数据传输 。,协议数据单元（PDU，protocol

14、data unit） 不同系统(N)对等层为实现该层协议所交换的信息单位，称为(N)协议数据单元(N)PDU。,协议控制信息（PCI，protocol control information） (N)PCI 为(N)协议控制信息，是为实现(N)协议而在传送的数据的首部或尾部加的控制信息，如：地址、差错控制信息、序号信息等。,接口控制信息（ICI，interface control information） (N)ICI 为(N)接口控制信息，协议在通过层间接口时，需要加一些控制信息，如通过多少字节、或要求的服务质量等。,接口数据单元（IDU，interface data unit） 在同一系统

15、的相邻两层实体的一次交互中，经过层间接口的信息单元，称为(N)接口数据单元。,PDU：Protocol Data Unit ICI：Interface Control Information IDU：Interface Data Unit SDU：Service Data Unit PCI：Protocol Control Information,数据单元之间的关系：,OSI 7层功能的实现 如果主机A和主机B要连入计算机网络，就需要有实现从应用层到物理层的7层功能的硬件与软件。一般来说，物理层、数据链路层与网络层大部分可以由硬件方式来实现，而高层基本上是通过软件方式来实现的。,(N)PDU与

16、(N+1)PDU 的关系：,图1.6,OSI模型的数据传输,数据发送端,数据,比 特 序 列 数 据,数据接收端,10110100010001111,物 理 线 路,封包,拆包,主机A 应用程序,主机B 应用程序,ICI,PCI,PDU,1.5.3TCP/IP参考模型,1. TCP/IP参考模型的发展,尽管OSI参考模型的研究是希望为网络体系结构与协议的发展提供一种国际标准。但Internet在全世界的飞速发展，使TCP/IP协议得到广泛应用并对网络技术的发展产生重要影响。,ARPANET是最早采用TCP/IP协议的计算机网络之一，现代计算机网络的很多概念与方法都是从它的基础上发展出来的。是一

17、种灵活的网络体系结构，能够实现异型网络的互连（interconnection）与互通（intercommunication）。,虽然TCP/IP协议不符合OSI标准，但却是目前最流行的商业化的协议，并被公认为当前的工业标准或“事实上的标准”。,TCP/IP协议具有以下几个特点： 开放的协议标准，可以免费使用，并且独立于特定的 计算机硬件与操作系统。 独立于特定的网络硬件，可以运行在局域网、广域网， 更适用于互联网中。 统一的网络地址分配方案，使得整个TCP/IP设备在网 中都具有唯一的地址。 标准化的高层协议，可以提供多种可靠的应用服务。,2. TCP/IP参考模型各层的功能,图1.8给出TC

18、P/IP 参考模型与OSI参考模型的层次对应关系。,TCP/IP参考模型四个层次的名称与协议： 应用层（application）; 传输层（transport）; 互联层（internet）; 主机网络层（host-to-network),图1.8,（1） 主机网络层 是参考模型的最低层，它负责通过网络发送和接收IP数据报。允许主机连入网络时使用多种现成的、流行的协议，包括各种物理网协议，例如局域网的Ethernet、令牌环以及分组交换网的X.25等。这体现了TCP/IP协议的兼容性与适应性，也为TCP/IP的成功奠定了基础。,（2）互联层 是参考模型的第二层，相当于OSI参考模型网络层的无连

19、接网络服务。负责将源主机的报文分组发送到目的主机，源主机与目的主机可以在一个网上，也可以在不同的网上。IP协议。,互联层的主要功能包括以下几点：, 接收到分组发送请求后，将分组装入IP数据报，填 充报头并选择发送路径，然后将数据报发送到相应的网络输出线。, 接收到其他主机送来的数据报后，检查目的地址，如需要转发，则选择发送路径，转发出去；如目的地址为本结点IP地址，则除去报头，将分组交送传输层处理。, 处理互连的路径、流控与拥塞问题。,（3）传输层 是参考模型的第3层，负责主机应用进程之间的端-端通信。主要目的是：在互联网中源主机与目的主机的对等实体间建立用于会话的端-端连接。与OSI 参考模

20、型的传输层功能是相似的。TCP、UDP协议。,在TCP/IP参考模型的传输层，定义了以下两种协议：, 传输控制协议（TCP，Transport Control Protocol）, 用户数据报协议（UDP，User Datagram Protocol）,是一种不可靠的无连接协议， 它主要用于不要求分组顺序到达的传输中，分组传输顺序检查与排序由应用层完成。,是一种可靠的面向连接的协议，通过流量控制功能，协调收发双方的发送与接收速度，将一台主机的字节流（byte stream）无差错地传送到目的主机。,（4）应用层 是参考模型的最高层。为应用程序使用网络提供服务，包括很多高层协议，且为满足应用程序

21、的需要不断有新的协议加入。目前，应用层协议主要有以下几种：, 网络终端协议（Telnet）实现互联网中远程登录功能。 文件传输协议（FTP，File Transfer Protocol）实现互 联网中交互式文件传输功能。 简单邮件传输协议（SMTP，Simple Mail Transfer Protocol）实现互联网中电子邮件传送功能。 域名系统（DNS，Domain Name System）实现网络设 备名字到IP地址映射的网络服务。 简单网络管理协议（SNMP，Simple Network Management Protocol）管理与监视网络设备。 网络文件系统（NFS，Network

22、 File System）实现网络中不同主机间的文件共享。,超文本传输协议（HTTP，Hypertext Transfer Protocol）用于WWW服务。,应用层协议可以分为三类：,一类依赖于面向连接的TCP协议；主要有网络终端协议、电子邮件协议、文件传送协议等；,一类依赖于面向无连接的UDP协议；主要有简单网络管理协议、简单文件传输协议等；,另一类则既依赖于TCP协议，也依赖于UDP协议。既依赖TCP协议又依赖UDP协议的主要有域名系统等。,1.5.4一种建议的参考模型,无论是OSI或TCP/IP参考模型与协议都有它成功的一面和不足的一面。,OSI参考模型由于要照顾各方面的因素，使OSI

23、参考模型变得大而全，效率很低。尽管这样，它的很多研究成果、方法，以及提出的概念对今后网络发展有很高的指导意义，但是它并没有流行起来。,TCP/IP协议应用广泛，但它的参考模型的研究却很薄弱。,为了保证计算机网络教学的科学性与系统性，我们将采纳一种建议的层次参考模型。图1.9所示的是一种建议的层次参考模型。,图1.9,1.6本章总结,计算机网络是计算机技术与通信技术高度发展、紧 密结合的产物，网络技术的进步正在对当前信息产业的发展产生着重要的影响。,(2) 当前计算机网络发展的特点是：Internet的广泛应 用与高速网络技术的迅速发展。,(3) 从资源共享观点来看，计算机网络是“以能够相互共

24、享资源的方式互连起来的自治计算机系统的集合”。,(4) 计算机网络拓扑是通过网中结点与通信线路之间的几 何关系表示网络结构。计算机网络拓扑主要是指通信 子网的拓扑构形，它反映出网络中各实体间的结构关 系。网络拓扑对网络性能、系统可靠性与通信费用都 有重大影响。,(5) 计算机网络可以分为三类：局域网、城域网与广 域网。 局域网: 用于将有限范围内（如一个实验室、一幢大楼、一个校园）的各种计算机互连成网； 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连的需求，以实现大量用户之间的数据、语音、图形与视频等多种信息的传输功能； 广域网: 所覆盖的地理范围从几十公里到

25、几千公里,它可以覆盖一个国家、地区或横跨几个洲。,(6) 计算机网络是由多个互连的计算机组成的。连网的 计算机之间要做到有条不紊地交换数据，就必须遵 守一些事先约定好的规则。这些为网络数据交换而 制定的规则、约定与通信标准被称为网络协议。,(7) 国际标准化组织定义了计算机网络的7层结构模型， 即OSI参考模型。OSI参考模型定义了开放系统的 层次结构、层次之间的相互关系及各层所包括的可 能的服务。OSI参考模型的提出对推动网络协议标 准化研究起到了重要作用。,(8) TCP/IP参考模型是四层结构的网络互连参考模型， 它伴随着Internet的发展而成为目前公认的工业标 准。,习 题,一、单项选择题,1 .1 在计算机网络发展过程中，( )对计算机网络的形 成与发展影响最大。 OCTOPUS B. ARPANET C.