《计算机网络导论》第一章

课 程 介 绍计 算 机 引 论 计 算 机 网 络计 算 机 网 络 导 论网 络 发 展 、 基 本 概 念 、 原 理 、 操 作 深 入 了 解 计 算 机网 络 的 体 系 结 构 、原 理 及 协 议概 括 了 解 计 算 机 网 络 上 课 ： 30实 验 ： 10 作 业 课 程 主 要 内 容1、 概 述 计 算 机 网 络 发 展 历 史2、 网 络 传 输 介 质 及 物 理 层 设 备3、 常 见 网 络 硬 件4、 网 络 通 信 协 议 -物 理 层 与 传 输 层5、 Internet接 入 Internet服 务6、 网 络 常 用 命 令 和 网 络 检 测7、 网 络 安 全 与 网 络 管 理 概 述8、 相 关 网 络 法 律 法 规 及 案 例 分 析9、 网 络 发 展 新 技 术 第 一 章 计 算 机 网 络 概 述 本 章 内 容1.1计 算 机 网 络 产 生 与 发 展1.2计 算 机 网 络 定 义 与 组 成1.3计 算 机 网 络 体 系 结 构1.4计 算 机 网 络 系 统 的 分 类1.5计 算 机 网 络 系 统 的 组 成 1.1 计算机网络的产生和发展早 期 的 计 算 机 应 用 模 式 单 机 大 、 中 、 小 型 机 庞 大 ， 昂 贵 ， 资 源 无 法 共 享 分 散 的 计 算 机 构 成 了 一 个 个 的 信 息 “ 孤 岛 ”计 算 机 网 络 产 生 始 于 1950s， 产 生 的 原 因 ： 资 源 共 享 的 需 求 （ 计 算 能 力 、 外 设 、 软 件 、 数 据 ） 大 型 项 目 的 合 作 （ 进 行 工 程 项 目 协 作 ） 人 与 人 之 间 的 信 息 沟 通 （ 数 据 通 信 ） 从 体 系 结 构 来 观 察 ， 计 算 机 网 络 的 发 展 可 分 为 四 个 阶 段（ 三 代 网 络 ） ：1. 以 主 机 为 中 心 的 联 机 终 端 系 统“ 计 算 机 终 端 ” 系 统2. 以 通 信 子 网 为 中 心 的 主 机 互 连“ 计 算 机 计 算 机 ” 网 络3. 体 系 结 构 标 准 化 网 络层 次 化 结 构 ， 并 对 每 层 进 行 了 精 确 定 义4. Internet时 代以 TCP/IP协 议 簇 为 标 准 ， 广 泛 的 互 联 1.以主机为中心的联机终端系统 特 征 ： 终 端 (Terminal)共 享 主 机 (Host)的软 硬 件 资 源 单 台 主 机 ： 执 行 计 算 和 通 信 任 务 多 台 终 端 ： 执 行 用 户 交 互 （ 一 般 终 端 没有 处 理 能 力 只 是 一 种 计 算 机 的 输 入 、 输出 设 备 ） (终 端 集 中 器 /终 端 服 务 器 ) 连 接 方 式 ： 本 地 或 远 程 TST T T T TTHOST通 信 线 路T 例 子 ： 飞 机 订 票 系 统 HOST(航 空 公 司 总 部 ) Terminals(订 票 点 ) 通 信 线 路 (电 话 线 路 ) 缺 点 主 机 负 荷 重 数 据 处 理 通 信 线 路 利 用 率 低 集 中 控 制 方 式 ， 可 靠 性 低 改 进 终 端 集 中 器 (近 /远 距 ) 前 端 处 理 机 （ Front-End Processor, FEP） ， 将 通 信 任 务 从 主机 中 分 离 出 来 2.以通信子网为中心的主机互连 特 征 多 个 终 端 联 机 系 统 互 联 ， 形 成 了 多 主 机 互 联 网 络 网 络 结 构 从 “ 主 机 终 端 ” 转 变 为 “ 主 机 主 机 ”HOST HOSTHOSTT TT TTT TTTT通 信 线 路 主机主机网络的演变 演 变 阶 段 1 通 信 任 务 从 主 机 中 分 离 ， 由通 信 控 制 处 理 机 （ CCP） 完成 CCP： 处 理 主 机 之 间 通 信 任务 的 专 用 计 算 机 CCPCCPHOST HOSTT T TT TT CCPHOSTT T 两 层 网 络 概 念 的 出 现 由 CCP组 成 的 传 输 网 络 通 信 子 网 ， 提 供 信 息 传 输 服 务 建 立 在 通 信 子 网 基 础 上 的 主 机 集 合 资 源 子 网 ， 提 供 计 算 资源 CCP CCPHOST HOSTT T TT TT CCP HOST TTT 通 信 子 网 两层网络的概念结构C CCH HH资 源 子 网通 信 子 网 在 通 信 子 网 上 可 有多 个 资 源 子 网 ， 共享 通 信 子 网 的 服 务HH 演 变 阶 段 2 通 信 子 网 规 模 逐 渐 扩 大 私 有 社 会 公 用 公 用 数 据 通 信 网 PSTN公 共 交 换 电 话 网 络 X.25 优 点 降 低 用 户 系 统 建 设 成 本 提 高 通 信 线 路 利 用 率 兼 容 性 好 公 用 数 据通 信 网HOST HOSTT T TT TT HOSTT TT T ARPANET与分组交换技术 分 布 式 拓 扑 结 构 的 网 络 具 有 如 下 特 点 ： 由 于 采 用 分散 控 制 ， 即 使 整 个 网 络 中 的 某 个 局 部 出 现 故 障 ， 也 不会 影 响 全 网 的 操 作 ， 因 而 具 有 很 高 的 可 靠 性 ； 网 络 体 系 结 构 的 奠 基 人Paul Baran20世 纪 50年 代 初 ， 出 于 美 国 军 方 的 需 要 ， 研 制SAGE系 统 。与 前 苏 联 的 军 事 竞 赛 需 要 一 个 “ 可 生 存 系 统 ” ， 专门 用 于 传 输 军 事 命 令 和 控 制 信 息 。电 话 交 换 网 比 较 脆 弱 ， 不 符 合 “ 可 生 存 系 统 ” 的 要求 ， 需 要 寻 找 一 种 有 效 的 通 信 网 络 解 决 方 案 。Paul Baran提 出 通 信 网 络 的 分 布 式 网 络 结 构 。 分 布 式 拓 扑 结 构 的 网 络 ARPANET与分组交换技术 ARPANET的 基 本 设 计 思 想 分 组 交 换 子 网 对 分 组 交 换 理 论 做 出 重 大 贡 献 Donald Davies 分 组 交 换 由 Donald Davies和 保 罗 巴 兰 在1960年 代 早 期 发 明 ,是 他 们 最 重 要 的 创 新 。 分 组 交 换 技 术 也 称 包 交 换 ， 是 将 用 户 传送 的 数 据 划 分 成 一 定 的 长 度 ， 每 个 部 分 叫 做一 个 分 组 ， 通 过 传 输 分 组 的 方 式 传 输 信 息 的一 种 技 术 。 数 据 交 换 的 发 展 数 据 交 换 经 历 了 电 路 交 换 报 文 交 换 分 组 交 换 综 合 业 务 数 字 交 换 分 组 交 换 子 网 结 构 原 理 示 意 图 ARPANET与分组交换技术 ARPANET的 发 展 过 程 ARPANET 之 父 Larry Roberts 1969.12 4个 节 点 的 实 验 网 络 开 始 运 行1972 节 点 数 增 加 到 40个 推 出 Telnet应 用出 现 第 一 个 电 子邮 件 应 用 程 序1975 节 点 数 增 加 到 100多 个 ， 正 式 运 行1975 节 点 数 增 加 到 100多 个 ， 正 式 运 行1983年 分 为 ARPANET和 MILNET ARPANET与分组交换技术 ARPANET对 推 动 网 络 技 术 发 展 的 贡 献 完 成 了 对 计 算 机 网 络 定 义 与 分 类 方 法 的 研 究 提 出 了 资 源 子 网 、 通 信 子 网 的 网 络 结 构 概 念 研 究 并 实 现 了 分 组 交 换 方 法 完 善 了 层 次 型 网 络 体 系 结 构 的 模 型 与 协 议 体 系 开 始 了 TCP/IP模 型 、 协 议 与 网 络 互 联 技 术 的 研 究 与 应 用 3. 体系结构标准化网络 为 什 么 需 要 标 准 化 ？ 不 同 网 络 设 备 之 间 的 兼 容 性 和 互 操 作 性 是 推 动 网 络 体 系结 构 的 标 准 化 的 原 动 力 而 兼 容 性 和 互 操 作 性 的 最 终 目 的 仍 是 资 源 共 享 标 准 化 的 时 机 ？ 先 制 定 标 准 再 开 发 还 是 先 开 发 再 制 定 标 准 ？ 各 厂 商 、 研 究 机 构 、 大 学 在 网 络 技 术 、 方 法 、 理 论 等 方面 的 研 究 日 趋 成 熟 是 基 础 网 络 体 系 结 构 标 准 化 过 程 的 演 变 厂 商 标 准 ： IBM-SNA， DEC-DNA等 缺 点 ： 适 用 范 围 ： 兼 容 性 技 术 垄 断 ： 竞 争 标 准 不 统 一 ： 用 户 利 益 国 际 标 准 （ ISO OSI/RM） Open System Interconnection/Recommended Model(开 放 系 统 互 联 参考 模 型 ， 简 称 OSI参 考 模 型 ) OSI参 考 模 型 是 一 种 概 念 上 的 网 络 模 型 ， 规 定 了 网 络 体 系 结 构 的 框 架 ： 7个 层 次 只 说 明 了 做 什 么 （ WHAT TO DO） 而 未 规 定 怎 样 做 （ HOW TO DO） 太 复 杂 ， 几 乎 没 有 与 之 完 全 符 合 的 网 络 事 实 上 的 标 准 ： TCP/IP(因 特 网 的 骨 干 协 议 ) 从 体 系 结 构 上 看 ， 它 是 OSI参 考 模 型 的 简 化 （ 4层 ） 4.因特网时代的到来 因 特 网 的 出 现 标 志 着 网 络 时 代 的 到 来 因 特 网 是 全 球 性 的 网 络 丰 富 的 信 息 和 便 利 的 使 用 是 其 规 模 迅 速 增 长 的 主 要 驱 动 力 截 止 到 2000年 , Internet的 规 模 为 网 络 数 达 到 105数 量 级 , 主 机 数 达 到 107数 量 级 , 用 户 数 108数 量 级 ， 主 干速 率 大 于 2.5Gbit/s 美 国 政 府 资 助 的 “ 下 一 代 因 特 网 计 划 ” 目 标 是 主 干 网 的 速 率 比 现 在 的 因 特 网 高 1000倍 端 到 端 的 速 率 要 达 到 100Mbit/s10Gbit/s Vinton G. Cerf-闻 名 遐 迩 的 “ 互 联 网 之 父 ” ，Vint 和 Robert Kahn 合 作 设 计 了 TCP/IP 协 议及 互 联 网 的 基 础 体 系 结 构 。 Robert E. Kahn是 TCP/IP协 议 合 作 发 明 者 、 互联 网 雏 形 Arpanet网 络 系 统 设 计 者 、 “ 信 息 高 速公 路 ” 概 念 创 立 人 。 Kahn与 Cerf一 起 合 作 提 出 了 TCP/IP协 议 。TCP/IP协 议 已 经 成 为 现 代 Internet的 通 讯 基 础 。 2005年 2月 16日 ， 国 际 计 算 机 协 会 宣 布 令 人 获得 2004图 灵 奖 ， 表 彰 他 们 在 设 计 和 实 施Internet基 础 通 信 协 议 方 面 的 成 就 。 二 、 TCP/IP与网络体系结构互 联 网 之 父Vinton G. Cerf Robert E. Kahn Internet Internet以 相 互 交 流 信 息 资 源 为 目 的 ， 基 于 一 些 共 同 的 协 议 ， 通 过 许 多 路由 器 和 公 共 互 联 网 而 成 ， 它 是 一 个 信 息 资 源 和 资 源 共 享 的 集 合 。 三 、 INTERNET的发展Internet的 前 身 ARPANet1986年 ， NSF（ 美 国 国 家 科 学 基 金 会 ） 建 立 了 自 己的 计 算 机 通 信 网 络 ， 并 逐 渐 ARPANet在 Internet的地 位 ， 1990 ARPANet正 式 宣 布 关 闭1992年 ， Internet上 的 主 机 超 过 1百 万 台 ， 主 干 网速 率 45Mbps。 1999主 机 已 超 过 1千 万 台 ， 主 干 网速 率 提 高 到 2.5Gbps 对 网 络 的 使 用WWW被 广 泛 使 用 在 Internet上 ， 大 大 方 便 了 广 大 非 网 络专 业 人 员 ， 促 进 了 Internet的发 展 web技 术 的 产 生 发 展 什 么 是 web？ Web的 工 作 原 理 Web的 体 系 结 构 Web三 要 素 从 web1.0到 web2.0 四 、 WEB技术 WEB技术的产生发展Web之 父Tim Berners-Lee1989年 仲 夏 之 夜 ， 蒂 姆 成 功 开 发 出 世 界 上第 一 个 Web服 务 器 和 第 一 个 Web客 户 机 。1989年 12月 ， 蒂 姆 为 他 的 发 明 正 式 定 名 为World Wide Web， 即 我 们 熟 悉 的 WWW；1991年 5月 WWW在 Internet上 首 次 露 面 ，立 即 引 起 轰 动 ， 获 得 了 极 大 的 成 功 被 广 泛 推广 应 用 。 什么是WEB Web: WWW,万 维 网 （ 亦 作 “ 网 络 ” 、 “ WWW”、 “ 3W” 或 “ World Wide Web”） ， Web通 过 一 种 超 文 本 方 式 ， 把 网 络 上 不 同 计 算 机 内 的 信 息有 机 地 结 合 在 一 起 ， 并 且 可 以 通 过 超 文 本 传 输 协 议（ HTTP） 从 一 台 Web服 务 器 转 到 另 一 台 Web服 务 器 上 检 索信 息 。 Web服 务 器 能 发 布 图 文 并 茂 的 信 息 ， 甚 至 在 软 件 支持 的 情 况 下 还 可 以 发 布 音 频 和 视 频 信 息 。 此 外 ， Internet的 许 多 其 它 功 能 ， 如 E-mail、 Telnet、 FTP、 WAIS 等都 有 可 通 过 Web实 现 。 万 维 网 常 被 当 成 因 特 网 的 同 义 词 ， 不 过 其 实 万 维 网 是 靠着 因 特 网 运 行 的 一 项 服 务 。 在计算机科学领域内做出突出贡献的人们 推荐阅读计 算 机 与 网 络 之 父 作 者 ： 叶 平 ， 罗 治 馨 著 ISBN： 10位 753093371X 13位 9787530933718 出 版 社 ： 天 津 教 育 出 版 社 1.2 计算机网络的定义和功能计 算 机 网 络 定 义 的 主 要 观 点 ： 从 应 用 的 观 点 ： 以 相 互 共 享 资 源 方 式 连 接 起 来 ， 且 各 自 具 有 独立 功 能 的 计 算 机 系 统 的 集 合 。 从 物 理 的 观 点 ： 在 网 络 协 议 的 控 制 下 ， 由 若 干 台 计 算 机 和 数 据传 输 设 备 组 成 的 系 统 。 观 点 3： 计 算 机 网 络 可 以 定 义 为 ： 把 分 布 在 不 同 地 理 位 置 的 计 算机 系 统 ， 通 过 通 信 系 统 连 接 起 来 ， 在 协 议 的 支 持 下 ， 实 现 资 源共 享 和 相 互 通 信 。 归 纳 与 综 合 计 算 机 网 络 ： 相 互 连 接 的 自 治 计 算 机 的 集 合自 治 ： 能 独 立 运 行 ， 不 依 赖 于 其 他 计 算 机“ 主 控 -从 属 ” 类 型 的 系 统 是 计 算 机 网 络 吗 ？“ 主 机 -终 端 ” 系 统 （ 第 一 代 网 络 ） 呢 ？互 连 ： 以 任 何 可 能 的 通 信 连 接 方 式有 线 方 式 ： 铜 线 、 光 纤无 线 方 式 ： 红 外 、 无 线 电 （ 微 波 ） 、 卫 星 通 信 网 络 计 算 机系 统计 算 机系 统 计算机网络与其它类似系统的比较 终 端 分 时 系 统 各 终 端 分 时 占 用 主 机 资 源 终 端 无 计 算 能 力 ， 对 主 机 的 依 赖 性 极 强 通 信 主 要 采 用 异 步 串 行 连 接 （ 本 地 或 远 程 ） 多 机 系 统 紧 耦 合 ， 主 机 间 通 信 多 采 用 共 享 存 储 器 、 共 享 总 线 等 （ 有 的 系 统也 采 用 高 速 局 域 网 ） 分 布 式 系 统 计 算 机 网 络 与 分 布 式 系 统 分 布 式 系 统 的 特 点在 分 布 式 OS统 一 调 度 下 ， 各 计 算 机 协 调 工 作 ， 共 同完 成 一 项 任 务 ， 如 并 行 计 算 。用 户 面 对 的 是 一 台 逻 辑 上 的 计 算 机 ， 组 成 分 布 式 系 统的 各 计 算 机 怎 样 协 同 工 作 ， 对 用 户 透 明 。用 途 主 要 是 科 学 计 算 和 事 务 处 理 。 计 算 机 网 络 与 分 布 式 系 统 （ 续 ） 计 算 机 网 络 非 协 调 性 的 ；松 散 耦 合 的 ；各 计 算 机 对 用 户 非 透 明 ， 用 户 必 须 指 定 资 源 的 位 置 ；用 途 主 要 是 资 源 共 享 。 分 布 式 系 统 往 往 是 基 于 计 算 机 网 络 来 实 现 的 ： 在 因 特 网 中 ， 域 名 服 务 系 统 （ DNS)是 分 布 式 系 统 的 一 项 典 型 的 应 用 。 分 布 式 数 据 库 系 统 也 需 要 网 络 的 支 持 。 计算机网络能做什么（功能） 数 据 通 信 (Communication Medium) 文 件 传 输 、 IP电 话 、 email、 视 频 会 议 、 信 息 发 布 、 交 互式 娱 乐 、 音 乐 资 源 共 享 (Resource Sharing) 软 件 、 硬 件 、 数 据 （ 数 据 库 ） 提 供 高 可 靠 性 服 务 (High Reliability) 利 用 可 替 代 的 资 源 ， 提 供 连 续 的 高 可 靠 服 务 节 省 投 资 (Saving Money) 替 代 昂 贵 的 大 中 型 机 系 统 分 布 式 处 理 (Distributed Processing) 1.3 计算机网络体系结构 本 节 内 容 层 次 化 的 网 络 体 系 结 构 开 放 系 统 互 联 参 考 模 型 （ OSI/RM） TCP/IP体 系 结 构 OSI和 TCP/IP的 比 较 应 用 层 传 输 层 网 络 层 数 据 链 路 层 物 理 层 1.3.1 计算机网络体系结构u 网 络 体 系 结 构 提 出 的 背 景 计 算 机 网 络 的 复 杂 性 、 异 质 性u 不 同 的 通 信 介 质 有 线 、 无 线 、 u 不 同 种 类 的 设 备 主 机 、 路 由 器 、 交 换 机 、 复 用 设 备 、 u 不 同 的 操 作 系 统 Unix、 Windows、 u 不 同 的 软 /硬 件 、 接 口 和 通 信 约 定 （ 协 议 ）u 不 同 的 应 用 环 境 固 定 、 移 动 、 u 不 同 种 类 业 务 分 时 、 交 互 、 实 时 、 u 宝 贵 的 投 资 和 积 累 有 形 、 无 形 、 u 用 户 业 务 的 延 续 性 不 允 许 出 现 大 的 跌 宕 起 伏 结 构 清 晰简 化 设 计 与 实 现便 于 更 新 与 维 护较 强 的 独 立 性 和 适 应 性 对 于 复 杂 的 网 络 系 统 ， 用 什 么 方 法 能 合 理 地 组 织网 络 的 结 构 ， 以 达 到 ：解 决 ： 分 而 治 之 ！ 一 个 生 活 中 的 例 子 ： 信 件 的 邮 递 分 层 的 网 络 体 系 结 构分 层 的 基 本 思 想每 一 层 都 在 它 的 下 层 提 供 的 服 务 基 础 上 提 供 更 高 级 的 增值 服 务 ， 而 最 高 层 提 供 能 运 行 分 布 式 应 用 程 序 的 服 务 。 层次化方法在其它领域的应用 程 序 设 计 把 一 个 大 的 程 序 分 解 为 若 干 个 层 次 的 小 模 块 来 实 现 ， 如 操 作 系 统 。瀑 布 模 型 把 软 件 生 命 周 期 划 分 为 八 个 阶 段 :问 题 的 定 义 、 可 行 性 研究 、 软 件 需 求 分 析 、 系 统 总 体 设 计 、 详 细 设 计 、 编 码 、 测 试 和 运行 、 维 护 邮 政 系 统 邮 递 员 、 邮 政 分 局 、 邮 政 总 局 、 邮 政 运 输 银 行 系 统 物 流 系 统 。 。 。 1. 计算机网络体系结构的定义 计 算 机 网 络 中 也 采 用 了 分 层 方 法 。 把 复 杂 的 问 题 划 分 为若 干 个 较 小 的 、 单 一 的 局 部 问 题 ， 在 不 同 层 上 予 以 解 决 。 网 络 的 层 次 结 构 方 法 要 解 决 的 问 题 ： 网 络 应 该 具 有 哪 些 层 次 ？ 每 一 层 的 功 能 是 什 么 ？ （ 分 层 与 功 能 ） 各 层 之 间 的 关 系 是 怎 样 的 ？ 它 们 如 何 进 行 交 互 ？ （ 服 务 与 接 口 ） 通 信 双 方 的 数 据 传 输 要 遵 循 哪 些 规 则 ？ （ 协 议 ） 计 算 机 网 络 中 ， 层 、 协 议 和 层 间 接 口 的 集 合 被 称 为 计 算 机 网络 体 系 结 构 。 换 句 话 说 ： 体 系 结 构 包 括 三 个 内 容 ： 分 层 结 构 与 每 层 的 功 能 ， 服务 与 层 间 接 口 ， 协 议 。 最 早 的 网 络 体 系 结 构 源 于 IBM的 SNA； 其 它 的 网 络 体 系 结 构 还 有 DEC的 DNA等 由 国 际 化 标 准 组 织 ISO制 定 的 网 络 体 系 结 构 国 际 标 准 是OSI/RM； 实 际 中 应 用 最 广 泛 的 是 TCP/IP体 系 结 构 事 实 上 的 标 准 网络分层体系结构P3P2P1 2 1 3 2 1物 理 通 信 线 路 3 N+1 N N-1 N+1 N N-1Pn-1PnPn+1系 统 A 系 统 B l网 络 中 的 任 何 一 个 系 统 都是 按 照 层 次 结 构 来 组 织 的l同 一 网 络 中 ， 任 意 两 个 端系 统 必 须 具 有 相 同 的 层 次l每 层 使 用 其 下 层 提 供 的 服务 ， 并 向 其 上 层 提 供 服 务l通 信 只 在 对 等 层 间 进 行（ 间 接 的 、 逻 辑 的 、 虚 拟的 ） ， 非 对 等 层 之 间 不 能互 相 “ 通 信 ”l实 际 的 物 理 通 信 只 在 最 底层 完 成lPn： 第 n层 协 议 ， 即 第 n层对 等 实 体 间 通 信 时 必 须 遵循 的 规 则 或 约 定2. 网络体系结构的分层原理 对等层通信的实质 网 络 分 层 体 系 结 构 原 理 禁 止 不 同 主 机 的 对 等 层 之 间 进 行 直 接通 信 。v 实 际 上 ， 每 一 层 必 须 依 靠 下 层 提 供 的 服 务 来 与 另 一 台 主 机 的对 等 层 通 信 。上 层 使 用 下 层 提 供 的 服 务 Service user；下 层 向 上 层 提 供 服 务 Service provider。v第 n+1层 是 第 n层 的 服 务 用 户 ， 第 n-1层 是 第 n层 的 服 务提 供 者v第 n层 的 服 务 也 依 赖 于 第 n-1层 以 及 以 下 各 层 的 服 务 v 例 ： 邮 政 通 信 对等通信例：两个人收发信件 问 题 ： 收 信 人 与 发 信 人 之 间 、 邮 局 之 间 ， 他 们 是 在 直 接 通 信 吗 ？ 邮 局 、 运 输 系 统 各 向 谁 提 供 什 么 样 的 服 务 ？ 邮 局 、 收 发 信 人 各 使 用 谁 提 供 的 什 么 服 务 ？信 件 内 容邮 件 地 址货 物 地 址发 信 人 邮 局运 输 系 统信 件 内 容邮 件 地 址货 物 地 址 收 信 人对 信 件 内 容 的 共 识对 信 件 如 何 传 递 的 共 识对 货 物 如 何 运 输 的 共 识P3P2P1公 路 ， 铁 路 ， 航 空邮 局运 输 系 统 对等层通信的实质 对 等 层 实 体 之 间 实 现 的 是 虚 拟的 逻 辑 通 信 ； 下 层 向 上 层 提 供 服 务 ； 上 层 依 赖 下 层 提 供 的 服 务 来 与其 它 主 机 上 的 对 等 层 通 信 ； 实 际 通 信 在 最 底 层 完 成 。 3 2 1 N+1 N N-1 2 1 3 N+1 N N-1 源 进 程 传 送 消 息 到 目 标 进程 的 过 程 ： 消 息 送 到 源 系 统 的 最 高 层 ； 从 最 高 层 开 始 ， 自 上 而 下逐 层 封 装 ； 经 物 理 线 路 传 输 到 目 标 系统 ； 目 标 系 统 将 收 到 的 信 息 自下 而 上 逐 层 处 理 并 拆 封 ； 由 最 高 层 将 消 息 提 交 给 目标 进 程 。 目 标 进 程源 进 程 P3P2P1物 理 通 信 线 路Pn-1PnPn+1消 息 消 息逻 辑 通 信 在各层中实现的主要功能差 错 控 制 使 对 等 层 的 通 信 更 加 可 靠流 量 控 制 控 制 发 送 端 的 速 率 ， 使 接 收 端 能 来 得 及 接 收分 段 和 重 装 发 送 端 将 数 据 块 分 成 更 小 的 单 位 ， 并 在 接 收 端 重 新 组 合复 用 和 分 用 多 个 高 层 的 对 等 层 通 信 会 话 复 用 一 条 低 层 连 接 建 立 连 接 和 释 放 连 接 3. 通信协议 人 际 交 流 的 协 议 : 人 类 之 间 “ 我 有 一 个 问 题 .” “现 在 几 点 了 ?” 说 明 发 送 的 消 息 说 明 接 收 到 某 消 息后 所 应 采 取 的 行 动 说 明 动 作 的 次 序 协 议 ： 定 义 网 络 实 体 间 发 送 和 接 收报 文 的 格 式 、 顺 序 以 及 当 传送 和 接 收 消 息 时 应 采 取 的 行动 。 （ 语 义 、 语 法 和 时 序 ） HiHiWhats thetime?2:00 请 求 连 接传 送 文 件 ： xxxxx.xxxtime 连 接 确 认 通信协议的三要素语 义 对 协 议 中 各 协 议 元 素 的 含 义 的 解 释 ， 例 如 ：在 HDLC协 议 中 ， 标 志 Flag(7EH)表 示 报 文 的 开 始 和 结 束在 BSC协 议 中 ， SOH(01H)表 示 报 文 的 开 始 ， STX(02H)表 示 报 文正 文 的 开 始 ， ETX(03H)表 示 报 文 正 文 的 结 束语 法 协 议 元 素 与 数 据 的 组 合 格 式 ， 即 报 文 格 式 。 例 如 ： 时 序 通 信 过 程 中 ， 通 信 双 方 操 作 的 执 行 顺 序 和 规 则Flag Address Ctrl Data FCSS FlagSOH HEAD STX TEXT ETX BCCBSCHDLC 确 认释 放 连 接释 放 确 认释 放 确 认连 接 确 认数 据连 接 请 求 连 接 确 认t t 时 序 例 释 放 连 接数 据 传 输建 立 连 接 网 络 体 系 结 构 中 ： 每 层 可 能 会 有 若 干 个 协 议 一 个 协 议 只 属 于 一 个 层 次协 议 可 以 由 软 件 或 硬 件 来 实 现 ： 网 络 通 信 协 议 软 件 、 网 络 驱 动 程 序 网 络 硬 件常 用 协 议 组 ： TCP/IP（ Windows、 Unix、 Linux、 ） NetBEUI（ Windows） IPX/SPX（ NetWare、 Windows） 协议数据单元（PDU） 网 络 体 系 结 构 中 ， 对 等 层 之 间 交 换 的 信 息 报 文 统 称 为 协 议 数据 单 元 （ Protocol Data Unit， PDU） 。 传 输 层 及 以 下 各 层 的 PDU另 外 还 有 各 自 特 定 的 名 称 ： 传 输 层 段 （ Segment） 网 络 层 分 组 /包 （ Packet） 数 据 链 路 层 帧 （ Frame） 物 理 层 比 特 （ Bit） PDU由 协 议 控 制 信 息 （ 协 议 头 ） 和 数 据 （ SDU） 组 成 : 协 议 头 部 中 含 有 完 成 数 据 传 输 所 需 的 控 制 信 息 : 地 址 、 序 号 、 长 度 、 分 段 标 志 、 差 错 控 制 信 息 、 协 议 控 制 信 息 数 据 （ SDU） 下 层 把 上 层 的 PDU作 为 本 层 的 数 据 加 以 封 装 ， 然 后加 入 本 层 的 协 议 头 部 （ 和 尾 部 ） 形 成 本 层 的 PDU。 封 装 ： 就 是 在 数 据 前 面 加 上 特 定 的 协 议 头 部 。因 此 ， 数 据 在 源 站 自 上 而 下 递 交 的 过 程 实 际 上 就 是不 断 封 装 的 过 程 。 到 达 目 的 地 后 自 下 而 上 递 交 的 过程 就 是 不 断 拆 封 的 过 程 。 类 比 ： 发 送 信 件 数 据 在 传 输 时 ， 其 外 面 实 际 上 要 被 包 封 多 层 “ 信 封 ” 。数 据协 议 头 数 据N+1层 PDUN层 PDU 数据多层封装数 据 段 头 数 据 段 头 数 据分 组 头帧 头 段 头 数 据分 组 头 帧 尾 封 装 段分 组帧拆 封 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 尾实 例 ： TCP/IP协 议 的 封 装 过 程应 用 层 传 输 层 网 络 层 链 路 层 在 目 的 站 ， 某 一 层 只 能 识 别 由 源 站 对 等 层 封 装 的 “ 信 封 ” ，而 对 于 被 封 装 在 “ 信 封 ” 内 部 的 “ 数 据 ” 仅 仅 是 拆 封 后 将 其提 交 给 上 层 ， 本 层 不 作 任 何 处 理 。 每 一 层 只 处 理 本 层 的 协 议 头 部 ！ 1.3.2 OSI/RM与TCP/IP体系结构OSI/RM的 体 系 结 构 分 为 7层应 用 层 Application表 示 层 Presentation会 话 层 Session传 输 层 Transport物 理 层 Physical数 据 链 路 层 Data Link网 络 层 Network7654321 为 网 络 应 用 提 供 服 务数 据 表 示在 用 户 间 建 立 会 话 关 系不 同 主 机 进 程 间 的 通 信在 主 机 间 传 输 分 组在 节 点 间 可 靠 地 传 输 帧位 流 的 透 明 传 输 TCP/IP体 系 结 构 分 为 4层 ： 应 用 层 传 输 层 网 际 层 网 络 接 口 层 数 据 链 路 层 物 理 层 applicationtransportinternetnetwork interface data linkphysicalv 注 ： TCP/IP体 系 结 构 有 时 也 采 用 5层 表 示 方 法 ， 即 用 数据 链 路 层 和 物 理 层 代 替 网 络 接 口 层 。 TCP/IP与 OSI/RM的 对 应 关 系 OSI/RM和 TCP/IP相 结 合 的 5层 结 构 原 理 体 系 结 构 ： 应 用 层 、 传 输 层 、 网 络 层 、 数 据 链 路 层 和 物 理 层应 用 层表 示 层会 话 层传 输 层物 理 层数 据 链 路 层网 络 层7654321 OSI/RM 应 用 层传 输 层网 络 接 口 层网 际 层TCP/IP PPP, HDLC, FDDI, Ethernet, 802.3, 802.5等 等TCP/IP支 持所 有 标 准 的 物理 层 和 数 据 链路 层 协 议 1.3.3 体系结构各层概述物 理 层 （ physical layer） 任 务 ： 在 物 理 媒 体 (介 质 )上 正 确 地 、 透 明 地 传 送 比 特 流 。 协 议 (标 准 )： 规 定 了 物 理 接 口 的 各 种 特 性 ：机 械 ： 物 理 连 接 器 的 尺 寸 、 形 状 、 规 格电 气 ： 信 号 电 平 ， 信 号 的 脉 冲 宽 度 和 频 率 ， 数 据 传 送 速 率 ， 最 大 传输 距 离 等 功 能 ： 接 口 引 （ 线 ） 脚 的 功 能 和 作 用规 程 ： 信 号 时 序 ， 应 答 关 系 ， 操 作 过 程 功 能 ： 建 立 和 拆 除 物 理 连 接 、 位 流 传 输 、 管 理 例 ： RS-232、 RS-449、 V.24、 V.35、 G.703/G.704 数 据 链 路 层 （ data link layer） 任 务 ： 在 两 个 相 邻 节 点 间 可 靠 地 传 输 数 据 ， 使 之 对 网 络 层 呈 现 为一 条 无 错 的 链 路 。 功 能 与 服 务 ：建 立 与 拆 除 数 据 链 路 连 接组 帧 ： 帧 封 装 ， 按 顺 序 传 送 ， 处 理 返 回 的 确 认帧 ；定 界 与 同 步 ： 产 生 /识 别 帧 边 界 ；差 错 检 测 /恢 复 ： 可 靠 的 传 输 ， CRC， ARQ； 流 量 控 制 ： 抑 止 发 送 方 的 传 输 速 率 ， 使 接 收 方来 得 及 接 收 。 协 议 ： 两 类 面 向 字 符 的 ： 数 据 以 字 符 为 单 位 传 输 ， 用 控 制 字 符 控 制 通 信 IBM的 BSC规 程 (二 进 制 同 步 控 制 规 程 ) 面 向 比 特 的 ： 数 据 以 位 为 单 位 传 输 ， 用 帧 中 的 控 制 字 段 控 制 通 信 ISO的 HDLC规 程 共 享 信 道 问 题 (LAN or Wireless)： 如 何 控 制 对 共 享 信 道 的 访 问 ？ 将 数 据 链 路 层 划 分 为 逻 辑 链 路 控 制 (Logical Link Control, LLC)和 介 质 访问 控 制 (Media Access Control, MAC)两 个 子 层 ， 由 MAC子 层 解 决 共 享 介质 访 问 控 制 问 题 。 LAN使 用 的 两 种 主 要 介 质 访 问 控 制 方 法 ： CSMA/CD TOKEN RING 链 路 层 的 任 务 两 节 点 间 可 靠 的 数 据 传 输Ethernet, X.25, ATM, 网 络 层 （ network layer， internet layer） 任 务 ： 选 择 合 适 的 路 由 ， 把 分 组 从 源 端 传 送 到 目 的 端 。 功 能 与 服 务 ：在 源 端 与 目 的 端 之 间 建 立 、 维 护 、 终 止 网 络 的 连 接路 由 选 择 和 分 组 中 转流 量 控 制 和 拥 塞 控 制多 路 复 用 ： 为 多 个 传 输 层 实 体 提 供 网 络 连 接 服 务分 段 与 组 合 ： 大 数 据 块 分 段 ， 小 数 据 块 组 合 差 错 检 测 与 恢 复流 量 统 计 和 记 账 IP协 议 RFC 791： RFC(Request For Comments)“请 求 注 解 ” , 提 供 无 连 接 的 数 据 报 服 务 路 由 选 择如 何 在 多 条 通 信 路 径 中 找 一 条 最 佳 路 径 ？ 依 据 ： 速 度 , 距 离 (步 跳 数 ), 价 格 , 拥 塞 程 度路 由 器 中 路 由 表 的 建 立 与 维 护静 态 ： 人 工 设 置 ， 只 适 用 于 小 型 网 络动 态 ： 运 行 过 程 中 根 据 网 络 情 况 自 动 地 动 态 维 护路 由 算 法 建 立 与 维 护 路 由 表 的 方 法 距 离 向 量 算 法 ： RIP、 CGP等链 路 状 态 算 法 ： OSPF等 网 络 层 的 任 务 沿 两 端 点 间 的 最 佳 路 由 传 输 数 据（ 主 机 间 的 逻 辑 通 信 ）Ethernet, X.25, ATM, 传 输 层 （ transport layer） 任 务 ： 在 源 端 与 目 的 端 之 间 提 供 可 靠 的 透 明 数 据 传 输 ， 使 上 层 服务 用 户 不 必 关 系 通 信 子 网 的 实 现 细 节 。 传 输 层 的 特 点 以 上 各 层 ： 面 向 应 用 ， 本 层 及 以 下 各 层 ： 面 向 传 输 ； 与 网 络 层 的 部 分 服 务 有 重 叠 交 叉 ， 功 能 取 舍 取 决 于 网 络 层 功 能 的 强 弱 ； 只 存 在 于 端 主 机 中 ； 实 现 源 主 机 到 目 的 主 机 “ 端 到 端 ” 的 连 接 ； 在 这 一 点 上 与 网 络 层 的 区 别 是 什 么 ？v网 络 层 ： 为 主 机 之 间 提 供 逻 辑 传 输v传 输 层 ： 为 应 用 进 程 之 间 提 供 逻 辑 传 输 功 能 ：地 址 映 射 ：源 端 进 程 地 址 映 射 到 网 络 地 址 ， 或 反 之 ；多 路 复 用 与 分 割 ：多 个 传 输 连 接 共 用 一 条 网 络 连 接 ；一 条 传 输 连 接 使 用 多 个 网 络 连 接 ；进 行 数 据 分 段 并 在 目 的 端 重 新 组 装 ；传 输 连 接 的 建 立 与 释 放 ； 提 供 “ 面 向 连 接 ” 和 “ 无 连 接 ” 两 种 服 务 ：TCP/IP协 议 ： TCP和 UDP（ 用 户 数 据 报 协 议 无 连 接 的 ）传 输 差 错 校 验 与 恢 复 ；流 量 控 制 ， 防 止 数 据 传 输 过 载 。 传输层两种服务的比较Connection Oriented Connectionless参 考 模 式 电 话 系 统 邮 政 系 统特 点 静 态 分 配 资 源 ； 传 输前 需 要 建 立 连 接 动 态 分 配 资 源可 靠 性 提 供 可 靠 的 传 输 服 务 ： 无错 、 按 序 、 无 丢 失 /无 重 复 不 能 防 止 报 文 的 损 坏 、 失序 、 丢 失 和 重 复对 目 的 地 址 的 要 求 仅 在 连 接 阶 段 需 要 完 整 的目 的 地 址 需 要 为 每 一 个 报 文 提 供 完整 的 目 的 地 址适 用 场 合 在 一 段 时 间 内 向 同 一 目 的 地发 送 大 量 报 文 ; 实 时 性 要 求 少 量 零 星 报 文 分 类 及 示 例 1.可 靠 消 息 流 - 文 件 传 输2.可 靠 字 节 流 - 远 程 登 录3.不 可 靠 连 接 - 数 字 化 声 音 1.数 据 报 - 广 播 /组 播2.可 靠 的 数 据 报 - 挂 号 邮 件3.请 求 应 答 - 数 据 库 查 询 传输层与网络层的关系网 络 层 提 供 网 络 中 主 机 间 的 “ 逻 辑 通 信 ” ；而 传 输 层 提 供 主 机 中 的 进 程 间 的 “ 逻 辑 通信 ” 。二 者 之 间 的 差 别 ： 微 妙 而 又 重 要 类 比主 机 ： 单 位 的 传 达 室 进 程 ： 单 位 中 的 职 工应 用 层 报 文 ： 信 件 网 络 层 协 议 =邮 局 的 投 递 服 务 ， 只 负 责 递 送 到 传 达室 传 输 层 协 议 =传 达 室 的 收 发 服 务 ， 负 责 递 送 到 每 个职 工 网 络 层 的 任 务 沿 两 端 点 间 的 最 佳 路 由 传 输 数 据（ 主 机 间 的 逻 辑 通 信 ）Ethernet, X.25, ATM, 传 输 层 的 任 务 两 端 点 间 可 靠 的 透 明 数 据 传 输（ 应 用 进 程 间 的 逻 辑 通 信 ） 通 信 子 网 应 用 层 （ application layer） 任 务 ： 为 用 户 的 应 用 进 程 提 供 网 络 通 信 服 务 。 功 能 ： 提 供 各 种 不 同 的 应 用 协 议 以 满 足 应 用 进 程 的 需 求 ； 识 别 并 证 实 目 的 通 信 方 的 可 用 性 ； 使 协 同 工 作 的 应 用 进 程 之 间 进 行 同 步 ； 为 通 信 过 程 申 请 资 源 。 应 用 层 协 议 的 例 子 ： OSI: VTP、 MHS、 FTAM、 DS、 TCP/IP: Telnet、 SMTP、 FTP、 DNS、 HTTP、 TCP/IP体系结构 TCP/IP不 是 一 个 单 个 的 协 议 ， 而 是 由 数 十 个 具 有 层 次 结 构 的协 议 组 成 的 一 个 协 议 集 。 TCP和 IP是 该 协 议 集 中 的 两 个 最 重 要 的 核 心 协 议 。 TCP/IP是 Internet上 的 标 准 通 信 协 议 集 。 Message（ 报 文 ）Segment（ 段 ）Packet（ 分 组 ）Frame（ 帧 ）Bit（ 比 特 ）TCP/IP协 议 栈 PDU应 用 层HTTP, FTP, SMTP, DNS, Telnet, 传 输 层TCP, UDP网 际 (网 络 )层IP, ICMP, ARP, RARP网 络 接 口 层 (数 据 链 路 层 +物 理 层 )PPP, Ethernet, Token ring, ATM vTCP/IP的 体 系 结 构 层 次 TCP/IP的应用层应 用 层 协 议 为 文 件 传 输 、 电 子 邮 件 、 远 程 登 录 、 网络 管 理 、 Web浏 览 等 应 用 提 供 了 支 持 。有 些 协 议 的 名 称 与 以 其 为 基 础 的 应 用 程 序 同 名 。应 用 层传 输 层 网 络 接 口 层网 际 层 文 件 传 输 FTP、 TFTP、 NFS电 子 邮 件 SMTP、 POP3WWW应 用 HTTP远 程 登 录 Telnet、 rlogin网 络 管 理 SNMP名 字 管 理 DNS TCP/IP的传输层 传 输 层 的 主 要 功 能 ： 提 供 进 程间 可 靠 的 传 输 服 务 。 传 输 层 包 括 TCP和 UDP两 种 传输 协 议 ： TCP是 面 向 连 接 的 传 输 协 议 。 在 数 据 传 输 之 前 建 立 连 接 ； 把 报 文 分 解 为 多 个 段 进 行 传 输 ， 在目 的 站 再 重 新 装 配 这 些 段 ； 必 要 时 重 新 传 输 没 有 收 到 或 错 误 的段 ， 因 此 它 是 “ 可 靠 ” 的 。 UDP是 无 连 接 的 传 输 协 议 。 在 数 据 传 输 之 前 不 建 立 连 接 ； 对 发 送 的 段 不 进 行 校 验 和 确 认 ， 因此 它 是 “ 不 可 靠 ” 的 ； 主 要 用 于 请 求 /应 答 式 的 应 用 和 语音 、 视 频 应 用 。 应 用 层传 输 层网 络 接 口网 际 层 面 向 连 接 的 TCP无 连 接 的 UDP使 用 UDP时 ，可 靠 性 问 题 由应 用 层 协 议 解决 。使 用 TC 时 ，可 靠 性 问 题 在传 输 层 已 经 解决 。 HTTPFTP SMTP TFTPDNSTelnet SNMP21 23 25 53 69 161TCP UDP应 用 层传 输 层TCP和 UDP都 用 端 口 (port)号 来 识 别 应 用 层 实 体 ， 以便 准 确 地 把 信 息 提 交 给 上 层 对 应 的 协 议 （ 进 程 ） 。port80 TCP/IP的网际（网络）层主 要 功 能 是 把 数 据 报 通 过 最 佳 路 径 送 到 目 的 端 。 寻 址 （ IP地 址 ） 、 路 由 选 择 、 封 包 /拆 包网 际 层 的 核 心 协 议 IP， 提 供 了 无 连 接 的 数 据 报传 输 服 务 （ 不 保 证 送 达 ， 不 保 序 ， 不 保 证 无 错 ） 。 传 输 前 不 需 建 立 连 接 提 高 了 传 输 效 率网 际 层 是 网 络 转 发 节 点 （ 如 路 由 器 ） 上 的 最 高 层 。 网 络 节 点 设 备 不 需 要 传 输 层 和 应 用 层 网 际 层 的 其 它 重 要 协 议 ： ICMP（ Internet Control Message Protocol） 传 递 控 制 消 息 可 达 性 测 试 传 送 路 由 状 态 信 息 超 时 通 知 不 可 达 通 知 封 装 在 IP中 进 行 传 输 ARP（ Address Resolution Protocol） 为 已 知 的 IP地 址 确 定 相 应 的 MAC地 址 RARP（ Reverse Address Resolution Protocol） 为 已 知 的 MAC地 址 确 定 相 应 的 IP地 址 IGMP（ Internet Group Management Protocol） 多 播 组 管 理 网际层的四个主要协议应 用 层传 输 层网 络 接 口网 际 层 IP ICMP ARP RARP TCP UDP6 17IP传输层网际层 IP分 组 中 的 协 议 域 确 定 目 的 端 的 上 层 协 议 TCP/IP的网络接口层 没 有 定 义 任 何 实 际 协 议 ， 仅 定 义 了 网 络 接 口 任 何 已 有 的 数 据 链 路 层 协 议 和 物 理 层 协 议 都 可 以 用 来 支 持TCP/IP 典 型 的 例 子 ： Ethernet、 Token Ring、 HDHL、 X.25、 ATM 优 点 ： 适 应 性 强 、 灵 活 缺 点 ： 不 能 利 用 已 存 在 的 某 些 有 用 的 功 能 TCP/IP总 是 认 为 其 下 层 是 不 可 靠 的 （ 尽 管 可 能 已 经 足 够 可 靠 ） 1.4 计 算 机 网 络 的 分 类1.4.1 按 拓 扑 结 构 分 类1) 总 线 结 构2) 星 型 结 构3) 环 型 结 构 4) 网 状 结 构 1） 总 线 结 构 各 个 节 点 设 备 和 一 根 总 线 相 连 结 构 简 单 、 灵 活 ， 可 扩 充 性 能 好 成 本 低 、 安 装 使 用 方 便 实 时 性 较 差 连 接 节 点 的 数 目 有 限 2） 星 型 结 构 各 工 作 站 以 星 型 方 式 连 接 起 来 的 通 信 传 输 速 度 快