计算机网络-概论要点课件

计算机网络Computer NetworksCOURSE课程介绍前导课程:操作系统,程序设计,计算机通信等；后续课程:与数据库系统相结合,支撑信息系统及分布信息系统的技术.学习方法:注重概念和体系结构 vs 网络技术的复杂性了解新的、具体的网络技术 vs 网络技术的抽象性7/21/20242CN-Chapter1课程介绍教材计算机网络（第二版），谢希仁，电子工业出版社,1999.参考书计算机网络（中译本,第三版），Andrew S.Tanenbaum,熊桂喜等译，清华大学出版社。Computer Network:A system Approach,2E,Larry L.Peterson et al,(中英文版).Computer Networks and Internets,2E,Douglas E.Comer,(中英文版).7/21/20243CN-Chapter1第一章 概论1.1 计算机网络与信息时代1.2 计算机网络的发展 1.3 计算机网络的概念 1.4 计算机网络的类型1.5 计算机网络的应用1.6 协议与体系结构1.7 网络标准7/21/20244CN-Chapter11.1 计算机网络与信息时代18世纪-机械系统伴随工业革命19世纪-蒸汽机时代20世纪-关键技术之一：信息收集、处理和分布21世纪信息时代和生物技术=计算机网络成为信息社会的命脉和基础7/21/20245CN-Chapter11.1 计算机网络与信息时代美国的NII：国家信息基础结构；GII全球信息基础结构。信息高速公路。本课程主题：计算机网络：系统、概念、结构和设计7/21/20246CN-Chapter11.2 计算机网络的发展一、通信与计算机的结合联机系统主机远程终端传输设备电话线路电话交换。产生面向终端的计算机通信系统。电路交换的特点：预先分配传输带宽 通路需预先建立不适合突发式和间歇性的计算机数据传统的电路交换技术不适合计算机数据的传输7/21/20247CN-Chapter11.2 计算机网络的发展二、分组交换网的出现“存储转发”概念的提出(64.8)美国Rand公司的Paul Baran在其研究报告“论分布式通信”中提出。“分组”名词提出(66.6)NPL的Davies。分组交换的特点采用存储转发技术动态分配传输带宽，适合于传输突发性计算机数据不需事先建立直通的物理信道7/21/20248CN-Chapter11.2 计算机网络的发展二、分组交换网的出现7/21/20249CN-Chapter11.2 计算机网络的发展二、分组交换网的出现资源子网通信之网7/21/202410CN-Chapter11.2 计算机网络的产生与发展三、ARPANET60年代中期，美国DoD要建立在核战争中生存的指挥和控制网络。传统的电路交换认为不可靠。DoD属下的ARPA(Advanced Research Projects Agency)最终选择了分组交换网络。1969年12月，ARPANET投入运行。7/21/202411CN-Chapter11.2 计算机网络的发展三、ARPANETARPANET网的成功和发展使计算机网络的概念发生了根本变化。面向终端的计算机通信系统发展成为计算机网络系统。83年，ARPANET分解出军用部分：MILNET。7/21/202412CN-Chapter11.2 计算机网络的发展三、ARPANET86年，美国国家科学基金会NFS围绕六个大型计算机中心建立NSFNET，覆盖全美主要大学和研究机构。NSFNET和ARPANET互联，连接的计算机和用户指数增长。TCP/IP成为唯一的网络标准。80年代中期，人们开始把网络的集合看成是网际网internet，即Internet。7/21/202413CN-Chapter11.2 计算机网络的发展三、ARPANETInternet在中国又称“因特网”。90年，ARPANET被新的后续网络替代而正式关闭。如果一台机器运行TCP/IP协议栈，具有IP地址、并且能够向Internet上的所有其它机器发送IP分组，那么这台机器就在Internet上。7/21/202414CN-Chapter11.2 计算机网络的发展四、网络体系结构的形成74年，IBM的系统网络体系结构SNA。77年，ISO的开放系统互连参考模型OSI/RM。然而OSI/RM失败了。Internet用的是TCP/IP体系结构。本课程将关注于TCP/IP及其应用。7/21/202415CN-Chapter11.3 计算机网络的概念定义一：独立自治，相互连接的计算机集合。(an interconnected collection of autonomous computers)-Andrew S.Tanenbaum“Computer Network”自治的计算机：非主从关系、独立的计算机。联机系统不是计算机网络。7/21/202416CN-Chapter11.3 计算机网络的概念定义二：以资源共享为目的，利用通信手段将地域上相对分散的若干台独立计算机系统、终端设备和数据设备连接起来，并在协议的控制下进行数据交换的系统。资源子网通信子网一系列协议7/21/202417CN-Chapter11.3 计算机网络的概念分布系统与计算机网络的区别分布系统：多个自治计算机的存在对用户是透明的。OS选择最优处理器执行任务；查找和传送输入文件到目的处理器；并把结果送到合适的地方。它是用建立在网络之上的软件系统。网络：用户必须显式地登录到一台计算机上，显式地远程提交作业和移动文件。二者区别在于软件，而不是硬件。7/21/202418CN-Chapter11.4 计算机网络的类型一、按交换功能分类电路交换、报文交换、分组交换、混合交换。二、按传输技术分类广播网络网络上所有机器共享通信信道7/21/202419CN-Chapter11.4 计算机网络的类型小型本地网络一般用广播网络。本身具有Broadcasting and Multicasting能力.点到点网络机器按点连接构成的网络。大规模网络通常使用这种形式。三、按拓扑结构分类星、环、树、全连通、相切环、不规则7/21/202420CN-Chapter11.4 计算机网络的类型点到点网络拓扑结构7/21/202421CN-Chapter11.4 计算机网络的类型常见的广播式网络的拓扑结构:(a)bus;(b)ring7/21/202422CN-Chapter11.4 计算机网络的类型四、按规模分类7/21/202423CN-Chapter11.4 计算机网络的类型四、按规模分类LAN(Local Area Network)-局域网。MAN（Metropolitan Area Network)-城域网。范围处于广域网和局域网之间。WAN(Wide Area Network)-广域网。7/21/202424CN-Chapter11.4 计算机网络的类型五、按信道性质分类有线网络：双绞、电缆、光缆无线网络（wireless）无线网络与移动计算的联系和区别：移动计算可以不用无线网络，e.g.Hotel无线网络不仅仅支持移动计算：大楼里固定计算机的联网。7/21/202425CN-Chapter11.5 计算机网络的用途一、公司用途资源共享(sharing)程序、设备、数据高可靠性(reliability)文件和数据的多址备份；计算机资源的可替代。性价比高(saving money)计算机网络与大型机系统。7/21/202426CN-Chapter11.5 计算机网络的用途一、公司用途可扩展性(scalability)计算机能力和用户数量的扩展。与面向终端的系统相比，网络的扩展有明显优势。交流媒介(communication medium)雇员之间协作工作。7/21/202427CN-Chapter11.5 计算机网络的用途二、个人通信远程信息存取对远程数据库和Web信息的存取。个人之间的通信Email,视频会议，IP电话等。交互娱乐VoD、交互直播电视、观众远程参与的娱乐节目、多人实时仿真游戏。7/21/202428CN-Chapter11.6 协议与体系结构1.6.1 分层的网络体系结构复杂的计算机网络，其结构最好采用层次式。每一层建立在下层之上。层的目的是向上层提供一定的服务，屏蔽底层的细节。计算机网络各层及其协议的集合称为网络的体系结构(architecture)。7/21/202429CN-Chapter11.6.1 分层的网络体系结构示例：（邮局的例子）7/21/202430CN-Chapter11.6.1 分层的网络体系结构示例：7/21/202431CN-Chapter11.6.2 网络的原理体系结构1.层次划分OSI七层体系结构：复杂不实用，但概念清楚。相反，TCP/IP：协议广泛使用，但是模型不完整。综合的一种五层原理体系结构。7/21/202432CN-Chapter11.6.2 网络的原理体系结构原理体系结构7/21/202433CN-Chapter11.6.2 网络的原理体系结构物理层：在物理信道上透明传输原始比特机械、电气、过程特性数据单位：bit数据链路层在相邻节点提供无差错的数据传输功能帧损坏、丢失和重复问题；流量控制问题LAN中的共享信道访问（介质控制子层）数据单位：Frame7/21/202434CN-Chapter11.6.2网络的原理体系结构网络层子网的运行控制。仍然是机器之间的关系，但是涉及到源到目的之间的网络。路由选择问题（从源到目的）拥塞控制通信子网互连广播网络中，路由选择问题很简单，因此网络层很弱，甚至不存在数据单位：Packet7/21/202435CN-Chapter11.6.2网络的原理体系结构传送层在不同主机的进程之间提供可靠的、有效的数据传输流量控制问题（与低层不同）报文较长时，先分割为若干分组，交下层（网络层）传输。可靠的端到端服务13层：Chained；4层以上：End-end。数据单位：Message7/21/202436CN-Chapter11.6.2网络的原理体系结构应用层为用户的应用进程提供服务提供应用进程所需的信息交换和远地操作应用层不是解决用户各种具体应用的协议。例如：FTP，Telnet etc.7/21/202437CN-Chapter11.6.2网络的原理体系结构2.概念：实体、协议、服务、SAP实体（Entity）任何可发送或接收信息的硬件或软件进程。协议（Protocol）控制二个对等实体进行通信的的规则和约定(rules and conventions)语法：定义交换信息的格式语义：收发方的操作及过程。7/21/202438CN-Chapter11.6.2网络的原理体系结构7/21/202439CN-Chapter11.6.2网络的原理体系结构7/21/202440CN-Chapter11.6.2网络的原理体系结构对等(peer)层和对等实体在网络层次结构中任何的二个同等层。处于对等层中的实体为对等实体。接口（Interface）位于相邻二层之间。定义下层向上层提供的原语操作和服务。服务（Service）二个对等实体的通信使得本层能够向上层提供服务。7/21/202441CN-Chapter11.6.2网络的原理体系结构协议是“水平”的；服务是“垂直”的。服务原语通过层间交换一些命令，上层使用下层提供的服务。这些命令称为服务原语。Request,Indication,Response,Confirm服务访问点（SAP）同一系统中相邻二层实体交互的地方。n层SAP就是n+1层可以访问n层服务的地方。7/21/202442CN-Chapter11.6.2网络的原理体系结构SAP一种逻辑接口；Socket概念；从SAP获取服务。服务提供者和服务用户(service provider and service user)如果第n层向第n+1层提供服务，那么第n层为服务提供者，第n+1层为服务用户。7/21/202443CN-Chapter11.6.2网络的原理体系结构7/21/202444CN-Chapter11.6.2网络的原理体系结构7/21/202445CN-Chapter11.6.2网络的原理体系结构接口数据单元IDU：n+1层实体通过SAP把一个IDU传递给n层实体。IDU由SDU和接口控制信息ICI组成（例如SDU中的字节数）。服务数据单元SDU：是跨过网络传递给对等实体，然后向上交给n+1层的信息。即(N)服务所要传送的逻辑数据单元。协议数据单元PDU：对等层实体之间，为实现该层协议所交换的信息单元。7/21/202446CN-Chapter11.6.2网络的原理体系结构接口处层之间的关系7/21/202447CN-Chapter11.6.2 网络的原理体系结构7/21/202448CN-Chapter11.6.2 网络的原理体系结构N-SDUN-SDUN-PDUN-PDUN-PDUN-PDUN-PDUN-PDUN-SDUN-SDUN-SDUN-SDUsegmentationreassemblyN层SDU太大BlockingunblockingN层SDU太小7/21/202449CN-Chapter11.6.2 网络的原理体系结构3.面向连接服务与无连接服务(1)面向连接服务 （模拟电信系统）三个阶段：建立连接、数据传输、释放连接。服务类型可靠的面向连接服务报文序列：保持报文界限，e.g.页序列字节流：没有报文界限，e.g.远程登录不可靠的面向连接服务（e.g.音频流）7/21/202450CN-Chapter11.6.2 网络的原理体系结构(2)无连接服务 （模拟邮政系统）两实体通信前，不需先建立连接。服务类型不可靠数据报(datagram-telegram)不可靠无连接服务。（Best effort delivery）e.g.电子信函。证实交付可靠的数据报服务。每个报文得到一个应答。e.g.挂号邮件。请求回答发送端发送一个包含请求的数据报，应答数据报中包含回答。e.g.数据库查询。7/21/202451CN-Chapter11.6.3 TCP/IP系统结构四层：应用、传送、网际和网络接口层。7/21/202452CN-Chapter11.6.3 TCP/IP系统结构应用层为应用提供服务。e.g.Telnet,FTP,SMTP。传送层又称主机到主机层。面向连接的TCP(Transmission Control Protocol)无连接的UDP(User Datagram Protocol)数据单位：message,stream.7/21/202453CN-Chapter11.6.3 TCP/IP系统结构网际层无连接的网际协议IP(Internet Protocol)数据单位：packetICMP,ARP,RARP网络接口层无具体说明。只是说主机必须通过某些协议连接到网络上，以发送IP包。7/21/202454CN-Chapter11.6.3 TCP/IP系统结构TCP/IP模型中的协议和网络7/21/202455CN-Chapter11.6.4 OSI体系结构七层体系结构。在前面的原理体系结构中的应用层下增加两个层次：会话层和表示层会话层建立通信会话session，管理对话dialogue。例如：会话是单向的、双向的，还是同时进行的，非同时进行的？会话中断任何恢复？（e.g.传大文件时）7/21/202456CN-Chapter11.6.4 OSI体系结构表示层不象底层关心比特的可靠传输，它关心信息的语法和语义。例如，以标准的协商好的格式对数据编码。交换的数据在不同的国家、地区，不同的机器上，其格式是不同的。为了使这些计算机能够互相通信，交换的数据必须以一种抽象的方式定义，需要格式转换。7/21/202457CN-Chapter11.6.4 OSI体系结构OSI参考模型7/21/202458CN-Chapter11.6.4 OSI体系结构OSI模型是任何使用的？7/21/202459CN-Chapter11.7 网络标准两类标准：事实标准de facto(from the fact)：已有但是没有任何正式规划的标准。例如：IBM PC，TCP/IP法律标准de jure(by law)：由某个权威标准化团体采纳的正式合法标准。国际标准化权威机构：政府；民间。7/21/202460CN-Chapter11.7 网络标准一、电信业标准化组织ITU(International Telecommunication Union)国际电信联盟。三个分部：无线电通信(ITU-R)电信标准(ITU-T)电话和数据通信发展(ITU-D)5693年，ITU-T称为CCITT。7/21/202461CN-Chapter11.7 网络标准二、国际标准化组织ISO(International Standard Organization)1946年成立的民间（自愿非条约）组织IEEE(Institute of Electrical and Electronics Engineering)世界最大的专业组织，出版大量的杂志，举办会议，同时也制定标准。如IEEE 802系列。7/21/202462CN-Chapter11.7 网络标准三、Internet业标准化组织Suits vs Jeans and Military Uniform.早期的IAB(Internet Architecture Board)现在的IRTF(Internet Research Task Force)关注长期研究。IETF(Internet Engineering Task Force)关注短期工程问题。7/21/202463CN-Chapter11.8 计算机网络在中国CHINANET中国公用计算机互联网。电信CHINAGBN中国金桥信息网。吉通CERNET中国教育和科研网。清华CSTNET中国科学技术网。中科院7/21/202464CN-Chapter11.9 Summary计算机网络的定义？分布系统与计算机网络的区别？什么是网络体系结构？实体、协议、服务、SAP、接口、PDU?网络的分类?LAN和MAN是非交换的，而WAN是交换的。网络软件由协议组成。协议可以是面向连接的或无连接的。7/21/202465CN-Chapter11.9 Summary大多数网络支持协议分层，每一层为上层提供服务，并且使低层使用的协议的细节与它们隔离。协议栈通常是基于OSI模型或TCP/IP模型。本课程将按照5层原理模型讲解：物理层、数据链路层、网络层、传送层、应用层。7/21/202466CN-Chapter1