计算机网络原理

,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,计算机网络原理,任课教师：陈妍,计算机系统结构与网络研究所,计算机网络原理,教师,陈妍,学时,总学时,56,（上课,48+,上机,8+,自学）,联系方式,phone: 2668642(2668649)-8003,E-mail:,chenyan,教材及参考书,使用教材：,计算机网络,（,第三版）,Andrew S.,Tanenbaum,著，清华大学出版社,主要参考书目：,1,、,计算机网络原理,（,第二版） 李增智、陈妍编著，西安交 通大学出版社,2,、,计算机网络,（,第二版） 谢希仁等著，电子工业出版社,3,、,计算机网络自顶向下方法与,Internet,特色,James F.Kurose,高等教育出版社,答 疑,时间：每周五 下午,7,，,8,节课,答疑地点：,1-6,周 西一楼,432,房间,答疑教师：王志文,7-18,周西一楼,447,房间,答疑教师：朱海萍，陈妍,使用,email,答疑,课程的任务、目的和基本要求,了解计算机网络的基本概念,掌握计算机网络各层协议的基本工作原理及其所采用的技术,学会计算机网络的一些基本设计方法,对典型常用计算机网络的特点和具体实现有初步了解,为以后计算机网络及其应用的专题学习和研究打下基础,实验课：掌握计算机网络协议的基本实现技术,主要教学内容,第一章概述,第二章物理层,第三章数据链路层,第四章介质访问子层,第五章网络层,第六章运输层,第七章应用层,第八章复习,作业、实验和考试,作业,(5%),每次,1,分,实验,(15%),考试,(80%),期末，闭卷考试。,第一章 概 述,主要内容,计算机网络的一般概念,网络结构,网络体系结构,网络标准化组织,典型的参考模型,1.1,计算机网络的一般概念,1946,年 计算机的诞生,特征：计算机体积大、价格昂贵、计算能力强,1,.,以单处理机为中心的多终端联机系统,1952,年 美国半自动化地面防空系统（,SAGE,）,60,年代初 美国航空公司飞机订票系统,(SABRE-1),一、计算机网络发展的历史,以单处理机为中心的多终端联机系统,特征：以单处理机为中心的联机网络，集中式控制,缺点：主机负荷重，线路利用率低,2.,计算机,计算机网络,典型代表：,1969,年 美国国防部高级计划研究局,ARPA,网,HOST,HOST,HOST,T,T,T,T,T,T,T,T,T,T,通信线路,分布式控制,单主机终端网络的互联，形成多主机为中心的网络,网络结构从“主机终端” 转变为“主机主机”,2.,计算机,计算机网络（续,1,）,通信任务从主机中分离,CCP,通信控制处理机，专门处理主机之间的通信任务,CCP,CCP,HOST,HOST,T,T,T,T,T,T,CCP,HOST,T,T,通信线路,2.,计算机,计算机网络（续,2,）,网络分层思想,资源子网,服务器，客户计算机,通信子网,通信线路,网络互连设备（交换机，路由器，,HUB,等）,由,CCP,组成的传输网络,通信子网,，为资源子网提供信息传输服务。,公用数据通信网,HOST,HOST,T,T,T,T,T,T,HOST,T,T,T,T,3.,标准化网络,1970,年代开始的标准化网络,厂商标准：,IBM-SNA,DEC-DNA,国际标准：,ISO-OSI/RM,事实标准：,TCP/IP,PC,出现和局域网的普及,Internet,的飞速发展,二,.,计算机网络的定义,计算机网络的定义,物理结构：用通信线路和设备将地理上分散的计算 机连成一个整体,计算机网络的目的：共享资源,连接手段：在通信协议的控制下,与分布式系统的区别,LAN,以,共享资源,为主要目的，各计算机独立工作，向用户呈现,分散,系统。,分布式系统以,提高整体性能,为主要目的，,强调多计算机系统的整体性,，各计算机协调自治工作，向用户呈现,整体,系统,三,.,计算机网络的应用,用于企业的网络,资源共享,提高可靠性,节约经费,通信手段,服务于公众的网络,访问远程信息,个人间通信,交互式娱乐,1.2,计算机网络的结构,一、网络分类,从地域范围角度：,1.,局域网络,LAN ( Local Area Networks ),2.,城域网络,MAN( Metropolitan Area Networks ),3.,广域网络,WAN( Wide Area Networks ),从采用技术角度：,1.,无线网络,( Wireless Networks ),2.,卫星网络,3,. ATM,网络,.,二、拓扑结构,1,拓扑结构的定义,采用拓扑学的方法抽象的网络结构，研究计算机网络中“点”和“线”构成的几何图形。,2,几种主要的拓扑结构,1,）,总线型拓扑结构,特点：由所有节点连接到一条传输介质上,总线型拓扑,优点,：,电缆长度短，布线容易,易于扩充,缺点,：,节点发生故障将导致整个网络瘫痪,故障扩散,故障定位排除困难,星型拓扑,优点：,建网灵活,便于集中式控制,除中央节点外其它节点发生故障不扩散， 易定位排除,缺点：,电缆长度长难安装,依赖于中央节点,特点：,由中央节点和通过点到点链路连接到中央节点的各节点所组成。,环型拓扑,优缺点与总线型拓扑类似,优点：,适合采用光纤,缺点：,对环路的可靠性依赖性强,特点：,首尾相连的总线型拓扑结构,树型拓扑,特点：,形状为一棵倒置的树，由根和叶节点组成。,树形结构是总结型结构的扩展，它是在总线网上加上分支形成的。,优点：,属于分层网，具有一定容错能力，一般一个分支和结点的故障不影响另一分支结点的工作。,缺点：,属于集中式控制，对上层节点倚赖。,网状型拓扑,在广域网中没有明晰的拓扑结构，其特征为任两个节点间的数据传送都要经过其它节点或网络的转接；任两个节点间都有两条以上的链路可供选择。,优点：,可靠性高,缺点：,通信线路冗余，浪费大,传输效率低,三、传输技术,1.,点到点通道,基本特点：,一条线路连接二台网络互连设备（点到点）,一般情况下，二台计算机的传输要经过多台网络互连设备,一般情况下，二台计算机的传输有多条路径可供选择,一般情况下，采用存储转发方式进行信息传输,关键技术：,路由选择,( Routing ),三、传输技术（续,1,）,2.,广播通道,基本特点：,多台计算机共享一条通信信道,任一台计算机发出的信息可以直接被其它计算机接收,两个以上节点同时发送会产生冲突,关键技术：介质访问控制方法,1.3,计算机网络体系结构,一、研究方法,协议分层,例子：两个哲学家讨论哲学问题,问题：,两个哲学家使用不同的语言,两个哲学家位于不同的国家,哲学知识,翻译,通信,哲学家,翻译,秘书结构,分层优点,各层独立。,每一层不需要知道下层是如何实现的，只需要知道层间的接口和所提供的服务。,灵活性好。,当任意层发生变化时，只要接口不变，上下层均不受影响。,结构上分开。,各层可采用最适合的技术。,易于实现和维护。,促进标准化。,由于每一层及其提供的服务都有明确的定义。,分层原则,根据功能需要分层,每层的功能明确,每层的功能选择有利于制定国际标准,每层的接口信息量尽可能少,层数足够多：避免不同的功能混于同一层,层数不能太多：避免体系结构过于庞大,二、网络体系结构,研究方法,按功能抽象分层,定义层间的接口和提供的服务,定义同层间通信的规则,协议,网络体系结构的定义,层,服务,协议,三、网络体系结构的描述,( 1),(N),层和,(N),实体,(N),层,：指在网络体系结构中的某特定层,(N+1),层：指,(N),层的相邻上层,(N-1),层：指,(N),层的相邻下层,(N+1),层和,(N-1),层的提出主要是研究,(N),层与其相邻上层、下层的关系。,(N),实体,：,(N),层中具有数据收发能力的活动单元。一般就是该层的软件进程或者实现该层协议的硬件单元。,(N),对等实体,(,同等实体,),：,位于不同子系统的同一层的实体间的互称。,三、网络体系结构的描述,( 2),2.,服务、协议和连接,服务,Service,：,(N),实体向,(N+1),实体提供的相互通信的能力 。是,(N+1),实体能看见的,(N),实体提供的功能集合，包括：,(N),实体自己提供的某些功能。,从,(N-1),层及以下各层及本地系统得到的服务。,通过与对等实体通信而得到的功能,协议,protocol,：,计算机网络同等层次中，通信双 方进行信息交换时必须遵守的规则。,协议的组成：,1.,语法（,syntax),：,以二进制形式表示的命令和相应的结构,2.,语义（,semantics),：,由发出的命令请求，完成的动作和回送的响应组成的集合,3.,定时关系（,timing),：,有关事件顺序的说明,连接,connection,(N),连接,：,(N+1),实体利用,(N),实体提供的服务而建立的联系。,(N+1),层对等实体要进行通信必须通过相邻下层以及下面各层通信来完成，即调用相邻下层的服务来完成。,协议与连接,服务提供者,service provider,和服务用户,service user,(N),服务提供者：,提供,(N),服务的下一层实体。,直接的,(N),服务提供者：,(N),层实体。,间接的,(N),服务提供者：,(N),层及其以下各层的实体。,(N),服务用户,：,接受,(N),服务的上一层实体。,直接的,(N),服务用户：,(N+1),层实体。,间接的,(N),服务用户：,(N+1),层及其以上各层的实体。,服务访问点,SAP,服务访问点,SAP,（,Service Access Point,）,任何层间服务是在接口的,SAP,上进行的；,每个,SAP,有唯一的识别地址；,每个层间接口可以有多个,SAP,。,数据单元,Data Unit,在网络中信息传送的单位，称为数据单元。,对等实体在协议的控制下交换信息,相邻层实体按服务交换信息,数据单元包括：,协议数据单元,PDU,接口数据单元,IDU,服务数据单元,SDU,协议数据单元,PDU,定义：不同系统,(N),对等实体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,。,(N)PDU,的具体格式如下：,(N) PCI (N),用户数据,(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。,(N),用户数据为,(N),层实体为提供,(N),服务而传送的信息。,考虑到协议的要求，如时延、效率等因素，,(N)PDU,的大小一般都有一定的长度要求。,(N)PDU,与,(N+1)PDU,的关系,（,N+1)PDU,(N) PCI,(N),用户数据,接口数据单元,IDU,定义：在同一系统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,。,(N)IDU,的具体格式如下：,(N) ICI (N),接口数据,(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。,(N)ICI,只对,PDU,通过接口时有作用，进入下层后丢弃。,(N),接口数据为通过接口传送的信息内容。,服务数据单元,SDU,定义：,(N),服务用户所要求传递的逻辑数据单元称为,(N),服务数据单元,。,(N)SDU,与,(N)PDU,的用户数据部分的关系：,由于,(N)PDU,的大小一般都有一定的长度要求。因此，,(N)PDU,的用户数据部分可能是经过分段或合并的,(N)SDU,。,两者的关系为：,1:1,、,1:N,、,N:1,。,(N)SDU,(N)PCI (N)PCI,数据单元间关系,数据封装,服务分类和服务原语,1.,基于连接的服务和无连接服务,基于连接的服务,当使用服务传送数据时，首先建立连接，然后使用该连接传送数据。使用完后，关闭连接。特点：可靠，顺序性好。,无连接服务,直接使用服务传送数据，每个包独立进行路由选择。 特点：不可靠，顺序性差。,2.,服务原语,服务在形式上是由一组接口原语（或操作）来描述的。,当,(N+1),实体向,(N),实体请求,(N),服务时，服务提供者和服务用户间需要交流一些必要信息，以说明要求的服务的一些情况，这些信息既服务原语。,服务原语可分为四种类型：,请求（,Request,）,指示（,Indication,）,响应（,Response,）,确认（,Confirm,）,请,求,原,语,指,示,原,语,响,应,原,语,证,实,原,语,服,务,提,供,者,服,务,用,户,服,务,用,户,请,求,原,语,指,示,原,语,服,务,提,供,者,服,务,用,户,服,务,用,户,证实型服务,非证实型服务,一个具体的例子：,A,给,B,打电话,：,服务用户：,A,、,B,服务提供者：电信局,A,摘机拨号,A,向电信局发请求原语,B,电话铃响 电信局向,B,发指示原语,B,摘机,B,向电信局发响应原语,A,回铃声断 电信局向,A,发证实原语,1.4,网络标准化组织,1,一、,计算机网络的标准化,1.,电信标准,1865,年成立国际电信联盟,ITU,（,International Telecommunication Union,）,1947,年,ITU,成为联合国的一个组织，由三部分组成：,ITU- R,：,无线通信,ITU- T,：,电信标准，,1956 - 1993,年称为,CCITT,，,下设许多研究组,SG,，,研究组下设专题，例如：,Q42/SG VII,专门研究,OSI,参考模型。,ITU- D,：,开发,2.,国际标准,1946,年成立的国际标准化组织,ISO,负责制定各种国际标准，,ISO,有,89,个成员国家，,85,个其他成员。,ISO,有,200,多个技术委员会,TC,，,每个技术委员会下设若干分委员会,SC,，,每个分委员会由由若干工作组,WG,组成。,例如：,TC97 -,计算机和信息处理,TC97/SC21/WG1 - OSI,体系结构、概念性方案和形式描述,3.,其它标准化组织,ANSI,：,美国国家标准研究所，,ISO,的美国代表,NIST,：,美国国家标准和技术研究所，美国商业部的标准化机构,IEEE,：,发表行业标准。例如,IEEE 802,，,后成为,ISO 8802,。,ATM Forum,：,ATM,论坛,OIF,（,Optical Internetworking Forum,）,值得注意的是，,ITU - T,和,ISO,之间有很好的合作和协调。,4,、,Internet,标准,Internet,的标准特点，是自发而非政府干预的，称为,RFC,（,Request For Comments),。,1969,年,ARPANET,时就开始发布,RFC,，,至今已超过,3000,个。,1983,年成立,IAB,（,Internet Activities Board,）,1989,年在,IAB,下又成立了,IRTF,和,IETF,，,IETF,的各工作组负责组织提出相应的,RFC,建议。,1.5,典型计算机网络的参考模型 （,1,）,1. OSI (Open System Interconnection),参考模型,1983,年,ISO,的,OSI,模型正式成为国际标准。,1),物理层（,The Physical Layer,）,在物理线路上传输原始的二进制数据位（基本网络硬件）。,2),数据链路层（,The Data Link Layer,）,在有差错的物理线路上提供无差错的数据传输帧,（,Frame,）。,3),网络层（,The Network Layer,）,控制通信子网提供源点到目的点的数据传送分组,（,Packet,）。,4),运输层（,The Transport Layer,）,为用户提供端到端的数据传送服务。,5),会话层（,The Session Layer,）,为用户提供会话控制服务（安全认证）。,6),表示层（,The Presentation Layer,）,为用户提供数据转换和表示服务。,7),应用层（,The Application Layer,）,为用户提供访问,OSI,的接口。,对,OSI,的评价,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,Andrew S.,Tanenbaum,在书中评价,OSI,：,糟糕的提出时机,（,太晚,）,糟糕的技术（模型和协议都有缺陷,）,糟糕的实现（庞大，笨拙,，,缓慢）,糟糕的策略（政府和组织的官僚）,糟糕的提出时机,1.5,典型计算机网络的参考模型（,2,）,2. TCP/IP,参考模型,TCP/IP,协议是,Internet,网络的核心。,1),物理层：在物理线路上传输原始的二进制数据位。,2),数据链路层：在有差错的物理线路上提供无差错的数据传输。,*,TCP/IP,参考模型把第,1,层和第,2,层合起来称为：,Host-to- Network,主机,网络层,3) Internet,层（,网络层）：控制通信子网提供源点到目的点的,IP,包传送。,4),运输层：提供端到端的数据传送服务。,TCP,和,UDP,5),应用层：提供各种,Internet,管理和应用服务功能。,对,TCP/IP,的评价,TCP/IP,是,Internet,的支撑协议，是目前使用最广泛的协议。,TCP/IP,网络体系结构的主要优点：,简单、灵活、易于实现,充分考虑不同用户的需求,Andrew S.,Tanenbaum,在书中评价,TCP/IP,：,没有明显地区分出协议、接口和服务的概念,不通用，只能描述它本身,主机,-,网络层只是个接口,不区分物理层和数据链路层,有缺陷的协议很难被替换,本章,作业,计算机网络由哪些部分组成，什么是通信子网和资源子网？试述这种层次结构的特点以及各层的作用是什么？,为什么要研究网络体系结构与网络协议的标准化问题,?,一个完整的计算机网络的定义应包含哪些内容？,说明拓扑结构和信道连接方式的关系。,在,ISO/OSI,中使用了什么样的研究方法，这种方法的优点是什么？,说明服务和协议的区别和联系。,举例说明网络中数据封装的概念。,试说明为什么要引入服务原语。,