一章计算机网络概述

第一章 计算机网络概述本章主要介绍计算机网络的基础知识，包括计算机 网络的定义，计算机网络的发展史，计算机网络的功能，计算机网络的组成和分类；同时介绍了网络通信协议的概念以及OSI参考模型和Internet使用的TCP/IP协议。什么是计算机网络什么是计算机网络n 什么是计算机网络? 广义观点认为，计算机网络是计算机技术与通信技术相结合，实现信息传送，达到资源共享的系统。n随着计算机技术和通信技术的发展，其内涵也在发展变化。从资源共享的角度出发，美国信息处理学会联合会认为，计算机网络是以能够相互共享资源（硬件、软件、数据）的方式连接起来，并各自具备独立功能的计算机系统的集合。n简捷并且被广泛接受的定义:计算机网络是利用通信线路连接起来的相互独立的计算机的集合。n在理解计算机网络定义的时候，我们要注意3点：n（1）通信线路 通信线路也称为通信传输介质，可以是双绞线、电话线、同轴电缆、光纤这些线缆，也可以是微波、卫星等无线传输介质。n（2）相互独立 指网络上的任何一台计算机不能强制关闭或启动网络上的另外一台计算机，它们彼此没有主次之分。n（3）计算机的集合 所谓的计算机是指具有数据的处理和运算能力，这里是和终端相区别。计算机具有CPU，可以独立做运算和处理，但终端没有CPU，不能独立做运算和处理。 n计算机网络的发展经历了从终端与计算机之间的通信，计算机之间的通信到整个世界互联通信的发展过程，大致可以分成三个阶段。n计算机终端网络计算机终端网络计算机终端网络调制解调器调制解调器计算机计算机前端机前端机MMMM集中器集中器终端终端终端终端终端终端电话网电话网计算机通信网络计算机通信网络 通信子网通信子网CCPCCPCCPCCPHTTHHH资源子网资源子网计算机网络体系结构n1977年，ISO专门建立了一个委员会，在分析和消化己有网络的基础上，考虑到连网方便和灵活性等要求，提出了一种不基于特定机型、操作系统或公司的网络体系结构，即开放系统互连参考模型OSI/RM(OSIOpen System Interconnection)。但是由于OSI参考模型实现的复杂性和ARPAnet的迅速发展，TCP/IP协议逐渐得到了业界的广泛认可，成为了事实上的网络连接的标准协议，目前所有厂家生产的网络产品都采用了TCP/IP协议。计算机网络的组成计算机网络的组成计 算 机 网计 算 机 网络络网 络 硬网 络 硬件件通信线路通信线路(传输介传输介质质)网 络 软网 络 软件件客客 户户 机机服服 务务 器器网网 卡卡网络互连设备网络互连设备双双 绞绞 线线同同 轴轴 电电 缆缆光光 缆缆微微 波波卫卫 星星网络传输协议网络传输协议网络操作系统网络操作系统网络管理软件网络管理软件网络应用软件网络应用软件图图1.31.3 计算机网络的组成计算机网络的组成计算机网络的功能计算机网络的功能 1.数据通信2.资源共享资源：硬件、软件、数据、信道3.提高可靠性和可用性4.分布式处理计算机网络的分类计算机网络的分类计算机网络的分类方法很多，主要的方法有：1.根据网络的覆盖范围与规模（scale）分类。2.按网络拓扑结构分类。3.根据网络使用的传输技术分类。 4.按网络服务的对象分类。5.按节点之间的关系分类。6.按介质访问协议分类。按照联网的计算机之间的距离和网络覆盖面的不同，计算机网络可分为三类:n局域网（LAN一Local Area Network），n城域网（MAN一Metropolitan Area Network），n广域网（WAN一Wide Area Network）局域网局域网 (LAN)局域网：在一栋或相邻的几栋大楼内。、令牌环网( token ring)、光纤分布式数据接口FDDI、无线网等。，。下图是集线器连接的双绞线以太网。集线器( h u b)广域网广域网 (WAN)广域网：覆盖一个城市, 国家, 全球。ATM网, 帧中继网, X.25包交换网, 接口报文处理机互连的。，。交换机交换机交换机交换机工作站超级计算机服务器PC机因特网Internet网络的网络n起源于美国的因特网现已发展成为世界上最大的国际性计算机互联网 n网络(network)由若干结点(node)和连接这些结点的链路(link)组成。 n互联网是“网络的网络”(network of networks)。 n连接在因特网上的计算机都称为主机(host)。 网络与因特网n网络把许多计算机连接在一起。n因特网则把许多网络连接在一起。 (a)(b)网络互联网（网络的网络）结点链路Internet 和 Internet 的区别n以小写字母 i 开始的 internet（互联网或互连网）是一个通用名词，它泛指由多个计算机网络互连而成的网络。 n以大写字母I开始的的 Internet（因特网）则是一个专用名词，它指当前全球最大的、开放的、由众多网络相互连接而成的特定计算机网络，它采用 TCP/IP 协议族作为通信的规则，且其前身是美国的 ARPANET。Internet 的发展历史的发展历史年底建成4个结点的，这是第一个包交换网，也是Internet的开始。包交换理论是MIT的 Leonard Kleinrock 在60年代发展的。 ARPANET的 是第一个包交换路由器，由BBN公司建造，它们用租用的电话线连接。第一个IMP在1969年9月安装在UCLA，3个月后另三个安装在SRI, UCSB和Utah大学。1971年连接23个主机和15个IMP, 包括MIT、Harvard等。同年AlohaNet 在Hawaii大学建立, 它使用无线链路，在4个岛的计算机之间广播数据。Internet 的发展历史的发展历史(续续)：研究试验阶段。ARPANET 原使用 提供主机到主机的可靠通信.。1972年 Robert Kahn 建议建立开放协议标准，1973年Vinton Cerf 和 Kahn 设计了 的第一个草案，后来决定把寻径、转发和可靠传输分成两层，即 和。1972年BBN的 Ray Tomlinson发明了 ，选符号连接用户名和地址。70年代中TCP/IP开始稳定。Internet 的发展历史的发展历史(续续) TCP/IP与Unix 的集成是驱动Internet的重要事件：DARPA资助项目将 TCP/IP 加到UCB的Unix，即 BSD Unix，即 Unix 的 public-domain 版本。文档标准变成运作软件，自由分发。TCP/IP 迅速繁殖，大学、公司开始建立 TCP/IP 网。.：Internet在教育、科研领域发展和使用。在80年代中NSF开始设计和建立横穿美国，连接5个超级计算中心和国家大气研究中心的国家主干网 ，并资助建立地区网。NSFNET代替ARPANET成为Internet的主干网。Internet 的发展历史的发展历史(续续) 1989年NSFNET主干网从原先的 升级到T1()，连接了上千个网。1990年主干网升级到T3 ()，ARPANET停止运转。Internet上的应用：email, ftp, telnet 到。1988年Internet被蠕虫入侵，影响6000到60000台主机，蠕虫事件后建立了计算机应急小组 ( omputer mergency esponse eam)。由公司提供主干网服务，NSF不能资助商业活动。因特网的组成 从因特网的工作方式上看，可以划分为以下的两大块：(1) 边缘部分 由所有连接在因特网上的主机组成。这部分是用户直接使用的，用来进行通信（传送数据、音频或视频）和资源共享。(2) 核心部分 由大量网络和连接这些网络的路由器组成。这部分是为边缘部分提供服务的（提供连通性和交换）。因特网的核心部分因特网的边缘部分主机网络路由器因特网的边缘部分与核心部分因特网的边缘部分n处在因特网边缘的部分就是连接在因特网上的所有的主机。这些主机又称为端系统(end system)。n “主机 A 和主机 B 进行通信”，实际上是指：“运行在主机 A 上的某个程序和运行在主机 B 上的另一个程序进行通信”。n即“主机 A 的某个进程和主机 B 上的另一个进程进行通信”。或简称为“计算机之间通信” 两种通信方式在网络边缘的端系统中运行的程序之间的通信方式通常可划分为两大类：n客户服务器方式（C/S 方式） 即Client/Server方式 n对等方式（P2P 方式） 即 Peer-to-Peer方式 1. 客户服务器方式n客户(client)和服务器(server)都是指通信中所涉及的两个应用进程。n客户服务器方式所描述的是进程之间服务和被服务的关系。n客户是服务的请求方，服务器是服务的提供方。运行客户程序网络边缘网络核心运行服务器程序AB 请求服务 得到服务客户服务器客户 A 向服务器 B 发出请求服务，而服务器 B 向客户 A 提供服务。2. 对等连接方式 n对等连接(peer-to-peer，简写为 P2P)是指两个主机在通信时并不区分哪一个是服务请求方还是服务提供方。n只要两个主机都运行了对等连接软件（P2P 软件），它们就可以进行平等的、对等连接通信。n双方都可以下载对方已经存储在硬盘中的共享文档。 对等连接方式的特点n对等连接方式从本质上看仍然是使用客户服务器方式，只是对等连接中的每一个主机既是客户又同时是服务器。n例如主机 C 请求 D 的服务时，C 是客户，D 是服务器。但如果 C 又同时向 F提供服务，那么 C 又同时起着服务器的作用。网络边缘网络核心运行P2P 程序运行P2P 程序DCEF运行P2P 程序运行P2P 程序因特网的核心部分n网络核心部分是因特网中最复杂的部分。n网络中的核心部分要向网络边缘中的大量主机提供连通性，使边缘部分中的任何一个主机都能够向其他主机通信（即传送或接收各种形式的数据）。n在网络核心部分起特殊作用的是路由器(router)。n路由器是实现分组交换(packet switching)的关键构件，其任务是转发收到的分组，这是网络核心部分最重要的功能。 路由器的重要任务n路由器是实现分组交换(packet switching)的关键构件，其任务是转发收到的分组，这是网络核心部分最重要的功能。 “交换”的含义n从通信资源的分配角度来看， “交换”(switching)就是按照某种方式动态地分配传输线路的资源。n按交换方式可分为三类:电路交换报文交换混合交换电路交换的特点n电路交换必定是面向连接的。 n电路交换的三个阶段：建立连接通信释放连接电路交换举例nA 和 B 通话经过四个交换机n通话在 A 到 B 的连接上进行(交换机交换机交换机交换机用户线用户线中继线中继线BDCA电路交换举例nC 和 D 通话只经过一个本地交换机n通话在 C 到 D 的连接上进行(交换机交换机交换机交换机用户线用户线中继线中继线BDCA电路交换传送计算机数据效率低n计算机数据具有突发性。n这导致通信线路的利用率很低。报文2. 分组交换的主要特点 n在发送端，先把较长的报文划分成较短的、固定长度的数据段。 1101000110101010110101011100010011010010假定这个报文较长不便于传输数 据数 据数 据报文添加首部构成分组n每一个数据段前面添加上首部构成分组。首部首部首部分组 1分组 2分组 3请注意：现在左边是“前面”分组交换的传输单元n分组交换网以“分组”作为数据传输单元。n依次把各分组发送到接收端（假定接收端在左边）。数 据首部分组 1数 据首部分组 2数 据首部分组 3分组首部的重要性n每一个分组的首部都含有地址等控制信息。n分组交换网中的结点交换机根据收到的分组的首部中的地址信息，把分组转发到下一个结点交换机。n用这样的存储转发方式，最后分组就能到达最终目的地。收到分组后剥去首部n接收端收到分组后剥去首部还原成报文。数 据首部分组 1数 据首部分组 2数 据首部分组 3收到的数据数 据数 据数 据最后还原成原来的报文n最后，在接收端把收到的数据恢复成为原来的报文。n这里我们假定分组在传输过程中没有出现差错，在转发时也没有被丢弃。报文1101000110101010110101011100010011010010H1H5H2H4H3H6路由器网络网络核心部分主机H1H5H2H4H3H6发送的分组路由器AEDBC网络核心部分主机分组交换网的示意图H1A互联网BDECH5H6H4H2H3H1 向 H5 发送分组H2 向 H6 发送分组注意分组路径的变化！路由器主机注意分组的存储转发过程H1A互联网BDECH5H6H4H2H3H1 向 H5 发送分组路由器主机在路由器 E 暂存查找转发表找到转发的端口最后到达目的主机 H5在路由器 C 暂存查找转发表找到转发的端口在路由器 A 暂存查找转发表找到转发的端口路由器n在路由器中的输入和输出端口之间没有直接连线。n路由器处理分组的过程是：把收到的分组先放入缓存（暂时存储）；查找转发表，找出到某个目的地址应从哪个端口转发；把分组送到适当的端口转发出去。 主机和路由器的作用不同n主机是为用户进行信息处理的，并向网络发送分组，从网络接收分组。n路由器对分组进行存储转发，最后把分组交付目的主机。分组交换的优点n高效 动态分配传输带宽，对通信链路是逐段占用。 n灵活 以分组为传送单位和查找路由。n迅速 不必先建立连接就能向其他主机发送分组。n可靠 保证可靠性的网络协议；分布式的路由选择协议使网络有很好的生存性。 分组交换带来的问题n分组在各结点存储转发时需要排队，这就会造成一定的时延。 n分组必须携带的首部（里面有必不可少的控制信息）也造成了一定的开销。 三种交换的比较 P1P2P3P4P1P2P3P4P3P4报文报文报文A B C D A B C DA B C D报文交换电路交换分组交换t连接建立数据传送报文P2P1连接释放数据传送的特点比特流直达终点报文报文报文分组 分组 分组存储转发存储转发存储转发存储转发计算机网络的拓扑结构计算机网络的拓扑结构n拓扑结构是借用数学上的一个词汇,从英文Topology音译而来，表示网络传输介质的连接形式，即线路构成的几何形状。n计算机网络的拓扑结构通常有三种，它们是总线型、环型和星型。总线型总线型n结构简单、灵活、扩充性好、价格低廉n任一时刻只能有两个节点相互通信，网络覆盖距离有限，可容纳节点数有限，可靠性较差（单点故障）n典型的以太网采用总线型拓扑结构。以太网的介质访问协议采用的是CSMA/CD（载波侦听多路访问/冲突监测）技术。n载波侦听多路访问/冲突监测技术工作过程：计算机在发送信息之前，始终在监听网络传输介质上的状态，若线路空闲，可发出信息；若线路被占用，则等待 环型拓扑结构 n链路长度固定、实时性好、成本低n灵活性差（通信依赖整个环路），可靠性低（单点故障）令牌环网（令牌环网（Token Ring）与）与FDDI 星型拓扑结构 n结构简单、建网容易、易于管理、故障诊断/隔离n集中控制（依赖中央节点），成本较高计算机网络的体系结构n计算机网络的体系结构(architecture)是计算机网络的各层及其协议的集合。 n相互通信的两个计算机系统必须高度协调工作才行，而这种“协调”是相当复杂的。 n“分层”可将庞大而复杂的问题，转化为若干较小的局部问题，而这些较小的局部问题就比较易于研究和处理。 划分层次的必要性n计算机网络中的数据交换必须遵守事先约定好的规则。 n这些规则明确规定了所交换的数据的格式以及有关的同步问题（同步含有时序的意思）。n网络协议(network protocol)，简称为协议，是为进行网络中的数据交换而建立的规则、标准或约定。 网络协议的组成要素 n语法 数据与控制信息的结构或格式 。 n语义 需要发出何种控制信息，完成何种动作以及做出何种响应。 n同步 事件实现顺序的详细说明。 分层的好处 n各层之间是独立的。n灵活性好。n结构上可分割开。n易于实现和维护。n能促进标准化工作。 层数多少要适当 n若层数太少，就会使每一层的协议太复杂。n层数太多又会在描述和综合各层功能的系统工程任务时遇到较多的困难。 具有五层协议的体系结构 nTCP/IP 是四层的体系结构：应用层、运输层、网际层和网络接口层。n但最下面的网络接口层并没有具体内容。n因此往往采取折中的办法，即综合 OSI 和 TCP/IP 的优点，采用一种只有五层协议的体系结构 。 五层协议的体系结构 n应用层(application layer) n运输层(transport layer) n网络层(network layer) n数据链路层(data link layer) n物理层(physical layer) 数据链路层5 应用层4 运输层3 网络层2 数据链路层1 物理层主机 1 向主机 2 发送数据 5432154321主机 1AP2AP1主机 2应用进程数据先传送到应用层加上应用层首部，成为应用层 PDU主机 1 向主机 2 发送数据 5432154321主机 1AP2AP1主机 2应用层 PDU 再传送到运输层加上运输层首部，成为运输层报文主机 1 向主机 2 发送数据 5432154321主机 1AP2AP1主机 2运输层报文再传送到网络层加上网络层首部，成为 IP 数据报（或分组）主机 1 向主机 2 发送数据 5432154321主机 1AP2AP1主机 2IP 数据报再传送到数据链路层加上链路层首部和尾部，成为数据链路层帧主机 1 向主机 2 发送数据 5432154321主机 1AP2AP1主机 2数据链路层帧再传送到物理层最下面的物理层把比特流传送到物理媒体主机 1 向主机 2 发送数据 n应用层(application layer) 5432154321物理传输媒体主机 1AP2AP1电信号（或光信号）在物理媒体中传播从发送端物理层传送到接收端物理层主机 2主机 1 向主机 2 发送数据 5432154321主机 1AP2AP1主机 2物理层接收到比特流，上交给数据链路层主机 1 向主机 2 发送数据 5432154321主机 1AP2AP1主机 2数据链路层剥去帧首部和帧尾部取出数据部分，上交给网络层主机 1 向主机 2 发送数据 5432154321主机 1AP2AP1主机 2网络层剥去首部，取出数据部分上交给运输层主机 1 向主机 2 发送数据 5432154321主机 1AP2AP1主机 2运输层剥去首部，取出数据部分上交给应用层主机 1 向主机 2 发送数据 5432154321主机 1AP2AP1主机 2应用层剥去首部，取出应用程序数据上交给应用进程主机 1 向主机 2 发送数据 5432154321主机 1AP2AP1主机 2我收到了 AP1 发来的应用程序数据！主机 1 向主机 2 发送数据 5432154321主机 1AP2AP1主机 2应 用 程 序 数 据应用层首部H510100110100101 比 特 流 110101110101注意观察加入或剥去首部（尾部）的层次应 用 程 序 数 据H5应 用 程 序 数 据H4H5应 用 程 序 数 据H3H4H5应 用 程 序 数 据H4运输层首部H3网络层首部H2链路层首部T2链路层尾部主机 1 向主机 2 发送数据 5432154321主机 1AP2AP1主机 210100110100101 比 特 流 110101110101计算机 2 的物理层收到比特流后交给数据链路层H2T2H3H4H5应 用 程 序 数 据H3H4H5应 用 程 序 数 据主机 1 向主机 2 发送数据 5432154321主机 1AP2AP1主机 2数据链路层剥去帧首部和帧尾部后把帧的数据部分交给网络层H2T2H3H4H5应 用 程 序 数 据H4H5应 用 程 序 数 据H3H4H5应 用 程 序 数 据主机 1 向主机 2 发送数据 5432154321主机 1AP2AP1主机 2网络层剥去分组首部后把分组的数据部分交给运输层H5应 用 程 序 数 据H4H5应 用 程 序 数 据主机 1 向主机 2 发送数据 5432154321主机 1AP2AP1主机 2运输层剥去报文首部后把报文的数据部分交给应用层应 用 程 序 数 据H5应 用 程 序 数 据主机 1 向主机 2 发送数据 5432154321主机 1AP2AP1主机 2应用层剥去应用层 PDU 首部后把应用程序数据交给应用进程主机 1 向主机 2 发送数据 5432154321主机 1AP2AP1主机 2我收到了 AP1 发来的应用程序数据！实体、协议、服务和服务访问点 n实体(entity) 表示任何可发送或接收信息的硬件或软件进程。 n协议是控制两个对等实体进行通信的规则的集合。 n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。n要实现本层协议，还需要使用下层所提供的服务。 实体、协议、服务和服务访问点（续） n本层的服务用户只能看见服务而无法看见下面的协议。n下面的协议对上面的服务用户是透明的。 n协议是“水平的”，即协议是控制对等实体之间通信的规则。n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。n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)。 实体、协议、服务和服务访问点（续） 协议(n + 1)SAPSAP交换原语交换原语实体(n + 1)服务提供者第 n 层第 n + 1 层实体(n + 1)服务用户实体(n)实体(n)协议(n)OSI七层参考模型七层参考模型应用层应用层 A A数据数据AHAH表示层表示层 P PPHPHSHSHTHTHNHNHDHDH会话层会话层 S S传输层传输层 T T网络层网络层 N N数据链路层数据链路层D D物理层物理层应用层应用层 A A表示层表示层 P P会话层会话层 S S传输层传输层 T T网络层网络层 N N数据链路层数据链路层D D物理层物理层网络网络协议数据单元协议数据单元 PDUPDU(Protocol Data(Protocol DataUnit)Unit)APDUAPDUPPDUPPDUSPDUSPDUTPDUTPDUNPDUNPDUDPDUDPDUOSI七层参考模型七层参考模型(续续)：本层提供用户对网上资源的访问服务，如电子邮件、文件传输等。：定义用户或进程交换数据的格式，如数据转换、数据压缩、数据加密。：为进程之间建立和管理会话。：本层确定向提供何种传输服务，如可靠、顺序、无丢失等。OSI七层参考模型七层参考模型(续续)：NPDU一般称为 ()，本层主要。本层和本层以下的功能由主机和中间结点共同完成。有连接(虚电路)。：DPDU一般称为 ()，本层处理。从物理层接收二进制位流、识别帧界、差错检测、差错控制、流量控制。OSI七层参考模型七层参考模型(续续)：这是七层模型的第一层，即最底层。本层处理二进制位流，描述网络硬件接口的机械、电气、功能、过程特性：如多少针 (25针、9针等)，每针的用途，位的表示，位的速率，接口电路的功能，位的传输/接收过程等。作为标准OSI是失败的, OSI产品也没有流行起来, 但是它的确提供了一个。TCP/IP的体系结构应用层运输层网际层网络接口层主机A主机B路由器网络 2网络 1应用层运输层网际层网络接口层网际层网络接口层4321路由器在转发分组时最高只用到网络层而没有使用运输层和应用层。 TCP/IP协议体系协议体系TELNET, FTP, SMTP, HTTP.SNMP, DNS,.UDP局域网：以太网,令牌环网, FDDI,无线网广域网：ATM, X.25,帧中继, PPP/TDMPPPRS-232网络层传输层 应用层 TCP/IP协议体系协议体系(续续)：局域网、广域网、调制解调器电话网、。n局域网是两层：物理层和数据链路层。n广域网中：X.25是三层，帧中继是两层，ATM看作三层，PPP/TDM看作两层。 ( PPP/TDM 指路由器通过点到点的协议 PPP，以及电信网的时分多路复用 TDM 线路互连。)n调制解调器电话网是 PPP/RS-232 两层。TCP/IP协议体系协议体系(续续)：。它无连接，为每个包确定路径，不保证可靠，即包可能损坏、丢失、错序、重复。它只要求物理网络提供最基本功能传输包。因而能灵活、健壮地互联各种物理网络。：； 提供进程间数据报传输服务，不保证可靠，也尽力而为。：为不同应用进程提供通信服务。 TCP/IP协议体系协议体系(续续)nTCP/IP可以看作协议模型。(也有四层的说法：IP下面是设备驱动程序，它是物理网络接口和网络协议软件之间的接口层。)nTCP/IP协议体系是双漏斗模式，中间, , 物理网络和应用五花八门。n各种物理网络用互连，网关实现包的转发，以及不同物理网络的协议转换。网关是老名称，现在叫。nTCP/IP的基本设计目标就是将各种物理网络可靠地互联, 就是多种网络的。.