《计算机网络导论》PPT课件.ppt

第1章计算机网络导论,1.1信息技术发展简史1.2计算机网络的形成和发展1.3计算机网络的基本概念1.4计算机网络的体系结构1.5计算机网络的功能,第一章计算机网络导论,学习目标了解计算机网络的发展历程掌握计算机网络的概念、分类和拓扑结构理解计算机网络体系结构掌握ISO/OSI参考模型的层次结构和各层功能掌握TCP/IP体系结构的层次划分及各层功能,计算机网络发展到今天，应经演变成一种复杂的系统。对付这种复杂系统的常规方法是把系统组织成分层的体系结构，即把很多相关的功能分解开来，逐个予以解释和实现。在分层的体系结构中，每一层都是一些明确定义的相互作用的集合，称为对等协议；。层之间的界限是另外一些相互作用的集合，称为接口协议。,1.3计算机网络的体系结构,1.3.1计算机网络体系结构的形成计算机网络是一个非常复杂的系统，相互通信的计算机系统必须高度协调才能正常工作。而且这种“协调”是相当复杂的。为了设计这种复杂的计算机网络，早在最初的“ARPANET”设计时即提出另外分层的方法。“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理解和实现。ARPANET后，很多公司纷纷建立了自己的网络体系结构，这些结构大同小异，都采用了分层技术。这些体系结构的出现大大加快了计算机网络的发展。,为了使不同体系结构的计算机网络都能互连，国际标准化组织ISO于1977年成立了专门机构研究该问题。不久，他们提出一个试图使各种计算机在世界范围内互联成网络的标准框架，即著名的开放系统互连基本模型OSI/RM(OpenSystemInterconnectionReferenceModel),简称为OSI。“开放”是指：只要遵循ISO标准，一个系统就可以和位于世界上任何地方的、也遵循这一标准的其他系统进行通信。“系统”是指在现实的系统中与互联有关的各部分。,1.3.2协议的基本概念计算机网络有许多相互连接的结点，在这些结点之间要不断的进行数据交换。要做到有条不紊的交换数据，每个结点就必须遵守一些事先约定好的规则，这些规则明确规定了所交换数据的格式以及相关的同步问题。为计算机网络中相互通信的对等实体之间的数据交换而建立的规则、标准或约定的集合称为网络协议（Protocol）。,1.3.2协议的基本概念网络协议主要由下列三个要素组成:（1）语法：即数据与控制信息的结构或格式，它定义了怎么做。（2）语义：即需要发出何种控制信息、完成何种协议以及做出何种应答，它定义了做什么。（3）同步。是事件实现顺序的详细说明。,网络协议是计算机网络中不可缺少的组成部分。计算机网络是一个庞大、复杂的系统。网络的通信规则也不是一个网络协议可以描述清楚的。因此在计算机网络中存在着很多协议。每一种协议都有其设计目标和需要解决的问题，每一种协议也有其优点和使用限制。这样做的目的是使协议的设计、分析、实现和使用简单化。,1.3.3网络的层次结构计算机网络是一个非常复杂的系统，对网络进行层次划分就是将计算机网络这个庞大的、复杂的问题划分成若干个较小的、简单的问题。然后通过“分而治之”，来解决这些较小的、简单的问题，从而达到解决计算机网络这个复杂系统的目的。,垂直分层的思想,经典的哲学家例,印度,中国,哲学问题,翻译,翻译,英文稿,电报员,电报员,电报稿,工程师,工程师,信号,垂直分层的思想,现实实例,信件,邮局,邮递员,邮政网络,交通运输,信件,邮局,邮递员,邮政网络,信件格式,寄信方式,分拣邮包规则,邮路选择,信件传递经若干层次服务同层间需要约定规则协议,信息,划分层次的概念举例,主机1向主机2通过网络发送文件。可以将要做的工作进行如下的划分。第一类工作与传送文件直接有关。确信对方已做好接收和存储文件的准备。双方协调好一致的文件格式。两个主机将文件传送模块作为最高的一层。剩下的工作由下面的模块负责。,两个主机交换文件,文件传送模块,主机1,主机2,文件传送模块,只看这两个文件传送模块好像文件及文件传送命令是按照水平方向的虚线传送的,把文件交给下层模块进行发送,把收到的文件交给上层模块,再设计一个通信服务模块,文件传送模块,主机1,主机2,文件传送模块,只看这两个通信服务模块好像可直接把文件可靠地传送到对方,把文件交给下层模块进行发送,把收到的文件交给上层模块,通信服务模块,通信服务模块,再设计一个网络接入模块,文件传送模块,主机1,主机2,文件传送模块,通信服务模块,通信服务模块,网络接入模块,网络接入模块,通信网络,网络接口,网络接口,网络接入模块负责做与网络接口细节有关的工作例如，规定传输的帧格式，帧的最大长度等。,1.3.3网络的层次结构计算机网络采用分层结构还有利于交流、理解和标准化。具体优点如：P（11）（1）各层之间是独立的。（2）灵活性好。（3）结构上可以分开。（4）易于维护和实现。（5）能促进标准化工作。,计算机网络的层次化体系结构如图1-9所示。要点归纳如下:（1）除了物理媒体上进行的是实通信之外，其余各对等实体间进行的都是虚通信。（2）对等层的虚通信必须遵循该层的协议。,图1-9计算机网络的层次模型,（3）n+1层通过接口向n层提出服务请求，而n层则通过接口向n+1层提供服务，此服务不仅包含第n层本身的功能，还包含由下层服务提供的功能。（4）n层的虚通信是通过n与n-1层间接口处的n-1层提供的服务以及n-1层的通信（通常也是虚通信）来实现的。（5）仅在相邻层间有接口，且所提供的服务的具体细节对上一层完全屏蔽。,分层可以遵守以下几个主要原则:（1）每层的功能应是明确的并且相互独立。当某一层具体实现方法更新时，只要保持层间接口不变，就不会对邻层造成影响。（2）层间接口清晰，跨越接口的信息量应尽可能少。（3）层数应适中。若太少，则层间功能划分不明确，多种功能混杂在一层中，造成每一层的协议太复杂。若太多，则体系结构过于复杂，各层组装时会困难得多。,1.3.4ISO/OSI参考模型结构国际标准化组织(ISO）于1977年建立了一个分会进行计算机网络体系结构的研究，提出了开放系统互连参考模型。所谓“开放”表示能使任何两个遵守参考模型和有关标准的系统互连、互通、互操作。,OSI包括了体系结构、服务定义和协议规范三级内容。OSI的体系结构定义了一个七层模型，用以描述进程间的通信过程，并作为一个框架来协调各层标准的制定；OSI的服务定义描述了各层所提供的服务，以及层与层之间的抽象接口和交互用的服务原语；OSI各层的协议规范，精确的定义了应当发送何种控制信息及何种过程来解释该控制信息。,需要强调的是，OSI参考模型并非具体实现的描述,它只是一个为制定标准而提供的概念性框架。在OSI中,只有各种协议是可以实现的,网络中的设备只有与OSI有关协议相一致时才能互连。OSI/RM只给出了一些原则性的说明，它并不是一个具体的网络。它将整个网络的功能划分成7个层次。如图1-10所示，其中各层的层号、层的名称及层的英文缩写见表1-1。,在OSI/RM中，最低3层(13层）是面向通信的，涉及计算机到计算机的通信，实现通信子网的功能;高3层（57层）是面向信息处理的，涉及用户到用户的通信，实现资源子网的功能;中间的传输层建立在由低3层提供的服务的基础上，为面向信息处理的高层提供与网络无关的信息交换服务。,图1-10OSI/RM,表1-1OSI参考模型中的七个层次层号层的名称层的英文名称层的英文缩写7应用层ApplicationlayerA6表示层PresentationlayerP5会话层SessionlayerS4传输层TransportlayerT3网络层NetworklayerN2数据链路层DataLinklayerDL1物理层PhysicallayerPH,1.3.5OSI各层的功能.1.物理层物理层主要功能是为数据链路层提供一个物理连接，以保证在通信信道上“透明”地传输数据(比特流)。传输介质可以是多种多样的，双绞线、同轴电缆、光纤或其他，如微波等。物理层协议的目的是要屏蔽掉各种传输介质的差异性，以实现传输介质对计算机系统的独立性。该层的数据单元是比特.,2.数据链路层数据链路层主要功能是在物理层提供的服务基础上，在通信实体之间建立数据链路连接，无差错地传输数据帧。数据链路层协议的目的是把一条有可能出错的物理链路变成让网络层实体看起来是一条不会出错的数据链路。该层的数据单元是帧。,3.网络层网络层主要功能是为数据分组进行路由选择，并负责通信子网的流量控制、拥塞控制。对于一个通信子网，各结点只包含低三层。该层的数据单元是分组。4.传输层传输层主要功能是为会话层提供一个可靠的端到端连接，以便使两个系统之间透明地传输报文。该层的数据单元是报文.,5.会话层会话层主要功能是在传输层提供的可靠的端到端的连接的基础上,在两个应用进程之间建立会话连接,并对“会话”进行管理,保证“会话”的可靠性。会话层及以上的数据单元都称为报文.6.表示层表示层主要功能是完成被传输数据的表示工作，如数据格式、数据转换、数据加密与数据压缩等语法变换服务。7.应用层应用层作为参考模型的最高层，其功能与应用进程有关，如虚拟终端、文件传输、电子邮件、远程登录等。,1.3.6TCP/IP体系结构OSI参考模型研究的初衷是希望为网络体系和协议的发展提供一种国际标准。但是，大家不能不看到Internet在全世界的飞速发展，以及TCP/IP协议的广泛应用对网络技术发展的影响。由于历史的原因，现在得到广泛应用的不是OSI，而是目前最流行的商业化网络协议TCP/IP。尽管它不是某一标准化组织提出的正式标准，但它已经被公认为目前的工业标准或“事实标准”。因特网之所以能迅速发展，就是因为TCP/IP协议能够适应和满足世界范围内数据通信的需要。,TCP/IP协议具有如下几个特点：1.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和操作系统。2.独立于特定的网络硬件，可以运行于局域网、广域网以及互联网中。3.统一的网络地址分配方案，使得整个TCP/IP设备在网络中都具有唯一的地址。4.标准化的高层协议，可以提供多种可靠的服务。5.TCP/IP不是一个协议，而是众多协同工作的协议组，又称协议簇。,1.3.7TCP/IP体系结构中各层的功能,TCP/IP协议体系结构分为四层，它们分别是网络接口层、网络互联层、传输层和应用层。TCP/IP的层次结构与OSI层次结构的对照关系如图4-1所示。,应用层表示层会话层传输层网络层数据链路层物理层,应用层传输层网络互联层网络接口层,OSI/RM,TCP/IP,图1-11TCP/IP的层次结构与OSI层次结构的对照关系,1.网络接口层TCP/IP模型的最底层是网络接口层，也被称为主机-网络层，它包括了使用TCP/IP与物理网络进行通信的协议，且对应着OSI的物理层和数据链路层。TCP/IP标准定义网络接口协议，旨在提供灵活性，以适应各种物理网络类型。这使得TCP/IP协议可以运行在任何底层网络上，以便实现它们之间的相互通信.网络接口层对高层屏蔽了底层物理网络的细节，是TCP/IP成为互联网协议的基础。,2.网络互连层网络互连层也叫网际层，是TCP/IP协议体系结构中最重要的一层。网络互连层所执行的主要功能是处理来自传输层的分组，将分组形成数据报（IP数据报），并为该数据报进行路径选择，最终将数据报从源主机发送到目的主机。在网络互连层中,最主要的协议是网际互连协议IP,其他的一些协议（主要有ICMP、ARP和RARP)通过发送不同功能的数据报来协助IP的操作。,3.传输层TCP/IP的传输层与OSI的传输层类似，它主要负责进程到进程之间的端对端通信，该层使用了两种协议来支持两种不同的数据传送方法，它们是TCP协议和UDP协议。,4.应用层在TCP/IP模型中，应用层是最高层，它对应着OSI模型中的高3层，用于为用户提供网络服务，比如文件传输、远程登录、域名服务和简单网络管理等。因提供的服务不同，在这一层上定义了HTTP、FTP、Telnet、SMTP和DNS等多个不同的协议。TCP/IP体系结构中各层采用的主要协议如图4-2所示。,1.3.8具有五层协议的体系结构,TCP/IP是四层的体系结构：应用层、运输层、网际层和网络接口层。但最下面的网络接口层并没有具体内容。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,应用层(applicationlayer)运输层(transportlayer)网络层(networklayer)数据链路层(datalinklayer)物理层(physicallayer),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,1.3.8OSI与TCP/IP参考模型的比较,相同垂直的分层结构层次及功能大体相似差异层次制定不同定义的规范性OSI更清晰，更容易实现协议替换OSI是先有模型再制定协议TCP/IP是先有协议，协议丰富后出现模型加以描述和规范OSI更倾向于面向连接TCP/IP提供两种服务方式给用户选择,1.3.8OSI与TCP/IP参考模型的比较,优点OSI的通用性强，用于描述和规范网络更清晰TCP/IP的实用性更强，有很多实际证明很有效的技术缺点OSI层次，协议和服务定义过于复杂OSI对无连接服务和协议的忽视OSI对计算机及软件工作方式的忽视TCP/IP的通用性差TCP/IP协议的协议难以做到不受影响的替换,沙漏计时器形状的TCP/IP协议族,HTTP,SMTP,DNS,RTP,TCP,UDP,IP,网际层,网络接口层,运输层,应用层,网络接口1,网络接口2,网络接口3,EverythingoverIPIP可为各式各样的应用程序提供服务,IPoverEverythingIP可应用到各式各样的网络上,实体、协议、服务和服务访问点,实体(entity)表示任何可发送或接收信息的硬件或软件进程。协议是控制两个对等实体进行通信的规则的集合。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。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）,本层的服务用户只能看见服务而无法看见下面的协议。下面的协议对上面的服务用户是透明的。协议是“水平的”，即协议是控制对等实体之间通信的规则。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。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(ServiceAccessPoint)。,实体、协议、服务和服务访问点（续）,服务用户,第n层,第n+1层,服务用户,协议很复杂,协议必须将各种不利的条件事先都估计到，而不能假定一切情况都是很理想和很顺利的。必须非常仔细地检查所设计协议能否应付所有的不利情况。应当注意：事实上难免有极个别的不利情况在设计协议时并没有预计到。在出现这种情况时，协议就会失败。因此实际上协议往往只能应付绝大多数的不利情况。,著名的协议举例,占据两个山顶的蓝军与驻扎在这山谷的白军作战。力量对比是：一个山顶上的蓝军打不过白军，但两个山顶的蓝军协同作战就可战胜白军。一个山顶上的蓝军拟于次日正午向白军发起攻击。于是发送电文给另一山顶上的友军。但通信线路很不好，电文出错的可能性很大。因此要求收到电文的友军必须发送确认电文。但确认电文也可能出错。试问能否设计出一种协议，使得蓝军能实现协同作战因而一定(即100%)取得胜利？,这样的协议无法实现！,结论,这样无限循环下去，两边的蓝军都始终无法确定自己最后发出的电文对方是否已经收到。没有一种协议能够蓝军能100%获胜。,主机1向主机2发送数据,5,4,3,2,1,5,4,3,2,1,主机1,AP2,AP1,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,1.3.9五层协议的体系结构环境中数据的传输过程,主机1向主机2发送数据,5,4,3,2,1,5,4,3,2,1,主机1,AP2,AP1,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,5,4,3,2,1,5,4,3,2,1,主机1,AP2,AP1,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,5,4,3,2,1,5,4,3,2,1,主机1,AP2,AP1,主机2,IP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,5,4,3,2,1,5,4,3,2,1,主机1,AP2,AP1,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,应用层(applicationlayer),5,4,3,2,1,5,4,3,2,1,物理传输媒体,主机1,AP2,AP1,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,5,4,3,2,1,5,4,3,2,1,主机1,AP2,AP1,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,5,4,3,2,1,5,4,3,2,1,主机1,AP2,AP1,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,5,4,3,2,1,5,4,3,2,1,主机1,AP2,AP1,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,5,4,3,2,1,5,4,3,2,1,主机1,AP2,AP1,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,5,4,3,2,1,5,4,3,2,1,主机1,AP2,AP1,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,5,4,3,2,1,5,4,3,2,1,主机1,AP2,AP1,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,5,4,3,2,1,5,4,3,2,1,主机1,AP2,AP1,主机2,应用程序数据,10100110100101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,主机1向主机2发送数据,5,4,3,2,1,5,4,3,2,1,主机1,AP2,AP1,主机2,10100110100101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,主机1向主机2发送数据,5,4,3,2,1,5,4,3,2,1,主机1,AP2,AP1,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,H2,T2,H3,主机1向主机2发送数据,5,4,3,2,1,5,4,3,2,1,主机1,AP2,AP1,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,H4,主机1向主机2发送数据,5,4,3,2,1,5,4,3,2,1,主机1,AP2,AP1,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,5,4,3,2,1,5,4,3,2,1,主机1,AP2,AP1,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,5,4,3,2,1,5,4,3,2,1,主机1,AP2,AP1,主机2,我收到了AP1发来的应用程序数据！,1.3.9OSI环境中数据的传输过程以此类推，在OSI环境中数据传输的过程大致分为以下几个步骤:（1）当源计算机的应用进程I的数据传送到应用层时,应用层加上本层的控制报头AH，组成应用层的数据单元，然后送到表示层。（2）表示层收到数据以后,加上本层的控制报头PH,组成表示层的数据单元，送到会话层。,（3）会话层收到数据以后，同样加上本层的控制报头SH，组成会话层的数据单元，送到传输层。（4）传输层收到这个数据以后，加上本层的控制报头TH，组成传输层的数据单元，这时就称为报文。（5）传输层的报文送到网络层时，由于网络层数据单元的长度的限制，传输层的报文将被分割成多个较短的数据字段，加上网络层的控制报头NH，构成网络层的数据单元，即分组。,（6）当网络层的分组到达数据链路层以后，在分组的前后加上数据链路层的控制报头DH，就构成了数据链路层的数据单元，即帧。（7）数据链路层的帧到达物理层以后，物理层将以比特流的方式，把数据通过传输介质传输出去。（8）当比特流到达目的计算机时，再从物理层依次往上传输，每层去掉本层的控制报头，将数据上传到上一层，最终传到目的计算机的应用进程II。,图1-17数据的传输过程,术语：封装和解封,类比邮政系统,解封,封装,1.4计算机网络的用途,数据共享,资源共享,消息传递解决方案,安全,成本降低,数据集中,1.4计算机网络的用途,1.数字通信数字通信知识一个各种数字化信息的传输的统称而已，实际上它有很多种形式，应用范围包括电子邮件，网络电话，网上传真，网上聊天等。2.分布式计算分布式计算是指将若干台计算机通过网络连接起来，将一个程序分散到这几台计算机上去同时运行，然后把每一台计算机计算的结果搜集汇总到一起来，整理得出一个结果。3.网络门户服务，IDC和ASP在物理网络普遍通达的基础上开展集中的系统信息服务网门的概念。IDC、ASP分别翻译成互联网数据中心和网上应用服务的提供商。,4信息查询计算机网络是提供资源共享的最好工具，这里的资源是指硬件、软件和信息资源。5网上教育网上教育是利用INTERNET技术开发的互联网的一种综合应用。它充分发挥网络可以跨越空间和时间的特点，在网络平台上向学生提供各种与教育相关的信息。6虚拟现实7电子商务指人们利用电子化网络化手段进行商务活动。8家庭自动化,网络：案例分析,问题,家具部,化妆品部,玩具部,服装部,交易和付款只能在购买货物的部门进行每个部门维护着本部门的销售记录,网络：案例分析,问题,家具部,化妆品部,玩具部,服装部,交易和付款只能在购买货物的部门进行每个部门维护着本部门的销售记录,解决方案,不同部门的计算机被连成了网络。可以在任何一个终端付款。,