计算机网络 第1章要点课件.ppt

计 算 机 网 络,主讲：计算机工程学院,第 1 章 概 述,本科课程教学,教材及参考书,教材：计算机网络（第6版） 谢希仁 电子工业出版社， 2013年6月,参考书：计算机网络:自顶向下方法(原书第4版)作者：(美)James F. Kurose，Keith W.Ross译者： 陈鸣机械工业出版社，2009 年1月,关于以前的部分教材：第4，5版,主要讲述内容概述物理层数据链路层网络层传输层应用层网络安全因特网上的音频/视频服务无线网络与移动网络下一代网络 课堂：1-14周 考核方式：作业+上机+考试,第1章 概述,主要内容计算机网络的概念及含义计算机网络的分类计算机网络的协议及分层，体系结构计算机网络的性能指标因特网的产生，形成及发展计算机网络在我国的发展其它补充内容,1.1 计算机网络的概念及含义,简单定义：计算机网络是一些互相连接的、自治的计算机的集合。P17网络的核心功能：由连通性带来的信息传递举例说明网络的应用,1.2 计算机网络的分类,从网络的作用范围进行分类广域网 WAN (Wide Area Network)城域网 MAN (Metropolitan Area Network)局域网 LAN (Local Area Network) 个人区域网 PAN (Personal Area Network),从网络的使用者进行分类公用网 (public network) 专用网 (private network),广域网与局域网在距离上的区分，在结点上的重叠,网络设计中的两个重要方法：协议分层,1.3 计算机网络的协议及分层，体系结构,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。 “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。,协议与分层（续）,计算机网络中的数据交换必须遵守事先约定好的规则。 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）。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。,著名的协议举例,占据东、西两个山顶的蓝军1和蓝军2与驻扎在山谷的白军作战。其力量对比是：单独的蓝军1或蓝军2打不过白军，但蓝军1和蓝军2协同作战则可战胜白军。现蓝军1拟于次日正午向白军发起攻击。于是用计算机发送电文给蓝军2。但通信线路很不好，电文出错或丢失的可能性较大（没有电话可使用）。因此要求收到电文的友军必须送回一个确认电文。但此确认电文也可能出错或丢失。试问能否设计出一种协议使得蓝军1和蓝军2能够实现协同作战因而一定（即100 %而不是99.999%）取得胜利？,蓝军1,蓝军2,白军,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。,协议必须把所有不利的条件事先都估计到，而不能假定一切都是正常的和非常理想的。 看一个计算机网络协议是否正确，不能光看在正常情况下是否正确，而且还必须非常仔细地检查这个协议能否应付各种异常情况。,网络协议的组成要素语法 数据与控制信息的结构或格式 。 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。 同步 事件实现顺序的详细说明。 举例说明网络中的具体协议,划分层次的概念举例，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,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,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,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,分层的好处各层之间是独立的。灵活性好。结构上可分割开。易于实现和维护。层数多少要适当若层数太少，就会使每一层的协议太复杂。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。,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）,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 (Service Access Point)。,实体、协议、服务和服务访问点（续）,协议(n + 1),SAP,SAP,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),计算机网络的体系结构,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。 实现(implementation)是遵循这种体系结构的前提下用何种硬件或软件完成这些功能的问题。体系结构是抽象的，而实现则是具体的，是真正在运行的计算机硬件和软件。,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(application layer) 运输层(transport layer) 网络层(network layer) 数据链路层(data link layer) 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,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,Everything over IP IP 可为各式各样的应用程序提供服务,IP over Everything IP 可应用到各式各样的网络上,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。,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,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(application layer),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！,速率比特（bit）是计算机中数据量的单位，也是信息论中使用的信息量的单位。Bit 来源于 binary digit，意思是一个“二进制数字”，因此一个比特就是二进制数字中的一个 1 或 0。速率即数据率(data rate)或比特率(bit rate)是计算机网络中最重要的一个性能指标。速率的单位是 b/s，或kb/s, Mb/s, Gb/s 等速率往往是指额定速率。,1.4 计算机网络的性能指标,(2) 带宽 (bandwidth),“带宽” 本来是指信号具有的频带宽度，单位是赫（或千赫、兆赫、吉赫等）。现在“带宽”是数字信道所能传送的“最高数据率”的同义语，单位是“比特每秒”，或 b/s (bit/s)。,常用的带宽单位更常用的带宽单位是千比每秒，即 kb/s （103 b/s）兆比每秒，即 Mb/s（106 b/s）吉比每秒，即 Gb/s（109 b/s）太比每秒，即 Tb/s（1012 b/s）请注意：在计算机界，K = 210 = 1024 M = 220, G = 230, T = 240。,有人愿意用“汽车在公路上跑”来比喻“比特在网络上传输”对宽带传输的错误理解认为宽带越高，则传输更快，好比汽车在高速公路上可以跑得更快一样。混淆了两种速率 在网络中有两种不同的速率：信号（即电磁波）在传输媒体上的传播速率（米/秒，或公里/秒）计算机向网络发送比特的速率（比特/秒） 这两种速率的意义和单位完全不同。 宽带越高，则计算机向网络发送比特的速率越高。,A,B,A,B,宽带线路,窄带线路,在宽带线路上比特传播得快,在窄带线路上比特传播得慢,错误的理解,正确的理解宽带线路：每秒有更多比特从计算机发送到线路。宽带线路和窄带线路上比特的传播速率是一样的。,数字信号流随时间的变化,在时间轴上信号的宽度随带宽的增大而变窄。,另一种不合适的理解：“宽带”相当于“多车道”,多车道公路是并行传输,100101110100100111010001011010,通信线路上通常都是串行传输(但 ADSL 是例外的）,比喻：汽车运货,宽带和窄带线路：车速一样宽带线路：车距缩短,(3) 时延(delay 或 latency),发送时延 发送数据时，数据帧从结点进入到传输媒体所需要的时间。也就是从发送数据帧的第一个比特算起，到该帧的最后一个比特发送完毕所需的时间。,数据经历的总时延就是发送时延、传播时延、处理时延和排队时延之和：,总时延 = 发送时延+传播时延+处理时延+处理时延,传播时延 电磁波在信道中需要传播一定的距离而花费的时间。 信号发送速率和信号在信道上的传播速率是完全不同的概念,处理时延 交换结点为存储转发而进行一些必要的处理所花费的时间。 排队时延 结点缓存队列中分组排队所经历的时延。排队时延的长短往往取决于网络中当时的通信量。,四种时延所产生的地方,1 0 1 1 0 0 1 ,发送器,结点 B,结点 A,在中间结点中产生处理时延和排队时延,数据,从结点 A 向结点 B 发送数据,链路,队列,在发送器产生发送时延,中间结点,对于高速网络链路，我们提高的仅仅是数据的发送速率而不是比特在链路上的传播速率。 提高链路带宽减小了数据的发送时延。,(4) 时延带宽积,（传播）时延,链路,带宽,时延带宽积 = 传播时延 带宽,链路的时延带宽积又称为以比特为单位的链路长度。,时延带宽积,(5)利用率,信道利用率指出某信道有百分之几的时间是被利用的（有数据通过）。完全空闲的信道的利用率是零。网络利用率则是全网络的信道利用率的加权平均值。信道利用率并非越高越好。,时延与网络利用率的关系,根据排队论的理论，当某信道的利用率增大时，该信道引起的时延也就迅速增加。 若令 D0 表示网络空闲时的时延，D 表示网络当前的时延，则在适当的假定条件下，可以用下面的简单公式表示 D 和 D0之间的关系：,U 是网络的利用率，数值在 0 到 1 之间。,注：排队论公式,T：任务的响应时间,(6) 其它指标,吞吐量(throughput)表示在单位时间内通过某个网络（或信道、接口）的数据量。吞吐量更经常地用于对现实世界中的网络的一种测量，以便知道实际上到底有多少数据量能够通过网络。吞吐量受网络的带宽或网络的额定速率的限制。,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 美国军方促进了计算机网络的发展20 世纪 60 年代美苏冷战激烈。美国军方要研制一种生存性很强的新型分布式网络。这种新型的计算机网络就是采用分组交换的、基于存储转发计算机网络。即使少数结点或链路被摧毁，整个网络仍保持畅通。,1.5 因特网概述,网络把许多计算机连接在一起。因特网则把许多网络连接在一起。,网络与因特网,网络由若干结点(node)和连接这些结点的链路(link)组成。 连接在因特网上的计算机都称为主机(host)。,internet 和 Internet 的区别,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。 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。,因特网发展的三个阶段,第一阶段是从单个网络 ARPANET 向互联网发展的过程。 1983 年 TCP/IP 协议成为 ARPANET 上的标准协议。人们把 1983 年作为因特网的诞生时间。第二阶段的特点是建成了三级结构的因特网。 三级计算机网络，分为主干网、地区网和校园网（或企业网）。第三阶段的特点是逐渐形成了多层次 ISP 结构的因特网。出现了因特网服务提供者 ISP (Internet Service Provider)。,用户,因特网,ISP1,ISP2,因特网服务提供者,用户通过 ISP 上网,根据提供服务的覆盖面积大小以及所拥有的IP 地址数目的不同，ISP 也分成为不同的层次。,大公司,公司,本地 ISP,A,B,主机A 本地 ISP 地区 ISP 主干 ISP 地区 ISP 本地 ISP 主机B,本地 ISP,主干 ISP,本地 ISP,本地 ISP,地区 ISP,主干 ISP,主干 ISP,地区 ISP,地区 ISP,地区 ISP,本地 ISP,本地 ISP,IXP,本地 ISP,校园网,校园网,下面是具有三层 ISP 结构的因特网的概念示意图,万维网 WWW 的问世,因特网已经成为世界上规模最大和增长速率最快的计算机网络，没有人能够准确说出因特网究竟有多大。因特网的迅猛发展始于 20 世纪 90 年代。由欧洲原子核研究组织 CERN 开发的万维网 WWW (World Wide Web)被广泛使用在因特网上，大大方便了广大非网络专业人员对网络的使用，成为因特网的这种指数级增长的主要驱动力。 思考题：万维网（WWW）与因特网（Internet）的区别与联系？,制订因特网的正式标准要经过以下的四个阶段,因特网草案(Internet Draft) 在这个阶段还不是 RFC 文档。建议标准(Proposed Standard) 从这个阶段开始就成为 RFC 文档。草案标准(Draft Standard)因特网标准(Internet Standard),因特网的标准化工作,各种RFC之间的关系,因特网草案,建议标准,草案标准,因特网标准,历史的 RFC,实验的 RFC,提供信息的 RFC,6 种 RFC,因特网的核心部分,因特网的边缘部分,主机,网络,路由器,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，用来进行通信（传送数据、视频等）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）。,因特网的组成,两部电话机只需要用一对电线就能够互相连接起来。,传统电话网使用电路交换,网络结构中的几种交换方式,电路交换分组交换报文交换,但若要将 5 部电话机两两相连，则需要 10 对电线。,电路交换,当电话机的数量很大时，就必须使用电话交换机进行连接。,电路交换,(,(,A,通话前先拨号建立连接。可能只要经过一个交换机（如 A 到 B）可能要经过多个交换机（如 C 到 D）通话过程中，通信双方一直占用所建立的连接。通话结束后，挂机释放连接。,电路交换的特点,(,(,(,(,(,(,B,C,D,早期的计算机网络采用电路交换,那时计算机很少，非常昂贵。远地终端（没有处理功能）通过通信线路（可能要经过许多个交换机）使用处于网络中心的计算机的资源。,分组交换(packet switching),电路交换的特点：电话网是为电话通信设计的。电路交换的电话网很适合于电话通信。计算机与电路交换：计算机数据具有很大的突发性。使用电路交换会导致网络资源严重浪费。,因此，计算机网络需要使用更加有效的连网技术。,因特网的设计思路,通信必须是可靠的。但应当由谁负责可靠交付？因特网和传统电信网的思路不同。严格地讲，计算机通信是在计算机上运行的程序之间的通信。所以实现可靠通信最终应当是让计算机程序之间的通信可靠。因特网认为，IP 协议没有必要提供可靠服务（这样做可以使网络简单、灵活性好、价格便宜）。在计算机中增加 TCP 协议就可以实现计算机程序之间的可靠通信。,分组交换,在发送端把要发送的报文分隔为较短的数据块 每个块增加带有控制信息的首部构成分组（包） 依次把各分组发送到接收端 接收端剥去首部，抽出数据部分，还原成报文,首部,首部,首部,发送,发送,接收端,数 据,首部,数 据,首部,数 据,首部,11010011101 00101001110,分组从 A 传送到 B 的过程,网络,网络,网络,网络,网络,网络,网络,路由器,路由器,路由器,路由器,路由器,路由器,A,B,这就是基于存储转发的分组交换,IP 网络,当部分结点或链路被摧毁时分组交换仍可保持网络畅通,路由器,和传统的电信网相比较,电信网向用户（即电话机）提供的服务质量有保证。连接在电信网上的电话机几乎没有智能，因此全部的服务质量由电信网完成。,电路交换的电信网,电信网,因特网的设计思路,通信必须是可靠的。但应当由谁负责可靠交付？因特网和传统电信网的思路不同。严格地讲，计算机通信是在计算机上运行的程序之间的通信。所以实现可靠通信最终应当是让计算机程序之间的通信可靠。因特网认为，IP 协议没有必要提供可靠服务（这样做可以使网络简单、灵活性好、价格便宜）。在计算机中增加 TCP 协议就可以实现计算机程序之间的可靠通信。,分组交换的因特网,TCP,TCP,三种交换的比较,A B C D,A B C D,A B C D,报文交换,电路交换,分组交换,t,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,铁道部在 1980 年开始进行计算机联网实验。1989 年11 月我国第一个公用分组交换网 CNPAC 建成运行 1994年4月20日我国用64 kb/s专线正式连入因特网。中国教育和科研计算机网CERNET (China Education and Research Network)，简称中国教育网，是由国家投资建设，教育部负责管理，清华大学等高等学校承担建设和管理运行的全国性学术计算机互联网络。中国互联网络信息中心 CNNIC (Network Information Center of China)每年两次公布的我国因特网的发展情况。,1.6 计算机网络在我国的发展,开放系统互连参考模型OSI/RM,ISO 国际标准化组织 （International Standardization Organization）OSI 开放式系统互联（Open Systems Interconnect）RM 参考模型（Reference Model） 目标： 只要遵循 OSI 标准，一个系统就可以和位于世界上任何地方的、也遵循这同一标准的其他任何系统进行通信。 ISO OSI Reference Model,OSI 与 TCP/IP体系结构的比较,应用层,运输层,网络层,表示层,会话层,数据链路层,物理层,7654321,OSI 的体系结构,应用层,网络接口层,网际层 IP,(各种应用层协议如TELNET, FTP, SMTP 等),运输层(TCP 或 UDP),TCP/IP 的体系结构,无连接分组交付服务,运输服务 (可靠或不可靠),TCP/IP 的三个服务层次,两种互联网标准,法律上的(de jure)国际标准 OSI 并没有得到市场的认可。非国际标准 TCP/IP 现在获得了最广泛的应用。TCP/IP 常被称为事实上的(de facto) 国际标准。在市场化方面 OSI并没有得到大规模的推广应用。OSI 的专家们在完成 OSI 标准时没有商业驱动力；OSI 标准的制定周期太长，因而使得按 OSI 标准生产的设备无法及时进入市场； OSI 的协议实现起来过分复杂，且运行效率很低；OSI 的层次划分并也不太合理，有些功能在多个层次中重复出,面向连接服务与无连接服务,面向连接服务(connection-oriented)面向连接服务具有连接建立、数据传输和连接释放这三个阶段。 无连接服务(connectionless) 两个实体之间的通信不需要先建立好连接。 是一种不可靠的服务。这种服务常被描述为“尽最大努力交付”(best effort delivery)或“尽力而为”。,Protocol stack Protocol suite 三网合一,协议栈 协议族,Thank you !,