CH1计算机网络概述.ppt

,计算机网络应用,第一讲 计算机网络概述,一、计算机网络的基础知识,1.计算机网络发展的第一个阶段 时间：20世纪60年代 标志性的事件：ARPANET 关键技术：分组交换2.计算机网络发展的第二个阶段 时间：20世纪70年代至80年代 标志性的事件：NSFNet 关键技术：TCP/IP3.计算机网络发展的第三个阶段 时间：20世纪90年代至今 标志性的事件：浏览器Mosaic的诞生 关键技术：web技术,计算机网络的发展(三个阶段),1,中国互联网普及率,世界范围内的互联网普及率,一、计算机网络的基础知识,校园网,计算机网络系统由网络硬件和网络软件两部分组成。,计算机网络系统的组成,3,二、计算机网络的类型与特点,计算机网络的类型,根据网络的交换方式划分,电路交换网虚电路分组交换网数据报分组交换网,1,交换机,一、什么叫交换？二、有几种交换方式？三、它们的本质区别是什么？,两两相连,交换,(1)电路交换方式,典型的电路交换方式,两端之间物理连接不是固定的，必须有建立物理连接过程。两端之间的物理连接是专用的。,(1)电路交换方式,电路交换特点:通信前建立连接，结束后释放连接。独占连接意味着独占通信线路的固定带宽。适合传输要求时延抖动小的实时数据。普通数据的突发性和间歇性会浪费占用的带宽。,(2)虚电路分组交换方式,典型的虚电路分组交换方式,建立虚电路只是确定虚电路的传输路径。虚电路并不能独占经过的物理链路带宽。经过虚电路传输的数据必须携带虚电路标识符，用以寻找对应的传输路径。,(2)虚电路分组交换方式,虚电路分组交换特点:多个连接共享通信线路的带宽。数据必须封装成分组形式，携带数据所属连接的标识信息虚电路标识符。通信前需要建立连接，结束后释放连接。由于可以在建立连接时设置分类服务相关参数，因而比较适合语音通信。建立连接并没有独占线路，只是确定传输路径。,(3)数据报分组交换方式,典型的数据报分组交换方式,没有通路建立过程，数据必须携带源和目的地址，每一个IP分组独立寻找传输路径。,(3)数据报分组交换方式,数据报分组交换特点:没有连接，每一个分组独立选择传输路径。数据必须封装成分组形式，分组携带数据的源和目的终端地址。中间结点根据分组的目的地址选择传输路径。由于没有连接建立过程，传输分组前，对传输路径中的中间结点的情况不明，可能导致时延抖动很大。,三种交换方式对应的生活实例,电路交换对应端到端全封闭车道,不需要选择，独占通路，行驶时间只有控制。,三种交换方式对应的生活实例,虚电路分组交换对应规定传输路径的公交线路,行驶路线固定，公交车根据线路选择行驶路径，道路和别的公交线路共享，行驶时间不确定，但规划、设计公交线路时会考虑流量和道路通行能力情况。经常性发生拥塞的可能性较小。,三种交换方式对应的生活实例,数据报分组交换对应自由行驶车辆,自由选择行驶路径，事先无法规划流量，发生拥塞的可能性最大。,分组交换方式计算实例,【例1.2】假定图1.9中所有中间结点的端口传输速率均为Xbps，地址信息的位数为N字节（或为源终端和目的终端地址，或为连接标识符），分别根据分组中数据长度为M字节（一个分组）和分组中数据长度为单个字节（M个分组）这两种情况，计算出从终端A到终端B的总时延。（忽略所有中间结点的交换和排队等待时间）。,总传输时延=4（M+N）8/X+3L/2C）,总的传输时延=M（N+1）8/X+3L/2C+3（N+1）8/X+3L/2C）=（M+3）（N+1）8/X+12L/2C,协议和体系结构需要分三个方面进行讨论：一是分层必要性二是OSI体系结构三是TCP/IP体系结构,分层思想的提出 两台计算间通信要解决的问题数据通信通路的激活识别接收数据的计算机 查明接收方是否已准备好接收数据 弄清接收方的文件管理程序是否已经准备好接收和存储文件 完成传输文件的格式转换工作 差错和意外事故处理,什么叫分层？,把一个功能体分解成若干个功能子体，每一个功能子体完成一部分功能，所有功能子体一起协调完成功能体提供的功能。分层结构要求各功能子体之间是下图所示的层次结构。,层次结构特点：上层是服务请求者，下层是服务提供者。层与层之间通过接口完成服务请求和 服务提供。,分层带来的好处复杂问题简单化 灵活性好 结构上可分割开易于实现和维护能促进标准化工作,邮政系统传递信件过程,南京,长沙,为什么两个人之间的通信过程如此复杂？,通信双方必须要经过邮政系统才能完成通信，邮政系统是根据标准信封上正确位置书写的地址、姓名、邮编来分类、传递信件，为保证邮政系统正确传递信件，必须按邮政系统要求的规范来封装信件，书写有关信息。通信双方必须要借助铁路运输系统来运输信件，邮局必须按照铁路运输系统的要求来封装信袋。,如果双方通信必须通过公共传输系统才能完成相互通信过程，那么，和公共传输系统之间肯定存在服务接口，请求公共传输系统提供服务的一方必须严格按照公共传输系统要求的格式提出服务请求，由公共传输系统根据服务请求完成服务。,邮局,寄信人,有明显的接口存在,提供服务,提出服务请求,邮局,火车站,有明显的接口存在,提出服务请求,提供服务,邮政系统传递信件过程,因为存在明显的服务界面，在信件实际开始运往长沙之前，必须经过三层处理机构：,因此，由于需要公共传输系统提供服务，必须设计标准的服务接口，由请求服务一方提出服务请求，由提供公共传输服务的一方完成服务，正因为这样，必须通过多层处理机构协调工作，才能实现通信功能。,寄信人,邮局,火车站,邮政系统传递信件过程,那么对等层之间有什么要求呢？,1、如果位于南京的人希望通过互通信件向位于长沙的某个企业负责人寻求某个职务，那么他们双方必须：以他们双方都能识别的文字类型、信件格式来书写信件；以他们都能接受的方式进行信息交换，提供双方所需的资料；严格按照国家和企业规定的过程依次完成提供材料、资格审查、能力考核和录用这些步骤。2、对于两地邮局而言，都必须依照标准信封正确位置书写的信息进行分类、处理。因此，每一层对等两个实体之间都有严格的约定和规范，这种同层对等实体之间的约定和规范，在计算机网络中就称为协议。,bit VS Bytebit二进制数码信号的最小组成单位 用小写的b来表示 取值总是0或1 Byte计算机的CPU处理的最小数据单位 用大写的B来表示 1B=8b,三、网络协议和体系结构几个重要概念,带宽 VS 宽带带宽数据传输的能力单位：bps 影响因素传输介质的物理特性收发数据双方的处理能力宽带同时传送多路信号或数据的技术 在ADSL技术中应用,三、网络协议和体系结构几个重要概念,WAN VS LANWAN范围：几十到几千千米 作用:用于连接远距离的计算机网络典型应用:InternetLAN范围：1km左右 作用:用于连接较短距离内的计算机典型应用:企业网,校园网,三、网络协议和体系结构几个重要概念,面向连接服务 VS 无连接服务面向连接的服务电话系统服务模式 数据传输量较大时应用无连接服务邮政系统服务模式 数据传输量较小时应用,三、网络协议和体系结构几个重要概念,单播VS广播单播“一对一”单播有明确的接收方，其它计算机不会收到数据信息。广播“一对多”在一定范围内，发送给网络中的每一台主机。,三、网络协议和体系结构几个重要概念,路由器 VS 交换机路由器将多个网络连接起来 路由”选路“交换机服务于信息通讯终端老电影中的“话务员”,路由器,交换机,三、网络协议和体系结构几个重要概念,协议的定义与组成,三、网络协议和体系结构几个重要概念,以求职过程为例，对构成协议的三个要素作进一步的说明,在求职过程中语法：表明必须以规定的文字类型和书写格式书写信件。语义：表明一旦求职人收到企业提供的简历表，必须实事求是填写后寄回，如果求职人收到要求提供的证明材料原件清单，求职人必须提供所需原件。同步：表明整个求职过程必须按照这样的步骤进行：求职人提出某个职务请求企业提供简历表求职人实事求是填写后寄回企业通过资格审查，要求求职人提供证明其适合该职务的证明材料原件求职人必须提供所需证明材料原件企业通过能力考核，发出录用通知。,三、网络协议和体系结构几个重要概念,对等和实体的概念,在一般事务中，对等是指整个过程中处于同等地位、起相同作用的单位和人，如求职过程中的求职人和企业负责人，实体是指真正执行整个过程的人和单位。在计算机网络中，对等是指在体系结构中处于同一地位，起相同作用的功能层，如用户终端的浏览器和服务器的Web服务器软件。实体是指真正完成所处层功能的硬件和软件集合，由于高层功能主要由软件实现，因此，实体也就是实现该层功能的软件模块。,三、网络协议和体系结构几个重要概念,通过浏览器访问Web服务器的过程,邮政系统传递信件过程,TCP/IP体系结构,几种著名的参考模型ISO的OSI七层模型TCP/IP四层模型改进的五层模型,三、网络协议和体系结构分层模型,几种著名的参考模型ISO的OSI七层模型TCP/IP四层模型改进的五层模型,三、网络协议和体系结构分层模型,几种著名的参考模型ISO的OSI七层模型TCP/IP四层模型改进的五层模型,三、网络协议和体系结构分层模型,将计算机网络各层及其协议的集合称为网络的体系结构；最早用于定义网络体系结构的是国际标准化组织（ISO）提出的开放系统互连/参考模型（OSI/RM）。它将网络功能划分成7层，分别是物理层、链路层、网络层、运输层、会话层、表示层和应用层。,三、网络协议和体系结构OSI体系结构,OSI体系结构各层的功能,应用层,运输层,网络层,表示层,会话层,数据链路层,物理层,7654321,一是双方信号同步，信号同步是指双方对0、1的表示方式和每一位二进制位的时间间隔达成一致。二是建立连接过程，如果双方之间的物理线路不是点对点专用线路，如通过PSTN连接两台计算机的情况，物理层必须能够在通信双方开始通信前，建立用于双方通信的通信信道。,一是在并不可靠的物理链路上为网络层提供可靠的点对点通信，链路层实现这个功能主要通过将需要传输的数据划分成数据帧，接收端对接收到的数据帧进行差错检测，如果发现有错，就丢弃接收到的数据帧，否则就向发送端发送一个确认应答，表明发送端发送的数据帧已经正确接收，发送端在规定时间内收不到来自接收端的确认应答，将再次发送数据帧。第二个功能是进行流量控制，通过限制发送端的发送速率来保证接收端有足够缓冲空间和处理能力对接收到的数据帧进行处理。,网络层的功能是把分组从发送端送到接收端，是端到端传输功能，而链路层和物理层实现的是点对点传输功能，端到端传输路径由无数个点对点传输路径组成，前面我们讲过的通过浏览器访问Web服务器的过程图中，端到端传输路径就由两段点对点传输路径组成，一段是以太网，另一段是ATM网，这两段点对点传输路径由网络互连设备进行连接。网络层是功能最丰富的一层，它还包含路由建立、拥塞控制等功能，第3章将详细讨论网络层的功能及实现。,一是在网络层提供的不可靠的端到端传输功能上提供可靠的端到端传输服务，这一点类似于链路层，只不过链路层是作用于相邻的点对点传输通路，而运输层是作用于端到端传输通路。另一个运输层提供的功能是实现进程之间通信，在多任务系统中，一台主机可以同时运行多个进程，但网络层只能实现主机间通信，即网络层地址中没有用于标明进程的信息，而运输层实现的是进程间通信，由运输层在网络层地址所提供的主机信息上，加上标识主机中进程的信息。,会话层功能用于管理两个进程间进行的会话，如用户下载文件时，可在中途中断退出，但在下一次下载时，不需要重新开始下载，而是从中断处继续下载即可。目前会话层的功能基本都包含在应用层中。,表示层的功能用于统一通信双方描述传输信息所使用的语义和语法。为了和不同类型的主机通信，必须定义一种统一的信息表示方式，表示层就用于描述这种统一的信息表示方式。,应用层的功能是定义某个应用的消息格式和实现过程，如HTTP就定义了浏览器访问Web服务器所涉及的命令、响应格式及相互作用过程。,三、网络协议和体系结构OSI体系结构,OSI体系结构无法实现的原因,以程序可移植性来对照网络互连，得出两种实现程序可移植性的方法。一是采用标准的硬件结构、标准的指令系统。二是各自发展硬件结构和指令系统，但发明一种独立于硬件结构和指令系统的语言：高级语言。但通过编译系统将高级语言翻译成机器语言。每一种指令系统对应一种翻译系统 对应到网络互连，已存在两种实现网络互连的方法。一是标准的物理层。链路层。二是独立发展传输网络，但发明独立于传输网络的互连协议IP。通过IP over X（X指各种类型的传输网络）技术实现IP分组 经过X传输网络的过程。前一种对应OSI，后一种对应TCP/IP,三、网络协议和体系结构OSI体系结构,TCP/IP体系结构,从图中可以看出TCP/IP体系结构是由多层协议组成的，由于其形状很像一个栈结构，因此，常用TCP/IP协议栈来表示它的TCP/IP体系结构，有的文献也用TCP/IP协议族来表示它的TCP/IP体系结构。,三、网络协议和体系结构TCP/IP体系结构,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,一是省去了会话层和表示层。某一层的功能是否需要独立存在，主要看其能否简化上一层功能的实现过程，就象程序设计中，总是将多个程序段都需要用到的功能块，编成子程序，以此简化这些程序段的设计。如果某个功能块只有个别程序段需要用到，将其编成子程序，反而显得累赘。同样，如果会话层提供的功能，只有少许应用层协议需要，将这种不是大部分高层协议需要的功能作为单独的功能层列出，也会显得累赘。,三、网络协议和体系结构体系结构比较,应用层,运输层,网络层,表示层,会话层,数据链路层,物理层,7654321,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),无连接分组交付服务,运输服务(可靠或不可靠),由于目前已经有了字符编码标准，各种文字的编码，在不同系统间的传输、存储已不是问题，因此，已不再需要表示层。所以，实际的网络分层结构就省去了这两层，这也再一次说明网络分层并不是很神秘的事情，而是简化端到端传输功能实现过程的需要。,三、网络协议和体系结构体系结构比较,OSI 与 TCP/IP体系结构的比较,OSI 的体系结构,TCP/IP 的体系结构,TCP/IP 的三个服务层次,应用层,运输层,网络层,表示层,会话层,数据链路层,物理层,7654321,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),无连接分组交付服务,运输服务(可靠或不可靠),二是没有了物理层和链路层，增加了网络接口层。事实上，传输网络都是单独发展的，而且，前面也提到，不同分布范围的网络，需要不同的连网技术，因此，不存在适用于所有传输网络的物理层和链路层标准。针对多种传输网络并存的事实，TCP/IP体系结构必须解决网际层协议（IP）利用现有传输网络技术，实现端到端数据传输的问题，定义网络接口层就是为了解决IP和各种传输网络技术之间的相互作用过程。,OSI 与 TCP/IP体系结构的比较,OSI 的体系结构,TCP/IP 的体系结构,TCP/IP 的三个服务层次,三、网络协议和体系结构体系结构比较,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,几种著名的参考模型ISO的OSI七层模型TCP/IP四层模型改进的五层模型,三、网络协议和体系结构分层模型,物理层物理层是第一层，数据单元为比特流。物理层关心的问题使用何种物理信号每一位的持续时间数据传输是否可以双向 连接的建立和终止物理接口的规格,三、网络协议和体系结构分层模型,物理层功能特性机械特性 指明接线器的形状尺寸，引线等等。电气特性判断电信号的电压是否在有效范围内 功能特性 电信号表示的意义规程特性,三、网络协议和体系结构分层模型,物理层物理层协议RS-232RJ-11RJ-45,RS-232,RJ-11,RJ-45,三、网络协议和体系结构分层模型,数据链路层数据链路层是第二层，数据单元为数据帧。功能链路管理 帧定界 流量控制 差错控制 将数据和控制信息分开 透明传输 寻址 数据链路层协议以太网PPP,三、网络协议和体系结构分层模型,网络层网络层是第三层，数据单元为数据包。功能逻辑编址 IP地址是在Internet唯一标识一台主机的32位二进制标识符。路由选择 三层协议IPIPX,三、网络协议和体系结构分层模型,传输层传输层是第四层，数据单元为数据段。功能进程标识 分段与重装 连接控制 流量控制 差错控制 四层协议TCPUDP,三、网络协议和体系结构分层模型,应用层应用层是最高层，包括所有应用层协议应用层协议HTTP超文本传输协议 DNS域名服务 FTP文件传输协议 TELNET远程登录协议 SMTP简单邮件传输协议,三、网络协议和体系结构分层模型,数据的传送和分层模型发送方在传输层添加控制信息形成数据段在网络层添加地址信息形成数据包在数据链路层添加二层信息形成数据帧在物理层将二进制数据转换成比特流,三、网络协议和体系结构分层模型,数据的传送和分层模型接受方物理层将比特流转换成二进制数据数据链路层查看二层信息，并递交给网络层网络层查看地址信息，并递交给传输层传输层查看控制信息，并递交给应用层,三、网络协议和体系结构分层模型,数据的传送和分层模型真正的数据传送只发生在物理层同层协议间才进行协商发送方由高层到低层逐层添加控制信息接收方由低层到高层逐层去掉控制信息,三、网络协议和体系结构分层模型,分层模型的应用 问题：如果不能连通邮件服务器物理层的检查数据链路层的检查网络层的检查传输层的检查应用层的检查特点由低层到高层，或由高层到低层逐层排错讲究先后关系,三、网络协议和体系结构分层模型,网络发展规律表明技术和市场相结合才能推动产业发展。TCP/IP体系结构的成功经验表明必须面对产品多样性、应用多样性和技术多样性的事实，只有实事求是，从实际出发开发出的体系结构，才能普及、才能称为标准。作业：习题1.4和1.5。思考题：TCP/IP取代OSI的必然性。,小结,