计算机网络概述教学.ppt

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1、第一章 计算机网络概述,信息安全与网络工程系,主要内容,计算机网络发展及其定义计算机网络分类计算机网络的功能和服务计算机网络的主要性能指标计算机网络体系结构中国公用数据网,计算机网络发展及其定义,计算机网络在信息时代的作用21 世纪的一些重要特征就是数字化、网络化和信息化，它是一个以网络为核心的信息时代。网络现已成为信息社会的命脉和发展知识经济的重要基础。网络是指“三网”，即电信网络、有线电视网络和计算机网络。-“网络融合”发展最快的并起到核心作用的是计算机网络。,计算机网络发展及其定义,因特网(Internet)的发展及意义进入 20 世纪 90 年代以后，以因特网为代表的计算机网络得到了飞

2、速的发展。已从最初的教育科研网络逐步发展成为商业网络。已成为仅次于全球电话网的世界第二大网络。因特网是自印刷术以来人类通信方面最大的变革。现在人们的生活、工作、学习和交往都已离不开因特网。,计算机网络发展及其定义,计算机网络最重要的功能 连通性计算机网络使上网用户之间都可以交换信息，好像这些用户的计算机都可以彼此直接连通一样。共享即资源共享。可以是信息共享、软件共享，也可以是硬件共享。积极作用、休闲娱乐功能、以及负面影响,计算机网络发展及其定义,计算机网络的发展1.面向终端的计算机网络 除了一台中心计算机外，其余的终端都不具备自主处理功能，在系统中主要完成终端和中心计算机间的数据通信。Publ

3、ic Switched Telephone NetworkMOdulate-DEModulate图1-1以单计算机为中心的远程联机系统,串行接口,1.面向终端的计算机网络通信控制器的功能（前端处理机）多个终端同时要求与主机通信时的争用问题 串行信号与并行信号的转换 控制Modem 差错检测与控制特点单机系统速率慢主机系统负荷过重线路利用率低,计算机网络发展及其定义,计算机网络发展及其定义,2.计算机计算机网络 计算机计算机 网络是多台主计算机通过通信线路互连为用户提供服务的系统。它和以单台计算机为中心的远程联机系统的显著区别在于：这里的多台主计算机都具有自主处理能力，它们之间不存在主从关系。第

4、二代计算机网络的典型代表是ARPA网（ARPA net）。,计算机网络发展及其定义,ARPANET涉及到三位科学家Paul Baran（分组交换之父）Donald Davies（互联网之父）Larry Roberts（ARPANET之父）,计算机网络发展及其定义,ARPA NET协议结构,计算机网络发展及其定义,2.计算机计算机网络,逻辑上形成了由资源与通信子网组成的两级网络结构。,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,

5、数 据,首部,数 据,首部,00101001110,计算机网络发展及其定义,图1-2以分组交换网为中心的网络,计算机网络发展及其定义,计算机计算机网络主要缺点：计算机计算机网络大都是由研究单位、大学、应用部门或计算机公司各自研制的，没有统一的网络体系结构。为实现更大范围内的信息交换与共享，把不同的第二代计算机网络互连起来十分困难。,计算机网络发展及其定义,3.开放式标准化网络 开放式标准化网络：具有统一的网络体系结构、遵循国际标准化协议。典型例子：ISO制定OSI七层模型、遵守CCITT X系列建议组建的公用分组交换数据网、因特网（Internet，也译为国际互联网）,计算机网络发展及其定义,

6、因特网概述网络的网络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 网络(network)由若干结点(node)和连接这些结点的链路(link)组成。互联网是“网络的网络”(network of networks)。连接在因特网上的计算机都称为主机(host)。,网络把许多计算机连接在一起。互联网则把许多网络连接在一起。因特网是世界上最大的互联网络。,计算机网络发展及其定义,计算机网络发展及其定义,计算机网络发展及其定义,因特网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

7、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)Internet与internet,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。,一级 ISP,一级 ISP,第一层 ISP,大公司,本地 ISP,大公司,大公司,公司,本地 ISP,本地 ISP,第二层 ISP,第二层 ISP,NAP

8、,NAP,A,B,主机A 本地 ISP 第二层 ISP NAP 第一层 ISP NAP 第二层 ISP 本地 ISP 主机B,第一层 ISP,第二层 ISP,本地 ISP,本地 ISP,本地 ISP,本地 ISP,第一层 ISP,第一层,第二层,第三层,本地 ISP,第二层 ISP,本地 ISP,本地 ISP,本地 ISP,本地 ISP,第二层 ISP,本地 ISP,本地 ISP,第二层 ISP,计算机网络发展及其定义,ARPANET到Internet,计算机网络发展及其定义,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

9、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。,计算机网络发展及其定义,因特网的发展情况概况,网络数 主机数 用户数 管理机构数1980 10 102 102 1001990 103 105 106 101 2000 105 107 108 102 2005 106 108 109 103,下一代因特网计划开发下一代网络结构，提高网络速度使用更加先进的网络服务技术和开发更高级的应用使用超高速全光网络，更快速的交换

10、和路由选择改进因特网的管理和信息的可靠性以及安全性以Inernet2付诸实施，采用IPv4支持IPv6,计算机网络发展及其定义,计算机网络发展及其定义,下一代网络NGN互联网的两个发展趋势三网融合基于IP技术的新型公共电信网络的快速发展Internet应用给传统的电信业带来的技术演变移动业务超过固定业务数据业务超过语音业务分组交换业务超过数据交换业务电信业务的技术发展趋势计算机网络IP技术可将传统电信业所有设备变成Internet终端软交换技术使得各种新业务方便加载到电信网络，加快三网融合第三代移动通信3G技术将数据业务带入移动时代,计算机网络发展及其定义,NGN特征建立在IP技术基础上的新型

11、公共电信网络可容纳各类信息，在统一管理平台下实现语音、数据与视频信号的传输与管理提供传统电信业务和宽带数据业务综合业务网络提供可靠的服务质量保证，具有快速灵活的新业务生成能力,计算机网络发展及其定义,因特网协会 ISOC,因特网研究指导小组IRSG,因特网研究部 IRTF,因特网工程部 IETF,因特网工程指导小组IESG,RG,WG,RG,领域,领域,因特网体系结构研究委员会 IAB,WG,WG,WG,因特网的标准化工作,解决短期和中期的工程问题,针对协议的开发和标准化,进行理论方面的研究,开发长期考虑的问题,计算机网络发展及其定义,因特网的正式标准的四个阶段因特网草案(Internet D

12、raft)在这个阶段还不是 RFC（Request For comments）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),计算机网络发展及其定义,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,计算机网络发展及其定义,从因特网的工作方式上看，可以划分为以下的两大块：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。

13、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,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,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)。“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”。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

14、类：客户服务器方式（C/S 方式）即Client/Server方式 对等方式（P2P 方式）即 Peer-to-Peer方式,客户服务器方式,客户(client)和服务器(server)都是指通信中所涉及的两个应用进程。客户服务器方式进程之间服务和被服务的关系。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,A,B,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。,客户软件的特点,被用户调用后运行，在打算通信时主动向远地服务器发起通信（请求服务）。因此，客户程序必须知道服务器程序的地址。不需要特殊的硬件和很复杂

15、的操作系统。,服务器软件的特点,一种专门用来提供某种服务的程序，可同时处理多个远地或本地客户的请求。系统启动后即自动调用并一直不断地运行着，被动地等待并接受来自各地的客户的通信请求。因此，服务器程序不需要知道客户程序的地址。一般需要强大的硬件和高级的操作系统支持。,对等连接方式,对等连接(peer-to-peer，简写为 P2P)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。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。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,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

16、连接中的每一个主机既是客户又同时是服务器。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,D,C,E,F,运行P2P 程序,运行P2P 程序,因特网的核心部分,网络核心部分是因特网中最复杂的部分。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）。在网络核心部分起特殊作用的是路由器(router)。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

17、的分组，这是网络核心部分最重要的功能。,计算机网络发展及其定义,计算机网络的不同定义最简单的定义：计算机网络是一些互相连接的、自治的计算机的集合。网络和网络通过路由器互连起来，形成更大的网络，即互连网“网络的网络”。计算机网络的组成：资源子网(或用户子网)，通信子网。分布式系统：是一种具有高度内聚性(Cohesiveness)和透明性(Transparency)的计算机网络。,计算机网络分类,1.从网络的交换功能分类电路交换：在数据传输期间，在源节点与目的节点之间有一条利用中间节点构成的一条专用的物理连接线路，直到数据传输结束。报文交换：当发送方有数据要发送时，把要发送的数据当做一个整体交给中

18、间交换设备，中间交换设备先将报文存储起来，然后选择一条合适的空闲输出线将数据转发给下一个交换设备。分组交换：它把用户的数据被划分成一个个分组，组的大小有严格的上限，这样使得分组可以被缓存在交换设备的内存中。混合交换：混合交换主要是指同时使用电路交换和分组交换。,计算机网络分类,2.从网络的作用范围进行分类广域网 WAN(Wide Area Network)局域网 LAN(Local Area Network)城域网 MAN(Metropolitan Area Network)个人区域网 PAN(Personal Area Network)多处理机系统,计算机网络分类,广域网 WAN(Wide

19、Area Network)是因特网的核心部分，长距离运输数据特点是：覆盖的地理区域大，通常在几公里至几千、几万公里，网络可跨越市、地区、省、国家、洲洋乃至全球。广域网连接常借用公用网络（如：PSTN、DDN、ISDN）传输速率比较低，一般在64kbps-2Mbps,最高可达到45Mbps，但随着广域网技术的发展，广域网的传输速率正在不断地提高，目前通过光纤介质，采用POS技术，使传输速率达到155Mbps，甚至更高。网络拓扑结构复杂,计算机网络分类,局域网 LAN(Local Area Network)地理位置较小的区域，如企业网、校园网特点：覆盖的地理区域比较小，仅工作在有限的地理区域内（0

20、.1-20公里）传输速率高，1Mbps-1Gbps。误码率低。拓扑结构简单，常用的拓扑结构有：总线型、星型、环型 局域网通常归属一个单一的组织所管理,计算机网络分类,城域网 MAN(Metropolitan Area Network)范围是一座城市，用来连接多个局域网公共设施个人区域网 PAN(Personal Area Network)个人工作地方，把属于个人使用的电子设备用无线技术连接起来，无线个人区域网多处理机系统若中央处理机之间的距离非常近，1米，不称为计算机网络,计算机网络的分类,计算机网络的分类,3.用来把用户接入到因特网的网络接入网 AN(Access Network)，它又称为

21、本地接入网或居民接入网。由 ISP 提供的接入网只是起到让用户能够与因特网连接的“桥梁”作用。拨号连接、宽带接入技术,广域网、城域网、接入网以及局域网的关系,城域网,城域网,接入网,接入网,接入网,接入网,接入网,接入网,广域网,局域网,局域网,校园网,企业网,计算机网络分类,4.从网络的使用者进行分类公用网(public network)由电信部门或从事专业电信运营业务的公司提供的面向公众服务的网络。专用网(private network)某个部门为本单位的特殊业务工作的需要建造的网络。该网络不向本单位以外的人提供服务，如：军队、铁路、电力等系统均有专用网,计算机网络分类,5.按拓扑结构分类

22、总线型结构环型结构星型结构树型结构网状型结构,计算机网络分类,总线型结构采用一条单根的通信线路（总线）作为公共的传输通道，所有的结点都通过相应的接口直接连接到总线上并通过总线进行数据传输。总线型网络使用广播式传输技术，总线上的所有结点都可以发送数据到总线上，数据沿总线传播。但是，由于所有结点共享同一条公共通道，所以在任何时候只允许一个站点发送数据。当一个结点发送数据，并在总线上传播时，数据可以被总线上的其他所有结点接收。各站点在接收数据后，分析目的物理地址再决定是否接收该数据。粗、细同轴电缆以太网就是这种结构的典型代表。,计算机网络分类,特点：结构简单灵活，易于扩展。共享能力强，便于广播式传输

23、。网络响应速度快，但负荷重时则性能迅速下降。局部站点故障不影响整体，可靠性较高。但是，总线出现故障，则影响整个网络。易于安装、费用低。网络效率和带宽利用率低。采用分布控制方式，各结点通过总线直接通信。各工作站点平等，都有权争用总线，不受某站点仲裁。,计算机网络分类,环型结构 各个网络结点通过环接口连在一条首尾相接的闭合环型通信线路中。环型结构有两种类型，即单环结构和双环结构。令牌环（Token Ring）是单环结构的典型代表，光纤分布式数据接口（FDDI）是双环结构的典型代表。,计算机网络分类,特点 在环型网络中，各工作站间无主从关系，结构简单。信息流在网络中沿环单向传递，延迟固定，实时性较好

24、。两个结点之间仅有唯一的路径，简化了路经选择。可靠性差，任何线路或结点的故障，都有可能引起全网故障，且故障检测困难。可扩充性差。站点间可以设定优先权,计算机网络分类,星型结构每个结点都由一条点到点链路与中心结点（公用中心交换设备，如：交换机、HUB等）相连。信息的传输是通过中心结点的存储转发技术实现的，并且只能通过中心站点与其它站点通信,计算机网络分类,特点：星型拓扑结构简单，便于管理和维护。易实现结构化布线。星型结构易扩充，易升级。通信线路专用，电缆成本高。星型结构的网络由中心结点控制与管理，中心结点的可靠性基本上决定了整个网络的可靠性。中心结点负担重，易成为信息传输的瓶颈，且一旦故障，全网

25、瘫痪,计算机网络分类,树型结构 从总线型和星型结构演变来的一种是由总线型拓扑结构派生出来的，它由多条总线连接而成。另一种是星型结构的变种，各结点按一定的层次连接起来，形状像一棵倒置的树，故得名树型结构。在树型结构的顶端有一个根结点，它带有分支，每个分支还可以再带子分支。,计算机网络分类,特点：这种结构是天然的分级结构。易于扩展。易故障隔离，可靠性高。电缆成本高。根结点的依赖性大，一旦根结点出现故障，将导致全网不能工作。,计算机网络分类,网状结构指将各网络结点与通信线路互连成不规则的形状，每个结点至少与其它两个结点相连，或者说每个结点至少有两条链路与其他结点相连。大型互联网一般都采用这种结构，如

26、：我国的教育科研示范网CERNET、国际互联网Internet的主干网都采用网状结构。,计算机网络分类,特点：每个结点都有冗余链路，可靠性高。因为有多条路径，所以可以选择最佳路径，减少时延，改善流量分配，提高网络性能，但路经选择比较复杂。结构复杂，不易管理和维护。适用于大型广域网。线路成本高。,计算机网络分类,网络拓扑结构分类,其它分类方式,按网络协议分类：以太网（Ethernet）,以太网使用IEEE802.3标准协议；令牌环网（Token Ring），令牌环网使用IEEE802.5协议；令牌总线（Token Bus），使用IEEE 802.4标准协议还有：FDDI网、ATM网、X.25网、

27、TCP/IP网等。按传输介质分类：双绞线网络（以双绞线为传输介质）、光纤网络（以光纤为传输介质）、同轴电缆网络（以同轴电缆为传输介质）、无线网络（以无线电波为传输介质）和卫星数据通信网（通过卫星进行数据通信）等。按所使用的网络操作系统分类：Netware网、Unix网、Windows NT网等 按传输技术分类：根据网络所使用的传输技术，可以把计算机网络分为广播式网络和点到点网络。,其它分类方式,广播式网络 在广播式网络中仅有一条通信信道，这条信道由网络上的所有站点共享。在传输信息时，任何一个站点都可以发送数据分组，并传到每台机器上，并被其他所有站点接收。而这些机器根据数据包中的目的地址进行判断

28、，如果是发给自己的则接收，否则，丢弃它。采用这种传输技术的网络称为广播式网络（Broadcast Network）。总线型以太网就是典型的广播式网络。点到点网络 与广播式网络相反，点到点网络由一对对机器之间的多条连接构成，在每一对机器之间都有一条专用的通信信道，因此在点到点的网络中，不存在信道共享与复用的问题。当一台计算机发送数据分组后，它会根据目的地址，经过一系列的中间设备的转发，直接到达目的端站点，这种传输技术称为点到点，采用点到点传输技术的网络为点到点网络。,计算机网络的功能和服务,1.计算机网络功能数据通信：连接的建立与拆除、数据传输控制（控制信息如地址以及各种异常处理）、差错控制（检

29、查与纠正错误）、流量控制（通信双方数据流的速度相匹配）、路由选择（选择最佳路径）、多路复用（提高传输线路的利用率）。资源共享：数据资源、软件资源、硬件资源负荷均衡和分布处理：计算迁移、进程迁移2.计算机网络提供的服务E-mail FTP Telnet WWW,计算机网络的主要性能指标,1.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，

30、或kb/s,Mb/s,Gb/s 等速率往往是指额定速率或标称速率。,计算机网络的主要性能指标,2.带宽“带宽”(bandwidth)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）。如：电话信号的标准带宽为3.1kHZ（300HZ3.4kHZ，即话音的主要成分的频率范围）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)。,计算机网络的主要性能指标,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：

31、在计算机界，K=210=1024 M=220,G=230,T=240。,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。,3.吞吐量吞吐量(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。如100Mb/s的以太网，其额定速率是100Mb/s，这个值是其吞吐量的上限，吞吐量可能只有70Mb/s,计算机网络的主要性能指标,计算机网络的主要性能指标,4.时延(delay 或 latency)发送时延（传输时延）发送数据时，数

32、据块从结点进入到传输媒体所需要的时间。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。信道带宽 数据在信道上的发送速率。常称为数据在信道上的传输速率。,计算机网络的主要性能指标,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。信号传输速率（即发送速率）和信号在信道上的传播速率是完全不同的概念。,计算机网络的主要性能指标,电磁波在自由空间的传播速率是光速：3108m/s在网络媒体中的传输速率：铜线电缆中的传播速率2.3108m/s光纤中的传播速率2.0108m/s1000km长的光纤线路产生的传播时延大约5ms发送时延发生在机器内部的发送器中传播时延发生在机器外部的

33、传输信道媒体上,计算机网络的主要性能指标,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。分析分组首部、提取数据部分、差错检验、查找路由等。排队时延 结点缓存队列中分组排队所经历的时延。分组在输入队列等待处理，输出队列等待发送排队时延的长短往往取决于网络中当时的通信量。通信量很大的时会发生队列溢出，排队时延无限大,计算机网络的主要性能指标,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：总时延中谁占主导地位，必须具体分析正常情况可以忽略处理时延和排队时延 当通信量过大时，处理时延和排队时延占主导地位，此时网络性能已经变坏了。,总时延=发送时延+传播时延+处理时延+

34、排队时延,四种时延所产生的地方,1 0 1 1 0 0 1,发送器,队列,结点 B,结点 A,数据,从结点 A 向结点 B 发送数据,链路,计算机网络的主要性能指标,例如（不考虑排队时延和处理时延）假定有一个长度为100MB的数据块。在带宽为1Mb/s的信道上连续发送：发送时延：1002208106838.9s若将这样的数据用光纤传送到1000km远的计算机，每个比特在1000km的光纤上只需要5ms【1000103（2108）秒】这个例子中总时延的数值基本上由发送时延来决定,计算机网络的主要性能指标,如果传送的数据只有1个字节，1Mb/s的信道发送时延：8106s8us如同上例的传播时延5m

35、s总时延：5008us这种情况下，传播时延决定了总时延,计算机网络的主要性能指标,容易产生的错误概念对于高速网络链路，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。所以高速网络链路中比特流跑的与其他链路上一样快提高链路带宽减小了数据的发送时延。光纤信道的传输速率高：指的是光纤信道发送数据的速率可以很高，而光纤信道的传播速率实际比铜线电缆要略低。,5.时延带宽积,（传播）时延,链路,带宽,时延带宽积=传播时延 带宽,传播时延：以时间作为单位来表示链路长度如传播时延20ms，带宽10Mb/s：时延带宽积=2*105bit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,计算

36、机网络的主要性能指标,计算机网络的主要性能指标,6.往返时延 RTT(Round-Trip Time)表示从发送端发送数据开始，到发送端收到来自接收端的确认（接收端收到数据后立即发送确认），总共经历的时延。互联网中RTT包括：发送时延、传播时延、处理时延和排队时延还有中间结点的处理时延、排队时延以及转发数据时的发送时延与分组大小有关RTT意义：收到确认信息的时间，确认过程中已经发送的数据量,计算机网络的主要性能指标,7.利用率信道利用率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当信道利用率增大时，

37、信道引起的时延也就迅速增加特别是网络结点的排队时延和处理时延会增加,计算机网络的主要性能指标,时延与网络利用率的关系若令 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。,时延 D,利用率 U,1,0,D0,时延急剧增大,计算机网络的非性能特征,费用网络的价格（设计与实现的费用），与性能相关质量构件的质量，组成网络的方式。标准化通用的国际标准或特定的专用网络标准互操作性、升级、维护等可靠性与质量和性能密切相关可扩展性和可升级性 易于管理和维护,计算机网络体系结构,计算机网

38、络是个非常复杂的系统。例如：A，B两台计算机都连接在网络上，它们要互相传送文件，假设A主机发起通信。它们必须的一些工作有：A，B间必须有条传送数据的通路。A主机发起通信时，必须将数据通信的通路进行激活。就是发送一些信令，保证要发送的计算机数据能在这条通路上正确发送和接收。告诉网络如何识别接收数据的主机B。如在互联网上用IP地址识别，局域网只需要MAC地址即可。,计算机网络体系结构,A主机必须弄清楚，对方主机B的文件管理程序是否做好接收和存储文件的准备工作。若A，B主机的文件格式不兼容，则至少有一个计算机要完成格式转换功能。解决可能出现的各种差错和意外事故（数据传输错误、重复或丢失，某个交换机故

39、障等）等等（各种应用的特定格式，不同网络之间的通信）,计算机网络体系结构,分层思想的提出 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。,计算机网络体系结构,分层标准的提出 1974年，美国IBM公司宣布了系统网络体系结构SNA（System Network Architecture）。该网络标准就是按照分层的方法制定的。不久后其他公司也推出了自己的网络体系结构，使用同一个公司生产的各种设备都能够很容易地互连成网。DEC公司 DNA(数字网络系统结构)Univac公司

40、DCA(数据通信体系结构)宝来公司 BNA(宝来网络体系结构)但是，不同公司的网络设备很难相互连通。这种情况有利于一个公司垄断市场，而且不利于计算机网络的飞速发展。,计算机网络体系结构,开放系统互连参考模型OSI/RM为了解决不同体系结构的计算机网络都能互连，国际标准化组织ISO提出了开放系统互连基本参考模型OSI/RM（Open Systems Interconnection Reference Model），这一标准框架。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、也遵循该标准的其他系统进行通信。这就是所谓的七层协议的体系结构。,计算机网络体系结构,OSI标准的失败当OSI标

41、准在不断完善的过程中，还没有出现符合标准的产品的时候，互联网风靡全球。OSI仅仅获得了一些理论研究的成功，但在市场化方面失败了。OSI 的专家们在完成 OSI 标准时没有商业驱动力；OSI 的协议实现起来过分复杂，且运行效率很低；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 的层次划分并也不太合理，有些功能在多个层次中重复出现。,计算机网络体系结构,两种国际标准法律上的(de jure)国际标准 OSI 并没有得到市场的认可。是非国际标准 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。OSI源于理论，

42、TCP/IP源于实践。,计算机网络体系结构,协议与划分层次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)，简称为协议为进行网络中的数据交换而建立的规则、标准或约定。,计算机网络体系结构,网络协议的组成要素语法 数据与控制信息的结构或格式。若干个协议元素和数据组合在一起来表达一个更完整的内容时，所遵循的格式。如报文格式。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。不同类型的协议元素定义了不同的内容，例如在基本型数据链路控制协议中：协议元素SOH的语义表示所传输

43、报文的报头开始；而协议元素ETX的语义表示正文结束。同步 事件实现顺序的详细说明。通信双方建立和执行通信过程中，必须遵循的顺序。,计算机网络体系结构,网络协议通常有两种不同的形式：使用便于人来阅读和理解的文字描述让计算机能够理解的程序代码二者都必须能够对网络上信息交换过程做出精确的解释。,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

44、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。,分层的好处,各

45、层之间是独立的。某一层并不知道它的下一层是如何实现的，而仅仅需要知道该层通过层间的接口（即界面）所提供的服务。每层只实现一种相对独立的功能，因而可将一个难以处理的复杂问题分解为若干个比较容易处理的更小一些的问题。灵活性好。任何一层发生变化时（如技术变化），只要层间接口关系保持不变，则在这层以上或者以下各层均不受影响。所以，每层提供的服务可以进行修改，甚至取消。结构上可分割开。各层可以采用最适合的技术来实现。易于实现和维护。整个系统被分解为若干个独立的子系统，大大降低了整个系统调试的复杂度。能促进标准化工作。每层的功能及其提供的服务都已有了精确的说明。,计算机网络体系结构,层数多少要适当若层数太

46、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。,计算机网络体系结构,通常各层要完成的功能 差错控制：使得和对等端的相应层次的通信更加可靠。流量控制：使得发送端的发送速率不要太快，要使接收端来得及接受。分段与重装：发送端将要发送的数据划分成更小的单位，在接收端将其还原。复用和分用：发送端几个高层的会话复用一条低层的连接，在接收端在进行分用。连接建立和释放：交换数据前先建立一条逻辑连接，数据传送结束释放连接。每层可以包含一种或者多种以上功能。这些功能可能出现在不同的层次中，因而产生了额外的开销。,计算机网络体系结构,计算机网络的体系结构(archit

47、ecture)是计算机网络的各层及其协议的集合。体系结构就是这个计算机网络及其部件所应完成的功能的精确定义。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（全面的），而实现则是具体的（片面的），是真正在运行的计算机硬件和软件。,计算机网络体系结构,OSI的七层协议体系结构OSI的七层体系结构 的概念清楚，理论也比较完整，但它既复杂也不实用。OSI分层原则：当需要一个不同抽象的时候，应该创建一层每层都要执行一个明确定义的功能选择每层功能时，要考虑到定义国际标准化的协议选择层边界时，应该使“跨接口所需的信息流”尽可能最小层次足够多

48、，以保证不同的功能不会被混杂在同一层,计算机网络体系结构,计算机网络体系结构,物理层是与传输媒体（物理传输介质）的接口，完成传输媒体上的信号和二进制数据间的转换。物理接口上发送或者接收的是以某种规则表示的二进制的数据。发送端将二进制数据转换成信号，接收端将信号转换成二进制数据。计算机上一些通信接口：并行接口，串行接口，RJ45接口等等。物理层定义是接口的机械特性（插口形状，RJ45、RS232接口、我们就可以将同种的插口对应起来，引脚的作用有发送、接收、控制等）、电气特性（信号的编码方式，0的电平，1的电平，持续延时）、功能和过程特性等（如同步或异步的交互过程）。,计算机网络体系结构,数据链路

49、层（帧）提供点到点的可靠传输，通常把数据（物理层的比特串）分帧，并且保证帧的正确接收。识别帧的标志（帧头、帧尾的标识）帧的接收（要校验,将校验码一同传输）、要确认发送方在超时或收到否定性确认后，要重发重复帧要丢弃（如：确认帧丢失时）还要解决信道共享问题等等（局域网中涉及到的，就是介质访问子层MAC层的工作）,计算机网络体系结构,网络层（报文）一台主机与另一台主机通过网络进行通信，其间可能存在多条通路，网络层将实现的功能包括：选择路由 拥塞控制(路由器来不及处理资源子网的请求，通信子网无法满足请求，需要网络层处理这种拥塞)协议的转换（互联网的出现，分组在各种网络之间的传输需要协议转换）分段和重组

50、（以太网和令牌环的支持帧长度不同，所以互连时要转接）对用户的分组、字符等计数等等（收费网络中进行统计的度量）广播式网络中的，路由问题比较简单，所以网络层往往比较薄，甚至根本不存在。,计算机网络体系结构,传输层（数据段）端到端，应用程序到应用程序的无错通路。传输层将把高层要求传输的数据分成若干个报文报文与帧不一样，帧只有帧标志（起始标志、结束标志），而报文有信源和信宿的地址及端口、报文的顺序号、确认号等等低三层的通信对象通常是路由器（相邻主机），它们是被串起来的。传输层是端到端的（源、目的主机间），必须考虑该报文怎样才能从源端正确地传输到目的端,计算机网络体系结构,会话层建立有关会话的机制，或双