北航計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)課件第1章

第一章概論(Introduction)1.1計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)發(fā)展、功能和組成1.2計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)1.3計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的分類1.4網(wǎng)絡(luò)分層體系結(jié)構(gòu)1.5實體間通信與服務(wù)1.6網(wǎng)絡(luò)互連1.7計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的性能1.1計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)發(fā)展、功能和組成1、計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的演變①具有通信功能的聯(lián)機(jī)系統(tǒng)：終端-線路-計算機(jī)；②具有通信功能的分時系統(tǒng)：終端-集中器-計算機(jī)；①②稱為遠(yuǎn)程聯(lián)機(jī)系統(tǒng)。TSTTTTTTHOST通信線路T缺點主機(jī)負(fù)荷重——數(shù)據(jù)處理＋通信線路利用率低集中控制方式，可靠性低③計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)：獨立的計算機(jī)互連；④國際標(biāo)準(zhǔn)化網(wǎng)絡(luò)：開放式標(biāo)準(zhǔn)計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)；

不同網(wǎng)絡(luò)設(shè)備之間的兼容性和互操作性是推動網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)化的原動力.通信網(wǎng)計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的定義有多種，按流行的觀點，計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的定義是：按照網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，以共享為目的，將地理上分散的獨立的計算機(jī)互聯(lián)起來的集合體。網(wǎng)絡(luò)通常指“三網(wǎng)”，即電信網(wǎng)絡(luò)、有線電視網(wǎng)絡(luò)和計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)。發(fā)展最快的并起到核心作用的是計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)

“三網(wǎng)”融合2、計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的功能●數(shù)據(jù)通信●資源共享●并行和分布式處理●提高可靠性●可擴(kuò)充性3、計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的組成資源子網(wǎng)—負(fù)責(zé)信息處理，向網(wǎng)絡(luò)用戶提供各種網(wǎng)絡(luò)資源與服務(wù)。如：計算機(jī)系統(tǒng)、外設(shè)、軟件資源等。通信子網(wǎng)—負(fù)責(zé)信息傳遞，完成數(shù)據(jù)傳輸及轉(zhuǎn)發(fā)。如：結(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備、通信設(shè)備等也稱為兩層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)通信子網(wǎng)和資源子網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)(network)由若干結(jié)點(node)和連接這些結(jié)點的鏈路(link)組成。連接在網(wǎng)絡(luò)上的計算機(jī)稱為主機(jī)(host)。1.2計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)所謂網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，是指網(wǎng)絡(luò)中各結(jié)點間的互連模式。常見的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)溆校?、網(wǎng)狀拓?fù)?、星狀拓?fù)?、樹狀拓?fù)?、總線型拓?fù)?、環(huán)狀拓?fù)?、混合型拓?fù)渚W(wǎng)狀拓?fù)渚W(wǎng)狀拓?fù)涞奶攸c：①避免擁塞問題②具有較好的健壯性③具有好的安全性④便于管理⑤安裝費用高星狀拓?fù)湫菭钔負(fù)涞奶攸c：①拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)簡單②具有較好的健壯性③便于管理④中央控制器是網(wǎng)絡(luò)的瓶頸樹狀拓?fù)錁錉钔負(fù)涞奶攸c：①擴(kuò)展了網(wǎng)絡(luò)距離②允許網(wǎng)絡(luò)隔離不同計算機(jī)的通信總線型拓?fù)淇偩€型拓?fù)涞奶攸c：①不存在路由②易安裝③總線長度有限④故障隔離問題環(huán)狀拓?fù)洵h(huán)狀拓?fù)涞奶攸c：①易安裝②維護(hù)管理方便③傳輸延遲大混合型拓?fù)?.3計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的分類1、按作用范圍分類①局域網(wǎng)(LAN—LocalAreaNetwork)②城域網(wǎng)(MAN—MetropolitanAreaNetwork)③廣域網(wǎng)(WAN—WideAreaNetwork)2、按通信介質(zhì)分類①有線：同軸電纜、雙絞線、光纖②無線：衛(wèi)星、微波3、按傳播方式分類：①點對點②廣播網(wǎng)4、按通信速率分類：①低速:kbps—1.4Mbps②中速:1.4Mbps—45Mbps③高速:50Mbps—1000Mbps5、按使用范圍分類：①公用網(wǎng)：網(wǎng)通、電信、教育網(wǎng)②專用網(wǎng)：公安、銀行、稅務(wù)等6、按網(wǎng)絡(luò)控制方式分類：①集中式：網(wǎng)絡(luò)控制功能集中在一個結(jié)點上。②分布式：不存在控制中心。7、按網(wǎng)絡(luò)環(huán)境分類：①部門網(wǎng)（DepartmentalNetwork）②企業(yè)網(wǎng)（Enterprise-WideNetwork）③校園網(wǎng)（CampusNetwork）1.4網(wǎng)絡(luò)分層體系結(jié)構(gòu)

計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)是個復(fù)雜的系統(tǒng)，在計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計和實現(xiàn)中需要進(jìn)行分層處理，每層完成特定的功能，各層協(xié)調(diào)起來實現(xiàn)整個網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。網(wǎng)絡(luò)協(xié)議：通信雙方必須遵守的規(guī)則、標(biāo)準(zhǔn)、約定。網(wǎng)絡(luò)協(xié)議三要素：語義：控制信息的功能及動作?！爸v什么”語法：數(shù)據(jù)與控制信息的結(jié)構(gòu)或格式。如:數(shù)據(jù)的格式、電平等?！霸趺粗v”

時序：信息的同步,速度匹配?！笆裁磿r候講”1.4.1網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和分層體系結(jié)構(gòu)：計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的各個層次及其協(xié)議的集合稱為體系結(jié)構(gòu)。網(wǎng)絡(luò)協(xié)議分層的優(yōu)點:①獨立，各層之間是獨立的，只需接口②靈活，一層變化不影響其他層③模塊化，各層采取各自技術(shù)④易于維護(hù)⑤易于標(biāo)準(zhǔn)化1.4.2分層的主要原則主要原則①功能相近的分在一層②層的數(shù)量適當(dāng)，每層的功能明確③邊界信息要盡量少網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)是抽象的，是對功能的精確描述。其功能的實現(xiàn)是具體的，是真正運行的硬件和軟件。第一個網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)是美國的IBM公司在1974年提出的，取名為系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)SNA（SystemNetworkArchitecture）。1.4.3OSI參考模型國際標(biāo)準(zhǔn)化組織ISO于1984年制定了開放系統(tǒng)互連參考模型OSI。模型的作用：解決網(wǎng)絡(luò)之間不能兼容和不能通信的問題。模型的內(nèi)容：分7個層次，每層解決一個問題，共同描述計算機(jī)通信的過程。國際標(biāo)準(zhǔn)化組織國際標(biāo)準(zhǔn)化組織ISO

電氣電子工程師協(xié)會IEEE電信標(biāo)準(zhǔn)化組織國際電信聯(lián)盟ITU（InternationalTelecommunicationUnion）國際電報電話咨詢委員會CCITT

（ConsultativeCommitteeInternationalTelegraphandTelephone）結(jié)點功能：規(guī)定了機(jī)械的、電氣的、功能的、規(guī)程的4個特性，負(fù)責(zé)如何將計算機(jī)連接到通信媒體上。物理層(Physical)機(jī)械特性：定義連接頭、機(jī)械尺寸、通信媒體等。電氣特性：信號電平,編碼,數(shù)據(jù)傳輸率.功能特性：信號之間的關(guān)系,數(shù)據(jù)線,控制線等。規(guī)程特性：數(shù)據(jù)交換的控制步驟。物理層數(shù)據(jù)傳輸?shù)膯挝皇潜忍?Bit)。幀同步:傳輸?shù)男畔挝皇菐?Frame)。差錯控制:為上層提供可靠鏈路。流量控制:處理輸入數(shù)據(jù)的速率。鏈路管理:鏈路的建立,維持,拆除。數(shù)據(jù)鏈路層處理相鄰結(jié)點的數(shù)據(jù)傳輸,傳輸?shù)臄?shù)據(jù)單元是Frame。數(shù)據(jù)鏈路層(Data-Link)網(wǎng)絡(luò)層（Network)任務(wù)：路由選擇、阻塞控制、網(wǎng)際互連網(wǎng)絡(luò)層處理任意結(jié)點的數(shù)據(jù)傳輸,傳輸?shù)男畔挝皇欠纸M(Packet)傳輸層(Transport)端到端的通信,把數(shù)據(jù)可靠的從一端用戶進(jìn)程送到另一端用戶進(jìn)程。服務(wù):端到端的流量控制端到端的差錯控制傳輸?shù)男畔卧菆笪?Message)會話層兩個計算機(jī)上的用戶進(jìn)程建立連接，雙方互相確認(rèn)身份，協(xié)商會話連接的細(xì)節(jié)。表示層解決用戶信息的語法問題，對用戶數(shù)據(jù)進(jìn)行翻譯、編碼和交換。應(yīng)用層處理用戶的數(shù)據(jù)和信息，完成用戶所希望的實際任務(wù)。1.4.4TCP/IP網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)TCP/IP協(xié)議:(TransmissionControlProtocol/InternetProtocol)是世界上最大的計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)Internet運行的基礎(chǔ),是目前應(yīng)用最廣泛的網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議。OSI/RM的制定具有十分重大的意義，但是由于TCP/IP協(xié)議得到普遍使用，所以在計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域一般認(rèn)為TCP/IP是事實上的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，在實際運行的系統(tǒng)中采用OSI模型的并不多。盡管如此，OSI模型仍然對建立計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)具有重要的指導(dǎo)意義。RFC文檔所有關(guān)于Internet網(wǎng)絡(luò)的正式標(biāo)準(zhǔn)都以RFC（RequestforComment）文檔出版。出版的目的只是為了提供相關(guān)的信息。RFC文檔的每一項都用一個數(shù)字來標(biāo)識，例如RFC983，數(shù)字值越大說明RFC文檔的內(nèi)容越新。所有的RFC文檔都可以網(wǎng)絡(luò)上免費獲得。

/中國協(xié)議分析網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)與因特網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)是把許多計算機(jī)連接在一起。因特網(wǎng)則把許多網(wǎng)絡(luò)連接在一起。

(a)(b)網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)網(wǎng)（網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)）結(jié)點鏈路1.5實體間通信與服務(wù)在計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中，每層的功能由該層的實體來實現(xiàn)，下層實體為上層實體提供服務(wù)。上層通過下層的服務(wù)完成自己的功能。實體：具有發(fā)送和接收信息的任何東西。包括：終端、軟件、通信進(jìn)程等。1.5.1層間通信與對等層間通信層間通信：同一結(jié)點上相鄰層次的通信。對等層間通信：不同的網(wǎng)絡(luò)結(jié)點上對等層間的通信。實通信：層間通信和物理層之間的通信。虛通信：對等層間的通信。1.5.2服務(wù)于數(shù)據(jù)單元數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)中各結(jié)點內(nèi)是沿層次傳送的。每層為其上面各層提供專門的通信服務(wù)。也就是說，每層完成的功能是其上各層工作的基礎(chǔ)。N層向N+1層提供服務(wù)。N層是服務(wù)提供者，N+1層是用戶，服務(wù)是通過一組服務(wù)原語來執(zhí)行的。層間接口處提供服務(wù)的地方稱為服務(wù)訪問點SAP(ServiceAccessPoint)相鄰層在提供服務(wù)的過程中要傳遞信息，這些信息稱為服務(wù)數(shù)據(jù)單元SDU（ServiceDataUnit）。對等層間交換的信息單位稱為協(xié)議數(shù)據(jù)單元PDU（ProtocolDataUnit）N層的PDU由N層的SDU加上該層的協(xié)議控制信息PCI（ProtocolControlInformation）構(gòu)成。(N+1)PDU--〉(N)SDU(N)SDU+(N)PCI--〉(N)PDU主機(jī)

1

向主機(jī)

2

發(fā)送數(shù)據(jù)

5432154321主機(jī)

1AP2AP1主機(jī)

2應(yīng)用進(jìn)程數(shù)據(jù)先傳送到應(yīng)用層加上應(yīng)用層首部，成為應(yīng)用層

PDU主機(jī)1向主機(jī)2發(fā)送數(shù)據(jù)

5432154321主機(jī)

1AP2AP1主機(jī)

2應(yīng)用層PDU再傳送到運輸層加上運輸層首部，成為運輸層報文主機(jī)1向主機(jī)2發(fā)送數(shù)據(jù)

5432154321主機(jī)

1AP2AP1主機(jī)

2運輸層報文再傳送到網(wǎng)絡(luò)層加上網(wǎng)絡(luò)層首部，成為IP數(shù)據(jù)報（或分組）主機(jī)1向主機(jī)2發(fā)送數(shù)據(jù)

5432154321主機(jī)

1AP2AP1主機(jī)

2IP數(shù)據(jù)報再傳送到數(shù)據(jù)鏈路層加上鏈路層首部和尾部，成為數(shù)據(jù)鏈路層幀主機(jī)1向主機(jī)2發(fā)送數(shù)據(jù)

5432154321主機(jī)

1AP2AP1主機(jī)

2數(shù)據(jù)鏈路層幀再傳送到物理層最下面的物理層把比特流傳送到物理媒體主機(jī)1向主機(jī)2發(fā)送數(shù)據(jù)

應(yīng)用層(applicationlayer)5432154321物理傳輸媒體主機(jī)

1AP2AP1電信號（或光信號）在物理媒體中傳播從發(fā)送端物理層傳送到接收端物理層主機(jī)

2主機(jī)1向主機(jī)2發(fā)送數(shù)據(jù)

5432154321主機(jī)

1AP2AP1主機(jī)

2物理層接收到比特流，上交給數(shù)據(jù)鏈路層主機(jī)1向主機(jī)2發(fā)送數(shù)據(jù)

5432154321主機(jī)

1AP2AP1主機(jī)

2數(shù)據(jù)鏈路層剝?nèi)撞亢蛶膊咳〕鰯?shù)據(jù)部分，上交給網(wǎng)絡(luò)層主機(jī)1向主機(jī)2發(fā)送數(shù)據(jù)

5432154321主機(jī)

1AP2AP1主機(jī)

2網(wǎng)絡(luò)層剝?nèi)ナ撞?，取出?shù)據(jù)部分上交給運輸層主機(jī)1向主機(jī)2發(fā)送數(shù)據(jù)

5432154321主機(jī)

1AP2AP1主機(jī)

2運輸層剝?nèi)ナ撞浚〕鰯?shù)據(jù)部分上交給應(yīng)用層主機(jī)1向主機(jī)2發(fā)送數(shù)據(jù)

5432154321主機(jī)

1AP2AP1主機(jī)

2應(yīng)用層剝?nèi)ナ撞?，取出?yīng)用程序數(shù)據(jù)上交給應(yīng)用進(jìn)程主機(jī)1向主機(jī)2發(fā)送數(shù)據(jù)

5432154321主機(jī)

1AP2AP1主機(jī)

2我收到了

AP1

發(fā)來的應(yīng)用程序數(shù)據(jù)！主機(jī)1向主機(jī)2發(fā)送數(shù)據(jù)

5432154321主機(jī)

1AP2AP1主機(jī)

2應(yīng)用程序數(shù)據(jù)應(yīng)用層首部H510100110100101比特流110101110101注意觀察加入或剝?nèi)ナ撞浚ㄎ膊浚┑膶哟螒?yīng)用程序數(shù)據(jù)H5應(yīng)用程序數(shù)據(jù)H4H5應(yīng)用程序數(shù)據(jù)H3H4H5應(yīng)用程序數(shù)據(jù)H4運輸層首部H3網(wǎng)絡(luò)層首部H2鏈路層首部T2鏈路層尾部主機(jī)1向主機(jī)2發(fā)送數(shù)據(jù)

5432154321主機(jī)

1AP2AP1主機(jī)

210100110100101比特流110101110101計算機(jī)2的物理層收到比特流后交給數(shù)據(jù)鏈路層H2T2H3H4H5應(yīng)用程序數(shù)據(jù)H3H4H5應(yīng)用程序數(shù)據(jù)主機(jī)1向主機(jī)2發(fā)送數(shù)據(jù)

5432154321主機(jī)

1AP2AP1主機(jī)

2數(shù)據(jù)鏈路層剝?nèi)撞亢蛶膊亢蟀褞臄?shù)據(jù)部分交給網(wǎng)絡(luò)層H2T2H3H4H5應(yīng)用程序數(shù)據(jù)H4H5應(yīng)用程序數(shù)據(jù)H3H4H5應(yīng)用程序數(shù)據(jù)主機(jī)1向主機(jī)2發(fā)送數(shù)據(jù)

5432154321主機(jī)

1AP2AP1主機(jī)

2網(wǎng)絡(luò)層剝?nèi)シ纸M首部后把分組的數(shù)據(jù)部分交給運輸層H5應(yīng)用程序數(shù)據(jù)H4H5應(yīng)用程序數(shù)據(jù)主機(jī)1向主機(jī)2發(fā)送數(shù)據(jù)

5432154321主機(jī)

1AP2AP1主機(jī)

2運輸層剝?nèi)笪氖撞亢蟀褕笪牡臄?shù)據(jù)部分交給應(yīng)用層應(yīng)用程序數(shù)據(jù)H5應(yīng)用程序數(shù)據(jù)主機(jī)1向主機(jī)2發(fā)送數(shù)據(jù)

5432154321主機(jī)

1AP2AP1主機(jī)

2應(yīng)用層剝?nèi)?yīng)用層PDU首部后把應(yīng)用程序數(shù)據(jù)交給應(yīng)用進(jìn)程主機(jī)1向主機(jī)2發(fā)送數(shù)據(jù)

5432154321主機(jī)

1AP2AP1主機(jī)

2我收到了

AP1

發(fā)來的應(yīng)用程序數(shù)據(jù)！1.5.3服務(wù)原語服務(wù)用戶和服務(wù)提供者之間要進(jìn)行交互，交互的信息稱為服務(wù)原語。服務(wù)原語是引用服務(wù)的工具，N+1層實體通過使用N層的服務(wù)原語向N層實體請求服務(wù)。①服務(wù)原語類型請求(request)：一個實體請求得到某種服務(wù)。由(N+1)向N層發(fā)出的,要求N層提供服務(wù)。指示(indication)：把關(guān)于某一事件的消息告訴某一實體。由N向(N+1)層發(fā)出，表示服務(wù)開始。響應(yīng)(response)：一個實體愿意響應(yīng)某一事件.由(N+1)向N層發(fā)出，表示對指示的響應(yīng)。證實(confirm)：確認(rèn)一個實體的服務(wù)請求。由N向(N+1)層發(fā)出，表示請求已完成。②服務(wù)原語的相互關(guān)系證實型服務(wù)：4個服務(wù)原語。非證實型服務(wù)：2個服務(wù)原語。證實型服務(wù)非證實型服務(wù)③服務(wù)原語的組成

原語名字、原語類型和原語參數(shù)例如:T-CONNECT.request實體、協(xié)議、服務(wù)

和服務(wù)訪問點協(xié)議(n+1)SAPSAP交換原語交換原語實體(n+1)服務(wù)提供者第n層第n+1層實體(n+1)服務(wù)用戶實體(n)實體(n)協(xié)議(n)*本層的服務(wù)用戶只能看見服務(wù)而無法看見下面的協(xié)議。*下面的協(xié)議對上面的服務(wù)用戶是透明的。

*協(xié)議是“水平的”，即協(xié)議是控制對等實體之間通信的規(guī)則。*服務(wù)是“垂直的”，即服務(wù)是由下層向上層通過層間接口提供的。1.5.4面向連接和無連接的服務(wù)

在OSI模型中，下層能為上層提供兩種不同類型的服務(wù)：面向連接的服務(wù)面向無連接的服務(wù)所謂連接就是兩個對等實體為通信而進(jìn)行的一種結(jié)合。①面向連接服務(wù)類似于打電話。連接本質(zhì)像個管道，發(fā)送者在一端放入物體，接收者在另一端取出。面向連接服務(wù)需要3個階段：1、建立連接階段2、數(shù)據(jù)交換階段3、釋放連接階段優(yōu)點：避免報文丟失、重復(fù)和亂序。②面向無連接服務(wù)：類似于郵政系統(tǒng)的郵件傳遞；通信實體不必事先連接，不能防止報文丟失、重復(fù)和亂序。但靈活、快速。1.6網(wǎng)絡(luò)互連網(wǎng)絡(luò)互連的根本目的是擴(kuò)大資源的共享范圍。網(wǎng)絡(luò)互連主要有“局域網(wǎng)—局域網(wǎng)”、“局域網(wǎng)—廣域網(wǎng)”、“廣域網(wǎng)—廣域網(wǎng)”等幾種形式。網(wǎng)絡(luò)互連設(shè)備被劃分為四個大類：重發(fā)器(Repeater)，中繼器網(wǎng)橋(Bridge)，交換機(jī)路由器(Router)網(wǎng)關(guān)(Gate)這四類網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的每一種設(shè)備分別和OSI模型中不同層中的協(xié)議交互作用。中繼器(repeater)：通過放大信號，允許我們擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)的物理網(wǎng)段，中繼器不以任何方式改變網(wǎng)絡(luò)的功能。因而僅僅運行在OSI模型的物理層上。網(wǎng)橋是一種存儲轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備。從協(xié)議的層次上看，網(wǎng)橋同時作用在OSI的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層。網(wǎng)橋在數(shù)據(jù)鏈路層