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计算机网络导论 杨松波本讲稿第一页，共五十八页 杨松波计算机网络1 概述2 物理层 3 数据链路层4 网络层5 运输层6 应用层本讲稿第二页，共五十八页 杨松波计算机网络在信息时代的作用n21 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。n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。n网络是指“三网”，即电信网络、有线电视网络和计算机网络。n发展最快的并起到核心作用的是计算机网络。本讲稿第三页，共五十八页 杨松波因特网(Internet)的发展n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速的发展。n现在人们的生活、工作、学习和交往都已离不开因特网。-艺术 -IT -商务、教育、体育、政府 本讲稿第四页，共五十八页 杨松波计算机网络向用户提供的最重要的功能 n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。n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。本讲稿第五页，共五十八页 杨松波因特网概述n网络(network)由若干结点(node)和连接这些结点的链路(link)组成。n互联网是“网络的网络”(network of networks)。n连接在因特网上的计算机都称为主机(host)。本讲稿第六页，共五十八页 杨松波网络与因特网n网络把许多计算机连接在一起。n因特网则把许多网络连接在一起。本讲稿第七页，共五十八页 杨松波1.2.2 因特网发展的三个阶段n第一阶段是从单个网络 ARPANET 向互联网发展的过程。n1983 年 TCP/IP 协议成为 ARPANET 上的标准协议。n人们把 1983 年作为因特网的诞生时间。本讲稿第八页，共五十八页 杨松波Internet 和 Internet 的区别n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。n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。本讲稿第九页，共五十八页 杨松波三级结构的因特网 n第二阶段的特点是建成了三级结构的因特网。n三级计算机网络，分为主干网、地区网和校园网（或企业网）。本讲稿第十页，共五十八页 杨松波多层次 ISP 结构的因特网 n第三阶段的特点是逐渐形成了多层次 ISP 结构的因特网。n出现了因特网服务提供者 ISP(Internet Service Provider)。本讲稿第十一页，共五十八页 杨松波路由器的重要任务n路由器是实现分组交换(packet switching)的关键构件，其任务是转发收到的分组，这是网络核心部分最重要的功能。本讲稿第十二页，共五十八页 杨松波1.4 计算机网络在我国的发展(1)中国公用计算机互联网 CHINANET(2)中国教育和科研计算机网 CERNET(3)中国科学技术网 CSTNET(4)中国联通互联网 UNINET(5)中国网通公用互联网 CNCNET(6)中国国际经济贸易互联网 CIETNET(7)中国移动互联网 CMNET(8)中国长城互联网 CGWNET（建设中）(9)中国卫星集团互联网 CSNET（建设中）本讲稿第十三页，共五十八页 杨松波本讲稿第十四页，共五十八页 杨松波计算机网络的分类n计算机网络的不同定义n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。n因特网(Internet)是“网络的网络”。n几种不同的类别的网络n按拓扑结构分类n不同作用范围的网络 n从网络的使用者进行分类 本讲稿第十五页，共五十八页 杨松波几种不同类别的网络n按拓扑结构分类n星型拓扑结构n总线型拓扑结构n环形拓扑结构n网状拓扑结构n混合拓扑结构本讲稿第十六页，共五十八页 杨松波几种不同类别的网络n不同作用范围的网络n广域网 WAN(Wide Area Network)n城域网 MAN(Metropolitan Area Network)n局域网 LAN(Local Area Network)n个人区域网 PAN(Personal Area Network)本讲稿第十七页，共五十八页 杨松波2.不同使用者的网络n从网络的使用者进行分类n公用网(public network)n专用网(private network)本讲稿第十八页，共五十八页 杨松波计算机网络的性能指标1.速率n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。nBit 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。n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n速率往往是指额定速率或标称速率。本讲稿第十九页，共五十八页 杨松波2.带宽 n“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）。n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)。本讲稿第二十页，共五十八页 杨松波常用的带宽单位n更常用的带宽单位是n千比每秒，即 kb/s（103 b/s）n兆比每秒，即 Mb/s（106 b/s）n吉比每秒，即 Gb/s（109 b/s）n太比每秒，即 Tb/s（1012 b/s）n请注意：在计算机界，K=210=1024 M=220,G=230,T=240。1B=8b 1B/s=8b/s(或1Bps=8bps)1KB=1024B 1KB/s=1024B/s1MB=1024KB 1MB/s=1024KB/s本讲稿第二十一页，共五十八页 杨松波3.吞吐量n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。n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。n吞吐量受网络的带宽或网络的额定速率的限制。本讲稿第二十二页，共五十八页 杨松波4.时延(delay 或 latency)n时延（delay或latency）数据从网络的一段传送到另一端所需的时间。发送时延 传播时延 处理时延 排队时延本讲稿第二十三页，共五十八页 杨松波6.往返时间RTTn往返时间RTT（Round-Trip Time）从发送方发送数据开始，到发送方收到来自接收方的确认，总共经历的时间 本讲稿第二十四页，共五十八页 杨松波计算机网络体系结构的形成n网络体系结构的内容：-激活，使用信令确保发送的通路 -进行数据分析 -发送方对接收方的就绪检测 -文件系统的格式转换 -差错控制 -其它本讲稿第二十五页，共五十八页 杨松波1.7 计算机网络的体系结构1.7.1 计算机网络体系结构的形成n网络体系结构的内容发展：第一个阶段：“群雄逐鹿”各公司拥有自己的网络体系结构 -IBM的SNA（System Network Architecture）-Novell 造成大公司的垄断，技术不兼容本讲稿第二十六页，共五十八页 杨松波1.7 计算机网络的体系结构1.7.1 计算机网络体系结构的形成n网络体系结构的内容发展：第二个阶段：OSI“一统天下”OSI七层模型-ISO ISO-国际标准化组织 International Standard Organization OSI-开放系统互连基本参考模型 Open System Interconnection Reference Model本讲稿第二十七页，共五十八页 杨松波1.7.3 具有五层协议的体系结构 nOSI七层体系结构：应用层、表示层、会话层、运输层、网络层、数据链路层和物理层nTCP/IP 是四层的体系结构：应用层、运输层、网际层和网络接口层。n五层协议的体系结构：应用层、运输层、网络层、数据链路层和物理层。本讲稿第二十八页，共五十八页 杨松波1.7.3 具有五层协议的体系结构 nOSI七层模型物理层数据链路层网络层传输层会话层表示层应用层物理层数据链路层网络层传输层会话层表示层应用层本讲稿第二十九页，共五十八页 杨松波1.7.3 具有五层协议的体系结构 nTCP/IP体系结构网络接口层网络层IP传输层（TCP、UDP）应用层（TELNET、FTP、SMTP）本讲稿第三十页，共五十八页 杨松波五层协议的体系结构 n应用层(application layer)n运输层(transport layer)n网络层(network layer)n数据链路层(data link layer)n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 物理层本讲稿第三十一页，共五十八页 杨松波五层协议的体系结构 物理层数据链路层网络层传输层会话层表示层应用层物理层数据链路层网络层传输层应用层网络接口层网络层IP传输层（TCP、UDP）应用层（TELNET、FTP、SMTP）本讲稿第三十二页，共五十八页 杨松波五层协议的体系结构 n 物理层的主要任务描述为确定与传输媒体的接口的一些特性，即：n机械特性 指明接口所用接线器的形状和尺寸、引线数目和排列、固定和锁定装置等等。n电气特性 指明在接口电缆的各条线上出现的电压的范围。n功能特性 指明某条线上出现的某一电平的电压表示何种意义。n过程特性 指明对于不同功能的各种可能事件的出现顺序。本讲稿第三十三页，共五十八页 杨松波物理层下面的传输媒体传输媒体分为两类：导向传输媒体非导向传输媒体传输媒体（传输介质或传输媒介）：它是数据传输系统中在发送器和接收器之间的物理通路本讲稿第三十四页，共五十八页 杨松波导向传输媒体n双绞线n同轴电缆n光缆 本讲稿第三十五页，共五十八页 杨松波2.3.1 导向传输媒体n双绞线本讲稿第三十六页，共五十八页 杨松波2.3.1 导向传输媒体n同轴电缆本讲稿第三十七页，共五十八页 杨松波光纤的结构本讲稿第三十八页，共五十八页 杨松波非导向传输媒体 n无线传输所使用的频段很广。n短波通信主要是靠电离层的反射，但短波信道的通信质量较差。n微波在空间主要是直线传播。n地面微波接力通信n卫星通信 本讲稿第三十九页，共五十八页 杨松波数据链路层数据链路层的主要功能：链路管理:数据链路的连接、维护、释放。数据链路层使用的信道主要有以下两种类型：n点对点信道。这种信道使用一对一的点对点通信方式。（PPP协议）n广播信道。这种信道使用一对多的广播通信方式，因此过程比较复杂。广播信道上连接的主机很多，因此必须使用专用的共享信道协议共享信道协议来协调这些主机的数据发（CSMA/CD协议）本讲稿第四十页，共五十八页 杨松波差错检测n在传输过程中可能会产生比特差错：1 可能会变成 0 而 0 也可能变成 1。n在一段时间内，传输错误的比特占所传输比特总数的比率称为误码率 BER(Bit Error Rate)。n误码率与信噪比有很大的关系。n为了保证数据传输的可靠性，在计算机网络传输数据时，必须采用各种差错检测措施。本讲稿第四十一页，共五十八页 杨松波循环冗余检验的原理 n基本原理：-若m/p=n.r,则有（m-r）的余数为0 -使用模2除法。模2的运算规则：0 1010 11 0-则有（m+r）的余数为0 本讲稿第四十二页，共五十八页 杨松波CRC校验 nM=1101011011 P=10011n被除数应为：11010110110000运算MK bitP(n+1)bitM连接R(k+n)bitM.2n+R(k+n)bit本讲稿第四十三页，共五十八页 杨松波 1100001010 Q(商)P(除数)10011 11010110110000 2nM(被除数)10011 10011 10011 10110 10011 10100 10011 1110 1110 R(余数)，作为 FCS 循环冗余检验的原理说明 11010110110000 1110 11010110111110本讲稿第四十四页，共五十八页 杨松波五层协议的体系结构 本讲稿第四十五页，共五十八页 杨松波网络层采用的设计思路n网络层向上只提供简单灵活的、无连接的、尽最大努力交付的数据报服务。n网络在发送分组时不需要先建立连接。每一个分组（即 IP 数据报）独立发送，与其前后的分组无关（不进行编号）。n网络层不提供服务质量的承诺。即所传送的分组可能出错、丢失、重复和失序（不按序到达终点），当然也不保证分组传送的时限。本讲稿第四十六页，共五十八页 杨松波网络层协议 n网际协议 IP（Internet Protocol）是 TCP/IP 体系中两个最主要的协议之一。与 IP 协议配套使用的还有四个协议：n地址解析协议 ARP (Address Resolution Protocol)n逆地址解析协议 RARP (Reverse Address Resolution Protocol)n网际控制报文协议 ICMP (Internet Control Message Protocol)n网际组管理协议 IGMP (Internet Group Management Protocol)本讲稿第四十七页，共五十八页 杨松波运输层的主要功能 n运输层为应用进程之间提供端到端的逻辑通信（但网络层是为主机之间提供逻辑通信）。n运输层还要对收到的报文进行差错检测。n运输层需要有两种不同的运输协议，即面向连接的 TCP 和无连接的 UDP。本讲稿第四十八页，共五十八页 杨松波TCP/IP 的运输层有两个不同的协议：(1)用户数据报协议 UDP (User Datagram Protocol)(2)传输控制协议 TCP (Transmission Control Protocol)5.1.2 运输层的两个主要协议 本讲稿第四十九页，共五十八页 杨松波应用层n应用层的具体内容就是规定应用进程在通信时所遵循的协议。本讲稿第五十页，共五十八页 杨松波顶级域名 TLD(Top Level Domain)(1)国家顶级域名 nTLD：如:.cn 表示中国，.us 表示美国，.uk 表示英国，等等。(2)通用顶级域名 gTLD：最早的顶级域名是：.com （公司和企业）.net （网络服务机构）.org （非赢利性组织）.edu （美国专用的教育机构（）.gov （美国专用的政府部门）.mil （美国专用的军事部门）.int （国际组织）本讲稿第五十一页，共五十八页 杨松波应用层的协议n文件传送协议 FTP(File Transfer Protocol)是因特网上使用得最广泛的文件传送协议。n简单文件传送协议 TFTP(Trivial File Transfer Protocol)，是一个很小且易于实现的文件传送协议。本讲稿第五十二页，共五十八页 杨松波6.3 按远程终端协议 TELNETnTELNET 是一个简单的远程终端协议，也是因特网的正式标准。n用户用 TELNET 就可在其所在地通过 TCP 连接注册（即登录）到远地的另一个主机上（使用主机名或 IP 地址）。nTELNET 能将用户的击键传到远地主机，同时也能将远地主机的输出通过 TCP 连接返回到用户屏幕。这种服务是透明的，因为用户感觉到好像键盘和显示器是直接连在远地主机上。本讲稿第五十三页，共五十八页 杨松波6.4 万维网 WWW6.4.1 万维网概述n万维网 WWW(World Wide Web)并非某种特殊的计算机网络。n万维网是一个大规模的、联机式的信息储藏所。n万维网用链接的方法能非常方便地从因特网上的一个站点访问另一个站点，从而主动地按需获取丰富的信息。n这种访问方式称为“链接”。n超文本传送协议 HTTP，HTTP 是一个应用层协议，它使用 TCP 连接进行可靠的传送。本讲稿第五十四页，共五十八页 杨松波6.5 电子邮件6.5.1 概述n电子邮件(e-mail)是因特网上使用得最多的和最受用户欢迎的一种应用。n电子邮件把邮件发送到收件人使用的邮件服务器，并放在其中的收件人邮箱中，收件人可随时上网到自己使用的邮件服务器进行读取。n电子邮件不仅使用方便，而且还具有传递迅速和费用低廉的优点。n现在电子邮件不仅可传送文字信息，而且还可附上声音和图像。本讲稿第五十五页，共五十八页 杨松波电子邮件的一些标准n发送邮件的协议：SMTPn读取邮件的协议：POP3 和 IMAPnMIME 在其邮件首部中说明了邮件的数据类型(如文本、声音、图像、视像等)，使用 MIME 可在邮件中同时传送多种类型的数据。本讲稿第五十六页，共五十八页 杨松波1.7.5 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。本讲稿第五十七页，共五十八页 杨松波沙漏计时器形状的TCP/IP协议族 HTTPSMTPDNSRTPTCPUDPIP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 3Everything 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本讲稿第五十八页，共五十八页