計算機網絡

第1章計算機網絡概述計算機網絡在信息時代中的作用

21世紀的重要特征：數字化、網絡化、信息化網絡化：電信網絡、有線電視網絡、計算機網絡

傳送數據文件、獲取資料

計算機網絡向用戶提供的功能：（1）連通性（connectivity）:用戶之間可以交換信息。（2）共享性（sharing）:資源共享——信息、軟件及硬件。1.2因特網概述1.2.1

網絡的網絡網絡：由若干結點(node)+連接這些結點的鏈路(link)構成計算機（主機）、集線器、交換機、路由器同軸電纜、雙絞線、光纖、紅外線、藍牙(a)(b)網絡互聯網（網絡的網絡）結點鏈路?結點因特網是世界上最大的計算機網絡什么是因特網？構成細節描述端系統接入設備非傳統設備—Arethese“Cool”？CoolEndSystem網絡設備網絡產品和制造商局域網總線型拓撲結構優點：（1）所需電纜數量較少。2）結構簡單，無源工作有較高可靠性。（3）易于擴充。缺點：（1）總線傳輸距離有限，通信范圍受到限制。100M（2）故障診斷和隔離比較困難。（3）分布式協議不能保證信息的及時傳送，不具有實時功能，站點必須有介質訪問控制功能，從而增加了站點的硬件和軟件開銷。總線型拓撲結構適用于計算機數目相對較少的局域網絡，通常這種局域網絡、的傳輸速率在100Mbps，網絡連接選用同軸電纜。總線型拓撲結構曾流行了一段時間，典型的總線型局域網有以太網！環型拓撲結構優點：1.電纜長度短。2.增加或減少工作站時，僅需簡單的連接操作。3.可使用光纖。缺點1.節點的故障會引起全網故障。2.故障檢測困難。3.環形拓撲結構的媒體訪問控制協議都采用令牌傳達室遞的方式，在負載很輕時，信道利用率相對來說就比較低。星型拓撲結構優點：（1）控制簡單。任何一站點只和中央節點相連接，因而介質訪問控制方法簡單，致使訪問協議也十分簡單。易于網絡監控和管理。（2）故障診斷和隔離容易。中央節點對連接線路可以逐一隔離進行故障檢測和定位，單個連接點的故障只影響一個設備，不會影響全網。（3）方便服務。中央節點可以方便地對各個站點提供服務和網絡重新配置。缺點：（1）需要耗費大量的電纜，安裝、維護的工作量也驟增。（2）中央節點負擔重，形成“瓶頸”，一旦發生故障，則全網受影響。總的來說星型拓撲結構相對簡單，便于管理，建網容易，局域網普遍采用的一種拓撲結構。采用星型拓撲結構的局域網，一般使用雙絞線或光纖作為傳輸介質，符合綜合布線標準，能夠滿足多種寬帶需求。樹型拓撲結構樹形拓撲從總線拓撲演變而來，形狀像一棵倒置的樹，頂端是樹根，樹根以下帶分支，每個分支還可再帶子分支。樹形網絡的特點：樹形網絡也叫多星級型網絡。樹形網絡是由多個層次的星型結構縱向連接而成，樹的每個節點都是都是計算機或轉接設備。一般來說，越靠近樹的根部，節點設備的性能就越好。與星型網絡相比，樹形網絡總長度短，成本較低，節點易于擴充，但是樹形網絡復雜，與節點相連的鏈路由故障時，對整個網絡的影響較大。樹形拓撲的優點：（1）易于擴展。（2）故障隔離較容易。樹形拓撲的缺點：各個節點對根的依賴性太大。網狀拓撲結構網狀拓撲的優點(1)網絡可靠性高。一般通信子網中任意兩個節點交換機之間，存在著兩條或兩條以上的通信路徑，這樣，當一條路徑發生故障時，還可以通過另一條路徑把信息送至節點交換機。(2)網絡可組建成各種形狀，采用多種通信信道，多種傳輸速率。(3)網內節點共享資源容易。(4)可改善線路的信息流量分配。(5)可選擇最佳路徑，傳輸延遲小。網狀拓撲的缺點(1)控制復雜，軟件復雜。(2)線路費用高，不易擴充。網狀拓撲結構一般用于Internet骨干網上，使用路由算法來計算發送數據的最佳路徑。

因特網發展的三個階段第一階段：從單個網絡ARPANET（阿帕網）向互聯網發展的過程。1983年，TCP/IP協議成為ARPANET上的標準，因此把1983年作為因特網的誕生時間。第二階段：建成了三級結構的因特網。美國國家基金會NSF（NationalScienceFoundation）建成國家科學基金會網NSFNET，它是一個三級結構的網絡，分為主干網、地區網、校園網（企業網）。第三階段：1991年以后形成多層次ISP（InternetServiceProvider，因特網服務提供者）結構的因特網。用戶通過ISP上網用戶因特網ISP1ISP2因特網服務提供者Internet和廣域網計算機網絡的分類幾種不同類別的網絡（1）不同作用范圍的網絡廣域網WAN(WideAreaNetwork):幾十～幾千km城域網MAN(MetropolitanAreaNetwork):5～50km局域網LAN(LocalAreaNetwork):1km個人區域網PAN(PersonalAreaNetwork)

:10m（2）不同使用者的網絡公用網(publicnetwork)專用網(privatenetwork)一級ISP一級ISP第一層ISP大公司本地ISP大公司公司本地ISP本地ISP校園網校園網校園網校園網第二層ISPIXPIXPAB第一層ISP第二層ISP本地ISP第一層ISP本地ISP第二層ISP本地ISP第二層ISP第二層ISP

ISP是分等級的IXP:因特網交換點（InterneteXchangePoint），向各ISP提供交換設施，使它們能夠直接通信。國家IXP數量美國85巴西19日本16法國15德國14中國大陸3中國互聯網IXPIXPIXP

計算機網絡在我國的發展(1)

中國公用計算機互聯網CHINANET(2)

中國教育和科研計算機網CERNET(3)

中國科學技術網CSTNET(4)中國聯通互聯網UNINET(5)中國網通公用互聯網CNCNET(6)中國國際經濟貿易互聯網CIETNET(7)中國移動互聯網CMNET(8)中國長城互聯網CGWNET（建設中）中國衛星集團互聯網CSNET（建設中）(10)中國高速互連研究試驗網NSFnet因特網三要素1.3因特網的組成從工作方式：邊緣部分：由所有連接在因特網上的主機組成，是用戶直接使用的，用來進行通信（發送數據、音頻或視頻）和資源共享。端系統的涵蓋核心部分：由大量網絡和連接這些網絡的路由器組成，為邊緣部分提供服務（提供連通性和交換轉發）。因特網的邊緣與核心部分核心部分邊緣部分

主機網絡路由器通信子網資源子網1.3.1

邊緣部分

主機A和主機B通信：本質上是“運行在主機A上的某個程序和主機B的另一個程序進行通信”，即“A的某個進程和B的另一個進程進行通信”，通常簡稱為“計算機之間的通信”。

在網絡邊緣的主機（端系統）中運行的程序之間的通信方式可劃分為兩大類：

1.客戶/服務器方式（C/S）：Client/Server2.對等方式（P2P）：Peer-to-Peer

C/S模式Client和Server是指通信中所涉及的兩個應用進程;C/S方式描述的是進程之間服務和被服務的關系;Client是服務的請求方，Server是服務的提供方。運行客戶程序邊緣核心運行服務器程序CS①請求服務②得到服務客戶服務器P2P（Peer-to-Peer）P2P：兩個主機在通信時并不區分服務請求方和服務提供方。只要兩個主機都運行了對等連接軟件（P2P軟件），它們就可以進行平等的對等連接。每一個主機既是客戶機又是服務器。邊緣核心運行P2P程序運行P2P程序DBAC運行P2P程序運行P2P程序C/SVSP2P1.3.2

因特網的核心部分在核心部分起特殊作用的是路由器(router)；路由器是實現分組交換(packetswitching)的關鍵構件，其任務是轉發收到的分組，這是網絡核心部分最重要的功能。1.電路交換（為每次呼叫分配一條專用線路：電話網）2.分組交換（數據被拆散為離散的“數據塊”通過網絡傳送）傳統電路交換電路交換的特點:電路交換是面向連接的電路交換的三個階段：建立連接通話釋放連接

…

電話交換機N(N-1)/2((((交換機交換機交換機交換機用戶線用戶線中繼線中繼線BDCA((((交換機交換機交換機交換機用戶線用戶線中繼線中繼線BDCA傳統電路交換電路交換:FDMA和TDMA電路交換的缺點：傳送數據效率低？建立連接（5）：

(1)用戶撥號

(2)撥號信令通過交換機到達被叫用戶所連接的交換機

(3)該交換機向被叫電話機振鈴

(4)被叫用戶摘機

(5)摘機信令回到主叫交換機，即建立連接。

在通話的全部時間內，通話的兩個用戶始終占用端到端的通信資源，而真正用來傳送數據的時間往往很短。

網絡核心：分組交換分組交換的特點：采用存儲轉發技術；把較長的報文（message）劃分成一個個較小的數據段；在每一個數據段前面，加上由必要的控制信息組成的首部（header），然后構成分組（packet）；首部包含了源地址、下一站地址、目的地址等控制信息；接收端收到分組后剝去首部還原成報文。報文11010001101010101101010111000100110100100011101假定這個報文較長不便于傳輸數據數據數據報文首部首部首部分組1分組2分組310M的以太網:1500B；

4M的令牌環網:4500B；

16M的令牌環網:18000B網絡核心：分組交換因特網的核心部分核心部分是由許多網絡和路由器組成；路由器是核心部分的結點，用來進行分組交換。H1H5H2H4H3H6路由器

核心部分H1H5H2H4H3H6發送的分組路由器AEDBC主機假定在某一個分組的傳送過程中，鏈路A-C的通信量太大，那么路由器A可以把分組沿另一條路由轉發到路由器B，再轉發到E，最后把分組送到主機H5。（演示！）分組交換中存在的問題路由器

路由器處理分組的過程是：把收到的短分組先放入緩存（暫時存儲）；查找轉發表，找出到某個目的地應從哪個端口轉發；把分組送到適當的端口轉發出去。網絡核心：分組交換分組交換的優點：高效：斷續（動態）分配傳輸帶寬，對通信鏈路逐段占用；靈活：以分組為傳送單位，為分組查找路由；迅速：不必先建立連接就能向其他主機發送分組；可靠：保證可靠性的網絡協議；分布式（網狀）的路由選擇協議使網絡有很好的生存性。分組交換的缺點：分組在各結點存儲轉發時需要排隊，這就造成一定的時延；分組必須攜帶的首部（控制信息）也造成了一定的開銷。分組交換與電路交換比較交換技術的分類存儲轉發原理并非全新的概念

在20世紀40年代，電報通信也采用了基于存儲轉發原理的報文交換(messageswitching)。報文交換的時延較長，從幾分鐘到幾小時不等，現在報文交換已經很少有人使用了。三種交換的比較存儲轉發存儲轉發P1P2P3P4P1P2P3P4P3P4報文報文報文ABCDABCDABCD報文交換電路交換分組交換t連接建立數據傳送報文P2P1連接釋放數據傳送特點比特流直達終點報文報文報文分組分組分組存儲轉發存儲轉發回顧1.計算機網絡向用戶提供的最重要兩個功能是：連通性（用戶的涵蓋），共享性（硬件和軟件），三網合一2.客戶程序P9

服務器程序3.報文(message):整塊數據4.分組(packet):因特網中傳送的數據單元4.電路交換5.分組交換1.速率比特（bit）是計算機中數據量的基本單位。Bit意思是一個“二進制數字”，因此一個比特就是二進制數字中的一個1或0。網絡中的速率(數據率或比特率)，是連接在計算機網絡上的主機在數字信道上傳送數據的速率。速率的單位是b/s，kb/s,Mb/s,Gb/s等。計算機網絡的7個性能指標2.帶寬“帶寬”(bandwidth)：本來是指某個信號具有的頻帶寬度，即信號所包含的各種不同頻率成分所占據的頻率范圍，單位是赫（或千赫、兆赫、吉赫等）。在計算機網絡中，帶寬用來表示網絡通信線路所能傳送數據的能力，表示在單位時間內從一點到另一點所能通過的“最高數據率”，單位是b/s。更常用的帶寬單位：千比特每秒，即Kb/s（103b/s）兆比特每秒，即Mb/s（106b/s）吉比特每秒，即Gb/s（109b/s）太比特每秒，即Tb/s（1012b/s）計算機網絡的7個性能指標3.吞吐量吞吐量(throughput)表示在單位時間內通過某個網絡、信道或接口的數據量。吞吐量受網絡帶寬或網絡的額定速率的限制。計算機網絡的7個性能指標概念區別：

兩者的單位都是b/s帶寬：Maxnetbitrate；吞吐量：throughput。帶寬：鏈路上每秒所能傳送的比特數，它取決于鏈路時鐘速率和信道編碼，在計算機網絡中又稱為線速。可以說以太網的帶寬是10Mbps。帶寬：鏈路上的可用帶寬吞吐量：實際鏈路中每秒所能傳送的比特數因為受各種低效率因素的影響，所以一段帶寬為10Mbps的鏈路可能只達到2Mbps的吞吐量。吞吐量﹤帶寬計算機網絡的7個性能指標

4.時延時延(delay)

：數據（一個報文、分組或比特）從網絡的一端傳送到另一端所需的時間，由以下幾個不同的部分組成：

（1）發送時延（transmissiondelay）：主機或路由器發送數據幀的第一個比特到最后一個比特發送完畢所需要的時間。發送時延=

數據幀長度（b）

信道帶寬（b/s）計算機網絡的7個性能指標

（2）傳播時延（propagationdelay）:電磁波在信道中傳播一定的距離而花費的時間。傳播時延=

信道長度（m）

信號在信道上的傳播速率（m/s）信號在不同介質中的傳播速率：自由空間：3.0×105km/s銅纜：2.3×105km/s光纖：2.0×105km/s計算機網絡的7個性能指標

（3）處理時延：交換結點（主機、路由器）收到分組后要花費一定的時間進行處理。

【分析分組的首部、提取數據部分、進行差錯檢驗、查找路由等】

（4）排隊時延：在結點的緩存隊列中分組排隊所經歷的時延。

【分組進入路由器后，先要在輸入隊列中排隊等待處理，路由器確定了轉發接口后，分組還要在輸出隊列中排隊等待轉發】總時延=發送時延+傳播時延+處理時延+排隊時延計算機網絡的7個性能指標四種時延所產生的地方1011001…發送器隊列在鏈路上產生傳播時延結點B結點A在發送器（網絡適配器）產生發送時延在結點上產生排隊時延和處理時延數據鏈路計算機網絡的7個性能指標判斷：1.數據的發送速率越高，傳送得就越快。2.光纖信道的傳播速度比銅線快。

光纖信道發送數據的速率很高，而傳播速率（20.5萬公里/秒）實際上比銅線（23.1萬公里/秒）還略低一些。

練習題：1-105.時延帶寬積

時延帶寬積：又稱以比特為單位的鏈路長度,即表示這樣的鏈路可容納多少個比特。（傳播）時延鏈路帶寬時延帶寬積=傳播時延（s）

帶寬(b/s)計算機網絡的7個性能指標

6.往返時間RTT（Round-TripTime）

往返時間：從發送方發送數據開始，到發送方收到來自接收方的確認，總共經歷的時間。7.利用率信道利用率：某信道有百分之幾的時間是被利用的（有數據通過）計算機網絡的7個性能指標計算機網絡的性能非性能指標1.費用2.質量3.標準化4.可靠性5.可擴展性6.可升級性7.管理與維護1.6.1計算機網絡的性能指標1.7計算機網絡的體系結構1.7.1

計算機網絡體系結構的形成相互通信的兩個計算機系統必須高度協調才能工作，而這種“協調”是相當復雜的。（1）激活通路（2）告訴網絡如何識別接收數據的計算機（3）發送主機要查明接收方是否開機（4）發送端的程序要確定對方的程序是否做好接收的準備（5）格式要一致（6）要有可靠的措施保證接收方收到正確的文件“分層”可將龐大而復雜的問題，轉化為若干較小的局部問題，而這些較小的局部問題就比較易于研究和處理。早在最初的ARPANET設計時，即提出了分層的方法。關于開放系統互連參考模型

1977年，國際標準化組織ISO成立了專門機構，提出了一個試圖使各種計算機在世界范圍內互連成網的標準框架，即開放系統互連基本參考模型OSI/RM（OpenSystemsInterconnectionReferenceModel），簡稱OSI。只要遵循OSI標準，一個系統就可以和位于世界上任何地方的、也遵循同一標準的其他系統進行通信。在市場化方面OSI

卻失敗了：OSI的專家們在完成OSI標準時沒有商業驅動力；OSI的協議實現起來過分復雜，且運行效率很低；OSI標準的制定周期太長，因而使得按OSI標準生產的設備無法及時進入市場；OSI的層次劃分也不太合理，有些功能在多個層次中重復出現。

兩種國際標準法律上的國際標準OSI并沒有得到市場的認可；而非國際標準TCP/IP現在卻獲得了最廣泛的應用。

TCP/IP常被稱為事實上的國際標準

網絡中的數據交換必須遵守事先約定好的規則；這些規則明確規定了所交換數據的格式以及有關同步問題（同步含有時序的意思）；網絡協議(networkprotocol)，簡稱協議，是為進行網絡中的數據交換而建立的規則、標準或約定；網絡協議的組成要素：

—語義需要發出何種控制信息，完成何種動作以及做出何種響應；

—語法數據與控制信息的結構或格式；

—同步事件實現順序的詳細說明。規定發送數據的計算機按照什么順序發送，接收數據的計算機按照什么順序接收，使他們保持同步1.7.2

協議與劃分層次分層的好處

各層之間是獨立的：每一層只實現一種相對獨立的功能；靈活性好：任何一層發生變化時，只要層間接口關系保持不變，其他各層不受影響；

結構上可分割開：各層都可采用最合適的技術；

易于實現和維護：整個系統被分解成若干個相對獨立的子系統；

能促進標準化工作：每一層的功能及其所提供的服務都已有了精確的說明。5應用層4運輸層3網絡層2數據鏈路層1物理層4應用層3運輸層2網際層1網絡接口層1物理層5會話層4傳輸層3網際層2數據鏈路層6表示層7應用層OSI7層體系結構5層體系結構TCP/IP4

層體系結構幾種分層模型比較OSI參考模型應用層

所有能產生網絡流量的程序表示層

在傳輸之前是否進行加密或壓縮處理二進制ASCII會話層

為多個進程建立會話（端口號的作用）傳輸層

可靠傳輸流量控制；不可靠傳輸網絡層

負責選擇最佳路徑規劃IP地址數據鏈路層

幀的開始和結束透明傳輸差錯校驗物理層

接口標準電器標準如何在物理鏈路上傳輸更快的速度五層協議的體系結構應用層(applicationlayer)運輸層(transportlayer)網絡層(networklayer)數據鏈路層(datalinklayer)物理層(physicallayer)數據鏈路層5應用層4運輸層3網絡層2數據鏈路層1物理層應用層（applicationlayer）：直接為用戶的應用進程提供服務，如HTTP協議。運輸層（transportlayer）：負責向兩個主機中進程之間的通信提供服務，如：

—傳輸控制協議TCP（TransmissionControlProtocol）

—用戶數據報協議UDP（