計算機網(wǎng)絡(第03講)

計算機網(wǎng)絡

（第三講）主講：李勇二零一四年九月計算機網(wǎng)絡講義2上次課主要內(nèi)容計算機網(wǎng)絡發(fā)展的第一階段電路交換分析計算機網(wǎng)絡發(fā)展的第二階段分組交換技術(shù)存儲轉(zhuǎn)發(fā)思想分組交換分析計算機網(wǎng)絡發(fā)展的第三階段局域網(wǎng)LAN城域網(wǎng)MAN廣域網(wǎng)WAN個人區(qū)域網(wǎng)PAN1、體系結(jié)構(gòu)概述計算機網(wǎng)絡的各層及其協(xié)議的集合，稱為網(wǎng)絡的體系結(jié)構(gòu)。

1、計算機網(wǎng)絡的體系結(jié)構(gòu)就是計算機網(wǎng)絡及其構(gòu)件所應完成的功能的精確定義。

2、體系結(jié)構(gòu)是抽象的，而實現(xiàn)則是具體的，是真正正在運行的計算機硬件和軟件。

3、目前，主要討論的有兩種體系結(jié)構(gòu)，既OSI/RM和TCP/IP體系結(jié)構(gòu)。2、體系結(jié)構(gòu)發(fā)展1974年IBM公布了自己的系統(tǒng)網(wǎng)絡體系結(jié)構(gòu)SNA（SystemNetworkArchitecture）。其他公司也相繼推出自己的網(wǎng)絡體系結(jié)構(gòu)。不同的網(wǎng)絡體系結(jié)構(gòu)影響了計算機網(wǎng)絡的發(fā)展。1983年國際標準化組織試圖指定一個統(tǒng)一的網(wǎng)絡體系結(jié)構(gòu)，結(jié)束網(wǎng)絡體系結(jié)構(gòu)混亂的局面，從而促進計算機網(wǎng)絡的發(fā)展。國際標準化組織推出了著名的OSI/RM（OpenSystemInterconnectionReferenceModel）。ISO/OSI數(shù)據(jù)鏈路層物理層網(wǎng)絡層傳輸層應用層表示層會話層通路控制數(shù)據(jù)鏈路控制物理層傳輸控制端用戶功能管理服務數(shù)據(jù)流控制路由控制傳輸組數(shù)據(jù)鏈路控制物理層網(wǎng)絡服務端用戶網(wǎng)絡應用會話控制傳輸控制IMP-IMP物理層HOST-HOST用戶層文件傳輸協(xié)議遠程通信協(xié)議源IMP-目的IMP網(wǎng)絡接口層IPTCP/UDP應用層ARPASNADNATCP/IP3、OSI/RM體系結(jié)構(gòu)OSI/RM將計算機網(wǎng)絡功能劃分成7個層次。OSI模型概念清楚、理論完整，但沒有實現(xiàn)。盡管如此，引出了一系列的相關問題。物理層數(shù)據(jù)鏈路層網(wǎng)絡層傳輸層會話層表示層應用層OSI/RM3-1劃分層次計算機網(wǎng)絡體系結(jié)構(gòu)將計算機網(wǎng)絡功能劃分成具有多層的結(jié)構(gòu)。第n層第n-1層第1層……計算機網(wǎng)絡體系結(jié)構(gòu)在每個主機上實現(xiàn)。3-2對等通信計算機網(wǎng)絡的通信在不同的主機之間進行，主機之間是對等的。位于每個主機內(nèi)部的實現(xiàn)網(wǎng)絡體系各層功能的進程之間通信也是對等的。第n層第n-1層第1層……第n層第n-1層第1層……主機A主機B第n層通信第n+1層通信第1層通信3-3實體、協(xié)議和服務任何可以發(fā)送或接收信息的硬件或軟件進程都可以稱為實體。在協(xié)議的控制下，兩個對等實體間的通信使得本層能夠向上一層提供服務。要實現(xiàn)本層協(xié)議，還需要使用下面一層所提供的服務。N層N-1層……1層N層N-1層……1層協(xié)議N-1層的功能對于N層來講是服務N-1層需要使用N-2層的服務實現(xiàn)自己的功能，并對N層提供服務實現(xiàn)第i層功能的模塊稱為實體3-4協(xié)議為實現(xiàn)對等通信，參與通信的雙方要有一個約定，該約定包括了通信過程中雙方需要遵守的所有規(guī)則。這些規(guī)則明確規(guī)定了所交換的數(shù)據(jù)的格式以及有關同步的問題。通信雙方關于如何進行通信的一種約定既為網(wǎng)絡協(xié)議，也可以理解為：為進行網(wǎng)絡中的數(shù)據(jù)交換而建立的規(guī)則、標準或約定的集合。網(wǎng)絡協(xié)議的要素語法：數(shù)據(jù)與控制信息的格式；語義：控制信息的含義；同步（時序）：事件發(fā)生順序的描述。協(xié)議是對等的，協(xié)議是分層的，各層的協(xié)議組成協(xié)議棧。3-5服務和服務訪問點本層的服務用戶（上層）只能看見本層服務而無法看見本層的協(xié)議（封裝），本層的協(xié)議對上層的服務用戶是透明的。下層通過服務訪問點向上層提供服務，上層通過服務訪問點調(diào)用下層服務。所謂的服務訪問點是一個邏輯接口（Interface，提供功能的調(diào)用方法，但屏蔽了具體實現(xiàn)）。不同層之間通過在服務訪問點之間傳遞服務數(shù)據(jù)單元SDU（ServiceDataUnit）進行信息交換。協(xié)議是水平的，是對等實體之間的。服務是垂直的，是在同一主機網(wǎng)絡功能不同層之間的。4、協(xié)議與服務的關系協(xié)議是水平的，是對等實體之間的。

1、協(xié)議調(diào)用下層提供的服務，實現(xiàn)了本層的協(xié)議功能；

2、利用協(xié)議實現(xiàn)的功能，本層向上層提供的服務；

3、協(xié)議在對等實體之間傳送協(xié)議數(shù)據(jù)單元。服務是垂直的，是在同一主機網(wǎng)絡功能不同層之間的。

1、下層向上層提供服務；

2、服務通過服務訪問點傳送服務數(shù)據(jù)單元。ISO/OSI模型網(wǎng)絡層數(shù)據(jù)鏈路層物理層傳輸層應用層表示層會話層網(wǎng)絡層數(shù)據(jù)鏈路層物理層傳輸層應用層表示層會話層對等協(xié)議物理介質(zhì)系統(tǒng)A系統(tǒng)B第N+1層第N層PDUSDUHPDU第N-1層SDUN+1層協(xié)議實體N+1層協(xié)議實體N層協(xié)議實體SAPSAP5、分層的體系結(jié)構(gòu)帶來的好處各層之間是獨立的。靈活性好。結(jié)構(gòu)上可分割開。易于實現(xiàn)和維護。能促進標準化工作。6、OSI/RM總結(jié)OSI/RM最終失敗了

1、缺乏實際經(jīng)驗，很難工程化；

2、復雜不易實現(xiàn)；

3、制定周期長。在互聯(lián)網(wǎng)中大量采用的TCP/IP模型成為了計算機網(wǎng)絡體系結(jié)構(gòu)事實上的標準。7、TCP/IP協(xié)議的產(chǎn)生TCP/IP協(xié)議的產(chǎn)生

1、1972年，在美國華盛頓舉行了第一屆國際計算機通信會議，會議就在不同的計算機網(wǎng)絡之間進行通訊達成了協(xié)議；

2、1973年，美國國防部也開始研究實現(xiàn)不同網(wǎng)絡之間的互聯(lián)的問題；

3、1974年IP（InternetProtocol）和TCP（TransmissionControlProtocol）協(xié)議問世，合稱TCP/IP協(xié)議。TCP/IP協(xié)議的問世導致了Internet的迅速發(fā)展；

4、到了1980年，世界上既有使用TCP/IP協(xié)議的美國軍方的ARPANET網(wǎng)，也有很多使用其他通信協(xié)議的各種網(wǎng)絡。美國人溫頓.瑟夫（VintonCerf)提出一個想法。這個想法導致了Internet的誕生，并確定了TCP/IP協(xié)議在網(wǎng)絡互聯(lián)方面不可動搖的地位。這個想法就是：（1）在每個網(wǎng)絡內(nèi)部各自使用自己的通信協(xié)議；（2）網(wǎng)絡之間通訊采用TCP/IP。

5、TCP/IP協(xié)議的發(fā)展，形成了TCP/IP協(xié)議體系結(jié)構(gòu)。8、TCP/IP體系結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡接口1網(wǎng)絡接口2……網(wǎng)絡接口nIP協(xié)議ARP協(xié)議RARP協(xié)議ICMP協(xié)議IGMP協(xié)議TCP協(xié)議UDP協(xié)議HTTP協(xié)議DNS協(xié)議SNMP協(xié)議SMTP協(xié)議POP3協(xié)議FTP協(xié)議……應用層運輸層網(wǎng)際層網(wǎng)絡接口層TCP/IP協(xié)議分層示意圖9、原理體系結(jié)構(gòu)原理體系結(jié)構(gòu)的提出

1、OSI/RM未能實現(xiàn)；

2、TCP/IP的缺陷。原理體系結(jié)構(gòu)

1、物理層

2、數(shù)據(jù)鏈路層

3、網(wǎng)絡層

4、傳輸層

5、應用層物理層數(shù)據(jù)鏈路層網(wǎng)絡層傳輸層應用層原理體系結(jié)構(gòu)10、物理層（physicallayer）處于體系結(jié)構(gòu)的最低層。主要描述了傳輸媒體接口的機械特性、電器特性、功能特性以及規(guī)程特性。主要的功能是實現(xiàn)“透明”的傳輸比特流。物理層涉及的具體問題有：

1、線路配置；

2、數(shù)據(jù)通信模式；

3、拓撲結(jié)構(gòu)；

4、信號；

5、編碼；

6、接口；

7、媒介。在物理層工作的設備是中繼器集線器。和數(shù)據(jù)鏈路層物理層10110101111介質(zhì)信號物理層10110101111數(shù)據(jù)鏈路層11-1數(shù)據(jù)鏈路層（datalinklayer）物理層傳輸數(shù)據(jù)是不可靠的。為可靠的傳輸數(shù)據(jù)，在不可靠的物理線路上增加一些用于保證數(shù)據(jù)可靠傳輸規(guī)程，形成數(shù)據(jù)鏈路層。數(shù)據(jù)鏈路層的主要作用

1、從網(wǎng)絡層接收數(shù)據(jù)；

2、將數(shù)據(jù)組織成幀（分組、添加控制信息）同步信息（數(shù)據(jù)的發(fā)送與接收）；（1）地址信息（尋址）；（2）差錯信息（校驗和）；（3）流量控制（避免擁塞）。

3、將信息發(fā)送到物理層；

4、確保通信的雙方，無差錯的傳送以幀為單位的數(shù)據(jù)。在網(wǎng)絡層看來，數(shù)據(jù)鏈路層是一條不出錯的傳輸線路。在數(shù)據(jù)鏈路層工作的設備是二層交換機?？刂菩畔?shù)據(jù)數(shù)據(jù)幀幀頭FCB11-2數(shù)據(jù)鏈路層（datalinklayer）數(shù)據(jù)鏈路層具體問題

1、廣播和點到點的數(shù)據(jù)傳輸；

2、尋址；

3、訪問控制；

4、流量控制；

5、錯誤處理；

6、同步。12、網(wǎng)絡層（networklayer）網(wǎng)絡層主要的任務是在主機之間傳送數(shù)據(jù)包。網(wǎng)絡層具體的任務如下：

1、源到宿的傳遞；

2、邏輯尋址；

3、路由；

4、地址轉(zhuǎn)換；

5、復用。在網(wǎng)絡層工作的設備：路由器、三層交換機。13、傳輸層（transportlayer）傳輸層的主要任務是在進程之間（既端到端）傳遞數(shù)據(jù)分組。傳輸層提供面向連接的服務和非連接服務。傳輸層具體的任務如下：

1、端到端的信息傳輸；

2、服務點尋址；

3、分組的拆分和組裝；

4、連接控制；

5、復用和分用。14、應用層（applicationlayer）應用層是原理體系結(jié)構(gòu)中的最高層。應用層直接為用戶的應用進程提供服務。為用戶提供訪問網(wǎng)絡服務和資源的接口。應用層提供的具體服務有：

1、網(wǎng)絡虛擬終端；

2、文件訪問、傳輸和管理；

3、郵件服務；

4、目錄服務。15、數(shù)據(jù)在各層之間傳遞示意圖AP154321主機1主機2信號在物理傳輸媒體中傳輸AP2543211010011。。。比特流。。。1010011數(shù)據(jù)部分H2T2數(shù)據(jù)部分H3數(shù)據(jù)部分H4數(shù)據(jù)部分H516-1OSI與TCP/IP體系結(jié)構(gòu)的比較兩者都以分層思想作為基礎，各層的協(xié)議形成協(xié)議棧，并且協(xié)議棧中的各層協(xié)議相互獨立。在兩個模型中各層的功能大體相同。對于OSI模型，有三個概念是它的核心。

1、服務

2、服務訪問點（接口）

3、協(xié)議OSI模型使這三個概念的區(qū)別變得更加明確。但最初的TCP/IP模型并沒有明確區(qū)分上述三個概念。OSI模型是先模型后協(xié)議，而TCP/IP是先協(xié)議后模型。16-2OSI與TCP/IP體系結(jié)構(gòu)的比較OSI有七層，TCP/IP有四層。OSI的網(wǎng)絡層既支持面向連接，也支持面向非連接，而TCP/IP在網(wǎng)絡層只支持面向非連接。TCP/IP模型沒有區(qū)分物理層和數(shù)據(jù)鏈路層。TCP/IP模型不能描述TCP/IP以外的任何協(xié)議，不通用。由于TCP/IP模型沒有明確區(qū)分服務、接口和協(xié)議的概念，因此，在使用新技術(shù)來設計新的網(wǎng)絡的時候，TCP/IP模型并不是一個好的參照。而OSI模型作到了這一點。

第五階段20世紀90年代初至現(xiàn)在是計算機網(wǎng)絡飛速發(fā)展的階段，其主要特征是：

1、計算機網(wǎng)絡化，協(xié)同計算能力發(fā)展以及網(wǎng)絡互連的盛行；

2、計算機的發(fā)展已經(jīng)完全與網(wǎng)絡融為一體，體現(xiàn)了“網(wǎng)絡就是計算機”的口號；

3、TCP/IP協(xié)議的廣泛應用促進了計算機網(wǎng)絡的互連，為互聯(lián)網(wǎng)（Internet）的發(fā)展奠定了基礎；

4、互聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展，使互聯(lián)網(wǎng)已經(jīng)真正進入社會各行各業(yè)，為社會各行各業(yè)所采用。網(wǎng)絡發(fā)展進入了互聯(lián)網(wǎng)時代。1、互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)生及其背景互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)生的背景

1、Internet（因特網(wǎng)或國際互聯(lián)網(wǎng)）在冷戰(zhàn)初期初見端倪；

2、其建立的目的是保證美國本土防衛(wèi)力量和海外防御武裝的通信系統(tǒng)在受到打擊破壞后仍然具有一定的生存能力，因此，該系統(tǒng)注定是一種分布式系統(tǒng)?；ヂ?lián)網(wǎng)的產(chǎn)生

1、1969年美國國防部高級研究計劃署（DoD/DARPA)資助建立了一個名為ARPANET（阿帕網(wǎng)）的網(wǎng)絡；

2、該網(wǎng)絡將位于洛衫磯的加利福尼亞大學、位于圣芭芭拉的加利福尼亞大學分校、斯坦福大學和位于鹽湖城的猶他州州立大學的計算機主機聯(lián)結(jié)在一起；

3、位于各個結(jié)點的大型計算機采用分組交換技術(shù)，通過專門的通信交換機（IMP）和專門的通信線路相互連接；

4、到了1972年，ARPANET網(wǎng)上的結(jié)點數(shù)已經(jīng)達到40個，這個阿帕網(wǎng)就是Internet的雛形。

5、這40個網(wǎng)點之間彼此可以發(fā)送小文本文件（電子郵件的雛形），也可以采用文件傳輸協(xié)議發(fā)送大文件；

6、同時也開發(fā)了通過把一臺電腦模擬成另外一臺遠程電腦的終端的技術(shù)，既Telnet。上述背景條件下，促進了TCP/IP協(xié)議的產(chǎn)生；而TCP/IP協(xié)議的產(chǎn)生又極大的促進了互聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展。本地網(wǎng)點1ARPANET主干網(wǎng)本地網(wǎng)點3本地網(wǎng)點2本地網(wǎng)點4RRRR核心系統(tǒng)核心路由器2、Internet的基礎—NSFNETInternet的基礎—NSFNET

1、80年代中期，美國國家科學基金會（NationalScienceFoundation，NSF)出資，利用ARPANET發(fā)展出來的TCP/IP協(xié)議建立了名為NSFNET的廣域網(wǎng)；

2、NSFNET將美國普林斯頓大學、匹茲堡大學、加州大學圣地亞哥分校、依利諾斯大學和康納爾大學的5個超級計算機中心，通過56Kbit/s的線路連接起來；

3、1987年NSF公開招標，將NSFNET進行升級，1989年7月通訊線路改為T1（1.5Mbit/s)，并且連接了13個骨干結(jié)點；4、從1986年到1991年，NSFNET從100個子網(wǎng)發(fā)展到3000多個子網(wǎng)，形成了Internet的基礎；本地網(wǎng)點本地網(wǎng)點本地網(wǎng)點本地網(wǎng)點NSFNET

骨干ARPANET

骨干RRRR核心路由器對等骨干的多重互連自治系統(tǒng)（AutonomousSystem）的引入自治系統(tǒng)：由一個機構(gòu)進行統(tǒng)一管理的網(wǎng)絡和路由器的集合2023/2/1自治系統(tǒng)AS自治系統(tǒng)AS主干網(wǎng)絡自治系統(tǒng)網(wǎng)絡RRR核心路由器AS2#RRRAS3#RRRAS1#RRR3、互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展事實上，目前流行的因特網(wǎng)（Internet）不屬于簡單的網(wǎng)絡。

1、是信息高速公路的產(chǎn)物；

2、1993年9月15日，美國政府提出“國家信息基礎結(jié)構(gòu)（NII）行動計劃”；

3、1994年9月，美國政府又提出建立“全球信息基礎結(jié)構(gòu)GII”，建議將各國的NII互聯(lián)，形成了Internet的雛形；

4、事實上，Internet是一個運行在計算機網(wǎng)絡上的分布式系統(tǒng)；

5、是全球性的信息基礎結(jié)構(gòu)發(fā)展的結(jié)果。4、關于因特網(wǎng)的標準化工作關于因特網(wǎng)的標準化工作

1、因特網(wǎng)的標準化工作由一個國際組織—因特網(wǎng)協(xié)會（ISOC）中的因特網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)研究委員會（IAB）負責；

2、所有的因特網(wǎng)標準都是以RFC文檔的形式發(fā)布的（RFCxxxx），通過閱讀這些文檔來了解因特網(wǎng)的標準。例如：

RFC2068HypertextTransferProtocol-------HTTP/1.1RFC1945HypertextTransferProtocol-------HTTP/1.0因特網(wǎng)協(xié)會ISOC因特網(wǎng)研究指導小組IRSG因特網(wǎng)研究部IRTF因特網(wǎng)工程部IETF因特網(wǎng)工程指導小組IESG…RGWG……RG…領域領域因特網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)研究委員會IABWGWGWG制訂因特網(wǎng)的正式標準要經(jīng)過以下的四個階段因特網(wǎng)草案(InternetDraft)——在這個階段還不是

RFC文檔。建議標準(ProposedStandard)——從這個階段開始就成為RFC文檔。草案標準(DraftStandard)因特網(wǎng)標準(InternetStandard)各種RFC之間的關系因特網(wǎng)草案建議標準草案標準因特網(wǎng)標準歷史的RFC實驗的RFC提供信息的RFC6種RFC1.2.3計算機網(wǎng)絡在中國的發(fā)展1987年9月20日，錢天白教授發(fā)出我國第一封電子郵件，揭開了中國人使用互聯(lián)網(wǎng)的序幕。1989年11月，我國第一個公用分組交換網(wǎng)CNPAC建成運行。1993年9月建成新的中國公用分組交換網(wǎng)CHINAPAC；目前，在中國境內(nèi)存在九個全國范圍的、與因特網(wǎng)互聯(lián)的公用計算機網(wǎng)絡

1、中國科學技術(shù)網(wǎng)絡（CSTNET）

2、中國教育和科研計算機網(wǎng)（CERNET）

3、中國公用計算機互聯(lián)網(wǎng)（CHINANET）

4、中國聯(lián)通互聯(lián)網(wǎng)（UNINET）

5、中國網(wǎng)通互聯(lián)網(wǎng)（CNCNET）

6、中國國際經(jīng)濟貿(mào)易互聯(lián)網(wǎng)（CIETNET）

7、中國移動互聯(lián)網(wǎng)（CMNET）

8、中國長城互聯(lián)網(wǎng)（CGWNET）

9、中國衛(wèi)星集團互聯(lián)網(wǎng)（CSNET）

1.2.4計算機網(wǎng)絡發(fā)展總結(jié)第一階段的計算機網(wǎng)絡稱為第一代計算機網(wǎng)絡。1、20世紀50年代；

1、以單臺計算機為中心的分時聯(lián)機系統(tǒng)（遠程聯(lián)機系統(tǒng)）；

2、計算機技術(shù)與通信技術(shù)開始相互結(jié)合。第二階段的計算機網(wǎng)絡稱為第二代計算機網(wǎng)絡。

1、20世紀60年代到20世紀80年代；

2、多臺計算機通過通信線路互連；

3、分組交換。從第三階段到第五階段稱為第三代計算機網(wǎng)絡，是開放式標準化網(wǎng)絡。

1、OSI、TCP/IP體系結(jié)構(gòu)；

2、網(wǎng)絡互聯(lián)發(fā)展迅速；

3、互聯(lián)網(wǎng)出現(xiàn)并快速發(fā)展。1.3.1計算機網(wǎng)絡技術(shù)的發(fā)展方向ARPANET-TCP/IP-Internet技術(shù)。PRNET-Adhoc-WSN/WMN無線網(wǎng)絡技術(shù)。伴隨著上述兩條主線的網(wǎng)絡安全技術(shù)。1.3.2計算機網(wǎng)絡的發(fā)展趨勢（1）向開放式的網(wǎng)絡體系結(jié)構(gòu)發(fā)展：使不同軟硬件環(huán)境、不同網(wǎng)絡協(xié)議的網(wǎng)絡可以互相連接，真正達到資源共享、數(shù)據(jù)通信和分布處理的目標。（2）向高性能發(fā)展：追求高速、高可靠和高安全性，采用多媒體技術(shù)，提供文本、圖像、聲音、視頻等綜合性服務。（3）向智能化發(fā)展：提高網(wǎng)絡性能和提供網(wǎng)絡綜合的多功能服務，并更加合理地進行網(wǎng)絡各種業(yè)務的管理，真正以分布和開放的形式向用戶提供服務。1.4計算機網(wǎng)絡知識體系計算機網(wǎng)絡知識體系劃分為九部分

1、計算機網(wǎng)絡概述

2、數(shù)據(jù)通信基礎

3、物理層

4、數(shù)據(jù)鏈路層

5、網(wǎng)絡層

6、傳輸層

7、應用層

8、網(wǎng)絡性能

9、網(wǎng)絡安全1、計算機網(wǎng)絡概述計算機網(wǎng)絡的概念、組成和功能計算機網(wǎng)絡的分類

1、公用網(wǎng)與專用