第1章計算機網絡概述

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(shù)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(shù)據(jù)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(lián)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(jié)描述端系統(tǒng)接入設備非傳統(tǒng)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(yōu)點：（1）所需電纜數(shù)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(xié)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?？偩€型拓撲結構適用于計算機數(shù)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(huán)型拓撲結構優(yōu)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(jié)點的故障會引起全網故障。2.故障檢測困難。3.環(huán)形拓撲結構的媒體訪問控制協(xié)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(yōu)點：（1）控制簡單。任何一站點只和中央節(jié)點相連接，因而介質訪問控制方法簡單，致使訪問協(xié)議也十分簡單。易于網絡監(jiān)控和管理。（2）故障診斷和隔離容易。中央節(jié)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(jié)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(jié)點負擔重，形成“瓶頸”，一旦發(fā)生故障，則全網受影響?？偟膩碚f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(jié)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(jié)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(jié)點易于擴充，但是樹形網絡復雜，與節(jié)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(yōu)點：（1）易于擴展。（2）故障隔離較容易。樹形拓撲的缺點：各個節(jié)點對根的依賴性太大。網狀拓撲結構網狀拓撲的優(yōu)點(1)網絡可靠性高。一般通信子網中任意兩個節(jié)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(fā)生故障時，還可以通過另一條路徑把信息送至節(jié)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(jié)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(fā)送數(shù)據(jù)的最佳路徑。

因特網發(fā)展的三個階段第一階段：從單個網絡ARPANET（阿帕網）向互聯(lián)網發(fā)展的過程。1983年，TCP/IP協(xié)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(qū)網、校園網（企業(yè)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(qū)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(shù)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(lián)網IXPIXPIXP

計算機網絡在我國的發(fā)展(1)

中國公用計算機互聯(lián)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(lián)通互聯(lián)網UNINET(5)中國網通公用互聯(lián)網CNCNET(6)中國國際經濟貿易互聯(lián)網CIETNET(7)中國移動互聯(lián)網CMNET(8)中國長城互聯(lián)網CGWNET（建設中）中國衛(wèi)星集團互聯(lián)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(fā)送數(shù)據(jù)、音頻或視頻）和資源共享。端系統(tǒng)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(fā)）。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(tǒng)）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(qū)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(xiàn)分組交換(packetswitching)的關鍵構件，其任務是轉發(fā)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(shù)據(jù)被拆散為離散的“數(shù)據(jù)塊”通過網絡傳送）傳統(tǒng)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(tǒng)電路交換電路交換:FDMA和TDMA電路交換的缺點：傳送數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(fā)技術；把較長的報文（message）劃分成一個個較小的數(shù)據(jù)段；在每一個數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)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(huán)網:4500B；

16M的令牌環(huán)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(fā)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(fā)到路由器B，再轉發(fā)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(fā)表，找出到某個目的地應從哪個端口轉發(fā)；把分組送到適當?shù)亩丝谵D發(fā)出去。網絡核心：分組交換分組交換的優(yōu)點：高效：斷續(xù)（動態(tài)）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(fā)送分組；可靠：保證可靠性的網絡協(xié)議；分布式（網狀）的路由選擇協(xié)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(fā)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(fā)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(fā)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(xiàn)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(fā)存儲轉發(fā)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(shù)據(jù)傳送報文P2P1連接釋放數(shù)據(jù)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(fā)存儲轉發(fā)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(shù)據(jù)4.分組(packet):因特網中傳送的數(shù)據(jù)單元4.電路交換5.分組交換1.速率比特（bit）是計算機中數(shù)據(jù)量的基本單位。Bit意思是一個“二進制數(shù)字”，因此一個比特就是二進制數(shù)字中的一個1或0。網絡中的速率(數(shù)據(jù)率或比特率)，是連接在計算機網絡上的主機在數(shù)字信道上傳送數(shù)據(jù)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(jù)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(qū)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(shù)，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?？梢哉f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(shù)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(shù)據(jù)（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(fā)送時延（transmissiondelay）：主機或路由器發(fā)送數(shù)據(jù)幀的第一個比特到最后一個比特發(fā)送完畢所需要的時間。發(fā)送時延=

數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(fā)接口后，分組還要在輸出隊列中排隊等待轉發(fā)】總時延=發(fā)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(fā)送器隊列在鏈路上產生傳播時延結點B結點A在發(fā)送器（網絡適配器）產生發(fā)送時延在結點上產生排隊時延和處理時延數(shù)據(jù)鏈路計算機網絡的7個性能指標判斷：1.數(shù)據(jù)的發(fā)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(fā)送數(shù)據(jù)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(fā)送方發(fā)送數(shù)據(jù)開始，到發(fā)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(shù)據(jù)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(tǒng)必須高度協(xié)調才能工作，而這種“協(xié)調”是相當復雜的。（1）激活通路（2）告訴網絡如何識別接收數(shù)據(jù)的計算機（3）發(fā)送主機要查明接收方是否開機（4）發(fā)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(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)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(yè)驅動力；OSI的協(xié)議實現(xiàn)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(xiàn)。

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

—語義需要發(fā)出何種控制信息，完成何種動作以及做出何種響應；

—語法數(shù)據(jù)與控制信息的結構或格式；

—同步事件實現(xiàn)順序的詳細說明。規(guī)定發(fā)送數(shù)據(jù)的計算機按照什么順序發(fā)送，接收數(shù)據(jù)的計算機按照什么順序接收，使他們保持同步1.7.2

協(xié)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(xiàn)一種相對獨立的功能；靈活性好：任何一層發(fā)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(xiàn)和維護：整個系統(tǒng)被分解成若干個相對獨立的子系統(tǒng)；

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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(guī)劃IP地址數(shù)據(jù)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(xié)議的體系結構應用層(applicationlayer)運輸層(transportlayer)網絡層(networklayer)數(shù)據(jù)鏈路層(datalinklayer)物理層(physicallayer)數(shù)據(jù)鏈路層5應用層4運輸層3網絡層2數(shù)據(jù)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(xié)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(xié)議TCP（TransmissionControlProtocol）

—用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議UDP（