計算機網(wǎng)絡的分類、協(xié)議與體系結(jié)構(gòu)下載

計算機通信與網(wǎng)絡技術

刖百

0.1計算機網(wǎng)絡在信息時代的作用

?21世紀的一些重要特征就是數(shù)字化、網(wǎng)絡化和信

息化，它是一個以網(wǎng)絡為核心的信息時代。

?知識經(jīng)濟的兩個重要特點就是信息化和全球化。

?三網(wǎng)：電信網(wǎng)絡、有線電視網(wǎng)絡、計算機網(wǎng)絡。

?20世紀90年代以來，以因特網(wǎng)(Internet)為代表的

計算機網(wǎng)絡的發(fā)展迅速。

?計算機網(wǎng)絡已經(jīng)全面貫穿于人類的生活和工作之

中，網(wǎng)絡的應用無處不在。

0.2該課程在專業(yè)體系中的作用::

?電氣專業(yè)或工業(yè)控制等領域，網(wǎng)絡的應用和互

聯(lián)成為大趨勢。

?數(shù)據(jù)遠傳和共享變得越來越重要。

?隨著軟硬件技術的發(fā)展，統(tǒng)一和標準的網(wǎng)絡協(xié)

議逐漸成熟起來。

?系統(tǒng)集成是我們所要面對的任務之一，通信是

非常關鍵的一部分。

本課程主要教學內(nèi)容：

-.計算機網(wǎng)絡的分類、協(xié)議與體系結(jié)構(gòu)

二物理層及數(shù)字通信基礎

三數(shù)據(jù)鏈路控制及其協(xié)議

四.局域網(wǎng)

五.廣域網(wǎng)

六.網(wǎng)絡互連

七.路由協(xié)議

八.運輸層

九.應用層協(xié)議

-。.網(wǎng)絡安全

對該課程的學習要求

?掌握計算機網(wǎng)絡的基本概念，熟悉計算機網(wǎng)絡

的基本技術，理解計算機網(wǎng)絡的工作原理。

?面對高速發(fā)展的網(wǎng)絡技術，具有積極動手、主

動跟蹤、繼續(xù)學習的基礎和能力。

對該課程的學習要求

?掌握計算機網(wǎng)絡的基本概念，熟悉計算機網(wǎng)絡

的基本技術，理解計算機網(wǎng)絡的工作原理。

?面對高速發(fā)展的網(wǎng)絡技術，具有積極動手、主

動跟蹤、繼續(xù)學習的基礎和能力。

對該課程的學習要求

?掌握計算機網(wǎng)絡的基本概念，熟悉計算機網(wǎng)絡

的基本技術，理解計算機網(wǎng)絡的工作原理。

?面對高速發(fā)展的網(wǎng)絡技術，具有積極動手、主

動跟蹤、繼續(xù)學習的基礎和能力。

課程進度安排

?1周——16周，34個講授課時，8個實驗

課時,4個習題課時，2個考試課時

?教材：《計算機網(wǎng)絡教程》黃永峰

?參考：《計算機網(wǎng)絡教程》（第二版），

謝希仁

?考核方式：閉卷考試70%,實驗20%,

作業(yè)10%

實驗題目??

實驗一網(wǎng)絡基本知識::

了解網(wǎng)絡基本配置中包含的協(xié)議、服務和

基本參數(shù)；掌握WindowsXP系統(tǒng)網(wǎng)絡組件的

安裝和卸載方法；掌握WindowsXP系統(tǒng)共享

目錄的設置和使用方法；學會制作兩種類型的

RJ?45接頭直通線、交叉線；掌握使用雙絞線

作為傳輸介質(zhì)的網(wǎng)絡連接方法；掌握測線儀的

使用方法。

實驗題目??

實驗二網(wǎng)絡應用實驗y

了解常用的網(wǎng)絡應用；掌握IIS的安裝和配

置；掌握IP地址和TCP端口（SOCKET）的配

置；熟悉CRC校驗的原理，掌握CRC校驗的實

現(xiàn)方法。

實驗題目;;

實驗三網(wǎng)絡協(xié)議分析?

熟悉網(wǎng)絡分析軟件，學習捕捉數(shù)據(jù)的方

法；分析數(shù)據(jù)幀和報文，掌握以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀和

IP數(shù)據(jù)報的結(jié)構(gòu)；按照協(xié)議類型分析數(shù)據(jù)包的

各個首部的字段含義的方法；初步嘗試用軟件

編寫解析IP數(shù)據(jù)報首部的字段含義的方法。

實驗題目

實驗四轉(zhuǎn)發(fā)表與路由算法

熟悉廣域網(wǎng)絡的轉(zhuǎn)發(fā)機理，理解轉(zhuǎn)發(fā)表的

作用；理解路由算法的基本思路。

實驗題目

實驗四轉(zhuǎn)發(fā)表與路由算法

熟悉廣域網(wǎng)絡的轉(zhuǎn)發(fā)機理，理解轉(zhuǎn)發(fā)表的

作用；理解路由算法的基本思路。

第1講計算機網(wǎng)絡基礎

知識

1.1計算機網(wǎng)絡的分類

1.1.1計算機網(wǎng)絡的定義

?計算機網(wǎng)絡的精確定義并未統(tǒng)一。關于計算機網(wǎng)絡的

最簡單的定義是：一些互相連接的、自治的計算機的

集合。

?更準確的定義：凡是將地址位置不同，并具有獨立功

能的計算機系統(tǒng)通過通信設備和線路連接起來，以功

能完善的網(wǎng)絡軟件實現(xiàn)在網(wǎng)絡中資源共享和信息交換

的系統(tǒng)，稱為計算機網(wǎng)絡系統(tǒng)。

1.1.2計算機網(wǎng)絡的幾種分類方法

電路交換

報文交換

按交換功能分＜

分組交換

.混合交換

集中式

按拓撲結(jié)構(gòu)分《分散式

、分布式

電路交換：用模擬信道的連接在

線路上傳輸信息

＞電路交換要求在通信的雙方之間建立一條實際的物理

通路，并且在整個通信過程中，這條通路被獨占。這

種聯(lián)網(wǎng)方式稱為面向連接的(connection-

oriented),過程為“建立連接、通信、釋放連

接”。OO

OO

BOO

AD

源站

O..O

O'\O目的站

o0<

C

00

0O

0O

存儲交換：數(shù)字化網(wǎng)絡;

存儲-轉(zhuǎn)發(fā)方式

緩

輸沖

入存信息處理輸

儲和轉(zhuǎn)發(fā)出

報文（幀F(xiàn)rame）

標志地址控制信息FCS標志

標志：表示幀的開始和結(jié)束

地址：包括源地址和目的地址

控制：報文類型和功能

信息：傳送的數(shù)據(jù)

FCS：幀校驗碼

報文交換：不定長報文為單位

報文交換每次是無需通過物理連接而建立通信信道的O這種

聯(lián)網(wǎng)方式稱為無連接的(connectionless)。

T2

目的站

存儲轉(zhuǎn)發(fā)報文的優(yōu)點::

?信道利用率高。多報文共享“節(jié)點一節(jié)點”信

道

?接收方和發(fā)送方無需同時工作。節(jié)點暫存報文

?可同時向多個目標發(fā)送同一報文。

?在網(wǎng)絡上實現(xiàn)報文的差錯控制和糾錯處理。

分組交換（包交換）：定常報文

為單位分組傳輸

欲發(fā)送的整塊數(shù)據(jù)：報文

-*-------分組-------A-------分組-------*---------分組

分組(packet)又稱為“包”，是在計算機網(wǎng)絡中傳送

的數(shù)據(jù)單元。分組交換時在傳送數(shù)據(jù)之前可不必先建立一條

連接，即使用無連接(connectionless)方式，亦可使用面向

連接方式。因為分組的首部(header)也稱為“包頭”，包

含了諸如目的地址和源地址等重要信息，使每個分組能夠在

a組交換網(wǎng)中獨立地選擇路由，故分組交換的特征是基于標

記(label-based)。

?分組交換優(yōu)點：：：：'

高效：傳輸過程中動態(tài)分配傳輸帶寬，對通信鏈路逐段疵占;

靈活：為每一個分組獨立地選擇轉(zhuǎn)發(fā)路由；

迅速：以分組為傳送單位，傳輸出錯時重傳的是小的分組；可

不先建立連接，分組暫存于內(nèi)存；網(wǎng)絡使用高速鏈路；

可靠：完善的網(wǎng)絡協(xié)議，分布式多路由的分組交換網(wǎng)，使網(wǎng)絡

有很好的生存性。

?分組交換缺點

分組在各結(jié)點存儲轉(zhuǎn)發(fā)時需要排隊，尤其通信量過大時，時延

可能很大。

分組攜帶的控制信息增加了開銷，且需要專門的管理控制機制O

⑥集中式網(wǎng)絡（b）具有集中器或復用器的集中式網(wǎng)絡

（C）分散式網(wǎng)絡（d）分布式網(wǎng)絡

O—終端；?一交換結(jié)點；△—集中器或復用器

圖1-9幾種常見的網(wǎng)絡拓撲

集中式（星型結(jié)構(gòu)）

COOGOOGCOOtJOUC!

分布式（網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)）

1.1.2計算機網(wǎng)絡的幾種分類方法

局域網(wǎng)

按作用范圍分《城域網(wǎng)

L廣域網(wǎng)公用網(wǎng)

按使用范圍分《

互聯(lián)網(wǎng)internet

內(nèi)部網(wǎng)Intranet

外部網(wǎng)ExtranetI專用網(wǎng)

因特網(wǎng)Internet

1.2計算機網(wǎng)絡的主要

性能指標

121帶寬(bandwidth)::

?“帶寬”本來的意思是指某個信號具有的頻帶

寬度。帶寬的單位是赫茲(Hz)、千赫(kHz)、

兆赫(MHz)等。

?對于數(shù)字信道，“帶寬”是指在信道上(或一

段鏈路上)能夠傳送的數(shù)字信號的速率，即數(shù)

據(jù)率或比特率。比特(bit)是計算機中的數(shù)據(jù)的

最小單元，它也是信息量的度量單位。帶寬的

單位就是比特每秒⑻t/s)。

?帶寬有時也稱為吞吐量。

10101I時間

-----------1秒鐘有10叫比恃------------------

0.25國

時間

p-----------------1秒鐘有4x1/個比恃---------------

圖1」。隨著帶寬的增大，數(shù)字信號在時間軸上的寬度就越窄

1.2.2時延(delay)t:

?時延(delay或latency)是指一個報文或分組從一

個網(wǎng)絡(或一條鏈路)的一端傳送到另一端所需

的時間。

?總時延=傳播時延+發(fā)送時延+排隊時延

三類時延的計算方法

?傳播時延=信道長度/信道上電磁波的傳播速率（路）

?發(fā)送時延=數(shù)據(jù)塊長度/信道帶寬（口）

?排隊時延：取決于網(wǎng)絡通信量（多信源）

average

queueingdelay

?R二鏈路帶寬（b/s）

?L二分組長度（bits）

?a二平均分組到達速率

數(shù)據(jù)流量的強度=La/R

三種時延在實際中的產(chǎn)生示意

在這里產(chǎn)生發(fā)送時筵（叨棧蠟時超）

高速錯路（或高港究錯路）是攝

在這里寰秒可發(fā)送更多的出將斂

在這里產(chǎn)生性M時越

圖1」1三種時延所產(chǎn)生的地方

1.2.3時延帶寬積和往返時延

以b代為單位的鏈路長度

?時延帶寬積二（傳播時延）x（帶寬）。鏈路的時延帶寬

積又稱為以比特為單位的鏈路長度。

圖1-12鏈路像一條空心管道

傳播時延20ms,帶寬10Mbit/s,

時延帶寬積=20X10-3X10X106=2X105bit

在鏈路上有20萬個bit

1.2.3時延帶寬積和往返時延:::

＞往返時延RTT(Round-TripTime)也是一個重

要的性能指標，它表示從發(fā)送端發(fā)送數(shù)據(jù)開始,

到發(fā)送端收到來自接收端的確認，總共經(jīng)歷的

時延。

＞往返時延帶寬積的意義

1.3計算機網(wǎng)絡的協(xié)議

1.3.1網(wǎng)絡協(xié)議的概念

＞計算機系統(tǒng)互相通信是需要規(guī)則的

＞規(guī)則的制定：從SNA到OSI/RM

?規(guī)則的推廣：TCP/IP協(xié)議簇成為事實上的國

際標準

重要的規(guī)則（協(xié)議）制定者

?美國國家標準協(xié)會（ANSI）

?國際電工委員會（IEC）

?國際電信聯(lián)盟（ITU）

?電子工業(yè)協(xié)會（EIA）

?電氣和電子工程師協(xié)會（IEEE）

?國際標準化組織（ISO）

?國家標準和技術協(xié)會（NIST）

?國際商用機器公司（IBM）

什么是協(xié)議？

人際交往的協(xié)議和計算機網(wǎng)絡協(xié)議:

time

一.計算機協(xié)議的概念

為進行網(wǎng)絡中的數(shù)據(jù)交換而建立的規(guī)則、標

準或約定即稱為網(wǎng)絡協(xié)議。一個網(wǎng)絡協(xié)議主要由

以下三個要素組成：

（1）語法，即數(shù)據(jù)與控制信息的結(jié)構(gòu)或格式；

（2）語義，即需要發(fā)出何種控制信息，完成何

種動作以及做出何種響應；

（3）同步，即事件實現(xiàn)順序的詳細說明。

二.協(xié)議protocol的特點::

1.分層layering

網(wǎng)絡系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)是有層次的，通信協(xié)議也

被分為多個層次，在每個層次內(nèi)又可分成若干子

層次，協(xié)議各層次有高低之分。

二.協(xié)議的特點::

2.協(xié)調(diào)配合

每一層和相鄰層有接口，較低層通過接口向

它的上一層提供服務，但這一服務的實現(xiàn)細節(jié)對

上層是屏蔽的。

較高層又是在較低層提供的低級服務的基礎

上實現(xiàn)更高級的服務。

1.4計算機網(wǎng)絡的原理

體系結(jié)構(gòu)

1.4.1原理體系結(jié)構(gòu)（因特網(wǎng)協(xié)議棧）

＞應用層：支持網(wǎng)絡應用

ftp,smtp,httpapplication

＞傳輸層：主機進程間的數(shù)據(jù)傳遞

tcp,udptransport

＞網(wǎng)絡層:將數(shù)據(jù)報從信源傳遞到信宿

network

ip,路由選擇協(xié)議

＞鏈路層：數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡上的相鄰結(jié)點間link

的傳輸

ppp,ethernetphysical

＞物理層:信道上傳送的位流

數(shù)據(jù)傳遞過程

讓值機2

4

rf

3u

A

2u

^

1u

圖2?3數(shù)據(jù)在各層之間的傳遞過程

1.4.2實體、協(xié)議、服務和服務訪問點：：

＞實體entity：任何可發(fā)送或接收信息的硬件或軟件進

程。

＞協(xié)議protocol："水平的操作”，控制兩個對等實體

進行通信的規(guī)則集合。

＞服務service："垂直的操作”，即服務是由下層向上

層通過層間接口提供的。

＞服務訪問點SAP：在同一系統(tǒng)中相鄰兩層的實體進行

交互（即交換信息）的地方。

＞協(xié)議數(shù)據(jù)單元PDU：對等層pee門ayers之間傳送的數(shù)

據(jù)單位

圖2?4相鄰兩層之間的關系

服務原語

服務原語primitive：供上下層之間聯(lián)絡使用。

＞請求：上層實體要求下層服務進行何種操作

＞指示：下層實體告知上層實體某事件發(fā)生

＞響應：上層實體表示對某事件的響應

＞確認：下層實體回復關于它收到的請求

確認服務：“請求”“指示”“響應”“確認”

無確認服務：“請求”“指示”

分層：邏輯通信

每個層次：application

transport

＞分布的運行network

link

A“實體”在每個physical

節(jié)點上實現(xiàn)該

層的功能application

transport

＞實體實現(xiàn)動作，network

link

與對等實體交physical

換信息applicationapplication

transporttransport

networknetwork

linklink

physicalphysical

分層：邏輯通訊，如傳輸層

＞從應用層取得數(shù)

據(jù)

＞加上地址,校驗信

息形成“數(shù)據(jù)報”

physical

＞向?qū)Φ葘嶓w（peer）network

發(fā)送數(shù)據(jù)報application

transportdataphysical

＞等待對等體在接network

link

收后的應答physical

＞比喻:郵局服務transport

network

physicalphysical

分層：物理通信

__data

appncuji15

transp|ort

network.

linlj

physiarf"

eTwo

applicationlink

transportnysical

network""

link-

physical—dataH

applicationapRli卒tioh

transporttransoort

network""netviOTK

link-lirk

physical陽deal

協(xié)議分層和數(shù)據(jù)的封裝

每個層次都從上層取得數(shù)據(jù)

幀、數(shù)據(jù)報、數(shù)據(jù)

?加上首部信息形成新的數(shù)據(jù)單元段、

?將新的數(shù)據(jù)單元傳遞給下一層次

message

segment

datagram

frame

1.4.3面向連接服務與無連接服務

面向連接服務：具有連接建立、數(shù)據(jù)傳輸和連接

釋放這三個階段。如電路交換

無連接服務：不需要通信的兩個實體同時處于激

活態(tài)。如報文交換

1.數(shù)據(jù)報(datagram)：無連接服務，IP數(shù)據(jù)報。

2.證實交付(confirmeddelivery)o

3.請求回答(request-reply)。

1.5OSI與TCP/IP體系結(jié)構(gòu)的比較7

?OSI參考模型中采用了七個層次的體系結(jié)構(gòu)，

將原理體系結(jié)構(gòu)中的應用層再劃分為應用層、

表示層和會話層。

OSI網(wǎng)絡體系介紹

應用層與用戶應用進程的接口“做什么”

表示層數(shù)據(jù)格式的轉(zhuǎn)換“對方看起來象什么”

會話層會話管理與數(shù)據(jù)傳輸同步“該誰講話”“從哪兒講起

傳輸層端到端可靠的數(shù)據(jù)傳輸“對方在哪兒”

網(wǎng)絡層分組傳送，路由選擇，流量“走哪條路可以到達對方”

控制

數(shù)據(jù)鏈路層相鄰結(jié)點間無差錯地傳送幀“每一步該怎么走”

物理層在物理媒體上透明傳輸位流“怎樣利用物理媒體”

OSI與TCP/IP體系結(jié)構(gòu)對比

物理層

在一些問題的處理上，TCP/IP與

OSI不同點

1.TCP/IP一開始就考慮到多種異構(gòu)網(wǎng)的互連

問題。

2.TCP/IP一開始就對面向連接服務和無連接

服務并重。

3.TCP/IP有較好的網(wǎng)絡管理功能。

I???

主:機A主機B

/~7\

應用層路由黔應用層

-：J.A'*?a

運輸層運輸層

▲

????/?.,-?x>

網(wǎng)際層網(wǎng)標層網(wǎng)際層s

，網(wǎng)絡網(wǎng)絡網(wǎng)絡

樓口層樓口層接口層

、網(wǎng)絡1

圖2?6TCPHP四層協(xié)議的表示方法舉例

一-?.一?.?:一一.▼.***K^、L...*/▼,.丁r

按層次高低的一些協(xié)議來表示

TCP/IP協(xié)議族

圖2?7沙漏計時器形狀的TCPUP協(xié)議族

2.6客戶■服務器方式::

?在TCP/IP的進程之間的通信常用客戶-服務器

方式。

?為了解決具體的應用問題而彼此通信的進程稱

為“應用進程”。而應用層的具體內(nèi)容就是規(guī)

定應用進程在通信時所遵循的協(xié)議。

?客戶(client)和服務器(server)都是指通信中所

涉及的兩個應用進程。

圖2-8客戶進程和服務器進程使用TCP/IP協(xié)議進行通信

計般u計卷機3計良機2

■■…■■一一一

應用層應用層應用層

運輸層運輸層運輸層

網(wǎng)絡層網(wǎng)絡層網(wǎng)絡層

數(shù)幄鏈路層款據(jù)鏈路層毅喻路層

物理層物理層物理層

圖2-9一臺計篁機中的多個服務器可被多個計篁機的客戶訪問

,?.--.丁*丁???.?，：：T

作業(yè)：

教材：P25:1-2,1-8,1-9

1-2IP數(shù)據(jù)通信有什么特點？

1-8簡述協(xié)議和服務之間的區(qū)別及聯(lián)系。

1-9分析面向連接和無連接服務的特點。列舉

生活實例中哪些是面向連接服務，哪些是無連接

服務。

參考教材：P22:3、11、12、16

P33:2、5

習題1—3試從多方面比較電路交換、報文交換和分組

交換的主要有缺點。

電路交換：在發(fā)送數(shù)據(jù)前要先建立物理鏈路的連接（呼叫階段），路建立

后所有數(shù)據(jù)都經(jīng)該鏈路有序傳送，數(shù)據(jù)發(fā)送后要釋放該物理鏈路。

電路交換連接一旦建立，整個通信過程獨占整個信道，連接的建立和釋放需

要時間，適合有大量數(shù)據(jù)發(fā)送的場合。

報文交換：一次發(fā)送整個報文，報文中有目的地址等控制信息。

分組交換數(shù)據(jù)寸艮分組交換：每個分組獨立選擇路由，分段占用各段鏈路，

將要發(fā)送的但分組控制信息要浪費資源，數(shù)據(jù)不保證按序到達，各分組在結(jié)點等

數(shù)據(jù)分割成Y待排隊浪費時間，適合計算機通信。

一個個小的虛電路分組：廠交換虛電路：通信完畢后對應的通

數(shù)據(jù)段，每

信信道的邏輯鏈路釋放。

個數(shù)據(jù)段加IJ

在發(fā)送數(shù)據(jù)前要先建1

上目的地址立邏輯鏈路的連接〔、一一人

分組信息等

控制信息構(gòu)（呼叫階段），鏈路水久虛電路：對應的通信信道永久占

成分組，每建立后所有數(shù)據(jù)都經(jīng)用此邏輯通道

個分組獨立該鏈路有序傳送，數(shù)

選擇路由。據(jù)發(fā)送后要釋放該邏

輯鏈路。

電路交換報文交換分組交換

優(yōu)點1、線路專用，可1、無通信鏈路建立時間,1、報文定長，傳

靠性高。數(shù)據(jù)量少時傳輸效率高。輸時可分路徑、

2、無有交換結(jié)點，2、有路徑選擇，提高了定間隔,效率IWJ、

無轉(zhuǎn)發(fā)時的排隊延線路的可恢復性。時延小，可防控

遲。網(wǎng)絡堵塞。

缺點1、因有通信鏈路1、報文不定長，線路傳1、分組時帶控制

建立時間，數(shù)據(jù)量輸效率受影響。信息，有一定開

少時傳輸效率低。2、有交換結(jié)點，有存儲銷。

轉(zhuǎn)發(fā)，有排隊延遲，實2、轉(zhuǎn)發(fā)時有排隊

時性差。延遲。

第一章::

??

習題i—n：：

試在下列條件下比較電路交換和分組交換。要傳送的j艮文

共x(bit),從源站到目的站的共經(jīng)過k段鏈路，每段鏈路的傳播

時延為d(s),數(shù)據(jù)率為b(bit/s)。在電路交換是電路的建立時間

為s(s)。在分組交換是分組長度為p(bit),且各結(jié)點的排隊等待

時間可忽略不計。問在怎樣的條件下，分組交換的時延比電路

交換的要?。?/p>

解：

電路交換時延=電路建立時間+發(fā)送時延+傳輸時延

L=s+x/b+kd

分組發(fā)送時延=呼叫建立時間+發(fā)送時延+傳輸時延+結(jié)點排隊時延

t2=(k-1)p/b+x/b+kd+0

若L>t2貝II：s>(k-1)p/b

iI:

在習題i—n的分組交換網(wǎng)中，設報文長度和分組長歸

分別為X和(p+h)(bit),其中p為分組的數(shù)據(jù)部分的長度，

而h為每個分組所帶的控制信息固定長度，與p的大小無關。

通信的兩端共經(jīng)過k段鏈路。鏈路的數(shù)據(jù)率為b(bit/s)，但傳

播時延和、結(jié)點的排隊時間均可忽略不計。若打算使總的

時延為最小，問分組的數(shù)據(jù)部分長度p應取為多大？

解：

分組發(fā)送時延=呼叫建立時間+發(fā)送時延+傳輸時延+結(jié)點排隊時延

D=(k-1)X(h+p)/b+x/pX(h+p)/b+0+0

dD/dp=(k-1)/b—hx/bp