計算機網(wǎng)絡(luò)和因特網(wǎng)

計算機網(wǎng)絡(luò)

COMPUTERNETWORKS

王曉慶

wxqfree@l63.com

教材與參考資料

■教材

■討算機網(wǎng)絡(luò)-自頂向下方法與Internet特色（第3版

）

■參考書

■討算機網(wǎng)絡(luò)（第4版）AndrewS.Tanenbaum著

■TCP/IP詳解卷1:協(xié)議W.RichardStevens著

■用TCP/IP進行網(wǎng)際互聯(lián)第1卷：原理、協(xié)議與

結(jié)構(gòu)（第四板）DouglasE.Comer著

■課外閱讀

■臨時指定

第1章計算機網(wǎng)絡(luò)

和因特網(wǎng)

開啟因特網(wǎng)奧秘的探索之旅……

內(nèi)容領(lǐng)航

■網(wǎng)絡(luò)與我們

■網(wǎng)絡(luò)的基本概念

■因特網(wǎng)的基本組成

■討算機網(wǎng)絡(luò)需解決的基本問題

■協(xié)議分層與網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)

網(wǎng)絡(luò)與我們

■請列舉出與我們的生活密切相關(guān)的網(wǎng)絡(luò)有

哪些？

■我們平時都使用計算機網(wǎng)絡(luò)做哪些事情？

它改變了我們的生活方式嗎？

■計算機網(wǎng)絡(luò)對我們有沒有負面影響？

■我們對未來的網(wǎng)絡(luò)有什么期望？

網(wǎng)絡(luò)的基本概念

■上網(wǎng)、聊天、郵件，購物，辦公，游戲，

……，計算機網(wǎng)絡(luò)似乎無所不能，但它充

竟是如何為我們提供這一切的呢？討算機

網(wǎng)絡(luò)的根本功能究竟是什么呢？

■通信----信息交流

■信息：文本、圖像、語音、視頻.....

■支（交互）：信息你來我往的規(guī)則

■流（傳輸）：信息在通信雙方之間的傳送

網(wǎng)絡(luò)的基本概念

■網(wǎng)絡(luò)協(xié)議

■網(wǎng)絡(luò)交換技術(shù)

■網(wǎng)絡(luò)的拓撲結(jié)構(gòu)

■網(wǎng)絡(luò)帶寬和延遲

網(wǎng)絡(luò)協(xié)議

■無規(guī)矩不成方圓

■網(wǎng)絡(luò)協(xié)議規(guī)定了通信雙方具體的通信規(guī)則,

包括靖息的傳遹細節(jié)。

■協(xié)議的三要素：語法、語義、同步

■譽長：“同志們辛苦了！”

■成士們：“為人民服務(wù)！”

■請說說上面場景中的語法、語義和同步分別指

什么？

網(wǎng)絡(luò)交換技術(shù)

■從學(xué)教教說起

網(wǎng)絡(luò)交換技術(shù)

■交換----按照某種方式動宓地分配傳輸線

路的濟源，從輸入線路連通輸出線路。

■三種網(wǎng)絡(luò)交換技術(shù)

電路交換

■報文交換

■分組交換

電路交換的特點

■提供面向連接的服務(wù)（撥號拿起話筒建立

連接，語音數(shù)據(jù)通信，掛電話釋放連接）

■咨源獨占（你在打也話時，別人不能打進來

會占線）

■討論：電路交換有什么優(yōu)點和缺點？

通信質(zhì)量好

■資源利用率低

報文交換技術(shù)

郵政系統(tǒng)

報文交換的特點

■無連接服務(wù)（發(fā)信前不需要建立連接）

■存儲轉(zhuǎn)發(fā)（信件逐站傳遞J

■咨源共享（郵筒可以同時存放多人的信件,

郵筒之間的道路并不會始終破獨占。）

計算機網(wǎng)絡(luò)該用哪種交換方式?

■計算機數(shù)據(jù)傳輸?shù)奶攸c

■突發(fā)性：討算機數(shù)據(jù)是突發(fā)性地出現(xiàn)在傳輸線

路上，其余大部分時間通信線路上是,空網(wǎng)的。

復(fù)雜性：可能是一對一通信,但也可能是一對

多通信（不能獨占資源）O

■計算機網(wǎng)絡(luò)不迨合采用包路交換，否則咨

源利用率很低

■計算機網(wǎng)絡(luò)使用分組交換技術(shù)。

分組交換技術(shù)

■核心思想：分組，存儲轉(zhuǎn)發(fā)，密源共享

■分組：將所需傳輸?shù)妮^大文件分成多個小

的報文

■存儲轉(zhuǎn)發(fā)：分組交換機（路由器）收到分

組，先存儲到緩存中，然后排隊等待處理,

最后選殍輸出鏈路轉(zhuǎn)發(fā)出去。

■咨源共享：多個用戶可以共享一段鏈路

■一般的鏈路都是串行傳輸?shù)?，一個時刻只能一

個用戶占有鏈路，因此資源共享是宏觀的。

行在發(fā)送端把要發(fā)送的報文分隔為較短的數(shù)據(jù)塊

方每個塊增加帶有控制信息的首部構(gòu)成分組（包）

分組交換行依次把各分組發(fā)送到接收端

A接收端剝?nèi)ナ撞浚槌鰯?shù)據(jù)部分，還原成報文

報文

±LU

友送U而

數(shù)據(jù)首部數(shù)據(jù)首部數(shù)據(jù)首部

分組分組分組

發(fā)送

發(fā)發(fā)發(fā)

送送送

接收端

存儲轉(zhuǎn)發(fā)

H2

注意分組路徑的變化!

n

路由器

B

主機

HIE

A

C

互聯(lián)網(wǎng)

存儲轉(zhuǎn)發(fā)

主機

關(guān)于分組的討論

■為什么要加長報文分組？(99.9999%)1000000=?

■降低傳輸中出錯的概率以及出錯后重傳的代價

■體現(xiàn)公平性

■提高濟源利用率

■分組分多大比較好？

■太大今易出錯，大小則額外的首部信息所占比重過大,

有效數(shù)據(jù)傳輸速率低。

■原則：在保證低出錯的前提下盡可能大。

■分組的首部有什么作用？

■包含地址等控制信息，控制分組的傳輸

■使接收方能夠有效的將分組還原

分組選路

■分組每經(jīng)過一個路由器，必須決定下一步

向何處轉(zhuǎn)發(fā)，這個問題就是選路問題，又

叫路由選擇。

■根據(jù)分組交換網(wǎng)絡(luò)的路由選擇模式，可以

將分組交換網(wǎng)分成以下兩種：

■數(shù)據(jù)報網(wǎng)絡(luò)

■鹿電路網(wǎng)絡(luò)

數(shù)據(jù)報網(wǎng)絡(luò)

■每個分組的首部均樵帶完整的目標地址。

■路由器收到分組后，根據(jù)分組首部攜帶的

目標地址選擇當(dāng)前最優(yōu)的下一條路。

■同一個報文的不同分組各4獨立選路，應(yīng)

此可能沿不同的路檢傳輸。

■分組在傳輸過程中可能需要排隊，甚至破

去弄,分組也不一定能夠按序到達。

■因特網(wǎng)使用的就是數(shù)據(jù)報網(wǎng)絡(luò)！?

虛電路網(wǎng)絡(luò)

■傳輸數(shù)據(jù)前需要先建立一條虛擬的6路,

沿途的路由器負責(zé)維持該虛長路的狀忠。

■每個分組的首部攜帶虛6路號。

■路由器收到分組后，根據(jù)分組首部攜帶的

虛電路號來決定分組的轉(zhuǎn)發(fā)。

■建立虛曲路后，該次通信中所有后續(xù)分組

均通過同一固定路檢快速有序的傳送。

■ATM和幀中繼網(wǎng)絡(luò)使用虛6路網(wǎng)絡(luò)

虛電路網(wǎng)絡(luò)

注意：虛電路仍然是分組交換，在鏈路資源空閑時可

以給任何其它用戶使用

交換方式小結(jié)

電路交換報文交換分組交換

連接建立

數(shù)據(jù)傳送

連接釋放

ABCDABCDABCD

交換方式小結(jié)

■判斷下列說法是否正確：

■電路交換提供面向連接的服務(wù)，分組交換網(wǎng)提

供無連接的服務(wù)O

■分組交換網(wǎng)絡(luò)比電路交換網(wǎng)絡(luò)效率高。

■分組交換網(wǎng)絡(luò)劃分分組應(yīng)當(dāng)盡可能小。

■電路交換網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)質(zhì)量比分組交換網(wǎng)絡(luò)好。

■報文交換資源獨占、可靠性好。

■數(shù)據(jù)報網(wǎng)絡(luò)單個路由器能了解分組的整個傳輸

過程。

■試比較包路交換網(wǎng)絡(luò)與虛也路網(wǎng)絡(luò)

向連接的服務(wù)和無連接服務(wù)

■面向連接的服務(wù)

■三個階段：建立連接-數(shù)據(jù)通信-絳放連接

■往往提供可靠的數(shù)據(jù)傳輸

■例如：打電話，TCP體議，虛曲路網(wǎng)絡(luò)等

■無連接服務(wù)

■發(fā)送數(shù)據(jù)無需建立連接，直接通信

■不可靠，但速度快，又稱為盡最大努力服務(wù)

■例如：數(shù)據(jù)報網(wǎng)絡(luò)、老師在課堂上講課，UDP

協(xié)議，IP協(xié)議

帶寬、吞吐量、傳播速度

■帶寬：線路可通過的最高數(shù)據(jù)傳輸速率

■單住:b/s（每秒鐘可以通過的比特教）

■計算機存儲單位：lMB=210KB=220Btye=8*220bit

■網(wǎng)絡(luò)帶寬單?。簂Mb/s=103kb/s=106b/s

■為什么1M的帶寬下載速度才100多KB/s?

■吞吐量：網(wǎng)絡(luò)實際的平均數(shù)據(jù)傳輸速率

■傳播速度：信號（即曲磁波）在傳輸介質(zhì)上的

傳播速率,單核為m/s

數(shù)據(jù)傳輸速率與數(shù)據(jù)傳播速率

■汽車進入高速公路需要通過收費站，收費

站每5秒完成1輛車的收費，汽車離開收費站

進入高速公路后的行使速度為60km/h

■討論：

■分析場景中鏈路、帶寬和傳播速度分別指什么？

■鏈路是高速公路，帶寬是收費站的收費速度，

傳播速度是訖車的行駛速度。

數(shù)據(jù)傳輸速率與數(shù)據(jù)傳播速率

■有人用“汽車在公路上跑”來比琳“比特

在網(wǎng)絡(luò)上傳輸”，認為帶寬高就好比用手

在高速公路上可以跑得更快一樣。這種比

琳恰當(dāng)嗎？

■數(shù)據(jù)傳輸速率r帶寬）：計算機向網(wǎng)絡(luò)發(fā)送比

特的速率（比特/秒）

■數(shù)據(jù)傳播速率：信號（即電磁波）在傳輸媒體

上的傳播速率（米/秒，或公里/秒）

■這兩種速率的意義和單傳完全不同。

寬帶線路

窄帶線路

寬帶和窄帶線路：車速一樣

寬帶線路：車距縮短

寬帶線路（

窄帶線路（

寬帶線路和窄帶線路上比特的傳播速率是一樣的。

寬帶線路：每秒有更多比特從計算機注入到線路。

分組交換網(wǎng)絡(luò)的時延

■有時候上網(wǎng)慢的原因是什么？

■分組在傳送過程中要經(jīng)歷哪些時延?

分組交換網(wǎng)絡(luò)的時延

■傳輸時延（發(fā)送時延）：發(fā)送數(shù)據(jù)時，數(shù)據(jù)塊

從結(jié)點進入到傳輸媒體所需要的時間。

■也就是從發(fā)送數(shù)據(jù)塊的第一個比特算起，

到其最后一個比特發(fā)送完畢所需的時間。

發(fā)送時延=數(shù)據(jù)塊長度g

信道帶寬（比特/秒）

分組交換網(wǎng)絡(luò)的時延

■傳播時延：包磁波在信道中需要傳播一定

的距離而花費的時間。

■由傳播介質(zhì)，鏈路長度決定

分組交換網(wǎng)絡(luò)的時延

■處理時延：交換結(jié)點為存儲轉(zhuǎn)發(fā)而進行一

些必要的處理所花費的正間。

■由轉(zhuǎn)發(fā)表規(guī)模、交換結(jié)點性能決定

■排隊時延：分組在結(jié)點的緩存隊列中排隊

所經(jīng)歷的時延。

■挑隊時延的長短往往取決于網(wǎng)絡(luò)中當(dāng)時的通信

量。

■分組在路由器排隊等待，路由器查找轉(zhuǎn)發(fā)表花

費的時間

往返時延

■往返時延（11。皿€1-丁加丁汕11110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（接收踹收到數(shù)據(jù)后立即發(fā)送確

認）,總共經(jīng)歷的時延。

■RTT反映了分組的總的延遲

■使用Ping命令和TraceRoute（Tracert）命令測試

網(wǎng)絡(luò)延遲和網(wǎng)絡(luò)路徑

■http:///cgi-bin/netops.cgi

網(wǎng)絡(luò)分類之拓撲結(jié)構(gòu)

■星型、環(huán)型，總線型、樹型，網(wǎng)狀型，無

線蜂窩型

網(wǎng)絡(luò)分類之規(guī)模范圍

■局域網(wǎng)、城域網(wǎng)、廣域網(wǎng)，互聯(lián)網(wǎng)

因特網(wǎng)概述

■因特網(wǎng)是網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)，將全球異構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)

互聯(lián)起來形成的網(wǎng)絡(luò)。

因特網(wǎng)接入與ISP

ISP：Internet服

Intemet主干

務(wù)供應(yīng)商，為接

入Internet提供

本的服務(wù)

ISP2

OP

ADSL

□□□□

口口口用,

目

□□口

□□

家庭接入公司接入

InternetInternetInternet

因特網(wǎng)的硬件組成

■終端系統(tǒng)

■主機、服務(wù)器、PDA,.......

■運行網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序，發(fā)送和接收數(shù)據(jù)

■通信介質(zhì)

■雙線線、同軸電纜、光纖

■無線電波、衛(wèi)星

■傳輸數(shù)據(jù)

■中間設(shè)備

■路由器、交換機等

■轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)

因特網(wǎng)的軟件組成

■各種網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序

■瀏覽器，IM（如QQ）,網(wǎng)絡(luò)視頻軟件，網(wǎng)絡(luò)游戲,

電子郵件客戶端,……

■TCP/IP協(xié)議族

■HTTP,FTP,SMTP,DNS,TCP,UDP,IPv4,

ICMP,RIP,OSPF,IGMP,IPv6,....

因特網(wǎng)的標準化工作

■IETF（InternetEngineeringTaskForce因特網(wǎng)

工程部）:制定因特網(wǎng)標準的組織

■RFC（Requestforcomments請求注釋）:因特網(wǎng)

的協(xié)議看準文檔

■http:///rfb.html是rfc文檔的權(quán)威發(fā)布

頁面

■/（中國協(xié)議分析網(wǎng)）包含許

多中文rfc文檔

因特網(wǎng)接入技術(shù)

■撥號接入

■早期使用Modem和常規(guī)的語音級電話線路

■早期使用最為廣泛，最大帶寬56Kb/s

■ISDN（綜合業(yè)務(wù)數(shù)學(xué)網(wǎng)，俗稱一線通）

■128Kb/s對路由器的全數(shù)字化連接，利用電話線

路傳輸數(shù)字信號

■租用線（專線）

■價格貴，質(zhì)量好，帶寬高

因特網(wǎng)接入技術(shù)

■DSL（數(shù)學(xué)用戶線）：

■最常見的是ADSL（非對稱數(shù)室用戶線）

■下軌速度可達8Mb/s,上傳速度IMb/s

■需要Modem將數(shù)字信號轉(zhuǎn)變成模擬信號

■利用電話線的20000Hz以下的頻帶，采用頻分復(fù)

用技術(shù)，將0-3300HZ轉(zhuǎn)入電話網(wǎng)絡(luò)，剩余轉(zhuǎn)入

因特網(wǎng)

■LAN（局域網(wǎng)）接入

■無線接入

因特網(wǎng)簡史

■1964:Baran—在軍用網(wǎng)絡(luò)中實現(xiàn)分組交換

■1967:DARPA構(gòu)思了ARPAnet

■1969:首個ARPAnet結(jié)點運行

■1973:Metcalfe在博士論文中提出了Ethernet

■1983:開始使用TCP/IP

■1990's:因特網(wǎng)開始商業(yè)化，出現(xiàn)WWW

上網(wǎng)查閱：Internet的發(fā)展史

因特網(wǎng)的爆炸式增長

LeonardKleinrockPaulBaranLawrenceRobertsBobMetcalfe

VintonG.CerfRobertE.KahnTimBerners-LeeRobertCailliau

LeonardKleinrock,PaulBaran,andLarryRoberts(June4,2008)

網(wǎng)絡(luò)有線傳輸介質(zhì)

■雙線線

■同軸6纜

■光纖

雙絞線(twistedpair)

屏蔽雙絞線(STP):抗

干擾性好，但不易安

裝布線

非屏蔽雙絞線(UTP):

抗干擾性較差，但容

易安裝布線，目前使

用最廣泛

雙絞線的規(guī)格

■根據(jù)6專性能分為：3類，5類，超5類，6類,

7類

■3類用于10Mb/s以太網(wǎng),5類用于lOOMb/s以

太網(wǎng)，超5類用于千兆網(wǎng)

■6類，7類的標準已制定

■目前的布線建議采用

超5類線以上以太網(wǎng)用的插頭RJ-45

■UTP使用RJ-45水晶頭

作為連接器電話線使用的插頭RJ-11

雙絞線的線序

在10Mb/s和100Mb/s以太網(wǎng)中只使用兩對導(dǎo)線。

0晝⑤④⑥⑥@

UTP的接線標準

接線圖接線圖

通過通過

T568BT568A

111

222

3333

666

4

5

7777

8888

S

直通線和交叉線

直通線：交叉線：

兩端都使用T568B連一端使用T568B,一端

線，一般用于不同設(shè)使用T568A,一般用于

備之間。相同或相近設(shè)備之間。

交叉線

1,2引腳發(fā)數(shù)據(jù)1,2引腳發(fā)數(shù)據(jù)

UTP制作失敗的例子

接線圖接線圖接線圖

失敗失敗失敗

T568BT568BT568B

11

2二2

311.8m3

6H6

4444

55554I^^M21I5m13.0m4

5■■■■■■■■■■■■■■■■■?5

7777

8888

B^^"22.3m10i5m8

SS■SS■SS

UTP的傳輸性能

■衰減

■由距離決定，理論上不能超過100m

■串繞

■線對之間的干擾,在水晶頭上尤為突出（因為

沒有絞合）

■回波旗耗（反射）

■當(dāng)信號造到不連續(xù)的阻抗會朝相反方向反射,

產(chǎn)生干擾

■線歪曲過度今易產(chǎn)生反射干擾

UTP的傳輸性能

■下面哪個水晶頭做的好，為什么？

同軸電纜(COAXIALCABLE)

■50Q同軸長纜，多用于早期以太網(wǎng)

■75Q同軸曲纜，用于有線電視

■屏藪較好，不袞易安裝，目前在計算機網(wǎng)

絡(luò)中使用不多

光纖(fiber)

■通過光的全反射傳輸信號

■帶寬高、重量輕，抗干擾性強，衰域小,

傳輸距離長

■分成多模光纖和單模光纖

■隨著價格的不斷下降應(yīng)用日及普及

光纖的工作原理

包層折射角包層

纖芯（低折射率的媒體）

纖芯

（高折射率的媒體）

入射

包層

（豆前射率的媒體）

低折射率高折射率

（包層）（纖芯）

光線在纖芯中傳輸?shù)姆绞绞遣粩嗟厝瓷?/p>

多模光纖和單模光纖

多模光纖

輸入脈沖俞出脈沖

輸入脈沖單模光纖輸出脈沖

MM

多模光纜

單模光纜

核心直徑大，光以多路徑或多模式

核心直徑小，光以一種模式無散射傳

傳輸,低帶寬，通常使用LED光源，短

輸，高帶寬，使用激光光源，長距離傳

距離鏈路，通常在一個建筑物內(nèi)

輸（可達50公里），在1310nm和

（小于100米，在850nm或1300nm波

長范國）。1550nm波長范圍）。

數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)

■通信系統(tǒng)模型

數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)

正文

源系統(tǒng)目的系統(tǒng)

點

劇

攵

源

苜管

點

終

扁傳輸

攵

輸發(fā)送器

發(fā)

送U

輸

系統(tǒng)輸

:L力

入

言

入

倒

造

白

出

A出

H_1__

HS

數(shù)

信

信

數(shù)

據(jù)

息

息

據(jù)

數(shù)據(jù)、信息與信號

■數(shù)據(jù)：承載信息的實體，對計算機而言,

就是對文本、數(shù)字、語音、】像、視頻等

計算機處理對象的二進制表示r比特序

列）o

■信息：是對數(shù)據(jù)所表示意義的解將。

■信號：數(shù)據(jù)的電氣的或曲磁的表現(xiàn)。

■類比：講故事

■故事的情節(jié)內(nèi)家—信息

■故事的文字表達—數(shù)據(jù)

■講故事人的聲音—信號

數(shù)據(jù)通信方式

■單向通信（單工通信）：只能有一個方向

的通信而沒有反方向的交互。

■雙向支標通信（半雙工通信）：通信的雙

方都可以發(fā)送信息，但不能雙方同時發(fā)送

（當(dāng)然也就不能同時接收）。

■雙向同時通信（全雙工通信）：通信的雙

方可以同時發(fā)送和接收信息。

數(shù)據(jù)傳輸方式

■并行傳輸：一次發(fā)送多個比特（短跑需傳

輸，如討算機內(nèi)部的數(shù)據(jù)傳輸）

■串行傳輸：一次發(fā)送一個比特（長距離傳

輸，如計算機網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸）

■并/串轉(zhuǎn)換：發(fā)送方把數(shù)據(jù)發(fā)送到線路上時

■串/并轉(zhuǎn)換：接收方從線路上接收數(shù)據(jù)時

數(shù)據(jù)同步方式

■同步技術(shù)：解決通信的收發(fā)雙方在時間基

準上的一致性問題。

接收到的比特流

判決時刻

接收端時鐘調(diào)整到和發(fā)送端時鐘完全一樣

■同步通信

異步通信

同步通信

■數(shù)據(jù)塊以穩(wěn)定的比特流的形式連續(xù)傳輸。

■通信雙方必須先建立同步，即收發(fā)雙方的

時鐘要調(diào)整到同一個頻?。

■時鐘同步方法

■外同步：在發(fā)送端發(fā)送一路數(shù)據(jù)信號的同時，

另外發(fā)送一路同步時鐘信號。

■內(nèi)同步：發(fā)送發(fā)將時鐘信號編碼到數(shù)據(jù)中，接

收方則從接收的數(shù)據(jù)中提取出時鐘信號。

異步通信

■以字符為單住，字符之間的間隔任意。

■為使接收端正確接收一個字符,必須在每一個字

符的開始加上開始佳，在結(jié)尾加上停止住。

每個字符開始發(fā)送的時間可以是任意的

以字符為單位發(fā)送□口口口口口一

00110110

起始位結(jié)束位

■只需實現(xiàn)對單個字符內(nèi)比特的同步。

■通信設(shè)備簡單、便宜，但傳輸效率較低。

信號的轉(zhuǎn)換方式

模擬信號

模擬信號

數(shù)字信號

數(shù)字信號

調(diào)制技術(shù)

■什么是調(diào)制？

把數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為模擬信號的過程。

■為什么需要調(diào)制？

■數(shù)室信號的帶寬(Hz)太高，不適合在電話線上

傳輸。

■通過杷數(shù)字信號調(diào)制為帶寬(Hz)較低的模擬信

號，就能通過電話線進行有效的傳輸了。

調(diào)制技術(shù)

正交調(diào)制QAM

■QAM(QuadratureAmplitudeModulation)

■由于4bit編碼共有16種不

同的組合,因此這16個點

中的每個點可對應(yīng)于一種4