计算机网络教程课件(第二版)谢希仁第1章.ppt

计算机网络,教材：计算机网络教程（第二版）谢希仁编著人民邮电出版社,第1章概述第2章计算机网络的协议与体系结构第3章物理层第4章点对点信道的数据链路层第5章局域网第6章广域网第7章网络互连第8章运输层第9章应用层,第1章概述,第1章概述,1.1计算机网络在信息时代的作用,我们已经进入了21世纪。21世纪的一些重要特征就是数字化、网络化和信息化，它是一个以网络为核心的信息时代。知识经济中的两个重要特点就是信息化和全球化。,这里所说的网络是指电信网络(主要的业务是电话，但也有其他业务，如传真、数据等)、有线电视网络(即单向电视节目的传送网络，但现已开始逐渐向双向传输网络改造)和计算机网络（传送数据文件，方便用户获取各种资料）。这三种网络通常简称为“三网”。,“三网融合”，就是指电信网、有线电视网和计算机通信网的相互渗透、互相兼容、并逐步整合成为全世界统一的信息通信网络。“三网融合”是为了实现网络资源的共享，避免低水平的重复建设，形成适应性广、容易维护、费用低的高速带宽的多媒体基础平台。,进入20世纪90年代以来，以因特网(Internet)为代表的计算机网络的发展速度十分迅猛，已从最初的教育科研网络逐步发展成为商业网络，并已成为仅次于全球电话网的世界第二大网络。,计算机网络向用户提供的最重要的两个功能：连接和共享。所谓连接，就是计算机网络使上网用户之间都可以进行通信，就好像这些用户的计算机是彼此直接连接起来一样；所谓共享，就是计算机网络上有许多主机存储了大量有价值的电子文档，可供上网用户自由的读取。,1.2因特网概述,1.2.1网络的网络1.2.2因特网发展的三个阶段1.2.3因特网的标准化工作,1.2.1网络的网络起源于美国的因特网现已发展成为世界上最大的国际性计算机互联网。这就使得20世纪90年代成为公认的因特网时代，或简称为网络时代。,这种连接到计算机网络上的计算机通常都称为主机(host)。,图1-1因特网,(a)表示因特网的方法(b)因特网是“网络的网络”,因特网是网络的网络(networkofnetworks)。,计算机网络把许多计算机连接在一起，而因特网则把许多计算机网络连接在一起。网络互连并不是简单的物理连接，还必须有很多的软件。,1.2.2因特网发展的三个阶段,第一阶段是从单个网络ARPANET向互联网发展的过程。（1969-1985）1969年美国国防部创建的第一个分组交换网ARPANET1983年TCP/IP成为ARPANET标准协议80年代中期，ARPANET成为Internet的主干网1990年ARPANET关闭。,以小写字母i开始的internet（互联网或互连网）是一个通用名词，它泛指由多个计算机网络互连而成的网络。以大写字母I开始的的Internet（因特网）则是一个专用名词，它指当前全球最大的、开放的、由众多网络相互连接而成的特定计算机网络，它采用TCP/IP族作为通信的规则，且其前身是美国的ARPANET。,第二阶段的特点是建成了三级结构的因特网。分为主干网、地区网和校园网（或企业网）。美国国家科学基金会NSF认识到计算机网络对科学研究的重要性，因此从1985年起，美国国家科学基金会就围绕其六个大型计算机中心建设计算机网络。1986年，NSF建立了国家科学基金网NSFNET。NSFNET后来接管了ARPANET，并将网络改名为Internet，即因特网。,第三阶段的特点是逐渐形成了多级ISP结构的因特网。因特网服务提供者ISP(InternetServiceProvider)。又常称为因特网服务提供商。ISP拥有从因特网管理机构申请到的多个IP地址，同时拥有通信线路以及路由器等连网设备。,图1-2用户通过ISP接入因特网,根据提供服务的覆盖面积大小以及所拥有的IP地址数目的不同，ISP也分成为不同的等级。,图1-3基于ISP的多级结构的因特网的概念示意图,网络接入点NAP(NetworkAccessPoint)，又称为对等点(peeringpoint)，表示接入到NAP的设备不存在从属关系而都是平等的。它主要向各ISP提供交换设备，使它们能够相互通信。相隔较远的两个主机通过因特网进行通信时，实际上也就是它们通过许多ISP进行通信。,因特网的迅猛发展始于20世纪90年代，由欧洲原子核研究组织(CERN)开发的万维网WWW(WorldWideWeb)被广泛使用在因特网上，大大方便了广大非网络专业人员对网络的使用，成为因特网的这种指数级增长的主要驱动力。,表1-1因特网的发展情况概况,由于因特网存在着技术上和功能上的不足，加上用户数量猛增，使得现有的因特网不堪重负。“下一代因特网计划”，即“NGI计划”(NextGenerationInternetInitiative)。,NGI计划要实现的一个目标是开发下一代网络结构，以比现有的因特网高100倍的速率连接至少100个研究机构，以比现有的因特网高1000倍的速率连接10个类似的网点。另一个目标是使用更加先进的网络服务技术和开发许多带有革命性的应用，如远程医疗、远程教育、有关能源和地球系统的研究、高性能全球通信等。,NGI计划将使用超高速全光网络，能实现更快速的交换和路由选择，同时具有为一些实时(realtime)应用保留带宽的能力。在整个因特网的管理和保证信息的可靠性与安全性方面也会有很大的改进。,1.2.3关于因特网的标准化工作1992年，因特网不再归美国政府管辖，因此成立了一个国际性组织叫做因特网协会ISOC(InternetSociety)，以便对因特网进行全面管理以及在世界范围内促进其发展和使用。,ISOC下面有一个技术组织叫做因特网体系结构研究委员会IAB(InternetArchitectureBoard)，负责管理因特网有关协议的开发。IAB下面又设有两个工程部。,因特网工程部IETF(InternetEngineeringTaskForce)：主要针对协议的开发和标准化。因特网研究部IRTF(InternetResearchTaskForce)：进行理论方面的研究和开发一些需要长期考虑的问题。,所有因特网标准都是以RFC的形式在因特网上发表。RFC(RequestForComments)请求评论。并不是所有RFC文档都是因特网标准，只有一小部分RFC文档最后才能变成因特网标准。RFC按收到时间的先后从小到大编号。RFC文档更新后将使用新的编号。,（1）因特网草案(InternetDraft)。（2）建议标准(ProposedStandard)。（3）草案标准(DraftStandard)。（4）因特网标准(InternetStandard)。,从一个普通文档上升到因特网的正式标准要经过四个阶段：,另外还有三种RFC，即历史的、实验的和提供信息的。,1.3因特网的组成,因特网虽然在地理上覆盖了全球，但从其工作方式上看，可以把整个因特网的组成划分为两大块，即由所有连接在因特网上的主机组成的因特网的边缘部分和由大量网络和连接这些网络的路由器组成的因特网核心部分。,图1-4因特网的边缘部分与核心部分,1.3.1因特网的边缘部分处在因特网边缘的部分就是连接在因特网上的所有的主机。这些主机又称为端系统(endsystem)，“端”就是“末端”的意思。端系统使用网络核心部分所提供的服务。因特网的端系统就是前面提到的主机。边缘部分的功能就是利用核心部分所提供的服务，使这样多的主机之间能够互相通信并交换或共享信息。,主机A和主机B进行通信，主机A的某个进程和主机B上的另一个进程进行通信。这种比较准确的说法通常可以简称为“计算机之间通信”。,在网络边缘的端系统中运行的程序之间的通信方式可划分为两大类：客户服务器方式和对等方式。,1客户服务器方式这种方式在因特网上是最常用的，也是传统的方式。,客户(client)和服务器(server)都是指通信中所涉及的两个应用进程。客户是服务请求方，服务器是服务提供方。,服务请求方和服务提供方都要使用网络核心部分所提供的服务。,图1-5客户服务器工作方式,客户程序：（1）被用户调用后运行，在打算通信时主动向远地服务器发起通信（请求服务）。（2）可与多个服务器进行通信。（3）不需要特殊的硬件和很复杂的操作系统。,服务器程序：（1）是一种专门用来提供某种服务的程序，可同时处理多个远地或本地客户的请求。,（2）当系统启动时即自动调用并一直不断地运行着，被动地等待并接受来自多个客户的通信请求。（3）一般需要强大的硬件和高级的操作系统支持。,客户和服务器本来都指的是计算机进程（软件）。常把运行客户程序的机器称为client，把运行服务器程序的机器称为server。我们使用“客户端”或“服务器端”来表示运行客户程序或服务器程序的机器。,2对等连接方式对等连接（peer-to-peer，简写为P2P）是指两个主机在通信时并不区分哪一个是服务请求方还是服务提供方。只要两个主机都运行了对等连接软件，它们就可以进行平等的、对等连接通信。双方都可以下载对方已经存储在硬盘中的共享文档，因此，这种工作方式也称为P2P文件共享。实际上，这种方式仍然使用客户服务器方式，只是对等连接中的每一个主机既是客户也同时是服务器。,图1-6对等连接工作方式,1.3.2因特网的核心部分网络核心部分是因特网中最复杂的部分。网络核心部分向网络边缘中的主机提供服务，使边缘部分中的任何一个主机都能够向其他主机通信（即传送或接收各种形式的数据）。,在网络核心部分，网络和网络的连接要依靠路由器(router)，路由器的具体任务是转发收到的分组，但从通信的角度看，路由器是实现分组交换(packetswitching)，这是网络核心部分最重要的功能。,1电路交换的主要特点,一百多年来，电话交换机虽然经过多次更新换代，但交换的方式一直都是电路交换（circuitswitching）。,图1-7电话机的不同连接方法,(a)两部电话直接相连(b)5部电话两两直接相连(c)用交换机连接许多部电话,电路交换必须经过三个阶段：建立连接（占用通信资源）通话（一直占用通信资源）释放连接（归还通信资源）。,从通信资源的分配角度来看，“交换(switching)”就是按照某种方式动态地分配传输线路的资源。,而在通话的全部时间内，通话的两个用户始终占用端到端的通信资源。,图1-8电路交换的用户始终占用端到端的通信资源,电路交换方式的优点：通信可靠性强，通信实时性强，适用于交互式会话类通信及大量数据通信的情况；电路交换方式的缺点：对突发性通信不适应，线路传输效率低；信道利用率较低；系统没有存储数据的能力，不能平滑交通量。,2分组交换的主要特点分组交换则采用存储转发技术。将欲发送的整块数据称为一个报文(message)。,在发送数据之前，先将较长的报文划分为一个个更小的等长数据段。在每一个数据段前面，加上一些必要的控制信息组成的首部(header)后，就构成了一个分组(packet)。分组又称为“包”，而分组的首部也可称为“包头”。分组是在因特网中传送的数据单元，在因特网中可以独立地选择路由。,图1-9划分分组的概念,(a)核心部分的路由器把网络互连起来(b)核心部分中的网络可用一条链路表示,图1-10分组交换的示意图,图1-10(a)强调因特网的核心部分是由许多网络和把它们互连起来的路由器组成，而主机处在因特网的边缘部分。核心部分中的路由器之间一般使用高速链路相连接，而网络边缘部分的主机接入核心部分则通常以相对较低的链路相连接。,主机和路由器的作用不同。主机的用途是为用户进行信息处理的，并且可以和其他主机通过网络交换信息。路由器的用途则是用来转发分组的，即进行分组交换的。,路由器处理分组的过程：将收到的分组先暂存起来，检查其首部，再查找转发表(转发表中写有到何目的地址应从何端口转发的信息)，按照首部的目的地址，找到合适的端口，然后从缓存中将该分组取出，沿此端口转发出去，交给下一个路由器。,讨论因特网的核心部分中的路由器转发分组的过程时，往往把单个的网络简化成一条链路，而路由器成为核心部分的结点(node)，如图1-10(b)所示。,短分组是暂存在路由器的内存中而不是磁盘中，可保证较高的交换速率。分组在传输时一段段的断续占用通信资源，而其还省去了建立连接和释放连接的开销，因而数据的传输效率更高。当网络中的某些结点或链路突然出故障时，在各路由器中运行的路由选择协议(protocol)能够自动找到其他路径转发分组。采用存储转发的分组交换，实质上是采用了在数据通信过程中断续（或动态）分配传输带宽的策略。这对传输突发式的计算机数据非常合适，使得通信线路的利用率大大提高了。,表1-2分组交换的优点,分组交换缺点。分组在各结点存储转发时需要排队，这就会造成一定的时延。当网络通信量过大时，这种时延可能会很大。此外，各分组必须携带的控制信息也造成了一定的开销(overhead)。而在20世纪40年代，电报通信也采用了基于存储转发原理的报文交换(messageswitching)。,电路交换整个报文的比特流连续地从源点直达终点，好像在一个管道中传送。,报文交换整个报文先传送到相邻结点，全部存储下来后查找转发表，转发到下一个结点。,分组交换单个分组（这只是整个报文的一部分）传送到相邻结点，存储下来后查找转发表，转发到下一个结点。,(a)电路交换(b)报文交换(c)分组交换（P1P4表示4个分组）,图1-11三种交换方式的比较,若要连续传递大量数据，且传送时间远大于连接建立时间，则电路交换传输效率较快；报文交换和分组交换不需要预先分配传输带宽，在传输突发数据时可提高整个网络的信道利用率；分组交换比报文交换的时延小，但其节点交换机必须具有更强的处理能力。,1.4计算机网络在我国的发展,下面简单介绍一下计算机网络在我国的发展情况。最早着手建设专用计算机广域网的是铁道部。铁道部在1980年即开始进行计算机联网实验。,1989年11月我国第一个公用分组交换网CNPAC建成运行。CNPAC分组交换网由3个分组结点交换机、8个集中器和一个双机组成的网络管理中心所组成。1993年9月建成新的中国公用分组交换网，并改称为CHINAPAC，由国家主干网和各省、区、市的省内网组成。在北京、上海设有国际出入口。,在20世纪80年代后期，公安、银行、军队以及其他一些部门也相继建立了各自的专用计算机广域网。这对迅速传递重要的数据信息起着重要的作用。,除了上述的广域网外，从20世纪80年代起，国内的许多单位都陆续安装了大量的局域网。局域网的价格便宜，其所有权和使用权都属于本单位，因此，便于开发、管理和维护。局域网的发展很快，对各行各业的管理现代化和办公自动化已起了积极的作用。,这里应当特别提到的是1994年4月20日我国用64kbit/s专线正式连入因特网。从此，我国被国际上正式承认为接入因特网的国家。同年5月中国科学院高能物理研究所设立了我国的第一个万维网服务器。,在9月中国公用计算机互联网(CHINANET)正式启动。到目前为止，我国陆续建造了基于因特网技术的并可以和因特网互连的9个全国范围的公用计算机网络。这就是：,（1）中国公用计算机互联网CHINANET（2）中国教育和科研计算机网CERNET（3）中国科学技术网CSTNET（4）中国联通互联网UNINET（5）中国网通公用互联网CNCNET,（6）中国国际经济贸易互联网CIETNET（7）中国移动互联网CMNET（8）中国长城互联网CGWNET（建设中）（9）中国卫星集团互联网CSNET（建设中）,此外，还有一个中国高速互连研究试验网NSFnet，是中国科学院、北京大学、清华大学等单位在北京中关村地区建造的为研究因特网新技术的高速网络。,上述这些基于因特网技术的计算机网络发展得非常快，几乎每个月都有新的发展，请读者经常在有关网站上查找这些计算机网络的有关数据（如用户数、网站数、主干网带宽等）。,表1-3是中国互联网络信息中心公布的我国最近几年来因特网的发展情况。,表1-3我国因特网的发展情况,续表,1.5计算机网络的分类,1.5.1计算机网络的不同定义1.5.2计算机网络的几种不同分类,1.5.1计算机网络的不同定义,计算机网络的精确定义并未统一。关于计算机网络的最简单的定义是TANE96：一些互相连接的、自治的计算机的集合。,网络建立的主要目的是实现计算机资源的共享；互连的计算机是分布在不同地理位置的多台独立的“自治计算机系统”；连网计算机在通信过程中必须遵循相同的网络协议。,最简单的计算机网络就只有两台计算机和连接它们的一条链路。最复杂的计算机网络就是因特网。它由非常多的计算机网络通过许多路由器互连而成。因此因特网也称为“网络的网络”(networkofnetworks)。计算机网络与分布式计算机系统虽然有相同之处，但二者并不等同。分布式系统的最主要特点是整个系统中的各计算机对用户都是透明的。,1从网络的交换功能进行分类电路交换报文交换分组交换混合交换,1.3.2计算机网络的几种不同分类方法,2从网络的作用范围进行分类广域网WAN(WideAreaNetwork)局域网LAN(LocalAreaNetwork)城域网MAN(MetropolitanAreaNetwork)接入网AN(AccessNetwork),城域网,城域网,接入网,接入网,接入网,接入网,接入网,接入网,广域网,局域网,局域网,校园网,企业网,图1-12广域网、城域网、接入网以及局域网的关系,3从网络的使用者进行分类公用网(publicnetwork)专用网(privatenetwork),1.6.1带宽1.6.2时延1.6.3时延带宽积和往返时延,1.6计算机网络的主要性能指标,“带宽”本来的意思是指某个信号具有的频带宽度。带宽的单位是赫兹(Hz)、千赫(kHz)、兆赫(MHz)等。表示通信线路允许通过的频带范围就称为线路的带宽。数字信道最重要的指标是数据传输速率（比特率），比特(bit)是计算机中数据的最小单元，它也是信息量的度量单位。数据传输速率的单位是比特每秒(bit/s)，bps(bitpersecond)。常用：Kbit/s、Mbit/s(106bit/s)、Gbit/s(109bit/s)、Tbit/s(1012bit/s)。对比：存储空间，1KB(210=1024)、1MB（220=1048576）,1.6.1带宽,习惯上，人们将“带宽”作为数字信道所能传送的“最高数据传输速率”的同义词。数字信道通常使用它所能传送最高的数据传输速率作为数据的发送速率，因此，在数字信道上数据的传输速率等于数字信道的带宽。带宽有时也称为吞吐量。在实际应用中，吞吐量常用每秒发送的比特数（或字节数、帧数）来表示。,如果我们在网络中某一个点上观察数字信号流随时间的变化，那么信号在时间轴上的宽度就随着带宽的增大而变窄。图1-10是这一概念的示意图。,时延(delay或latency)是指一个报文或分组从一个网络(或一条链路)的一端传送到另一端所需的时间。时延的组成：发送时延、传播时延、处理时延总时延=发送时延+传播时延+处理时延,1.6.2时延,发送时延,发送时延是结点在发送数据时使数据块从结点进入到传输媒体所需要的时间，又称为传输时延。发送时延的计算公式是：举例：100MB的数据，在带宽为1Mbit/s的信道上的发送时延是（100*220*8）/106=838.9s(约14分钟)单位：bit/（bit/s）=s,传播时延,传播时延是电磁波在信道中需要传播一定的距离而花费的时间。传播时延的计算公式：电磁波在铜线中的传播速率为2.3105km/s；在光纤中为2.0105km/s；在自由空间的传播速率是光速，即3.0105km/s。举例：1000km长的光纤线路产生的传播时延是：1000/2.0*105=0.005s。单位：km/（km/s）=s,处理时延,处理时延是指数据在交换结点为存储转发而进行一些必要的处理所花费的时间。在结点缓存队列中分组排队所经历的时延是处理时延的重要组成部分。有时可用排队时延作为处理时延。处理时延的长短往往取决于网络中的通信量。,三种时延所产生的地方,1011001,发送器,队列,结点B,结点A,数据,从结点A向结点B发送数据,链路,在总时延中，究竟是哪一种时延占主导地位，必须具体分析。不能笼统地认为：“数据的发送速率越高，传送得就越快”。错误概念：“在高速（高带宽）链路上，比特应跑得更快些”。因为，对于高速网络链路，提高的仅仅是数据的发送速率而不是比特在链路上的传播速率，比特的传播时延与带宽无关。提高链路带宽只是减小了数据的发送时延。通常所说“光纤信道的传输速率高”是指向光纤信道发送数据的速率可以很高，而光纤信道的传播速率实际上还要比铜线的传播速率略低一点。传送大量数据时（100MB），关键的是提高信道的带宽。,几点认识,传播时延带宽积，即(传播时延)(带宽)。图1-15的示意图表示时延带宽积。时延带宽积表示管道的体积，即这样的链路可容纳多少个比特。如：某段链路的传播时延为20ms，带宽为10Mbit/s，则时延带宽积=2010-310106=2105bit。表示连续发送时，发送端发送的第一个比特即将达到终点时，管道中正在传输的比特数。链路的时延带宽积又称为以比特为单位的链路长度。,1.6.3时延带宽积和往返时延,往返时延RTT(Round-TripTime)也是一个重要的性能指标，它表示从发送端发送数据开始，到发送端收到来自接收端的确认，总共经历的时延。往返时延带宽积的意义就是当发送端连续发送数据时，在收到对方确认之前已经发送到链路上的比特数。,习题,2，3，8，10，11(纠错b换为C)，12，13，14，16,