计算机网络.

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1、第一章 概述(6学时)重点: 网络分层, 各层的功能及其实现, 各种协议的基本原理. 一般性, 通用性. 过去的3个世纪的主导技术: 18世纪为大型机械系统, 19世纪为蒸汽机时代, 20世纪信息收集,处理和分发-电话网络, 无线电广播和电视, 计算机诞生, 卫星上天结果是-各领域快速融合, 信息处理之间的差别迅速消失. 计算机和通信的结合对计算机系统的组织方式产生了深远的影响-单台计算机组成的计算机中心一去不复返了, 取而代之的是由大量独立的自主计算机, 但相互连接起来的计算机来共同完成计算任务-这一系统被称为计算机网络(computer networks). 计算机网络是如何设计并组织起来

2、的(尤其是其设计思想协议protocal), 是本课程的主要内容.计算机网络-通过同一种技术相互连接起来的一组自主计算机的集合, 无主从关系, 相互交换信息. Internet(因特网)和万维网(world wide web)都不是计算机网络. 因特网是由多种网络构成的网络.万维网是一个分布式系统, 它运行在因特网之上.计算机网络和分布式系统是两个不同的概念: 有共同点和区别. 区别主要是软件而不是硬件.分布式系统具有高度的内聚性和透明性, 在分布式系统中, 一组独立的计算机展现给用户的是一个统一的整体. 在操作系统之上有一层软件中间件负责实现这个模型.而在计算机网络中, 用户看到是实际的机器

3、, 计算机网络并没有使这些机器看起来是统一的, 如果用户希望在一台远程机器上运行一个程序, 他必须登陆到远程计算机上才能完成.分布式系统是建立在网络之上的软件系统. 1.1 计算机网络的应用1.1.1 商业应用目的: 1. 资源共享如打印机, 信息等, 从而达到”打破地理位置的束缚”的目标. 采用的形式一般为”客户服务器模型client-server model”结构, 包含请求和应答两个进程. 图1.1 一个网络, 包含两台客户机和一台服务器图1.2 客户-服务器模型涉及到了请求和应答消息2. 满足人的需要通信媒介诸如电子邮件系统, 联合文档, 视频会议等. 3. 公司之间的电子商务. 4.

4、 公司通过Internet与客户之间的电子商务如网上书店, 订票系统, 在线查询商品, 在线购物等 1.1.2 家庭应用目的: 访问Internet1. 访问远程信息诸如: 浏览网页, 纯粹娱乐， 电子报刊， IEEE, ACM在线期刊等等. 2. 个人之间的通信诸如e-mail, 音频, 视频, 即时消息（聊天，qq）, skype, 电话呼叫, 远程学习, p2p(peer-to-peer)对等通信, 有别于客户服务器模型, 是松散的组, 任何成员可与任何其它成员进行通信, Napster（已关闭）, bt, 迅雷等， 合法性. 电子犯罪， 电子赌博图1.3 在对等系统中， 没有固定的客户

5、和服务器3. 交互式娱乐视频点播, 网络游戏等. 4. 电子商务网络购物, 电子银行, 电子跳蚤市场等.图1.4 电子商务的一些形式1.1.3 移动用户针对笔记本和PDA(个人数字助理)的无线网络, 移动办公, 和与前两者相同的目的. 820.16, 802.11等较新的协议(将在第4章详细展开).1.2.4 社会问题带来的社会问题: 沉迷网络, 隐私, 监听, 匿名消息, 身份偷窃等. 1.2 网络硬件网络分类的两种方法: 传输技术和距离尺度.按照传输技术分为: 广播式网络和点到点链接. 广播式网络共享一个信道, 分组或称为包(packet)一发全收. 以太网. 点到点(point-to-p

6、oint)网络由许多连接构成, 每个连接对应一对机器. 分组从源端经过中间机器到底目的端, 路由是关键. 按照距离分: 个人区域网, 局域网, 城域网, 广域网. 两个或多个网络连接起来之后称之为互联网, 世界范围的Internet(因特网)是一个典型的互联网.不同的距离尺度, 将决定采用不同的技术. 下面简要介绍一下网络硬件1.2.1 局域网Local Area Network LAN范围: 10m-1km. 同一房间到同一校园. 采用广播式技术, 速度快, 延迟小, 错误率低. 典型网络为IEEE 820.3 以太网(总线型), 与之对应的环型拓扑结构的802.5令牌环网. 信道分配采用静

7、态和动态两种方法, 时槽和轮询算法. 静态分配浪费信道容量, 动态分配增加分配耗费. (2, 4章具体展开)1.2.2 城域网Metropolitan Area Network MAN范围: 10km, 同一城市. 典型为有线电视网. 有线电视网上扩展城域网(第2章)和无线城域网(802.16第4章)1.2.3 广域网Wide Area Network WAN范围: 100km-1000km. 同一国家, 同一洲. 许多主机(host)通过子网(subnet)连接起来. 主机为用户所有, 而子网为电话公司或Internet服务提供商所有. 子网用来承载消息, 这样就把通信(子网承担)和应用(主

8、机完成)分开了, 有利于网络的整体设计. 子网由传输线和交换单元路由器(router 一种特殊的计算机)两部分组成. 子网采用的技术主要是存储转发(store-and-forward)或者分组交换(packet-switched)点到点技术, 还涉及到网络编址问题, 另外有的路由器配备的是卫星天线, 卫星网络本身是广播式技术. 涉及许多路由算法, 将在第5章具体展开. (Tan.)图1.9 LAN上的主机和子网之间的关系 (Tan.)图1.10 从发送方到接收方之间的分组流1.2.4 无线网络Wireless Network系统互连兰牙(Bluetooth)技术; 无线LAN802.11, 无

9、线MAN802.16. (将在第4章展开)1.2.5 家庭网络正在兴起的一个网络, 把家用电器连接起来构成一个网络, 与兰牙和无线LAN完成的功能很像.1.2.6 互联网互联网把多个LAN组织起来构成WAN. 或把多个WAN组织起来构成Internet. 如果不同的组织出资构建了一个网络的不同部分, 并且各自维护自己的那一部分, 这样就得到了一个互联网, 而不是单个网络. 而且不同的部分可能使用了不同的底层技术如广播传输或点到点传输.网关(gateway)完成网络之间的连接和实现在不同网络技术之间的转换功能, 具体内容将在第4,5章中展开.1.3 网络软件n 1.3.1协议层次 Protoco

10、l Hierarchieshaira:ki 层(layer,level): 为了降低网络设计的复杂性,网络组织成一堆相互叠加的层,每一层都建立在其下一层的基础之上. 每层的目的都是向上一层提供特定的服务,而把如何实现这些服务的细节对上一层加以屏蔽. 不同的网络, 层数,层名,层功能不尽相同. 划分层次的必要性相互通信的两个计算机系统必须高度协调工作才行，而这种“协调”是相当复杂的“分层”可将庞大而复杂的问题，转化为若干较小的局部问题，而这些较小的局部问题就比较易于研究和处理计算机网络中的数据交换必须遵守事先约定好的规则。 这些规则明确规定了所交换的数据的格式以及有关的同步问题（同步含有时序的意

11、思）。协议(protocol):(谢)为进行网络中的数据交换而建立的规则、标准或约定即网络协议(network protocol)，简称为协议; (Andrew)通信双方关于如何进行通信的一种约定对等体(peer): 不同机器上包含对应层的实体成为对等体.接口(interface): 每对相邻层之间是接口.接口定义了下层向上层提供哪些原语操作和服务.接口必须清晰.清晰的接口使得用一个实现代替另一个完全不同的实现变得很容易. 分层的好处 各层之间是独立的;灵活性好;结构上可分割开;易于实现和维护;能促进标准化工作 层数多少要适当 若层数太少，就会使每一层的协议太复杂。层数太多又会在描述和综合各层

12、功能的系统工程任务时遇到较多的困难 层,协议和接口的关系图(Tan)图1.13 层,协议和接口网络体系结构(network architecture): 层和协议的集合称为. 网络体现结构的描述必须包含足够的内容, 以便实现者可以为每一层编写程序或设计硬件,使之遵守有关的协议.实现的细节和接口的规范不属于网络体系结构的内容,它们隐藏在及其内部.协议栈(protocol stack): 一个特定的系统所使用的一组协议(每层一个协议).网络体系结构,协议,协议栈是本课程的主要内容.(Tan)图1.14 哲学家-翻译-秘书结构(Tan)图1.15 在第5层上支持虚拟通信的信息流示意图n 1.3.2各

13、层的设计问题Design Issues for the Layers 编址机制(addressing): 指定目标逻辑信道(单,双工),数据优先级 错误控制(error control): 双方必须采用统一的编码方案及确认问题, 顺序问题(错序处理), 流量控制(flow control): 淹没问题报文的 拆分和重组 集成报文以提高效率 多路复用(multiplexing)和多路解复用(demultiplexing), 降低费用 路由(routing)选择n 1.3.3面向连接与无连接的服务Connection-Oriented and Connectionless Services下层可以

14、向上层提供两种不同类型的服务: 面向连接的服务和非面向连接的服务面向连接服务: 基于电话系统模型. 建立连接(可能协商)使用连接断开连接, 顺序: 先发先达.无连接服务: 基于邮政系统模型. 每条报文有完整的目标地址, 独立路由. 不一定先发先达. 服务质量(quality of service): 接收方确认. 代价: 开销引入传输延迟.数据报服务(datagram service): 不可靠(无确认)的无连接服务称为. 辨证看待两种服务与服务质量问题:服 务例 子面向连接可靠的报文流页码页序列可靠的字节流远程登录不可靠的连接数字化语音无连接不可靠的数据报电子垃圾邮件有确认的数据报挂号信请求

15、-应答(request-reply service)数据库查询n 1.3.4服务原语Service Primitives原语含义LISTEN阻塞操作,等待一个进入的连接CONNECT与一个正在等待的对等体建立连接RECEIVE阻塞操作,等待一个进入的报文SEND给对等体发送一个报文DISCONNECT终止一个连接5个服务原语,用于实现一个简单的面向连接服务在一个面向连接的网络中,简单的客户-服务器交互过程中发送的分组n 1.3.5服务与协议的关系The Relationship of Services to Protocols服务和协议是截然不同的概念.服务是指某一层向它的上一层提供的一组原语(操作).服务只定义执行哪些操作,但不涉及如何实现这些操作. 服务会涉及到两层之间的接口. 低层为服务的提供者, 上层为服务的用户.协议是一组规则, 规定同一层上的对等实体之间所交