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1、计算机网络基础计算机网络基础&韩毅刚韩毅刚 &&南开大学通信工程系南开大学通信工程系计算机网络技术-韩毅刚12教材教材韩毅刚，计算机网络技术韩毅刚，计算机网络技术M. 北京北京: 机械工业出机械工业出版社，版社， 2010.订书订书书号是31053 计算机网络技术-韩毅刚3主要参考书主要参考书韩毅刚，计算机网络技术实践教程韩毅刚，计算机网络技术实践教程M. 北京北京: 机机械工业出版社，械工业出版社， 2011.William Stallings. Data and Computer Communications（Seventh Edition），），Prentice-Hall Inc.，20
2、04.http:/ 计算机网络基础知识计算机网络基础知识&Computer Networks Overview计算机网络技术-韩毅刚5第第1章章 计算机网络基础知识计算机网络基础知识1.1 计算机网络的发展历程计算机网络的发展历程1.2 计算机网络基本概念计算机网络基本概念1.3 计算机网络的组成计算机网络的组成1.4 计算机网络体系结构计算机网络体系结构计算机网络技术-韩毅刚6计算机网络技术-韩毅刚71.1计算机网络发展历程计算机网络发展历程&1.1.1 计算机网络的发展阶段计算机网络的发展阶段&1.1.2 计算机网络技术的演进计算机网络技术的演进1.1.11.1.1计算机网络的发展阶段计算
3、机网络的发展阶段诞生阶段诞生阶段20世纪60年代中期形成阶段形成阶段1970s1980s互联互通阶段互联互通阶段1980s现在高速网络技术阶段高速网络技术阶段现在计算机网络技术-韩毅刚89计算机网络的第一阶段计算机网络的第一阶段 诞生阶段诞生阶段20世纪60年代中期之前 分时系统一台计算机,多个终端“哑终端”，BBS仿真终端软件计算机通信网络 计算机网络技术-韩毅刚10计算机网络的第二阶段计算机网络的第二阶段 形成阶段形成阶段多个主机通过通信线路互联 Mainframe hostARPANET1969年12月，第一个计算机网络Internet前身 计算机网络技术-韩毅刚11计算机网络的第三阶段
4、计算机网络的第三阶段互联互通阶段互联互通阶段20世纪70年代末至90年代 统一的网络体系结构ISO的OSI（开放系统互连）体系结构TCP/IP体系结构 IBM公司的SNA（系统网络体系结构）苹果公司的AppletalkNovell公司的Netware计算机网络技术-韩毅刚12计算机网络的第四阶段计算机网络的第四阶段高速网络技术阶段高速网络技术阶段21世纪特征是网络的高速和融合电信网、有线电视网和计算机网 总结总结100:1；10:1；1:1；1:10；1:100计算机网络技术-韩毅刚1.1.21.1.2计算机网络技术的演进计算机网络技术的演进计算机网络技术-韩毅刚13低速低速高速高速专用网专用
5、网公用网公用网虚拟专用网虚拟专用网电路交换电路交换报文交换报文交换分组交换分组交换数据通信数据通信多媒体通信多媒体通信微机到主机微机到主机对等通信对等通信客户客户/ /服务器服务器浏浏览器览器/ /服务器服务器P2PC/SB/S1.2计算机网络基本概念计算机网络基本概念&1.2.1 计算机网络的定义计算机网络的定义&1.2.2 计算机网络的分类计算机网络的分类&1.2.3 计算机网络的拓扑结构计算机网络的拓扑结构计算机网络技术-韩毅刚141.2.1 1.2.1 计算机网络的定义计算机网络的定义计算机网络技术-韩毅刚15定义定义把地理上分散的独立计算机通过通信设备和线路连接起来，以功能完善的网络
6、软件实现资源共享和数据通信的系统网络是工作在一起用于支持信息传输的各网络是工作在一起用于支持信息传输的各台设备单元构成的集合台设备单元构成的集合计算机网络是一组自治计算机系统的集合计算机网络是一组自治计算机系统的集合网络网络广义地讲，网络包括从发送器到接收器之间的所广义地讲，网络包括从发送器到接收器之间的所有设备有设备所有链路和所有相关的交换机以及其它中间设备广域网常被描述成云状广域网常被描述成云状这起源于20世纪70年代推广数据通信网的活动意指网络内部结构和特性像云一样千变万化，其中的工作情况像云一样模模糊糊难以看见云表达了一种网络的透明性概念：数据简单地从网络一端进去，又从网络的另一端出来
7、。计算模式主机计算，网格计算，云计算，普适计算计算机网络技术-韩毅刚16计算机网络的特点计算机网络的特点自治：每台计算机都有自主权自治：每台计算机都有自主权互连：通过通信媒介进行连接互连：通过通信媒介进行连接协议：规则的集合协议：规则的集合共享：资源共享：资源计算机网络技术-韩毅刚1718计算机网络的功能计算机网络的功能计算机网络主要功能计算机网络主要功能数据交换资源共享分布处理信息服务以数据通信为手段，以资源共享为目的以数据通信为手段，以资源共享为目的计算机网络技术-韩毅刚1.2.2 计算机网络的分类计算机网络的分类计算机网络技术-韩毅刚19按距离按距离LAN、MAN、WAN按组件关系（配置
8、关系）按组件关系（配置关系）对等网、基于服务器网按传输技术按传输技术交换网络广播网络按拓扑结构按拓扑结构总线型、星型、环型、网状型20局域网局域网LAN更小的范围更小的范围在一建筑物或校园内通常被同一组织所拥有通常被同一组织所拥有数据传输速率更快数据传输速率更快以前是广播系统以前是广播系统现在通常是交换系统现在通常是交换系统无线局域网仍是广播系统计算机网络技术-韩毅刚21局域网例子局域网例子以太网以太网CSMA/CDWLAN802.11Wi-Fi令牌环网令牌环网TokenATM LAN计算机网络技术-韩毅刚22LAN配置配置交换交换交换局域网单个或多个交换机ATM局域网光纤通道无线无线可移动性
9、易于安装计算机网络技术-韩毅刚23局域网设备局域网设备LAN设备：线缆、网卡、设备：线缆、网卡、HUB、Switch、RouterHUB交换机交换机路由器路由器网卡网卡网卡网卡计算机网络技术-韩毅刚24城域网城域网MAN（ Metropolitan Area Networks）介于介于LAN与与WAN之间之间城市范围私有或公有网络私有或公有网络高速率高速率大范围大范围计算机网络技术-韩毅刚25城域网技术举例城域网技术举例传统传统FDDIDQDB目前目前以太网MSTPRPR计算机网络技术-韩毅刚26广域网广域网覆盖范围大覆盖范围大穿越公共设施穿越公共设施部分依赖公用电信公司线路部分依赖公用电信公
10、司线路两种技术两种技术电路交换分组交换计算机网络技术-韩毅刚27广域网例子广域网例子帧中继帧中继ATMISDN和和B-ISDN计算机网络技术-韩毅刚28帧中继帧中继分组交换系统要付出巨大代价来补偿差错分组交换系统要付出巨大代价来补偿差错现代系统更加可靠现代系统更加可靠差错可以在终端系统被捕获差错可以在终端系统被捕获抛弃了大多数的差错控制开销抛弃了大多数的差错控制开销计算机网络技术-韩毅刚29异步传输模式异步传输模式ATM帧中继发展的结果帧中继发展的结果差错控制消耗小差错控制消耗小固定分组固定分组 (称做信元称做信元)尺寸尺寸报文、分组（包）、帧、信元传输速率从传输速率从 10Mbps 到到 G
11、bps能够使用分组交换技术提供速率固定的通路能够使用分组交换技术提供速率固定的通路计算机网络技术-韩毅刚30WAN设备设备连接物理距离遥远的设备连接物理距离遥远的设备计算机网络技术-韩毅刚31交换网络和广播网络交换网络和广播网络交换式网络（点到点网络）交换式网络（点到点网络）电路交换存储-转发（分组交换）帧中继信元中继广播式网络广播式网络有线信道（总线型、环型）无线信道（微波、卫星）32电路交换电路交换会话期间建立专用通信路径会话期间建立专用通信路径e.g. 电话网计算机网络技术-韩毅刚33分组交换分组交换数据被无序地发送出去数据被无序地发送出去一次只发送少量数据一次只发送少量数据注：比较报文
12、交换分组从一个节点传递到下一个节点，直到终点分组从一个节点传递到下一个节点，直到终点用于终端到计算机和计算机到计算机通信用于终端到计算机和计算机到计算机通信计算机网络技术-韩毅刚34交换技术比较交换技术比较电路交换：基于电话网电路交换电路交换：基于电话网电路交换优点：时延小、透明传输缺点：网络资源利用率低分组交换：以分组为单位存储转发分组交换：以分组为单位存储转发优点：多路复用缺点：实时性差计算机网络技术-韩毅刚35交换技术的发展交换技术的发展电路交换虽然研制的初衷是支持语音通信的，但电路交换虽然研制的初衷是支持语音通信的，但它可以支持数据等任何形式信息的传输。它可以支持数据等任何形式信息的传
13、输。分组交换、帧交换和信元交换主要支持数据和图分组交换、帧交换和信元交换主要支持数据和图像传输。像传输。计算机网络技术-韩毅刚36对等网和基于服务器网络对等网和基于服务器网络P2P的演变的演变对等网基于服务器网络计算机网络技术-韩毅刚1.2.31.2.3计算机网络的拓扑结构计算机网络的拓扑结构计算机网络技术-韩毅刚37星型拓扑结构星型拓扑结构总线型拓扑结构总线型拓扑结构环型拓扑结构环型拓扑结构树型拓扑结构树型拓扑结构网状拓扑结构网状拓扑结构混合型拓扑结构混合型拓扑结构38计算机网络拓扑结构计算机网络拓扑结构总线型总线型星星 型型环环 型型网网 状状计算机网络技术-韩毅刚39总线型拓扑总线型拓扑
14、TerminatorSegmentSegmentTerminator计算机网络技术-韩毅刚40总线型拓扑特点总线型拓扑特点优点：优点：结构简单、布线容易适合小规模网络缺点：缺点：共享媒介所有的数据都需经过总线传送，总线为通信瓶颈长度受限故障诊断困难传输媒介或中间任一接口点出现故障，整个网络就会瘫痪实例实例由同轴电缆组建的以太网（Ethernet） 计算机网络技术-韩毅刚41星型拓扑结构星型拓扑结构Hub计算机网络技术-韩毅刚42星型拓扑特点星型拓扑特点优点：优点：网络结构简单、容易实现、便于维护缺点：缺点：中央节点负荷太重安装不方便 实例实例由HUB或交换机组建的以太网计算机网络技术-韩毅刚4
15、3环型拓扑环型拓扑计算机网络技术-韩毅刚44环型拓扑特点环型拓扑特点优点：优点：电缆长度短、传输实时性强环型拓扑适合使用光纤，传输距离远。 缺点：缺点：故障诊断难访问控制复杂 实例实例FDDI100Mbps，范围可达100公里 计算机网络技术-韩毅刚45网状拓扑网状拓扑计算机网络技术-韩毅刚46网状拓扑特点网状拓扑特点优点：优点：系统可靠性高扩展容易缺点：缺点：结构复杂、控制复杂、网络协议复杂建设成本高 实例实例广域网计算机网络技术-韩毅刚47混合型拓扑混合型拓扑计算机网络技术-韩毅刚48混合型拓扑特点混合型拓扑特点优点优点取长补短故障诊断和隔离方便易于扩展安装方便缺点缺点需用智能的互连设备如
16、网桥、路由器实例实例广域网计算机网络技术-韩毅刚物理拓扑和逻辑拓扑物理拓扑和逻辑拓扑物理拓扑物理拓扑物理上的连通性网络的实际几何形状逻辑拓扑逻辑拓扑数据的流通性控制机制的运作方式计算机网络技术-韩毅刚49计算机网络技术-韩毅刚501.3计算机网络的组成计算机网络的组成&1.3.1资源子网资源子网&1.3.2通信子网通信子网51计算机网络的组成计算机网络的组成通信子网通信子网负责数据通信处理的通信控制处理机与通信线路资源子网资源子网以网络连接的计算机提供的硬软件资源为资源子网计算机网络技术-韩毅刚通信子网的组成通信子网的组成由网卡、线缆、集线器、中继器、网桥、路由器、由网卡、线缆、集线器、中继器
17、、网桥、路由器、交换机等设备和相关软件组成交换机等设备和相关软件组成计算机网络技术-韩毅刚52资源子网的组成资源子网的组成服务器、工作站、共享的打印机和其它设备及相服务器、工作站、共享的打印机和其它设备及相关软件所组成。关软件所组成。计算机网络技术-韩毅刚53UNI用户用户-网络接口网络接口计算机网络技术-韩毅刚541.4计算机网络体系结构计算机网络体系结构&1.4.1网络层次参考模型网络层次参考模型&1.4.2 OSI参考模型的各层功能参考模型的各层功能&1.4.3 TCP/IP协议模型协议模型&1.4.4 通信协议标准化组织通信协议标准化组织计算机网络技术-韩毅刚551.4.11.4.1网
18、络层次参考模型网络层次参考模型计算机网络技术-韩毅刚56协议协议协议协议3 3要素要素协议协议协议是管理两实体之间数据交换的一组规则协议是管理两实体之间数据交换的一组规则系统实体计算机网络技术-韩毅刚57协议三要素协议三要素语法：用户数据与控制信息的结构与格式。包括语法：用户数据与控制信息的结构与格式。包括数据格式、数据格式、 编码和信号电平等编码和信号电平等;即，做什么（what to do）。语义：需要发出何种控制信息，以及完成的动作语义：需要发出何种控制信息，以及完成的动作与做出的响应。包括用于协调同步和差错处理的与做出的响应。包括用于协调同步和差错处理的控制信息控制信息;即，怎么做（h
19、ow to do）。定时：对事件实现顺序的详细说明。包括速度匹定时：对事件实现顺序的详细说明。包括速度匹配和排序等。配和排序等。即，何时做（when to do）。计算机网络技术-韩毅刚5859OSI参考模型参考模型60协议数据单元协议数据单元PDU同层协议之间通信同层协议之间通信每一层都要往用户数据上加控制信息每一层都要往用户数据上加控制信息协议数据单元协议数据单元 = 数据数据 + 控制信息控制信息61完整的完整的OSI数据传递与流动过程数据传递与流动过程1.4.21.4.2 OSIOSI参考模型各层功能参考模型各层功能计算机网络技术-韩毅刚621 1物理层物理层(Physical Lay
20、er)(Physical Layer)2 2数据链路层数据链路层(Data Link)(Data Link)3 3网络层网络层(Network)(Network)4 4传输层传输层(Transport)(Transport)5 5会话层会话层(Session)(Session)6 6表示层表示层(Presentation)(Presentation)7 7应用层应用层(Application)(Application)631. 物理层物理层设备间的物理接口设备间的物理接口机械特性设备之间连接件的尺寸和接头数电气特性它涉及到用什么电压代表“1”,用什么电压代表“0”一个比特持续多少时间功能特性传
21、输是双向的，还是单向的，以及每根连线的用途等。过程特性一次通信中发送方和接收方如何应答，用以建立用以建立,维持和释放数据链路实体间的连接。这维持和释放数据链路实体间的连接。这一层的规程都与电路上传输的原始比特有关一层的规程都与电路上传输的原始比特有关,642.数据链路层数据链路层激激活、保持以及解除一个可行连接的手段活、保持以及解除一个可行连接的手段建立、维持和释放网络实体之间的数据链路差错检测和控制差错检测和控制数据链路对网络层应表现为一条无差错的信道。相邻节点之间的数据交换按帧，各帧按顺序传送，并通过接收端的校验检查和应答保证可靠的传输。高高层可以执行无差错传输层可以执行无差错传输数据链路
22、层对损坏、丢失和重复的帧应能进行处理，这种处理过程对网络层是透明的。共享媒介的访问控制方法共享媒介的访问控制方法653.网络层网络层信息的传输信息的传输这一层的功能属于通信子网，通过网络交换来自运输层的数据。把数据组织成分组，在通信子网的节点之间交换传送使高层不需要知道低层的技术使高层不需要知道低层的技术需要管理各种网络节点需要管理各种网络节点路径选择：路径既可以是固定不变的(通过静态路由表实现)，也可以是根据网络的负载情况动态变化的。拥塞控制：防止网络中出现局部的拥挤或全面的阻塞。 66中继的使用中继的使用系统通过网络相连接系统通过网络相连接674.运输层运输层终端系统间的数据交换终端系统间
23、的数据交换无差错无差错有序有序无丢失无丢失无重复无重复服务质量服务质量68运输层端到端连接运输层端到端连接运输层提供一种通用的传输服务。使会话实体不运输层提供一种通用的传输服务。使会话实体不必考虑通信网络的工作细节必考虑通信网络的工作细节数据传输能高效地进行。运输层采用多路复用或数据传输能高效地进行。运输层采用多路复用或分流的方式优化网络的传输性能。分流的方式优化网络的传输性能。695.会话层会话层会话层提供的会话服务类型会话层提供的会话服务类型:会话管理：把两个表示层实体结合在一起，或把它们分开。会话控制：控制两个表示层实体间的数据交换过程。会话层提供的服务会话层提供的服务对话准则全双工/半
24、双工编组通过标志定义数据组恢复 设置检查点706.表示层表示层提供一个可供应用层选择的服务的集合，使得应提供一个可供应用层选择的服务的集合，使得应用层可以根据这些服务功能解释数据的涵义。用层可以根据这些服务功能解释数据的涵义。表示层以下各层只关心如何可靠地传输数据，而表示层以下各层只关心如何可靠地传输数据，而表示层关心的是所传输的数据的表现方式、它的表示层关心的是所传输的数据的表现方式、它的语法和语义。语法和语义。 表示层提供的服务表示层提供的服务数据格式和编码数据压缩加密717.应用层应用层这是这是OSI体系结构的最高层。这一层的协议直接体系结构的最高层。这一层的协议直接为端用户服务为端用户
25、服务,提供分布式处理环境。提供分布式处理环境。为应用程序提供网络服务;应用层需要识别并保证通信对方的可用性，保持协同工作的应用程序之间的同步;建立传输错误纠正与保证数据完整性的控制机制。1.4.3 TCP/IP1.4.3 TCP/IP协议模型协议模型计算机网络技术-韩毅刚72介绍介绍模型模型73TCP/IP由美国国防部高级研究计划署由美国国防部高级研究计划署(DARPA)开发开发分组交换网ARPANETInternet用之用之在在TCP/IP协议研究时，并没有提出参考模型；协议研究时，并没有提出参考模型；1974年年Kahn定义了最早的定义了最早的TCP/IP参考模型；参考模型；目前网络层使用
26、的版本是目前网络层使用的版本是IPv4 ；IPv6（IPng）；）；74TCP/IP协议的特点协议的特点 开放的协议标准开放的协议标准;独立于特定的计算机硬件与操作系统；独立于特定的计算机硬件与操作系统；独立于特定的网络硬件，可以运行在局域网、广独立于特定的网络硬件，可以运行在局域网、广域网，更适用于互连网中；域网，更适用于互连网中；统一的网络地址分配方案，使得整个统一的网络地址分配方案，使得整个TCP/IP设备设备在网中都具有唯一的地址；在网中都具有唯一的地址；标准化的高层协议，可以提供多种可靠的用户服标准化的高层协议，可以提供多种可靠的用户服务。务。TCP/IP协议模型协议模型计算机网络技
27、术-韩毅刚7576网络接入层网络接入层终端终端系统和网络之间的数据交换系统和网络之间的数据交换负责通过网络发送和接收IP数据报;允许主机连入网络时使用多种现成的与流行的协议，如局域网的Ethernet、令牌网、分组交换网的X.25、帧中继、ATM协议等;当一种物理网被用作传送IP数据包的通道时，就可以认为是这一层的内容;提供目的地址提供目的地址调用网络服务调用网络服务77互联网层互联网层相当相当OSI RM网络层的无连接网络服务；网络层的无连接网络服务； 处理互连的路由选择、流控与拥塞问题；处理互连的路由选择、流控与拥塞问题；IP协议是无连接的、提供协议是无连接的、提供“尽力而为尽力而为”服务
28、的网服务的网络层协议。络层协议。另：通信协议四种服务类型另：通信协议四种服务类型面向连接与确认服务；面向连接与不确认服务；无连接与确认服务；无连接与不确认服务； 78运输层运输层主要功能是在互连网中源主机与目的主机的对等主要功能是在互连网中源主机与目的主机的对等实体间建立用于会话的端实体间建立用于会话的端-端连接；端连接；传输控制协议传输控制协议TCP是一种可靠的面向连接协议；是一种可靠的面向连接协议；可靠的数据交付数据交付的有序性用户数据报协议用户数据报协议UDP是一种不可靠的无连接协议。是一种不可靠的无连接协议。 79TCP常用的运输层常用的运输层可靠的连接连接连接不同系统中实体的临时逻辑
29、联系TCP PDU 称作TCP报文段包括源和目的端口 (c.f. SAP)标识单独的用户 (应用程序)连接指的是端口对TCP跟踪每对连接实体间的报文段跟踪每对连接实体间的报文段80UDP不可靠交付不可靠交付无序号无序号不保证重复到达不保证重复到达开销小开销小在在IP上加端口地址上加端口地址81应用层应用层支持用户应用支持用户应用应用层协议主要有：应用层协议主要有：网络终端协议Telnet文件传输协议FTP简单邮件传输协议SMTP域名系统DNS简单网络管理协议SNMP超文本传输协议HTTP1.4.4 1.4.4 通信协议标准化组织通信协议标准化组织计算机网络技术-韩毅刚82国际标准化组织国际标准
30、化组织( (ISO)ISO)电子电气工程师协会电子电气工程师协会( (IEEE)IEEE)美国国家标准局美国国家标准局( (ANSI)ANSI)电子工业协会电子工业协会( (EIA/TIA)EIA/TIA)国际电信联盟国际电信联盟( (ITU)ITU)INTERNETINTERNET行动委员会行动委员会( (IAB)IAB)83标准组织涉及的协议范围标准组织涉及的协议范围 机构机构涉及的范围涉及的范围标准标准国际标准化组织ISOOSI RM 4-7层传榆、会话国际电信联盟电信标准部门ITU-T通信网络X.25 X.75 X.21因特网工程工作组IETF3-7层TCP，IP电气与电子工程学会IE
31、EE1-2层IEEE 802美国电子工业协会EIA1层RS-232-C，RS-449欧洲计算机制造商协会ECMA1-7层加入到ISOATM论坛ATM技术ATM各层协议计算机网络技术-韩毅刚84思考题思考题&计算机网络与通信网络的关系是什么？计算机网络与通信网络的关系是什么？&如何对如何对Internet归类？归类？&网络与通信网络与通信是是什么关系？什么关系？&数据通信与计算机通信有什么区别？数据通信与计算机通信有什么区别？85计算机系统之间的区别计算机系统之间的区别计算机网络定义计算机网络定义自治的计算机系统的集合多机系统多机系统通过共享内存实现的紧耦合系统分布式系统分布式系统互连的计算机可
32、以互相协调工作，共同完成一项任务，一个大型程序可以分布在多台计算机上并行运行分布式操作系统控制下自动完成计算机通信网计算机通信网网络操作系统是计算机网络有别于计算机通信网的主要标志计算机网络技术-韩毅刚86数据通信与计算机通信数据通信与计算机通信数据通信是指信源产生的数据，按一定通信协议，数据通信是指信源产生的数据，按一定通信协议，通过模拟传输信道或者数字传输信道，形成数据通过模拟传输信道或者数字传输信道，形成数据流传送到信宿的过程。流传送到信宿的过程。数据通信是为了实现计算机与计算机之间或者终数据通信是为了实现计算机与计算机之间或者终端与计算机之间的信息交互而产生的一种通信技端与计算机之间的信息交互而产生的一种通信技术。术。从某种意义上说，数据通信是计算机通信的组成从某种意义上说，数据通信是计算机通信的组成部分，数据通信着重于数据的传输，而不涉及数部分，数据通信着重于数据的传输，而不涉及数据所表示的原始信息；而计算机通信则着重于信据所表示的原始信息；而计算机通信则着重于信息的交互。息的交互。目前数据通信与计算机通信界定几无区别。目前数据通信与计算机通信界定几无区别。计算机网络技术-韩毅刚计算机网络技术-韩毅刚87总结总结&计算机网络的定义计算机网络的定义&计算机网络的分类计算机网络的分类&计算机网络的组成计算机网络的组成
