第1章计算机网络概述

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1、第第1 1章章计算机网络概述计算机网络概述讲授：宋晖讲授：宋晖E-Mail：Mobile:15813360510 课程公邮密码：密码：123456123456123456123456教科书和参考书Textbook:计算机网络，谢希仁，(第五版)，电子工业出版社，2008References: 1. Andrew S.Tanenbaum, Computer Networks, 4rd ed, Prentice Hall 中文版：“计算机网络”(第4版)，潘爱民译，清华大学出版社，20042.Douglas Comer, Computer Networks and Internets, Prent

2、ice Hall, 1998 3. 计算机网络，冯博琴、吕军，高等教育出版社，2002 4. 计算机网络教程第二版，王群 编著，清华大学出版社，2009.6 5.计算机网络简明教程，谢希仁编著，电子工业出版社，2007年11月网络课的主要内容:通信 计算机计算机网络计算机网络在信息时代的作用 网络是指“三网”，即电信网络、有线电视网络和计算机网络。发展最快的并起到核心作用的是计算机网络。 计算机网络的两个重要功能：n连通性n共享 计算机网络的认知与应用体验 网网络络与与网网络络应应用用无无处处不不在在，以以至至于于我我们们已已经经将将其其视视为为我我们们社社会会生生活活的的一一个不可缺少的部分

3、：个不可缺少的部分：请列举你所知道的网络应用。请列举你所知道的网络应用。请列举你所知道上网方式。请列举你所知道上网方式。问题：什么是计算机网络？问题：什么是计算机网络？1.2 因特网概述 1.2.1 网络的网络网络：由若干结点和连接这些结点的链路组成 简单网络1.2 因特网概述 1.2.1 网络的网络互联网：网络的网络因特网：世界上最大的互连网络图图1-1 1-1 因特网因特网 (a) (a) 表示因特网的方法表示因特网的方法 (b) (b) 因特网是因特网是“网络的网络网络的网络” 网络把许多计算机连接在一起，而互联网则把许多网络连接在一起。因特网是世界上最大的互联网1.2.2 因特网的发展

4、因特网的基础结构大体上经历了三个阶段的演进。但这三个阶段在时间划分上并非截然分开而是有部分重叠的，这是因为网络的演进是逐渐的而不是突然的。回顾一下电路交换的特点 两部电话机只需要用一对电线就能够互相连接起来。 更多的电话机互相连通5 部电话机两两相连，需 10 对电线。N 部电话机两两相连，需 N(N 1)/2对电线。当电话机的数量很大时，这种连接方法需要的电线对的数量与电话机数的平方成正比。 使用交换机当电话机的数量增多时，就要使用交换机来完成全网的交换任务。 交换机“交换”的含义在这里，“交换”(switching)的含义是：n转接把一条电话线转接到另一条电话线，使它们连通起来。从通信资源

5、的分配角度来看，“交换”就是按照某种方式动态地分配传输线路的资源。 因特网发展的第一阶段第一个分组交换网 ARPANET 最初只是一个单个的分组交换网。 ARPA 研究多种网络互连的技术。1983 年 TCP/IP 协议成为标准协议。同年，ARPANET分解成两个网络：nARPANET进行实验研究用的科研网nMILNET军用计算机网络19831984 年，形成了因特网 Internet。1990 年 ARPANET 正式宣布关闭。 因特网发展的第二阶段1986 年，NSF 建立了国家科学基金网。 NSFNET。它是一个三级计算机网络： n主干网n地区网n校园网1991 年，美国政府决定将因特网

6、的主干网转交给私人公司来经营，并开始对接入因特网的单位收费。1993 年因特网主干网的速率提高到 45 Mb/s（T3 速率）。 三级结构的因特网各网络之间需要使用路由器来连接。 有时在结构图中可不画出路由器。校园网校园网校园网校园网校园网校园网国家主干网地区网地区网地区网路由器三级结构的因特网主机到主机的通信可能要经过多种网络。校园网校园网校园网校园网校园网校园网国家主干网地区网地区网地区网因特网发展的第三阶段从1993年开始，由美国政府资助的 NSFNET逐渐被若干个商用的 ISP 网络所代替。 1994 年开始创建了 4 个网络接入点 NAP (Network Access Point)

7、，分别由 4 个电信公司经营。NAP 就是用来交换因特网上流量的结点。在NAP 中安装有性能很好的交换设施。到本世纪初，美国的 NAP 的数量已达到十几个。从 1994 年到现在，因特网逐渐演变成多级结构网络。 多级结构的因特网大公司地区 ISP网络接入点NAP（对等点）公司校园网主干服务提供者校园网校园网校园网校园网本地 ISP地区 ISP地区 ISP地区 ISP本地 ISP本地 ISP大公司大公司网络接入点NAP（对等点）主机到主机的通信可能经过多种 ISP。今日的多级结构的因特网大致上可将因特网分为以下五个接入级 n网络接入点 NAPn国家主干网（主干 ISP）n地区 ISPn本地 IS

8、Pn校园网、企业网或 PC 机上网用户1.2.3 因特网的标准化工作因特网协会 ISOC因特网研究指导小组IRSG 因特网研究部 IRTF 因特网工程部 IETF 因特网工程指导小组IESG RGWGRG领域领域因特网体系结构研究委员会 IAB WGWGWG制订因特网的正式标准要经过以下的四个阶段 因特网草案(Internet Draft) 在这个阶段还不是 RFC 文档。建议标准(Proposed Standard) 从这个阶段开始就成为 RFC 文档。草案标准(Draft Standard)因特网标准(Internet Standard) 各种RFC之间的关系 因特网草案建议标准草案标准因

9、特网标准历史的 RFC实验的 RFC提供信息的 RFC6 种 RFC1.3 因特网的组成从工作方式上看，分为：边缘部分：由所有连接在因特网上的主机组成核心部分：由大量网络和连接这些网络的路由器组成图图1-5 1-5 因特网的边缘部分与核心部分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 (end system)，“端”就是“末端”的意思。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

10、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。客户服务器方式所描述的是进程之间服务和被服务的关系。 这里最主要的特征就是：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。图图1-6 1-6 客户服务器工作方式客户服务器工作方式在实际应用中，客户程序和服务器程序通常还具有以下一些主要特点

11、。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）。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。 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

12、个是服务请求方还是服务提供方。也称为P2P文件共享。 图图1-7 1-7 对等连接工作方式对等连接工作方式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）。 1.3.2 因特网的核心部分 核心部件路由器o早期计算机网络使用电路交换2. 20世纪60年代出现分组交换 1电路交换的主要特点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。 图图1 1 电话机的不同连接方法电话机的不同连接方法 (a) (a) 两部电话直

13、接相连两部电话直接相连 (b) 5(b) 5部电话两两直接相连部电话两两直接相连 (c) (c) 用交换机连接许多部电话用交换机连接许多部电话这种必须经过“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）”三个步骤的交换方式称为电路交换。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。电路交换举例A 和 B 通话经过四个交换机通话在 A 到 B 的连接上进行交换机交换机交换机交换机用户线用户线中继线中继线BDCA电路交换举例C 和 D 通话只经过一个本地交换机通话在 C 到 D 的连接上进行交换机交换机交换机交换机用户线用户线中继线中继线BDCA电路交换的

14、特点电路交换是面向连接的，即必须经过以下三个步骤的联网方式： n建立连接n通信n释放连接采用电路交换时，通信过程中一直占有一条物理通路。电路交换传送计算机数据效率低原因：计算机数据具有突发性。导致通信线路的利用率很低。所以，在计算机网络中采用“分组交换”报文分组交换的原理（一）在发送端，先把较长的报文划分成较短的、固定长度的数据段。 1101000110101010110101011100010011010010假定这个报文较长不便于传输数 据数 据数 据报文分组交换的原理（二）每一个数据段前面添加上 首部构成分组。首部首部首部分组分组 1分组分组 2分组分组 3请注意：现在左边是“前面”分组

15、交换的原理（三）分组交换网以“分组”作为数据传输单元。依次把各分组发送到接收端数 据首部分组 1数 据首部分组 2数 据首部分组 3分组交换的原理（四）接收端收到分组后剥去首部还原成报文。数 据首部分组 1数 据首部分组 2数 据首部分组 3收到的数据数 据数 据数 据分组交换的原理（五）最后，在接收端把收到的数据恢复成为原来的报文。这里我们假定分组在传输过程中没有出现差错，在转发时也没有被丢弃。报文1101000110101010110101011100010011010010分组首部Question:分组是怎样被转发到目的地的？答：每一个分组的首部都含有源/目的地址等控制信息。分组交换网中

16、的结点交换机根据收到的分组的首部中的地址信息，把分组转发到下一个结点交换机。用这样的存储转发方式，最后分组就能到达最终目的地。分组交换网的示意图H1A分组交换网BDECH5H6H4H2H3H1 向 H5 发送分组H2 向 H6 发送分组注意分组路径的变化！结点交换机主机分组的存储转发过程H1A分组交换网BDECH5H6H4H2H3H1 向 H5 发送分组结点交换机主机在结点交换机 A 暂存查找转发表找到转发的端口在结点交换机 C 暂存查找转发表找到转发的端口在结点交换机 E 暂存查找转发表找到转发的端口最后到达目的主机 H5结点交换机有多个端口，但在输入和输出端口之间没有直接连线ABCDEH1

17、H5H2H4H3H6高速链路 结点交换机123412341 2 3 41 2 3 41 2 3 4结点交换机的存储转发过程结点交换机处理分组的过程是：n把收到的分组先放入缓存（暂时存储）；n查找转发表，找出到某个目的地址应从哪个端口转发；n把分组送到适当的端口转发出去。 分组交换的优点高效 动态分配传输带宽，对通信链路是逐段占用。 灵活 以分组为传送单位和查找路由。迅速 不必先建立连接就能向其他主机发送分组；充分使用链路的带宽。可靠 完善的网络协议；自适应的路由选择协议使网络有很好的生存性。 分组交换带来的问题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。 分组必须携带的首部（里面有必

18、不可少的控制信息）也造成了一定的开销。 两种交换的比较 P1P2P3P4P1P2P3P4P3P4A B C D A B C D电路交换分组交换连接建立数据传送报文P2P1连接释放分组交换的特点：（1）解决电路交换长期占用线路问题（2）将大的报文划分成小的分组后，每一个分组选择自己的路由单独传输，到接收方进行重组。1.4 计算机网络在我国的发展(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)

19、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） 1.5 计算机网络的类别 1.5.1 计算机网络的定义计算机网络的不同定义n最简单的定义：计算机网络是一些互相连接的、能够共享资源又相互自治的计算机的集合。计算机网络的定义计算机网络的定义 计计计计算算算算机机机机网网网网络络络络是是是是指指指指将将将将地地地地理理理理位位位位置置置置不不不不同同同同且且且且功功功功能能能能相相相相对对对对独独独独立立立立的的的的多多多多个个个个计计计计算算算算机机机机系系系系统统统统通通通通过过过过通通通通信信信信线线线线路路路路相相相相

20、互互互互连连连连在在在在一一一一起起起起、由由由由专专专专门门门门的的的的网网网网络络络络操操操操作作作作系系系系统统统统进进进进行行行行管管管管理理理理，以以以以实实实实现现现现资资资资源源源源共共共共享享享享的系统的系统的系统的系统。计计算机网算机网络络中的中的计计算算机通常都机通常都处处于不同的于不同的地理位置地理位置相互相互连连接的接的计计算机之算机之间间不存在互不存在互为为依依赖赖的的关系。关系。通信通信线线路包括路包括通信媒体、通通信媒体、通信信设备设备关系。关系。网网络络操作系操作系统统（单单机机OSOS功能功能+ +网网络络通通信信协议协议+ +网网络资络资源源管理管理+ +网

21、网络络服服务务）网网络络的根本目的是的根本目的是为为了了实现资实现资源共享，源共享，资资源包源包括硬件与括硬件与软软件，如程序、件，如程序、数据数据库库、存、存储设备储设备、打、打印机等。印机等。1.5.2 几种不同类别的网络几种不同的分类方法n从网络的作用范围进行分类n从网络的使用者进行分类 n用来把用户接入到因特网的网络1.5.2 几种不同的分类方法（二）从网络的作用范围进行分类n局域网 LAN (Local Area Network) n城域网 MAN (Metropolitan Area Network)n广域网 WAN (Wide Area Network)广域网、城域网以及局域网的

22、关系 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局域网的主要技术特点早期，人们将局域网的主要特点归纳为： 1.局域网是一种通信网络； 2.连入局域网的数据通信设备是广义的，包括 计算机、终端和各种外部设备； 3.局域网覆盖一个小的地理范围，从一个办公 室、一幢大楼，到几公里的地理范围。局域网技术的主要限制是规模：一个局域网际不局域网技术的主要限制是规模：一个局域网际不能拥有任意多的计算机，也不能让计算机连能拥有任意多的计算机，也不能让计算机连接到任意距离的站点上。接到任意距离的站点上。 目前人们认为局域网主要的技术特点： 1.局域网覆盖有限的地理范围，它适用

23、于机关、公司、校园、军营、工厂等有限范围内的计算机、终端与各类信息处理设备连网的需求； 2.局域网具有高数据传输速率(101000Mbps)、 低误码率的高质量数据传输环境； 3.局域网一般属于一个单位所有，易于建立、 维护和扩展； 4.决定局域网特性的主要技术要素有三点： * 网络拓扑 * 传输介质 * 介质访问控制方法； 5.局域网从介质访问控制方法的角度可以分为两类： * 共享介质局域网 * 交换局域网 6.局域网常用的传输介质有：同轴电缆、双绞线、光纤与无线通信 信道；双绞线已能用于数据传输速率为100Mbps、1Gbps 的高 速局域网；7.在局部范围内的中、高速局域网中使用双绞线，

24、在远距离传输中使用光纤,在有移动结点的局域网中采用无线通信信道的趋势已经越来越明朗化; 广域网的基本概念 n当主机之间的距离较远时，例如，相隔几十或几百公里，甚至几千公里，局域网显然就无法完成主机之间的通信任务。这时就需要另一种结构的网络，即广域网。 互联网由局域网和广域网组成互联网 局域网局域网广域网路由器结点交换机相距较远的局域网通过路由器与广域网相连组成了一个覆盖范围很广的互联网 应当注意即使是覆盖范围很广的互联网，也不是广域网，因为在这种网络中，不同网络的“互连”才是其最主要的特征。广域网是单个的网络，它使用结点交换机连接各主机而不是用路由器连接各网络。结点交换机在单个网络中转发分组，

25、而路由器在多个网络构成的互联网中转发分组。连接在一个广域网（或一个局域网）上的主机在该网内进行通信时，只需要使用其网络的物理地址即可。 1.5.2 几种不同的分类方法（三）从网络的使用者进行分类n公用网 (public network) n专用网 (private network) 1.5.2 几种不同的分类方法（四）用来把用户接入到因特网的网络n本地接入网 n居民接入网 1.6 计算机网络的性能指标1. 速率2.带宽3.吞吐量4.时延5.利用率1. 速率比特(bit)是计算机中的数据的最小单元，它也是信息量的度量单位。网络技术中的速率是指在信道上(或一段链路上)能够传送的数字信号的速率，即数

26、据率或比特率。速率的单位就是比特每秒(bit/s)。2. 带宽“带宽”(bandwidth)本来是指信号具有的频带宽度，单位是赫（或千赫、兆赫、吉赫等）。现在“带宽”是数字信道所能传送的“最高数据率”的同义语，单位是“比特每秒”，或 b/s (bit/s)。 常用的带宽单位更常用的带宽单位是n千比每秒，即 kb/s （103 b/s）n兆比每秒，即 Mb/s（106 b/s）n吉比每秒，即 Gb/s（109 b/s）n太比每秒，即 Tb/s（1012 b/s）请注意：在计算机界，K = 210 = 1024 M = 220, G = 230, T = 240。数字信号流随时间的变化在时间轴上信

27、号的宽度随带宽的增大而变窄。 每秒 106 个比特时间1 0 1 0 1 11 s带宽为1 Mb/s 时间每秒 4 106 个比特0.25 s带宽为4 Mb/s 3.吞吐量吞吐量：单位时间内通过某个网络的数据量。吞吐量受到网络的带宽或网络额定速率的限制有时吞吐量还可用每秒传送的字节数或帧数来表示4.时延(delay 或 latency)发送时延（传输时延 ）：发送数据时，数据块从结点进入到传输媒体所需要的时间。信道带宽 ：数据在信道上的发送速率。常称为数据在信道上的传输速率。 发送时延 = 数据块长度（比特）信道带宽（比特/秒）时延(delay 或 latency)传播时延 电磁波在信道中需要

28、传播一定的距离而花费的时间。 信号传输速率（即发送速率）和信号在信道上的传播速率是完全不同的概念。 传播时延 = 信道长度（米）信号在信道上的传播速率（米/秒）时延(delay 或 latency)处理时延 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。 时延(delay 或 latency)排队时延 结点缓存队列中分组排队所经历的时延处理时延的长短往往取决于网络中当时的通信量。时延(delay 或 latency)数据经历的总时延就是发送时延、传播时延、处理时延和排队时延之和： 总时延 = 发送时延 + 传播时延 + 处理时延+ 排队时延四种时延所产生的地方 1 0 1 1 0 0 1

29、发送器队列在链路上产生传播时延结点 B结点 A在发送器产生发送时延(即传输时延)在队列中产生处理和排队时延数据从结点 A 向结点 B 发送数据链路容易产生的错误概念 对于高速网络链路，我们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。 提高链路带宽减小了数据的发送时延。 5.利用率信道利用率：某信道有百分之几的时间是被利用的（即有数据通过）网络利用率：全网络的信道利用率的加权平均值。6.宽带宽带线路：可通过较高数据率的线路。宽带是相对的概念，并没有绝对的标准。在目前，对于用户接入到因特网的用户线来说，每秒传送几个兆比特就可以算是宽带速率。对宽带传输的错误概念有些人愿意用“汽车在公路上

30、跑”来比喻“比特在网络上传输”，认为宽带传输的好处就是传输更快，好比汽车在高速公路上可以跑得更快一样。这种比喻不准确，严格说是错误的。常见的错误是混淆了两种速率在网络中有两种不同的速率：在网络中有两种不同的速率：n信号（即电磁波）在传输媒体上的信号（即电磁波）在传输媒体上的传播速传播速率（米率（米/秒，或公里秒，或公里/秒）秒）n计算机向网络计算机向网络发送比特的速率（比特发送比特的速率（比特/秒）秒）这两种速率的意义和单位完全不同。这两种速率的意义和单位完全不同。宽带传输：计算机向网络发送比特的速率较宽带传输：计算机向网络发送比特的速率较高。高。ABAB宽带线路窄带线路在宽带线路上比特传播得

31、快 在窄带线路上比特传播得慢 错误的概念A AB BA AB B宽带线路窄带线路宽带线路：每秒有更多比特从计算机 注入到线路。宽带线路和窄带线路上比特的传播速率是一样的。正确的概念比喻：汽车运货宽带线路窄带线路宽带和窄带线路：车速一样宽带线路：车距缩短HomeworkHomework复习复习所学内容所学内容完成教材第一章的习题完成教材第一章的习题3 3、1 14 4、1 15 5。预习预习1.71.7节节（计算机网络体系结构计算机网络体系结构）为什么要分层？为什么要分层？体系结构中的相关术语和概念体系结构中的相关术语和概念TCP/IPTCP/IP的各层及功能的各层及功能TCP/IPTCP/IP

32、及其与及其与OSIOSI的比较的比较1.7 计算机网络的体系结构1.7.1 计算机网络体系结构的形成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。 关于开放系统互连参考模型OSI/RM只要遵循 OSI 标准，一个系统就可以和位于世界上任何地方的、也遵循这同一标准的其他任何系统进行通信。在市场化方面 OSI 却失败了。nOSI 的专家们在完成 OSI 标准时没有商业驱动力；nOSI 的协议实现起来过分复杂，且运行效率很低；nOSI 标准的制定周期太长，因而使得按 OSI

33、 标准生产的设备无法及时进入市场；nOSI 的层次划分并也不太合理，有些功能在多个层次中重复出现。 两种国际标准法律上的(de jure)国际标准 OSI 并没有得到市场的认可。是非国际标准 TCP/IP 现在获得了最广泛的应用。nTCP/IP 常被称为事实上的(de facto) 国际标准。1.7.2 协议与划分层次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（同步含有时序的意思）。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。 划分层次的概念举例 主机 1 向主机 2 通

34、过网络发送文件。可以将要做的工作进行如下的划分。第一类工作与传送文件直接有关。n确信对方已做好接收和存储文件的准备。n双方协调好一致的文件格式。两个主机将文件传送模块作为最高的一层 。剩下的工作由下面的模块负责。两个主机交换文件 文件传送模块主机 1主机 2文件传送模块只看这两个文件传送模块好像文件及文件传送命令是按照水平方向的虚线传送的把文件交给下层模块进行发送把收到的文件交给上层模块再设计一个通信服务模块 文件传送模块主机 1主机 2文件传送模块只看这两个通信服务模块好像可直接把文件可靠地传送到对方把文件交给下层模块进行发送把收到的文件交给上层模块通信服务模块通信服务模块再设计一个网络接入

35、模块 文件传送模块主机 1主机 2文件传送模块通信服务模块通信服务模块网络接入模块网络接入模块通信网络网络接口网络接口网络接入模块负责做与网络接口细节有关的工作例如，规定传输的帧格式，帧的最大长度等。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功能的系统工程任务时遇到较多的困难。 计算机网络的体系结构 计算机网络的体系结构(architecture)是计算机网络的各层及其协议的集合。 体系结构就是这个计算机网络及其部件所应完成的功能的精确定义。实现(implemen

36、tation)是遵循这种体系结构的前提下用何种硬件或软件完成这些功能的问题。体系结构是抽象的，而实现则是具体的，是真正在运行的计算机硬件和软件。 1.7.3 具有五层协议的体系结构 TCP/IP 是四层的体系结构：应用层、运输层、网际层和网络接口层。但最下面的网络接口层并没有具体内容。因此往往采取折中的办法，即综合 OSI 和 TCP/IP 的优点，采用一种只有五层协议的体系结构 。 五层协议的体系结构 应用层(application layer) 运输层(transport layer) 网络层(network layer) 数据链路层(data link layer) 物理层(physic

37、al layer) 数据链路层5 应用层4 运输层3 网络层2 数据链路层1 物理层主机 1 向主机 2 发送数据 5432154321主机 1AP2AP1主机 2应用进程数据先传送到应用层加上应用层首部，成为应用层 PDU主机 1 向主机 2 发送数据 5432154321主机 1AP2AP1主机 2应用层 PDU 再传送到运输层加上运输层首部，成为运输层报文主机 1 向主机 2 发送数据 5432154321主机 1AP2AP1主机 2运输层报文再传送到网络层加上网络层首部，成为 IP 数据报（或分组）主机 1 向主机 2 发送数据 5432154321主机 1AP2AP1主机 2IP 数

38、据报再传送到数据链路层加上链路层首部和尾部，成为数据链路层帧主机 1 向主机 2 发送数据 5432154321主机 1AP2AP1主机 2数据链路层帧再传送到物理层最下面的物理层把比特流传送到物理媒体主机 1 向主机 2 发送数据 应用层(application layer) 5432154321物理传输媒体主机 1AP2AP1电信号（或光信号）在物理媒体中传播从发送端物理层传送到接收端物理层主机 2主机 1 向主机 2 发送数据 5432154321主机 1AP2AP1主机 2物理层接收到比特流，上交给数据链路层主机 1 向主机 2 发送数据 5432154321主机 1AP2AP1主机

39、2数据链路层剥去帧首部和帧尾部取出数据部分，上交给网络层主机 1 向主机 2 发送数据 5432154321主机 1AP2AP1主机 2网络层剥去首部，取出数据部分上交给运输层主机 1 向主机 2 发送数据 5432154321主机 1AP2AP1主机 2运输层剥去首部，取出数据部分上交给应用层主机 1 向主机 2 发送数据 5432154321主机 1AP2AP1主机 2应用层剥去首部，取出应用程序数据上交给应用进程主机 1 向主机 2 发送数据 5432154321主机 1AP2AP1主机 2我收到了 AP1 发来的应用程序数据！主机 1 向主机 2 发送数据 5432154321主机 1

40、AP2AP1主机 2应 用 程 序 数 据应用层首部H510100110100101 比 特 流 110101110101注意观察加入或剥去首部（尾部）的层次应 用 程 序 数 据H5应 用 程 序 数 据H4H5应 用 程 序 数 据H3H4H5应 用 程 序 数 据H4运输层首部H3网络层首部H2链路层首部T2链路层尾部主机 1 向主机 2 发送数据 5432154321主机 1AP2AP1主机 210100110100101 比 特 流 110101110101计算机 2 的物理层收到比特流后交给数据链路层H2T2H3H4H5应 用 程 序 数 据H3H4H5应 用 程 序 数 据主机

41、1 向主机 2 发送数据 5432154321主机 1AP2AP1主机 2数据链路层剥去帧首部和帧尾部后把帧的数据部分交给网络层H2T2H3H4H5应 用 程 序 数 据H4H5应 用 程 序 数 据H3H4H5应 用 程 序 数 据主机 1 向主机 2 发送数据 5432154321主机 1AP2AP1主机 2网络层剥去分组首部后把分组的数据部分交给运输层H5应 用 程 序 数 据H4H5应 用 程 序 数 据主机 1 向主机 2 发送数据 5432154321主机 1AP2AP1主机 2运输层剥去报文首部后把报文的数据部分交给应用层应 用 程 序 数 据H5应 用 程 序 数 据主机 1

42、向主机 2 发送数据 5432154321主机 1AP2AP1主机 2应用层剥去应用层 PDU 首部后把应用程序数据交给应用进程主机 1 向主机 2 发送数据 5432154321主机 1AP2AP1主机 2我收到了 AP1 发来的应用程序数据！1.7.4 实体、协议和服务实体(entity) 表示任何可发送或接收信息的硬件或软件进程。 协议是控制两个对等实体进行通信的规则的集合。 在协议的控制下，两个对等实体间的通信使得本层能够向上一层提供服务。要实现本层协议，还需要使用下层所提供的服务。 实体、协议和服务（续） 本层的服务用户只能看见服务而无法看见下面的协议。下面的协议对上面的服务用户是透

43、明的。 协议是“水平的”，即协议是控制对等实体之间通信的规则。服务是“垂直的”，即服务是由下层向上层通过层间接口提供的。协议很复杂 协议必须把所有不利的条件事先都估计到，而不能假定一切都是正常的和非常理想的。 看一个计算机网络协议是否正确，不能光看在正常情况下是否正确，而且还必须非常仔细地检查这个协议能否应付各种异常情况。 著名的协议举例【例1-11-1】 占据东、西两个山顶的蓝军占据东、西两个山顶的蓝军1 1和蓝军和蓝军2 2与驻扎在山与驻扎在山谷的白军作战。其力量对比是：单独的蓝军谷的白军作战。其力量对比是：单独的蓝军1 1或或蓝军蓝军2 2打不过白军，但蓝军打不过白军，但蓝军1 1和蓝军

44、和蓝军2 2协同作战则协同作战则可战胜白军。现蓝军可战胜白军。现蓝军1 1拟于次日正午向白军发起拟于次日正午向白军发起攻击。于是用计算机发送电文给蓝军攻击。于是用计算机发送电文给蓝军2 2。但通信。但通信线路很不好，电文出错或丢失的可能性较大线路很不好，电文出错或丢失的可能性较大（没有电话可使用）。因此要求收到电文的友（没有电话可使用）。因此要求收到电文的友军必须送回一个确认电文。但此确认电文也可军必须送回一个确认电文。但此确认电文也可能出错或丢失。试问能否设计出一种协议使得能出错或丢失。试问能否设计出一种协议使得蓝军蓝军1 1和蓝军和蓝军2 2能够实现协同作战因而一定（即能够实现协同作战因而

45、一定（即100 %100 %而不是而不是99.999%99.999%）取得胜利？）取得胜利？ 明日正午进攻，如何？明日正午进攻，如何？同意收到收到“ “同意同意” ”收到：收到“同意”这样的协议无法实现！结论这样无限循环下去，两边的蓝军都始终无法确定自己最后发出的电文对方是否已经收到。没有一种协议能够蓝军能 100% 获胜。1.7.5 TCP/IP的体系结构应用层运输层网际层网络接口层主机A主机B路由器网络 2网络 1应用层运输层网际层网络接口层网际层网络接口层4321路由器在转发分组时最高只用到网络层而没有使用运输层和应用层。 沙漏计时器形状的TCP/IP协议族 HTTPSMTPDNSRTP

46、TCPUDPIP网际层网络接口层运输层应用层网络接口 1网络接口 2网络接口 3Everything over IP IP 可为各式各样的应用程序提供服务IP over Everything IP 可应用到各式各样的网络上【例1-21-2】客户进程和服务器进程使用 TCP/IP 协议进行通信数据链路层物理层运输层网络层数据链路层物理层运输层网络层 客户发起连接建立请求 服务器接受连接建立请求应用层应用层因特网客户客户服务器服务器以后就逐级使用下层提供的服务(使用 TCP 和 IP）功能较强的计算机可同时运行多个服务器进程 数据链路层物理层运输层网络层应用层计算机 3服务器服务器11服务器服务器22数据链路层物理层运输层网络层应用层计算机 1客户 1数据链路层物理层运输层网络层应用层计算机 2客户 2因特网