计算机网络ppt课件超长版全解.ppt

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1、1.1 计算机网络在信息时代中的作用 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； 网络现已成为信息社会的命脉和发展知识经济的重要基础；,第一章,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； 进入 20 世纪 90 年代以后，以因特网为代表的计算机网络得到了飞速的发展。,计算机网络向用户提供的最重要的功能 （1）连通性计算机网络使上网用户之间都可以交换信息，好像这些用户的计算机都可以彼此直接连通一样； （2）共享即资源共享。主要包括硬件共享、软件共享和信息（数据）共享，尤其是数据共享，作用特别突出。,1.

2、2 因特网概述 一、网络的网络 1.起源于美国的因特网（Internet）现已发展成为世界上最大的国际性计算机互联网； 2. 几个概念 （1）网络，是由若干结点(node)和连接这些结点的链路(link)组成； （2）互联网（internet）是“网络的网络”,是由多个计算机网络互连而成的网络； （3）连接在因特网上的计算机都称为主机(host)；,二、因特网发展的三个阶段 1. 第一阶段 （1）从单个网络ARPANET向互联网发展; （2）1983年TCP/IP协议成为ARPANET上的标准协议，人们把1983年作为因特网的诞生时间；,（3）internet和Internet的区别： int

3、ernet（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； Internet（因特网）则是一个专用名词，它是当前全球最大的、由众多网络互连而成的特定计算机网络，它采用TCP/IP协议；,2. 第二阶段 （1）特点是建成了三级结构的因特网； （2）三级计算机网络，分为主干网、地区网和校园网（或企业网）； 3. 第三阶段 （1）特点是逐渐形成了多层次ISP结构的因特网； （2）出现因特网服务提供者ISP(Internet Service Provider)；,一级 ISP,一级 ISP,第一层 ISP,大公司,本地 ISP,大公司,大公司,公司,本地 ISP,本地 ISP,第二层

4、ISP,第二层 ISP,NAP,NAP,A,B,主机A 本地 ISP 第二层 ISP NAP 第一层 ISP NAP 第二层 ISP 本地 ISP 主机B,第一层 ISP,第二层 ISP,本地 ISP,本地 ISP,本地 ISP,本地 ISP,第一层 ISP,第一层,第二层,第三层,本地 ISP,第二层 ISP,本地 ISP,本地 ISP,本地 ISP,本地 ISP,第二层 ISP,本地 ISP,本地 ISP,第二层 ISP,从上图可以看出，因特网已演变为基于ISP和NAP的多层次结构网络； 相隔较远的两个主机的通信可能需要经过多个ISP（如主机A与主机B之间的通信）； （3）万维网 WWW

5、的问世 因特网的迅猛发展始于20纪90年代，由欧洲原子核研究组织CERN开发的万维网 WWW (World Wide Web)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。,1.3 因特网的组成 从因特网的工作方式上看，可以划分为以下的两大块： (1)边缘部分：由所有连接在因特网上的主机组成。这部分是用户直接使用的，用来进行通信（传送数据、音频或视频）和资源共享； (2)核心部分：由大量网络和连接这些网络的路由器组成。这部分是为边缘部分提供服务的（提供连通性和交换）；,因特网的核心部分,因特网的边缘部分,主机,网络,路由器,因特网的边缘

6、部分与核心部分,一、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。 “主机A和主机B进行通信”，实际上是指：“运行在主机A上的某个程序和运行在主机B上的另一个程序进行通信”。 由于“进程”就是运行着的程序，因此，也称为“主机A的某个进程和主机B上的另一个进程进行通信”。或简称为“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通常可划分为两大类： （1）客户服务器方式，即Client/Server方式，简称C/S方式； （2）对等方式，即Peer-to-Peer方式，简称P2P方式；,1.客户服务器方式 （1）概述 客户(clien

7、t)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； 客户是服务的请求方，服务器是服务的提供方。,运行客户程序,网络边缘,网络核心,运行服务器程序,A,B,客户,服务器,客户 A 向服务器 B 发出请求服务，而服务器 B 向客户 A 提供服务。,（2）客户软件的特点 被调用后，在打算通信时主动向远地服务器发起通信（请求服务），因此，客户程序必须知道服务器程序的地址； （3）服务器软件的特点 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； 系统启动后即一直不断地运行着，被动地等待并接受来自各地的客户的通信请求。

8、因此，服务器程序不需要知道客户程序的地址； 需要强大的硬件和高级的操作系统支持；,2.对等连接方式 （1）概述 对等连接（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（P2P 软件），它们就可以进行平等的、对等连接通信； 在对等连接方式下，双方都可以下载对方已经存储在硬盘中的共享文档；,（2）对等连接方式的特点 对等连接方式从本质上看仍然是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又同时是服务器； 例如，主机C 请求D的服务时，C是客户，D 是服务器。但如果C又同时向F提供服务，那么C又同时起着服务器的作用；,网络边缘,网

9、络核心,运行P2P 程序,运行P2P 程序,D,C,E,F,运行P2P 程序,运行P2P 程序,二、因特网的核心部分 （1）网络核心部分是因特网中最复杂的部分； （2）网络中的核心部分要向网络边缘中的大量主机提供连通性，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）； （3）在网络核心部分起特殊作用的是路由器；路由器是实现分组交换的关键构件，其任务是转发收到的分组，这是网络核心部分最重要的功能。,1.电路交换的概念 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时，例如，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(

10、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。,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；,电路交换的特点： （1）电路交换必定是面向连接的； （2）电路交换的三个阶段： 建立连接 通信 释放连接,电路交换举例1： 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,B,D,C,A,电路交换举例2：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,

11、中继线,中继线,B,D,C,A,电路交换传送计算机数据效率低，是因为计算机通信的数据具有突发性，导致通信线路的利用率很低。,2. 分组交换的概念 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；,报文,在每一个数据段前面添加上首部构成分组,数 据,数 据,数 据,首部,首部,首部,请注意：现在左边是“前面”,第二步，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（假定接收端在左边）。,每一个分组的首部都含有地址等控制信息; 分组交换网中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；,H1,

12、H5,H2,H4,H3,H6,发送的分组,路由器,A,E,D,B,C,通信子网,主机,接收端收到分组后剥去首部还原成报文,数 据,首部,数 据,首部,数 据,首部,收到的数据,最后，在接收端把收到的数据恢复成为原来的报文；,数 据,数 据,数 据,这里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。,3. 因特网的核心部分 （1）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； （2）在因特网核心部分的路由器之间一般都用高速链路相连接，而在网络边缘的主机接入到核心部分则通常以相对较低速率的链路相连接； （3）主机的用途是为用户进行信息处理，并可以和

13、其他主机通过网络交换信息；路由器的用途是用来转发分组的，即进行分组交换。,H1,H5,H2,H4,H3,H6,路由器,网络,网络核心部分,主机,H1,H5,H2,H4,H3,H6,发送的分组,路由器,A,E,D,B,C,网络核心部分,主机,分组交换网的示意图,H1,A,互联网,B,D,E,C,H5,H6,H4,H2,H3,H1 向 H5 发送分组,H2 向 H6 发送分组,注意分组路径的变化！,路由器,主机,分组的存储转发过程,H1,A,互联网,B,D,E,C,H5,H6,H4,H2,H3,H1 向 H5 发送分组,路由器,主机,在路由器 A 暂存查找转发表找到转发的端口,在路由器 C 暂存查

14、找转发表找到转发的端口,在路由器 E 暂存查找转发表找到转发的端口,最后到达目的主机 H5,（4）路由器 在路由器中的输入和输出端口之间没有直接连线； 路由器处理分组的过程是：把收到的分组先放入缓存（暂时存储），查找转发表，找出到某个目的地址应从哪个端口转发，然后把分组送到适当的端口转发出去； 主机和路由器的作用不同。主机是为用户进行信息处理的，并向网络发送分组，从网络接收分组；路由器对分组进行存储转发，最后把分组交付目的主机。,（5）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； 可靠，保证可靠

15、性的网络协议；分布式的路由选择协议使网络有很好的生存性。,（6）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（里面有必不可少的控制信息）也造成了一定的开销；,4.报文交换 （1）早在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，因此，存储转发原理不是新概念； （2）报文交换的时延较长，从几分钟到几小时不等，现在报文交换已很少有人使用了；,三种交换的比较,A B C D,A B C D,A B C D,报文交换,电路交换,分组交换,t,数据传送的特点,比特流直达终点,报文,报文,报文,分组,分组,分组,存储转发,存储转发,存储转发

16、,存储转发,三、计算机网络的产生背景 1. 概述 （1）是20世纪60年代美苏冷战时期的产物; （2）传统的电路交换的电信网有一个缺点:正在通信的电路中有一个交换机或有一条链路被炸毁，则整个通信电路就要中断； （3）如要改用其他迂回电路，必须重新拨号建立连接，这将要延误一些时间； （4）网络用于计算机之间的数据传送，网络的结构应当尽可能地简单，同时还能够非常可靠地传送数据。,2. ARPANET使网络的概念发生变化 （1）早期的面向终端的计算机网络是以单个主机为中心的星形网，各终端通过通信线路共享昂贵的中心主机的硬件和软件资源； （2）分组交换网则是以网络为中心，主机都处在网络的外围；用户通过

17、分组交换网可共享连接在网络上的许多硬件、软件和数据资源；,从主机为中心到以网络为中心,以主机为中心,以分组交换网为中心,主机,分组交换网,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)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 计算机网络的分类 一、不同作用范围的网络 广域网 WAN (Wi

18、de Area Network) 局域网 LAN (Local Area Network) 城域网 MAN (Metropolitan Area Network) 个人区域网 PAN (Personal Area Network) 二、不同使用者的网络 公用网 (public network) 专用网 (private network),1.6 计算机网络的性能 一、计算机网络的性能指标 1.速率 （1）比特（bit），一个比特就是二进制数字中的一个 1 或 0； （2）速率，即数据率或比特率，是计算机网络中最重要的一个性能指标；速率的单位是 b/s，或kb/s, Mb/s, Gb/s 等；

19、2.带宽，本来是指信号的频带宽度，现在指数字信道所能传送的“最高数据率” ，单位是“比特每秒 b/s ”；,3.吞吐量 （1）吞吐量表示在单位时间内通过某个网络（或信道、接口）的数据量； （2）吞吐量受网络的带宽或网络的额定速率的限制； 4.时延 （1）传输时延（发送时延），发送数据时，数据块从结点进入到传输媒体所需要的时间。也就是从发送数据帧的第一个比特算起，到该帧的最后一个比特发送完毕所需的时间。,（2）传播时延，电磁波在信道中需要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；,（3）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

20、的时间； （4）排队时延，结点缓存队列中分组排队所经历的时延；排队时延的长短往往取决于网络中当时的通信量； 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,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,（5）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；,二、计算机网络的非性能特征 1.费用 2.质量 3.标准化 4.可靠性 5.可扩展性和可升级性 6.易

21、于管理和维护,1.7 计算机网络的体系结构 一、计算机网络体系结构的形成 1.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； 2.应用“分层”的办法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； 3.关于开放系统互连参考模型OSI/RM；目前有两种国际标准： （1）法律上的国际标准 OSI并没有得到市场的认可；,（2）非国际标准TCP/IP现在获得了最广泛的应用；TCP/IP被称为事实上的国际标准。 二、划分层次的必要性 1. 计算机网络中的数据交换必须遵守事先约定好的规则； （1）这些规则明确规定了所交换的数据的格式以及

22、有关的同步问题（同步含有时序的意思）； （2）网络协议，简称协议，是为进行网络中的数据交换而建立的规则、标准或约定；,2. 网络协议的组成要素 （1）语法：数据与控制信息的结构或格式; （2）语义：需要发出何种控制信息，完成何种动作以及做出何种响应； （3）同步：事件实现顺序的详细说明；,3. 划分层次的概念举例 例，主机 1 向主机 2 通过网络发送文件 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 （1）确信对方已做好接收和存储文件准备； （2）双方协调好一致的文件格式； 其次，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

23、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，

24、帧的最大长度等。,4. 分层的好处 （1）各层之间是独立的； （2）灵活性好； （3）结构上可分割开； （4）易于实现和维护； （5）能促进标准化工作；,5.计算机网络的体系结构 （1）计算机网络的体系结构是计算机网络的各层及其协议的集合； （2）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； （3）实现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； （4）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。,三、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； 但由于网络接口层并没有具体内容。因此往往采取

25、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。,1. 五层协议的体系结构,应用层运输层网络层数据链路层物理层,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,5,4,3,2,1,5,4,3,2,1,主机 1,AP2,AP1,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,5,4,3,2,1,5,4,3,2,1,主机 1,AP2,AP1,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,

26、5,4,3,2,1,5,4,3,2,1,主机 1,AP2,AP1,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,5,4,3,2,1,5,4,3,2,1,主机 1,AP2,AP1,主机 2,IP 数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,5,4,3,2,1,5,4,3,2,1,主机 1,AP2,AP1,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),5,4,3,2,1,

27、5,4,3,2,1,物理传输媒体,主机 1,AP2,AP1,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,5,4,3,2,1,5,4,3,2,1,主机 1,AP2,AP1,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,5,4,3,2,1,5,4,3,2,1,主机 1,AP2,AP1,主机 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,5,4,3,2,1,5,4,3,2,1,主机 1,AP2,AP1,主机 2,网络层剥去首部，取出数据部分上交给运输层,主

28、机 1 向主机 2 发送数据,5,4,3,2,1,5,4,3,2,1,主机 1,AP2,AP1,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,5,4,3,2,1,5,4,3,2,1,主机 1,AP2,AP1,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,5,4,3,2,1,5,4,3,2,1,主机 1,AP2,AP1,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,5,4,3,2,1,5,4,3,2,1,主机 1,AP2,AP1,主机 2,应 用 程 序 数 据,10100110

29、100101 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,主机 1 向主机 2 发送数据,5,4,3,2,1,5,4,3,2,1,主机 1,AP2,AP1,主机 2,10100110100101 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,主机 1 向主机 2 发送数据,5,4,3,2,1,5,4,3,2,1,主机 1,AP2,AP1,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,H2,T2,H3,主机 1 向主机 2 发送数据,5,4,3,2,1,5,4,3,2,1,主机 1

30、,AP2,AP1,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,H4,主机 1 向主机 2 发送数据,5,4,3,2,1,5,4,3,2,1,主机 1,AP2,AP1,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 向主机 2 发送数据,5,4,3,2,1,5,4,3,2,1,主机 1,AP2,AP1,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,5,4,3,2,1,5,4,3,2,1,主机 1,AP2,AP1,主机 2,我收到了 AP1 发来的应用程序

31、数据！,四、实体、协议、服务和服务访问点 1. 实体，表示任何可发送或接收信息的硬件或软件进程； 2. 协议是控制两个对等实体进行通信的规则的集合； （1）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； （2）要实现本层协议，还需要使用下层所提供的服务；,3. 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明的； （1）协议是“水平的”，即协议是控制对等实体之间通信的规则； （2）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； （3）同一系统相邻两层的实体进行交互的地方，称为服务访问点 SAP,实体、协议、服务和服务访问点的关系,

32、协议(n + 1),SAP,SAP,交换原语,交换原语,实体(n + 1),服务提供者,第 n 层,第 n + 1 层,实体(n + 1),服务用户,实体(n),实体(n),协议(n),4. 协议的复杂性 （1）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状态； （2）一个计算机网络协议是否正确，不能光考虑其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；,五、TCP/IP的体系结构 1.四层结构模型,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,HTTP,SMTP,DNS,RTP,TCP,UDP,IP,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 3,Everything 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,