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1、概述,Chapter 1,本课程的主旨,课程的重要性本课程的主题：学习有关计算机网络的基础知识和基础理论，为研究和开发计算机网络打好基础，为研究和开发计算机网络延伸领域奠定基石。,区分两个概念,计算机网络：自主计算机的互联集合。用户必须指定的哪台计算机完成什么样的工作。分布式系统：也是多台自主计算机的互联集合，但由一个操作系统统一管理，对用户来说具有高度的整体性和透明性。用户所面对的是一台虚拟的单处理机，向虚拟系统递交一任务后，由操作系统来安排任务的完成。从效果上讲，分布式系统是建立于网络之上的软件系统，两者的区别更多的取决于软件（尤其是操作系统）而不是硬件。,计算机网络是通信和计算机两者结合
2、的产物。通信技术的发展使得计算机之间的数据传输成为可能；数字计算技术的发展又提高了通信网络各部分的性能。,计算机网络产生和发展的相关领域,传输技术,广播式点对点式 一般来说，越是小的、地理位置局部化的网络倾向于使用广播传输模式；而大的网络通常采用点对点传输模式。,广播式,广播网络：只有一个通信信道，网络上所有的机器都共享该信道。任何一台机器发送的短消息都可以被其它所有机器接收到，分组中的地址域指明了目标接收者。一台机器收到了一个分组后检查它的地址域，如果该分组正是发送给自己的就处理该分组，否则忽略。,点对点式,点对点网络：由许多连接构成的。每个连接对应于一对机器。为了将一个分组从源端传送到目的
3、端，该分组可能要经过一台或多台中间机器。在源端和目的端之间找到一条好的路径，即路由，在这种网络中是一个关键问题。,网络硬件,局域网城域网广域网无线网络家庭网络互联网络,局域网,两个广播式网络(a)总线型(b)环型,局域网,三个特征：（1）范围，覆盖范围受限。（2）传输技术，广播式。（3）拓扑结构，总线型（随机接入）、环型（受控接入）。,广播式局域网的信道分配方式,静态的，频域划分或时域划分，如TDM。动态的，有集中式和非集中式的。在集中式分配方案中，一定具有一个仲裁单元来决定下一个发送者（举例）；非集中式的方法中由每台机器自己决定是否发送数据。,城域网,基于有线电视的城域网；无线城域网，IEE
4、E802.16。,一个基于有线电视的城域网,无线城域网,广域网,子网一般使用基于存储-转发技术的分组交换，传输的数据单元称为分组，当分组长度很小时称为信元。,广域网(2),A stream of packets from sender to receiver.,无线网络,无线网络分类：系统互联（通过一种短距离无线网络蓝牙连接，使用主-从模式）无线LAN（IEEE802.11)高带宽无线接入网络，802.16。无线WAN，如蜂窝电话网络,无线网络(2),（a）系统互联（蓝牙技术）,（b）无线LAN（IEEE802.11）,家庭网络,计算机（桌面PC，PDA，共享辅助设备）娱乐（TV,DVD,VC
5、R,摄像机，照相机，MP3）无线通信（电话，移动电话，对讲机，传真）家用电器（微波炉，冰箱，空调等）遥测设备（电表，烟雾警报器等）,互联网,将相互之间不兼容的网络互联互通，可以通过网关。网关提供硬件和软件层次上的转换。一组相互连接起来的网络称为互联网。组成形式，通过一个WAN将多个LAN组织起来。,网络软件,计算机网络协议与体系结构,网络软件的结构化技术,网络协议,网络协议：为进行网络中的数据交换而建立的规则、标准或约定。协议三要素：（1）语法，即数据与控制信息的格式；（2）语义，即需要发出何种控制信息，完成何种动作及作出何种反应；（3）同步，即事件完成顺序的详细说明。研究经验表明，对于复杂的
6、计算机网络协议，其结构应该采用层次式的。,层次式的体系结构,基本思想：网络协议被组织成相互叠加的层，每一层都建立在其下一层的基础之上，每一层向其上一层提供特定的服务，而把如何实现这些服务的细节队上一层屏蔽。下面举例说明这种思想的实际应用。,层次式的体系结构,点到点通信与端到端通信网络体系的分层原理网络体系结构开放系统互联参考模型OSI层间垂直接口关系与对等层,点到点通信与端到端通信,点到点通信：相邻节点之间通过直达通路的通信。相邻节点之间是一条直达的线路（Line），又叫线路通信。端到端通信：不相邻节点之间通过中间节点链接起来形成间接可达通路的通信。不相邻节点之间的通路是由一系列点到点线路串接
7、起来的链路（Link），又叫链路通信。,点到点与端到端,EE,PP,网络体系的分层原理,点到点通信,网络体系的分层原理,点到点通信中通信服务层和用户服务层的基本划分 点到点通信相应通信软件的设计要考虑两个接口界面（除了与各自操作系统接口外）：向上的面向用户的界面、向下的面向通信线路的界面。通信软件的设计相应的被划分为两个相对独立的基本层次：用户服务层US和通信服务层CS。US：向上处理与用户接口的通信应用请求和服务；CS：向下处理与通信线路接口的收发数据。,划分后的通信过程,发送结点的用户服务层把用户为某种应用而输入的信息转换成适合通信传输的形式；并通过通信服务层传送到通信线路上去。接收结点的
8、通信服务层接收从线路上送来的信息并把它送到应用服务层，应用服务层转换成用户识别的形式给接收端用户。,划分后的优势,通信服务层把用户服务层与具体的通信接口隔离（US模块的设计可以独立于具体通信线路和通信硬件接口的差别或改变）；用户服务层把通信服务层与具体的用户隔离（通信服务层模块的设计可以独立于具体用户应用要求的不同）。一个复杂的问题变成了两个相对简单问题：数据转换和收发数据。,端到端通信中网络服务层的引入,端到端通信中网络服务层的引入,端到端通信需要解决的新问题：（1）中间节点上要有路由转接的功能（把相邻节点通信线路上送来的非本节点接受的报文按报文所指的目的地址寻找一条可达该目标的路径转发出去
9、）；（2）在端结点上要具有启动、建立和维护端到端链路的功能。显然，这些新问题区别于通信服务层和用户服务层的功能。,网络服务层的引入,针对以上新问题，端到端通信环境中引入一个新的层次来专门处理端到端的正确可靠通信问题网络服务层NS。层间关系：NS层使用通信服务层提供的点到点通信联结服务形成端到端通信联接，向用户服务层提供端到端的正确可靠的通信服务。,层次细分,通信服务层（1）物理层（2）数据链路层网络服务层（3）网络层（4）传输层用户服务层（5）用户层,通信服务层的细分,通信服务层基本功能：实现相邻节点之间的点到点通信。实际中，该过程分为两个步骤：（1）发送端I/O驱动程序从内存中的一个缓冲区把
10、一帧数据送到通信控制器（网卡）的硬件接口寄存器中；（2）由通信控制器本身的硬件控制机构把接口寄存器中的数据以位串的形式发送到物理通信线路上去。收端做相反的工作。,通信服务层的细分（2）,相应地，通信服务层细分为：物理层和数据链路层。物理层：实现相邻节点间位串信息流的正确传输。其实体主要是通信控制器中的有关硬件寄存器及向具体物理线路收发位串的各种控制机构，基本是硬件实现的。数据链路层：实现相邻节点间数据帧的正确传输。实体包括与OS有关的I/O驱动程序、内存缓冲区、实现数据链路层协议的有关程序。该协议功能：产生和识别帧边界；帧确认与误码帧重传；信息流量控制；对于广播式网络：如何控制共享信道的访问。
11、,网络服务层的细分,网路服务层主要完成网络中不相邻节点间的端到端链路通信的任务，该任务由两部分功能组成：（1）中间节点上的路由转接功能；（2）在端结点上的启动、建立和维护端到端链路的功能。所以，NS被自然细分成两个层次（模块）：网络层，传输层。,网络层功能,网络层：主要解决路由选择（即负责将终端系统经过网络的节点用数据链路连接起来，组成通信链路，实现两个终端系统的数据包透明传输，传输单元式“分组”或Packet。）。（）路由选择；（）拥塞控制；（）记账；（）异种网络互联。,传输层功能,传输层：处理端到端链路的建立和维护，基本传输单元是报文。（）报文的分段和重装；（）使用多路复用使对上层透明；（
12、）管理跨网连接的建立和拆除；（）端到端的流控。,会晤层功能,会晤层：传输层划分出的一个子层，用来处理端到端通信中与高层用户有关的问题。（）向两个表示层实体提供建立和使用连接的方法；（）提供不同的对话类型；（）遇到故障时的对话恢复；（）认证。,用户服务层的细分,用户服务层的主要功能是用以处理网络用户接口的应用请求和服务。层划分出应用层用来支持不同具体应用的用户服务（支持多用户，多种应用功能以及可能异种机、异种应用环境等），语义，该层可以根据不同的要求分别规定不同的通信协议，设计对应的模块；划分出表示层用以实现所有应用都需要解决的某些共同问题，语法，如加解密，压缩还原，公共数据表示等。,小结,计算
13、机之间互联互通网络协议软件或硬件实现实现方法：层次式的（模块化的）,网络体系结构及相关概念,网络体系结构：层和协议的集合。协议栈：一个特定的系统所使用的一组协议（每一层一个）称为协议栈。实体：指任何可发送或接收信息的硬件或软件进程。（一个抽象概念，在研究信息交换时，发送或接收信息的究竟是一个进程、一个文件还是一个终端没有实质影响）。对等实体：不同机器上包含的对应层的实体。协议：控制两个对等实体进行通信的规则的集合。,分层后的通信过程（支持第五层的虚通信）,虚线还代表水平虚通信，实线箭头指向的才是实际的数据传输,分层后的通信过程（）,第五层的一个应用进程产生了一条消息，并且将它传递给第四层。第四
14、层在消息的前边加上一个头，并把它传给第三层。其中头部包含的是控制信息（如序列号、大小、时间等）。,分层后的通信过程（）,一般情况，对第层传递的消息（报文）大小没有限制，但第层对消息（分组或包）大小则有限制。因此第层必须对进入的消息分割成更小的等长的单元并在每个单元前边加上第层头（构成分组）。被分成和第层决定使用哪条输出线路，并把分组传递给第层,分层后的通信过程（）,第层在每一段信息前边加上一个头，在加上一个尾。将数据单元传给第层以便进行物理传输。,分层后的通信过程（）,在收端机器上，消息又下往上逐层传递，并且在每一层中将相应头部剥离。而在信息经过的中间机器上（如路由器上）数据一般不会涉及到层以
15、上。注意，数据在层间逐层传递的过程不是简单的通过，而是每层实体都要都要做一定的工作、完成一定的功能。,服务、接口和协议,服务，每一层都为它的上一层提供一些服务，这些服务是指一组原语（操作），服务的定义指明了该层做些什么（如网际层提供的服务是发送IP分组和接收IP分组）。接口，每一层的接口告诉它上面的进程如何访问该层。协议，每一层的对等协议是本层内部的事，它可以使用任何协议只要能完成任务就可以，还可以随意改变而不影响其它层次。,服务与协议的关系,服务访问点,服务访问点：在同一系统中相邻两层的实体进行交互（即交换信息）的地方。即层实体向（）层实体提供服务的地点。是对层间接口的一种抽象。这种接口在软
16、件上的实现常有两种方法：（）层间的模块调用；（）共享数据结构以及共享数据缓冲区。,各层的设计问题,寻址（识别发送方和接收方的一种机制）差错控制（错误检测和错误纠正，确认机制）流量控制（反馈机制，将接受方当前的状况反馈给发送方）复用（下面的层可以为上面层的多个不相关的对话使用同一个连接，如物理层、传输层）路由,面向连接的服务与面向无连接的服务,面向连接的服务：建立连接，使用连接，释放连接；面向无连接的服务：每一条报文都带有完整的目标地址在网络中独立路由。无需建立连接。,服务原语,原语：上下层之间交换的一些指令，通常带有参数。用于层间的模块调用。参数用以说明具体要求或在层间传递一些信息。用于实现一
17、个面向连接的服务所需的原语：,参考模型,OSI TCP/IPA Comparison of OSI and TCP/IP,The OSI reference model.,参考模型（）,参考模型的各层：（）互联网层，其任务是允许主机将分组发送到任何网络，并让分组独立地到达目标端。其协议是协议，分组路由和拥塞控制是主要问题。传输层，允许源和目标主机上的对等实体进行对话。定义了两个端到端的协议：，。应用层，包含所有高层协议。主机至网络层（网络接口层），没有明确规定内容。,参考模型(),TCP/IP 参考模型,参考模型(),TCP/IP模型的树形结构,参考模型(),协议族特点：两头大，中间小。该特点
18、表明：最高的应用层可以有很多种协议，而最低的网络接口层也可以连接很多种网络。（可以为各式各样的应用提供服务，同时也可以连接到各式各样的网络上，使该模型开放性的最好体现）,OSI与TCP/IP的区别,（1）OSI严格定义了服务、接口和协议的概念，而TCP/IP则只是在后来才作了相应改进；（2）OSI参考模型产生于协议发明之前，因此它更具有通用性，另一方面也由于缺乏经验各层的功能分工也有重复和混乱的情况；而TCP/IP则正好相反，协议先出现，该模型只是对协议的一个描述而已，模型和协议吻合得很好，但也使该模型没有通用性，不适合其它协议栈。（3）层的数目（4）无连接的和面向连接的通信范围不同。OSI的网络层同时支持无连接的和面向连接的服务，但传输层只支持面向连接的通信；TCP/IP在网络层只有无连接的模式，但在传输层同时支持两种通信模式。,原理体系结构,本书讨论原理体系结构,网络标准化,
