计算机网络原理.ppt

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1、计算机网络原理,计算机网络原理,教师 陈妍学时 总学时56（上课48+上机8+自学）联系方式 phone:2668642(2668649)-8003 E-mail:,教材及参考书,使用教材：计算机网络（第三版）Andrew S.Tanenbaum 著，清华大学出版社 主要参考书目：1、计算机网络原理（第二版）李增智、陈妍编著，西安交 通大学出版社 2、计算机网络（第二版）谢希仁等著，电子工业出版社 3、计算机网络自顶向下方法与Internet特色James F.Kurose 高等教育出版社,答 疑,时间：每周五 下午 7，8节课答疑地点：1-6周 西一楼432房间 答疑教师：王志文 7-18周

2、西一楼447房间 答疑教师：朱海萍，陈妍 使用email答疑,课程的任务、目的和基本要求,了解计算机网络的基本概念掌握计算机网络各层协议的基本工作原理及其所采用的技术学会计算机网络的一些基本设计方法对典型常用计算机网络的特点和具体实现有初步了解为以后计算机网络及其应用的专题学习和研究打下基础实验课：掌握计算机网络协议的基本实现技术,主要教学内容,第一章概述 第二章物理层 第三章数据链路层 第四章介质访问子层 第五章网络层 第六章运输层 第七章应用层 第八章复习,作业、实验和考试,作业(5%)每次1分实验(15%)考试(80%)期末，闭卷考试。,第一章 概 述,主要内容计算机网络的一般概念网络结

3、构网络体系结构网络标准化组织典型的参考模型,1.1 计算机网络的一般概念,1946年 计算机的诞生 特征：计算机体积大、价格昂贵、计算能力强,1.以单处理机为中心的多终端联机系统,1952年 美国半自动化地面防空系统（SAGE）60年代初 美国航空公司飞机订票系统(SABRE-1),一、计算机网络发展的历史,以单处理机为中心的多终端联机系统,特征：以单处理机为中心的联机网络，集中式控制 缺点：主机负荷重，线路利用率低,2.计算机计算机网络,典型代表：1969年 美国国防部高级计划研究局 ARPA网,分布式控制单主机终端网络的互联，形成多主机为中心的网络网络结构从“主机终端”转变为“主机主机”,

4、2.计算机计算机网络（续1）,通信任务从主机中分离CCP通信控制处理机，专门处理主机之间的通信任务,通信线路,2.计算机计算机网络（续2）,网络分层思想资源子网 服务器，客户计算机通信子网 通信线路 网络互连设备（交换机，路由器，HUB等）由CCP组成的传输网络通信子网，为资源子网提供信息传输服务。,3.标准化网络,1970年代开始的标准化网络厂商标准：IBM-SNA,DEC-DNA国际标准：ISO-OSI/RM事实标准：TCP/IP PC出现和局域网的普及 Internet的飞速发展,二.计算机网络的定义,计算机网络的定义物理结构：用通信线路和设备将地理上分散的计算 机连成一个整体计算机网络

5、的目的：共享资源连接手段：在通信协议的控制下与分布式系统的区别LAN 以共享资源为主要目的，各计算机独立工作，向用户呈现分散系统。分布式系统以提高整体性能为主要目的，强调多计算机系统的整体性，各计算机协调自治工作，向用户呈现整体系统,三.计算机网络的应用,用于企业的网络资源共享提高可靠性节约经费通信手段服务于公众的网络访问远程信息个人间通信交互式娱乐,1.2 计算机网络的结构,一、网络分类从地域范围角度：1.局域网络LAN(Local Area Networks)2.城域网络MAN(Metropolitan Area Networks)3.广域网络WAN(Wide Area Networks)

6、从采用技术角度：1.无线网络(Wireless Networks)2.卫星网络 3.ATM网络.,二、拓扑结构,1 拓扑结构的定义 采用拓扑学的方法抽象的网络结构，研究计算机网络中“点”和“线”构成的几何图形。2 几种主要的拓扑结构 1）总线型拓扑结构 特点：由所有节点连接到一条传输介质上,总线型拓扑,优点：电缆长度短，布线容易 易于扩充缺点：节点发生故障将导致整个网络瘫痪故障扩散 故障定位排除困难,星型拓扑,优点：建网灵活 便于集中式控制 除中央节点外其它节点发生故障不扩散，易定位排除 缺点：电缆长度长难安装 依赖于中央节点,特点：由中央节点和通过点到点链路连接到中央节点的各节点所组成。,环

7、型拓扑,优缺点与总线型拓扑类似 优点：适合采用光纤 缺点：对环路的可靠性依赖性强,特点：首尾相连的总线型拓扑结构,树型拓扑,特点：形状为一棵倒置的树，由根和叶节点组成。树形结构是总结型结构的扩展，它是在总线网上加上分支形成的。,优点：属于分层网，具有一定容错能力，一般一个分支和结点的故障不影响另一分支结点的工作。缺点：属于集中式控制，对上层节点倚赖。,网状型拓扑,在广域网中没有明晰的拓扑结构，其特征为任两个节点间的数据传送都要经过其它节点或网络的转接；任两个节点间都有两条以上的链路可供选择。优点：可靠性高 缺点：通信线路冗余，浪费大 传输效率低,三、传输技术,1.点到点通道基本特点：一条线路连

8、接二台网络互连设备（点到点）一般情况下，二台计算机的传输要经过多台网络互连设备一般情况下，二台计算机的传输有多条路径可供选择 一般情况下，采用存储转发方式进行信息传输关键技术：路由选择(Routing),三、传输技术（续1）,2.广播通道 基本特点：多台计算机共享一条通信信道 任一台计算机发出的信息可以直接被其它计算机接收两个以上节点同时发送会产生冲突关键技术：介质访问控制方法,1.3 计算机网络体系结构,一、研究方法 协议分层例子：两个哲学家讨论哲学问题问题：两个哲学家使用不同的语言 两个哲学家位于不同的国家,哲学知识,翻译,通信,哲学家翻译秘书结构,分层优点,各层独立。每一层不需要知道下层

9、是如何实现的，只需要知道层间的接口和所提供的服务。灵活性好。当任意层发生变化时，只要接口不变，上下层均不受影响。结构上分开。各层可采用最适合的技术。易于实现和维护。促进标准化。由于每一层及其提供的服务都有明确的定义。,分层原则,根据功能需要分层每层的功能明确每层的功能选择有利于制定国际标准每层的接口信息量尽可能少层数足够多：避免不同的功能混于同一层 层数不能太多：避免体系结构过于庞大,二、网络体系结构,研究方法按功能抽象分层定义层间的接口和提供的服务定义同层间通信的规则协议网络体系结构的定义层服务协议,三、网络体系结构的描述(1),(N)层和(N)实体(N)层：指在网络体系结构中的某特定层(N

10、+1)层：指(N)层的相邻上层(N-1)层：指(N)层的相邻下层(N+1)层和(N-1)层的提出主要是研究(N)层与其相邻上层、下层的关系。(N)实体：(N)层中具有数据收发能力的活动单元。一般就是该层的软件进程或者实现该层协议的硬件单元。(N)对等实体(同等实体)：位于不同子系统的同一层的实体间的互称。,三、网络体系结构的描述(2),2.服务、协议和连接 服务Service：(N)实体向(N+1)实体提供的相互通信的能力。是(N+1)实体能看见的(N)实体提供的功能集合，包括：(N)实体自己提供的某些功能。从(N-1)层及以下各层及本地系统得到的服务。通过与对等实体通信而得到的功能,协议 p

11、rotocol：计算机网络同等层次中，通信双 方进行信息交换时必须遵守的规则。协议的组成：1.语法（syntax)：以二进制形式表示的命令和相应的结构2.语义（semantics)：由发出的命令请求，完成的动作和回送的响应组成的集合3.定时关系（timing)：有关事件顺序的说明,连接 connection,(N)连接：(N+1)实体利用(N)实体提供的服务而建立的联系。(N+1)层对等实体要进行通信必须通过相邻下层以及下面各层通信来完成，即调用相邻下层的服务来完成。,协议与连接,服务提供者service provider和服务用户service user,(N)服务提供者：提供(N)服务的下

12、一层实体。直接的(N)服务提供者：(N)层实体。间接的(N)服务提供者：(N)层及其以下各层的实体。(N)服务用户：接受(N)服务的上一层实体。直接的(N)服务用户：(N+1)层实体。间接的(N)服务用户：(N+1)层及其以上各层的实体。,服务访问点SAP,服务访问点SAP（Service Access Point）任何层间服务是在接口的SAP上进行的；每个SAP有唯一的识别地址；每个层间接口可以有多个SAP。,数据单元 Data Unit,在网络中信息传送的单位，称为数据单元。对等实体在协议的控制下交换信息相邻层实体按服务交换信息数据单元包括：协议数据单元 PDU接口数据单元 IDU服务数据

13、单元 SDU,协议数据单元 PDU,定义：不同系统(N)对等实体为实现该层协议所交换的信息单位，称为(N)协议数据单元(N)PDU。(N)PDU的具体格式如下：(N)PCI(N)用户数据(N)PCI 为(N)协议控制信息，是为实现(N)协议而在传送的数据的首部或尾部加的控制信息，如：地址、差错控制信息、序号信息等。(N)用户数据为(N)层实体为提供(N)服务而传送的信息。考虑到协议的要求，如时延、效率等因素，(N)PDU的大小一般都有一定的长度要求。,(N)PDU与(N+1)PDU的关系,（N+1)PDU(N)PCI(N)用户数据,接口数据单元 IDU,定义：在同一系统的相邻两层实体的一次交互

14、中，经过层间接口的信息单元，称为(N)接口数据单元。(N)IDU的具体格式如下：(N)ICI(N)接口数据(N)ICI 为(N)接口控制信息，协议在通过层间接口时，需要加一些控制信息，如通过多少字节、或要求的服务质量等。(N)ICI只对PDU 通过接口时有作用，进入下层后丢弃。(N)接口数据为通过接口传送的信息内容。,服务数据单元SDU,定义：(N)服务用户所要求传递的逻辑数据单元称为(N)服务数据单元。(N)SDU与(N)PDU的用户数据部分的关系：由于(N)PDU的大小一般都有一定的长度要求。因此，(N)PDU的用户数据部分可能是经过分段或合并的(N)SDU。两者的关系为：1:1、1:N、

15、N:1。(N)SDU(N)PCI(N)PCI,数据单元间关系,数据封装,服务分类和服务原语,1.基于连接的服务和无连接服务基于连接的服务当使用服务传送数据时，首先建立连接，然后使用该连接传送数据。使用完后，关闭连接。特点：可靠，顺序性好。无连接服务直接使用服务传送数据，每个包独立进行路由选择。特点：不可靠，顺序性差。,2.服务原语服务在形式上是由一组接口原语（或操作）来描述的。当(N+1)实体向(N)实体请求(N)服务时，服务提供者和服务用户间需要交流一些必要信息，以说明要求的服务的一些情况，这些信息既服务原语。服务原语可分为四种类型：请求（Request）指示（Indication）响应（R

16、esponse）确认（Confirm）,请,求,原,语,指,示,原,语,响,应,原,语,证,实,原,语,服,务,提,供,者,服,务,用,户,服,务,用,户,请,求,原,语,指,示,原,语,服,务,提,供,者,服,务,用,户,服,务,用,户,证实型服务,非证实型服务,一个具体的例子：A给B打电话：服务用户：A、B 服务提供者：电信局 A摘机拨号 A向电信局发请求原语 B电话铃响 电信局向B发指示原语 B摘机 B向电信局发响应原语 A回铃声断 电信局向A发证实原语,1.4 网络标准化组织 1,一、计算机网络的标准化 1.电信标准1865年成立国际电信联盟ITU（International Tele

17、communication Union）1947年 ITU 成为联合国的一个组织，由三部分组成：ITU-R：无线通信 ITU-T：电信标准，1956-1993 年称为CCITT，下设许多研究组SG，研究组下设专题，例如：Q42/SG VII 专门研究 OSI 参考模型。ITU-D：开发,2.国际标准 1946年成立的国际标准化组织 ISO 负责制定各种国际标准，ISO 有89个成员国家，85 个其他成员。ISO 有200 多个技术委员会TC，每个技术委员会下设若干分委员会SC，每个分委员会由由若干工作组WG 组成。例如：TC97-计算机和信息处理 TC97/SC21/WG1-OSI 体系结构、

18、概念性方案和形式描述,3.其它标准化组织 ANSI：美国国家标准研究所，ISO 的美国代表 NIST：美国国家标准和技术研究所，美国商业部的标准化机构 IEEE：发表行业标准。例如IEEE 802，后成为ISO 8802。ATM Forum：ATM论坛 OIF（Optical Internetworking Forum）值得注意的是，ITU-T 和 ISO 之间有很好的合作和协调。,4、Internet 标准Internet 的标准特点，是自发而非政府干预的，称为RFC（Request For Comments)。1969 年ARPANET 时就开始发布RFC，至今已超过3000个。1983年

19、成立IAB（Internet Activities Board）1989年在IAB 下又成立了IRTF 和 IETF，IETF的各工作组负责组织提出相应的RFC 建议。,1.5 典型计算机网络的参考模型（1）,1.OSI(Open System Interconnection)参考模型 1983年ISO 的 OSI 模型正式成为国际标准。1)物理层（The Physical Layer）在物理线路上传输原始的二进制数据位（基本网络硬件）。2)数据链路层（The Data Link Layer）在有差错的物理线路上提供无差错的数据传输帧（Frame）。3)网络层（The Network Laye

20、r）控制通信子网提供源点到目的点的数据传送分组（Packet）。,4)运输层（The Transport Layer）为用户提供端到端的数据传送服务。5)会话层（The Session Layer）为用户提供会话控制服务（安全认证）。6)表示层（The Presentation Layer）为用户提供数据转换和表示服务。7)应用层（The Application Layer）为用户提供访问OSI的接口。,对OSI的评价,OSI是80年代计算机网络技术，网络体系结构的主流OSI网络体系结构的核心和贡献：分层模型服务、接口、协议Andrew S.Tanenbaum 在书中评价OSI：糟糕的提出时机

21、（太晚）糟糕的技术（模型和协议都有缺陷）糟糕的实现（庞大，笨拙，缓慢）糟糕的策略（政府和组织的官僚）,糟糕的提出时机,1.5 典型计算机网络的参考模型（2）,2.TCP/IP 参考模型 TCP/IP 协议是 Internet 网络的核心。1)物理层：在物理线路上传输原始的二进制数据位。2)数据链路层：在有差错的物理线路上提供无差错的数据传输。*TCP/IP 参考模型把第1层和第2层合起来称为：Host-to-Network 主机网络层 3)Internet层（网络层）：控制通信子网提供源点到目的点的 IP 包传送。4)运输层：提供端到端的数据传送服务。TCP 和 UDP 5)应用层：提供各种

22、Internet 管理和应用服务功能。,对TCP/IP的评价,TCP/IP是Internet的支撑协议，是目前使用最广泛的协议。TCP/IP网络体系结构的主要优点：简单、灵活、易于实现充分考虑不同用户的需求Andrew S.Tanenbaum 在书中评价TCP/IP：没有明显地区分出协议、接口和服务的概念不通用，只能描述它本身主机-网络层只是个接口不区分物理层和数据链路层有缺陷的协议很难被替换,本章作业,计算机网络由哪些部分组成，什么是通信子网和资源子网？试述这种层次结构的特点以及各层的作用是什么？为什么要研究网络体系结构与网络协议的标准化问题?一个完整的计算机网络的定义应包含哪些内容？说明拓扑结构和信道连接方式的关系。在ISO/OSI中使用了什么样的研究方法，这种方法的优点是什么？说明服务和协议的区别和联系。举例说明网络中数据封装的概念。试说明为什么要引入服务原语。,