01-zgb-计算机网络概述

高级网络通信原理浙江工商大学信电学院主讲：诸葛斌Tel:[e-mail]教材和参考书鲁士文，“现代通信与网络教程”，清华大学出版社，2004年6月谢希仁,计算机网络(第4版),电子工业出版社AndrewS.Tanenbaum,“ComputerNetworks”,FourthEdition,PrenticeHall,2003W.Richard.Stevens，TCP/IP详解卷一：协议，机械工业出版社，2000年4月。上课时间地点：星期四下午，信电楼412教学安排1计算机网络概述2物理层3数据链路层4局域网5广域网6网络层7网络互连8路由协议9运输层10应用层11应用层综合布线实验（网线制作，综合布线）实验一：交换机实验（一）实验二：交换机实验（二）实验三：路由器实验室（一）实验四：路由器实验室（二）成绩课程论文30%期末考试70%第1章概述1.1计算机网络在信息时代中的作用1.2计算机网络的发展过程1.2.1分组交换的产生1.2.2关于因特网的标准化工作1.3计算机网络的分类1.3.1计算机网络的不同定义1.3.2几种不同的分类方法第1章概述（续）*1.4计算机网络的主要性能指标1.4.1带宽1.4.2时延1.4.3时延带宽积和往返时延第1章概述（续）1.5计算机网络的体系结构1.5.1计算机网络体系结构的形成1.5.2划分层次的必要性1.5.3计算机网络的原理体系结构1.5.4实体、协议、服务和服务访问点1.5.5面向连接服务和无连接服务1.5.6OSI与TCP/IP体系结构的比较*1.6应用层的客户-服务器方式1.1计算机网络在信息时代的作用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。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。1.2计算机网络的发展过程1.2.1分组交换的产生是20世纪60年代美苏冷战时期的产物。60年代初，美国国防部领导的远景研究规划局ARPA(AdvancedResearchProjectAgency)提出要研制一种生存性(survivability)很强的网络。传统的电路交换(circuitswitching)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。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。计算机网络的产生背景新型网络的基本特点网络用于计算机之间的数据传送，而不是为了打电话。网络能够连接不同类型的计算机，不局限于单一类型的计算机。所有的网络结点都同等重要，因而大大提高网络的生存性。计算机在进行通信时，必须有冗余的路由。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。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：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。电路交换的特点电路交换必定是面向连接的。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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电路交换传送计算机数据效率低计算机数据具有突发性。这导致通信线路的利用率很低。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1分组2分组3请注意：现在左边是“前面”分组交换的原理（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（假定接收端在左边）。数据首部分组1数据首部分组2数据首部分组3分组首部的重要性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。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！结点交换机主机注意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注意结点交换机有多个端口ABCDEH1H5H2H4H3H6高速链路结点交换机12341234123412341234结点交换机在结点交换机中的输入和输出端口之间没有直接连线。结点交换机处理分组的过程是：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；把分组送到适当的端口转发出去。主机和结点交换机的作用不同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。结点交换机对分组进行存储转发，最后把分组交付给目的主机。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（里面有必不可少的控制信息）也造成了一定的开销。存储转发原理并非完全新的概念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(messageswitching)。报文交换的时延较长，从几分钟到几小时不等。现在报文交换已经很少有人使用了。三种交换的比较报文报文报文ABCDABCDABCD报文交换电路交换分组交换t连接建立数据传送报文连接释放从主机为中心到以网络为中心主机终端以主机为中心以分组交换网为中心主机分组交换网1.2.2关于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…RGWG……RG…领域领域因特网体系结构研究委员会IABWGWGWG1.3计算机网络的分类1.3.1计算机网络的不同定义最简单的定义：计算机网络是一些互相连接的、自治的计算机的集合。因特网(Internet)是“网络的网络”。1.3.2几种不同的分类方法从网络的交换功能进行分类从网络的作用范围进行分类从网络的使用者进行分类1.3.2几种不同的分类方法（一）从网络的交换功能分类电路交换报文交换分组交换混合交换1.3.2几种不同的分类方法（二）从网络的作用范围进行分类广域网WAN(WideAreaNetwork)局域网LAN(LocalAreaNetwork)城域网MAN(MetropolitanAreaNetwork)接入网AN(AccessNetwork)广域网、城域网、接入网以及局域网的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……1.4计算机网络的主要性能指标1.4.1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千比每秒，即kb/s（103b/s）兆比每秒，即Mb/s（106b/s）吉比每秒，即Gb/s（109b/s）太比每秒，即Tb/s（1012b/s）请注意：在计算机界，K=210=1024M=220,G=230,T=240。数字信号流随时间的变化在时间轴上信号的宽度随带宽的增大而变窄。每秒106个比特时间1010111s带宽为1Mb/s时间每秒4106个比特0.25s带宽为4Mb/s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。结点缓存队列中分组排队所经历的时延是处理时延中的重要组成部分。处理时延的长短往往取决于网络中当时的通信量。有时可用排队时延作为处理时延。时延(delay或latency)数据经历的总时延就是发送时延、传播时延和处理时延之和：总时延=发送时延+传播时延+处理时延三种时延所产生的地方1011001…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。1.4.3时延带宽积和往返时延（传播）时延链路带宽时延带宽积=传播时延带宽链路的时延带宽积又称为以比特为单位的链路长度。时延带宽积往返时延RTT往返时延RTT(Round-TripTime)表示从发送端发送数据开始，到发送端收到来自接收端的确认（接收端收到数据后立即发送确认），总共经历的时延。1.5计算机网络的体系结构1.5.1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。OSI的专家们在完成OSI标准时没有商业驱动力；OSI的协议实现起来过分复杂，且运行效率很低；OSI标准的制定周期太长，因而使得按OSI标准生产的设备无法及时进入市场；OSI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(dejure)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。TCP/IP常被称为事实上的(defacto)国际标准。1.5.2划分层次的必要性计算机网络中的数据