计算机网络 主讲：卢军 15807290505 jun.lu@qq

1. 计算机网络主讲：卢军15807290505jun.lu@qq.com

2. 计算机网络向导 目录 计算机网络概述 物理层 数据链路层 网络层 传输层 应用层 网络安全

3. 计算机网络概述 1 计算机网络概述 计算机网络基本概念 计算机网络体系结构 交换技术 互联网 两种通信方式

4. 内在的世界，巨大的力量 • 每一天都既是明天，也是今天，也会变成昨天。好好把握和感受生命中的今天，就会迎接灿烂辉煌的明天。 • 要想改变你的外在世界，就要从内在世界着手，如果只是试图从外在世界本身寻找解决问题的答案，这样做是徒劳无功的，只能解决 表面的问题。

5. 本章关键词 基础设施 三网 交换 分组 存储转发交换机 电路/报文/分组交换 因特网 ISP RFC 计算机网络 WAN LAN MAN AN 公用网 专用网 带宽 时延 发送速率 吞吐量 分层 协议 服务 透明 对等 实体 SAP SDU PDU 连接 面向连接 面向无连接 尽最大努力服务 C/S B/S

6. 计算机网络的基本概念 计算机网络的定义 • 两台或两台以上、不同地理位置、自治的计算机通过传输媒介和通信设备相互连接，在网络系统软件、协议软件、应用软件的支持下完成资源共享和通信等基本任务的系统称为计算机网络。 计算机网络的分类 • 从不同作用范围进行分类 • 广域网 WAN (Wide 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) 亦称园区网：校园网、住宅小区网等。 • 从网络的使用者进行分类 • 公用网 (public network) • 专用网 (private network)

7. 计算机网络的性能 速率 比特（bit）是计算机中数据量的单位，也是信息论中使用的信息量的单位。 Bit 来源于 binary digit，意思是一个“二进制数字”，因此一个比特就是二进制数字中的一个 1 或 0。 速率即数据率(data rate)或比特率(bit rate)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 速率往往是指额定速率或标称速率。 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)。 • 常用的带宽单位是 • 千比每秒，即 kb/s （103 b/s） • 兆比每秒，即 Mb/s（106 b/s） • 吉比每秒，即 Gb/s（109 b/s） • 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。

8. 1 s 时间 带宽为 1 Mb/s 1 0 1 0 1 1 每秒106个比特 0.25 s 带宽为 4 Mb/s 时间 每秒4106个比特 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。

9. 计算机网络的性能 吞吐量 利用率 吞吐量(throughput)表示在单位时间内通过某个网络（或信道、接口）的数据量。 吞吐量更经常地用于对现实世界中的网络的一种测量，以便知道实际上到底有多少数据量能够通过网络。 吞吐量受网络的带宽或网络的额定速率的限制。 时延(delay) 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。 发送时延=数据块长度（bit）/信道带宽（bit/s） 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。 传播时延=信道长度（m）/信号在信道上的传输速率（m/s） 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。 排队时延 结点缓存队列中分组排队所经历的时延。 总时延 = 发送时延+传播时延+处理时延+处理时延 信道利用率指出某信道有百分之几的时间是被利用的（有数据通过）。完全空闲的信道的利用率是零。 网络利用率则是全网络的信道利用率的加权平均值。 信道利用率并非越高越好。

10. 在链路上产生 传播时延 在发送器产生传输时延 (即发送时延) 四种时延所产生的地方 从结点 A 向结点 B 发送数据 在结点A 中产生 处理时延和排队时延 数据 … 1 0 1 1 0 0 1 队列 链路 结点A 发送器 结点B

11. 计算机网络的非性能特征 费用 质量 标准化 可靠性 可扩展性和可升级性 易于管理和维护

12. 复习习题 1、收发两端之间的传输举例为1000km，信号在媒体上的传播速率为2x108m/s。试计算以下两种情况的发送时延和传播时延： （1）数据长度为107bit，数据发送速率为100kb/s。 （2）数据长度为103bit，数据发送速率为1Gb/s。 解析：（1）发送时延=107bit/（100x103b/s）=100m （2）发送时延=103bit/109b/s=1us 两者的传播时延都为：1000x103m/ 2x108m/s=5ms 2、假设信号在媒体上的传播速率为2.3x108m/s。媒体长度l分别为（1）10cm 网卡（2）100m 局域网（3）100km 城域网 （4）5000km 广域网。试计算当数据率1Mb/s和10Gb/s时在以上媒体中正在传播的比特数。 解析：即求传播时延带宽积。 传播时延=信道长度/电磁波在信道上的传播速率。 传播时延带宽积=传播时延x数据率 3、局域网与广域网之间的差异不仅仅在于他们所能覆盖的地理范围不同，而且还在于所使用的协议不同。 解析：广域网覆盖范围广，通信线路可靠性较低，因此广域网相应的技术都是为了保证在不可靠的线路上如何实现可靠的通信。而局域网覆盖范围小，信道质量较高，搭建局域网是为了在可靠的线路上实现高速通信。

13. 复习习题 4、计算机网络中可以共享的资源包括:硬件、软件和数据。

14. 预习习题 网络体系结构为什么要采用分层次的结构？试举出一些与分层体系结构的思想相似的日常生活。 OSI参考模型分为几层？分别是哪几层？ TCP/IP参考模型分为几层？分别是哪几层？ 什么是网络协议？ 什么是服务？

15. 计算机网络向导 计算机网络的体系结构 OSI参考模型 网络协议 实体、协议、服务和服务访问点 TCP/IP参考模型 使用TCP/IP进行通信

16. OSI参考模型 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。 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(implementation)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。

17. 标准化组织ISO • ISO:国际标准化组织 ( International Organization for Standardization )致力于制定数据网络的白标准。 • OSI:开放系统互联 (open system interconnection ) • 国际标准化组织程序，用于增强不同于不同厂商设备之间的互操作性。 • IOS (Internet work 0perating System)网间网操作系统 • 20世纪70年代后期，ISO创建OSI参考模型，希望不同供应商的网络能够相互协同工作，但迄今为止，这仍然是一个伟大的目标！

18. 网络分层的优点 • 层 layer：描述了所有需求的有效的通讯过程，并把这些过程逻辑上的组叫做层。 • 分层的优点： 1.促进标准化工作,允许各个供应商进行开发. 2.各层间相互独立,把网络操作分成低复杂性单元. 3.灵活性好,某一层变化不会影响到别层，设计者可专心设计和开发模块功能. 4.各层间通过一个接口在相邻层上下通信

19. OSI 模式 概述 人机对话 应用层 应用层 (高) 表示层 数据处理 比如加密 会话层 建立，管理，终止实体之间对话

20. OSI 模式 应用层 应用层 (高) 表示层 会话层 传输层 网络层 数据流层 数据链路层 物理层

21. 应用层作用 例子 应用层 Telnet SMTP HTTP FTP 用户接口

22. 应用层作用 例子 Telnet SMTP HTTP FTP 应用层 用户接口 ASCII EBCDIC JPEG • 数据表示 • 加密等特殊处理过程 表示层

23. 应用层作用 例子 Telnet HTTP 应用层 用户接口 ASCII EBCDIC JPEG • 数据表示 • 加密等特殊处理过程 表示层 Operating System/ Application Access Scheduling 保证不同应用间的数据区分 会话层

24. Telnet HTTP ASCII EBCDIC JPEG Operating System/ Application Access Scheduling 应用层作用 例子 应用层 用户接口 • 数据表示 • 加密等特殊处理过程 表示层 保证不同应用间的数据区分 会话层 传输层 网络层 数据链路层 物理层

25. 数据流层的作用 例子 • 设备间接收或发送比特流 • 说明电压、线速和线缆等 EIA/TIA-232V.35 物理层

26. 数据流层的作用 例子 • 将比特组合成字节进而组合成帧 • 用MAC地址访问介质 • 错误发现但不能纠正 802.3 / 802.2 HDLC 数据链路层 • 设备间接收或发送比特流 • 说明电压、线速和线缆等 EIA/TIA-232V.35 物理层

27. 数据流层的作用 例子 提供路由器用来决定路径的逻辑寻址 IP IPX 网络层 • 将比特组合成字节进而组合成帧 • 用MAC地址访问介质 • 错误发现但不能纠正 802.3 / 802.2 HDLC 数据链路层 • 设备间接收或发送比特流 • 说明电压、线速和线缆等 EIA/TIA-232V.35 物理层

28. 数据流层的作用 例子 TCP UDP SPX • 可靠或不可靠的数据传输 • 数据重传前的错误纠正 传输层 提供路由器用来决定路径的逻辑寻址 IP IPX 网络层 • 将比特组合成字节进而组合成帧 • 用MAC地址访问介质 • 错误发现但不能纠正 802.3 / 802.2 HDLC 数据链路层 • 设备间接收或发送比特流 • 说明电压、线速和线缆等 EIA/TIA-232V.35 物理层

29. 数据流层的作用 应用层 表示层 例子 会话层 TCP UDP SPX • 可靠或不可靠的数据传输 • 数据重传前的错误纠正 传输层 提供路由器用来决定路径的逻辑寻址 IP IPX 网络层 • 将比特组合成字节进而组合成帧 • 用MAC地址访问介质 • 错误发现但不能纠正 802.3 / 802.2 HDLC 数据链路层 • 设备间接收或发送比特流 • 说明电压、线速和线缆等 EIA/TIA-232V.35 物理层

30. PDU • PDU（protocol data unit):每一层使用自己层的协议和别的系统的对应层相互通信，协议层的协议在对等层之间交换的信息叫协议数据单元。 • 上层 : message • 传输层（transport layer） : segment • 网络层（Network layer） : packet • 数据链路层（Data-link layer） : Frame • 物理层（Physical layer） : bit

31. 封装与解封装 • 封装 （ encapsulate/encapsulation）：数据要通过网络进行传输，要从高层一层一层的向下传送，如果一个主机要传送数据到别的主机，先把数据装到一个特殊协议报头中，这个过程叫-----封装 • 封装分为：切片和加控制信息 • 解封装：上述的逆向过程

32. 封装过程 应用层 表示层 会话层 上层数据 传输层 上层数据 TCP 头 网络层 IP 头 TCP+上层数据 IP 头 IP + TCP +上层数据 LLC 头 FCS LLC 头 数据链路层 FCS LLC 头 + IP + TCP + 上层数据 MAC 头 物理层 0101110101001000010

33. 解封装过程 应用层 表示层 会话层 上层数据 传输层 上层数据 TCP 头 网络层 TCP+上层数据 IP 头 IP + TCP +上层数据 数据链路层 LLC 头 LLC 头 + IP + TCP + 上层数据 MAC 头 物理层 0101110101001000010

34. 端系统A 端系统B 应用层协议 应用层 应用层 表示层协议 表示层 表示层 会话层协议 会话层 会话层 传输层协议 传输层 传输层 网络层 网络层 网络层 数据连路层 数据连路层 数据连路层 物理层 物理层 物理层 通 信 介 质 通 信 介 质 数据传输过程

35. 网络协议 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）。 网络协议(network protocol)，简称为协议，是为进行网络中的数据交换而建立的规则、标准或约定。

36. 网络协议的组成要素 语法 数据与控制信息的结构或格式 。 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。 同步 事件实现顺序的详细说明。

37. 生活中的例子 邮局系统 写信人的目的地：收信人 邮递员的目的地：收信方邮递员 打包员的目的地：收信方打包员 外交官在联合国发言 一位说非通用语的外交官在联合国发言时，他认为自己似乎在向在座的其他外交官致辞。事实上，他仅在向自己的翻译讲话，也许只有翻译能明白他在讲什么内容，但这并不妨碍他和别的外交官交流，因为这只是一个技术细节而已。

38. 实体、协议、服务和服务访问点 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。

39. 实体、协议、服务和服务访问点 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。 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。 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 (Service Access Point)。

40. 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。

41. 著名的协议举例 明日正午进攻，如何？ 收到“同意” 同意 收到：收到“同意” 这样的协议无法实现！ … … … … … …

42. 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。

43. TCP/IP的体系结构 主机A 主机B 应用层 运输层 网际层 网络 接口层 应用层 运输层 网际层 网络 接口层 4 3 2 1 路由器 网际层 网络 接口层 网络1 网络2 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。

44. 沙漏计时器形状的TCP/IP协议族 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 … … 应用层 HTTP SMTP DNS RTP TCP UDP 运输层 网际层 IP 网络接口层 … 网络接口3 网络接口2 网络接口1

45. ①客户发起连接建立请求 服务器 客户 ②服务器接受连接建立请求 例题：客户进程和服务器进程使用 TCP/IP 协议进行通信 应用层 应用层 运输层 运输层 以后就逐级使用下层 提供的服务 (使用 TCP 和 IP） 网络层 网络层 数据链路层 数据链路层 物理层 物理层 因特网

46. 计算机 1 计算机 2 应用层 应用层 服务器 2 服务器 1 客户 1 客户 2 运输层 运输层 网络层 网络层 数据链路层 数据链路层 物理层 物理层 因特网 功能较强的计算机可同时运行多个服务器进程 计算机 3 应用层 运输层 网络层 数据链路层 物理层

47. 复习习题 协议与服务有何区别？有何关系？ 试举出日常生活中有关“透明”这种名词的例子。 解释以下名词：协议栈、实体、对等层、协议数据单元、服务访问点。 长度为100字节的应用层数据交给传输层传送，需加20字节的TCP首部。再交给网络层传送，需加上20字节的IP首部。最后交给数据链路层的以太网传送，再加上首部和尾部共18字节。试求数据的传输效率。若应用层数据长度为1000字节，数据传输效率是多少？并解释这个结果。

48. 计算机网络向导 交换技术 电路交换 分组交换 存储转发 三种交换的比较 面向连接与面向无连接

49. 电路交换的主要特点   两部电话机只需要用一对电线就能够互相连接起来。

50.      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。