CHAPTER 1 OUTLINE

1. Data Communications and Computer Networks CHAPTER 1 OUTLINE 中国科学技术大学网络学院 李艺 leeyi@ustc.edu.cn NETWORK PRINCIPLE 1- 1

2. 1.1 计算机网络的历史 • 计算机网络的发展经历了四个阶段 • 第一阶段：20世纪50年代 • 数据通信技术的研究与发展 • 第二阶段：20世纪60年代 • ARPANET与分组交换技术的研究与发展 • 第三阶段：20世纪70年代 • 网络体系结构与协议标准化的研究 • 广域网、局域网与公用分组交换网的研究与应用 • 第四阶段：20世纪90年代 • Internet技术的广泛应用 • 网络计算技术的研究与发展 • 宽带城域网与接入网技术的研究与发展 • 网络与信息安全技术的研究与发展 NETWORK PRINCIPLE 1- 2

3. 1.1 计算机网络的形成 • 1946年世界上第一台电子数字计算机ENIAC诞生时，计算机技术与通信技术并没有直接的联系； • 20世纪50年代初，由于美国军方的需要，美国半自动地面防空系统（SAGE）的研究开始了计算机技术与通信技术相结合的尝试； • 随着计算机应用的发展，出现多台计算机互连的需求，网络用户希望通过网络实现计算机资源共享的目的； • 典型的研究成果是ARPA网。 NETWORK PRINCIPLE 1- 3

4. 1.2 计算机网络的定义 • 定义：资源共享观点的定义：以能够相互共享资源的方式互连起来的自治计算机系统的集合。 • 特点 • 网络建立的主要目的是实现计算机资源的共享； • 互连的计算机是分布在不同地理位置的多台独立的“自治计算机系统”； • 连网计算机在通信过程中必须遵循相同的网络协议。 NETWORK PRINCIPLE 1- 4

5. 1.2 计算机网络的定义 • 早期计算机网络结构：从逻辑功能上可以分为资源子网和通信子网等两个部分。 NETWORK PRINCIPLE 1- 5

6. 1.2 计算机网络的定义 • 现代网络结构的变化 • 随着微型计算机的广泛应用，大量的微型计算机是通过局域网连入广域网，而局域网与广域网、广域网与广域网的互连是通过路由器实现的； • 在Internet中，用户计算机需要通过校园网、企业网或ISP联入地区主干网，地区主干网通过国家主干网联入国家间的高速主干网，这样就形成一种由路由器互联的大型、层次结构的互联网络。 NETWORK PRINCIPLE 1- 6

7. 1.2 计算机网络的定义 • Internet结构示意图 NETWORK PRINCIPLE 1- 7

8. 1.3 计算机网络的分类 • 按传输技术分 • 广播网：网上设备共享同一通信信道 • 点-点网peer-to-peer：网上设备两两连接 • 客户机/服务器： Microcomputer users, or clients, share services of a centralized computer called a server. • 按用途分：公用网、专用网； • 按介质分：有线网、无线网； • 按速率分：高速网、中速网、低速网； NETWORK PRINCIPLE 1- 8

9. 1.3 计算机网络的分类 • 按拓扑分： • 总线网(bus) • 星型网(star) • 环型网(ring) • 物理拓扑: 物理连接方式 • 逻辑拓扑：信息流向方式 • 常用拓扑结构 • 星型 • 总线型 • 环型 • 树型 • 混合型 NETWORK PRINCIPLE 1- 9

10. 1.3 计算机网络的分类 • 总线拓扑结构 • 将网上的设备均连接在一条总线上，任何两台计算机之间不再单独连接。如图 • 网上计算机共享总线，任意时刻只有一台计算机发送信息（广播式），其他计算机处于接收状态。 NETWORK PRINCIPLE 1- 10

11. 1.3 计算机网络的分类 • 总线结构特点 • 结构简单、易于安装、易于扩充 • 使用电缆少，设备相对简单 • 总线故障全网瘫痪 • 故障诊断困难 • 站点增加网络效率降低。 • 总线结构是局域网最常用的结构，如10BSAE2 10BASE5 ARCnet等 NETWORK PRINCIPLE 1- 11

12. 1.3 计算机网络的分类 • 环型拓扑结构 • 将网上计算机连接成一个封闭的环。如图 • 网上计算机共享通信介质，任意时刻只有一个计算机发送信息，信号沿环单向传递经过每一台计算机，每台计算机都接收信号，经再生放大后传给下一台计算机。 NETWORK PRINCIPLE 1- 12

13. 1.3 计算机网络的分类 • 环型拓扑结构特点 • 两台计算机间由唯一通路，没有路径选择问题 • 电缆长度短 • 结点较多时，性能下降，但没有总线网那样严重 • 不便于扩充 • 一台计算机故障会影响全网。 • 故障诊断困难 • 典型网络：令牌环网、FDDI NETWORK PRINCIPLE 1- 13

14. 星型拓扑 • 将多台计算机连在一个中心节点（集线器）上，各计算机之间通信必须通过中心节点。如图： NETWORK PRINCIPLE 1- 14

15. 1.3 计算机网络的分类 • 星型拓扑结构特点： • 结构简单 • 便于管理 • 扩展容易 • 容易检查、隔离故障 • 中心结点是全网的瓶颈，出现故障全网瘫痪 • 星星网络的信号发送、传播方式可以是总线方式或环形方式 NETWORK PRINCIPLE 1- 15

16. 1.3 计算机网络的分类 • 树型拓扑结构总线（星型）拓扑结构的拓展 NETWORK PRINCIPLE 1- 16

17. 1.3 计算机网络的分类 • 混合型结构几种结构的组合：star-to-ring NETWORK PRINCIPLE 1- 17

18. 1.3 计算机网络的分类 • 混合型结构几种结构的组合：star-to-bus NETWORK PRINCIPLE 1- 18

19. 1.3 计算机网络的分类 • 按规模分类 • 局域网(LAN,Local Area Network) • 城域网(MAN,Metropolitan Area Network) • 广域网(WAN,Wide Area Network) • 接入网 AN (Access Network) NETWORK PRINCIPLE 1- 19

20. 广域网 城域网 城域网 接入网 接入网 接入网 接入网 接入网 接入网 … … 局域网 校园网 企业网 局域网 广域网、城域网、接入网以及局域网的关系 NETWORK PRINCIPLE 1- 20

21. 1.3 计算机网络的分类 • 按交换分： • 电路交换网 • 报文交换网 • 分组交换网 • 信元交换网 • “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。 NETWORK PRINCIPLE 1- 21

22. 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 中继线 交换机 用户线 中继线 A B ( 交换机 ( 交换机 ( C 用户线 ( D NETWORK PRINCIPLE 1- 22

23. 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 中继线 交换机 用户线 中继线 A B ( 交换机 ( 交换机 ( C 用户线 ( D NETWORK PRINCIPLE 1- 23

24. 1.3 计算机网络的分类 • 按工作类型分：资源子网和通信子网。 • 通信子网：通信线路 ( 或称通道 )、交换单元（路由器、交换机、HUB等） • 基本特点：存储转发 • 关键技术：路由选择（Routing） • 资源子网：末端系统（服务器，客户计算机） NETWORK PRINCIPLE 1- 24

25. 1.4 网络体系结构 • 网络的分层结构 • 分层的目的：降低复杂性，简化软、硬件的设计 • 层次的功能：向上一层提供特定的服务，而屏蔽实现这一服务的细节 • 服务、接口和协议 • 实体 entity：每一层中的活动元素（通信进程或I/O芯片） • 对等实体 peer entity：不同机器上的同一层实体（对等进程） • 服务 service：下层向上层提供的通信能力 • 接口 interface：相邻层之间的边界，定义了下层向上层提供的原语操作和服务 • 服务原语：上/下层实体请求/提供服务所使用的形式化语句 • 协议 protocol：某层对等实体进行通信所使用的规则的集合 • 协议栈 protocol stack：按层序排列的各层协议列表 • 网络体系结构：层和协议的集合（网络的层次结构、协议栈和相邻层间的接口以及服务统称为网络体系结构） NETWORK PRINCIPLE 1- 25

26. 1.4 网络体系结构 • 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。 NETWORK PRINCIPLE 1- 26

27. 1.4 网络体系结构 • 分层：网络功能的分层、 协议的分层 、 体系结构的分层 • 计算机网络的功能分层 • 计算机网络的基本功能：为地理位置不同的计算机用户之间提供访问通路。 • 必须提供如下功能： • 连接源结点和目的结点的物理传输线路，可以经过中间结点； • 每条线路两端的结点利用波形进行二进制通信； • 无差错的信息传送 • 多个用户共享一条物理线路 • 按照地址信息，进行路由选择 • 信息缓冲和流量控制 • 会话控制 • 满足各种用户的访问要求 人们采用“层次结构”的方法来描述计算机网络，即：计算机网络中提供的功能是分成层次的。 NETWORK PRINCIPLE 1- 27

28. 1.4 网络体系结构 • 协议分层 • 协议的组成： • 语法（syntax)：以二进制形式表示的命令和相应的结构 • 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 • 定时关系（timing)：有关事件顺序的说明 • 协议的分层原则 (layering principle)： • Layer N software on the destination computer must receive exactly the message sent by layer N software on the sending computer. Mathematically, if the sender applies a transformation T, the receiver must apply the inverse T-1. • 协议分层要保证整个通信系统功能完备、高效。 • 第N层协议特性： • 不知道上、下层的内部结构； • 独立完成某种功能； • 为上层提供服务； • 使用下层提供的服务。 NETWORK PRINCIPLE 1- 28

29. 1.4 网络体系结构 • 处于接口两边的两层之间的关系 • 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。 • 接口数据单元IDU（Interface Data Unit） • IDU是通过SAP进行传送的层间信息单元； • IDU由上层的服务数据单元SDU（Service Data Unit）和接口控制信息ICI（Interface Control Information）组成； • 协议数据单元PDU（Protocol Data Unit） • 第N层实体通过网络传送给它的对等实体的信息单元； • PDU由上层的服务数据单元SDU或其分段和协议控制信息PCI（Protocol Control Information)组成； • （SDU可被分段重组：即N层实体可能将SDU分成几段，每一段加上一个报头后作为独立的PDU（协议数据单元）送出。） NETWORK PRINCIPLE 1- 29

30. 1.4 网络体系结构 • 服务分类 • 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：顺序性好。 • 无连接的服务 • 直接使用服务传送数据，每个包独立进行路由选择。 • 特点：顺序性差。 NETWORK PRINCIPLE 1- 30

31. 1.4 网络体系结构 • 服务原语 • 服务在形式上是由一组原语（或操作）来描述的。（这些原语供用户和其他实体访问该服务，并通知服务提供者采取某些行动或报告某个对等实体的活动。） • 服务原语可分为四种类型： • 请求（Request）：一个实体希望得到完成某些操作的服务 • 指示（Indication）：通知某个实体，有某个事件发生 • 响应（Response）：一个实体希望响应一个事件 • 确认（Confirm）：返回对先前请求的响应 • 有证实（Confirmed）和无证实（Unconfirmed）服务 • 有证实（Confirmed）：包括请求、指示、响应和确认4个原语 • 无证实（Unconfirmed）：只有请求和指示2个原语 • 一个面向连接通信示例 NETWORK PRINCIPLE 1- 31

32. 1.5网络参考模型 • 计算机网络的标准化 • 电信标准 • 国际电信联盟ITU（International Telecommunication 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 • 国际标准 • 国际标准化组织 ISO：1946年成立，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 • 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 ） NETWORK PRINCIPLE 1- 32

33. 1.5网络参考模型 • 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。 • OSI (Open System Interconnection) 参考模型 • （1983年ISO 的 OSI 模型正式成为国际标准） NETWORK PRINCIPLE 1- 33

34. 1.5网络参考模型 • OSI (Open System Interconnection) 参考模型 各层功能的简单描述 • 物理层（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）。 • 数据链路层（Data Link Layer）：在有差错的物理线路上提供无差错的数据传输（Frame）。 • 网络层（Network Layer）：控制通信子网提供源点到目的点的数据传送（Packet）。 • 传输层（Transport Layer）：为用户提供端到端的数据传送服务。 • 会话层（Session Layer）：为用户提供会话控制服务（安全认证）。 • 表示层（Presentation Layer）为用户提供数据转换和表示服务。 • 应用层（Application Layer） NETWORK PRINCIPLE 1- 34

35. OSI参考模型的结构 NETWORK PRINCIPLE 1- 35

36. OSI环境中的数据传输过程 NETWORK PRINCIPLE 1- 36

37. OSI环境中的数据流 NETWORK PRINCIPLE 1- 37

38. 1.5网络参考模型 • TCP/IP 参考模型 • ——以 TCP/IP 协议为核心的 Internet 网络体系结构。 • Host-to- Network层（物理层和数据连路层）：传送帧结构的比特流。 • Internet层（网络层）：控制通信子网提供源点到目的点的 IP 包传送。 • 传输层：提供端到端的数据传送服务。TCP 和 UDP。 • 应用层：提供各种 Internet 管理和应用服务功能。 NETWORK PRINCIPLE 1- 38

39. 1.5网络参考模型 • TCP/IP模型中的协议和网络 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 NETWORK PRINCIPLE 1- 39

40. OSI模型 TCP/IP模型 应用层 应用层 Telnet FTP HTTP SMTP 表示层 会话层 传输层 TCP UDP 传输层 网际互联层 IP ICMP ARP RARP 网络层 FDDI Ethernet 网络接口层 数据链路层 物理层 Hardware 1.5网络参考模型 • TCP/IP与OSI模型的比较 NETWORK PRINCIPLE 1- 40

41. 1.5网络参考模型 • OSI的历史经验和教训 • 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 “Computer Networks”第三版中评价OSI： • Bad timing（too late）糟糕的提出时机 • Bad technology（both the model and the protocol are flawed）糟糕的技术 • Bad implementations（huge，unwieldy，and slow）糟糕的现实 • Bad politics（government and organizations bureaucrats）糟糕的策略 NETWORK PRINCIPLE 1- 41

42. 习题： • 本章习题请上网查阅教学网页： http://staff.ustc.edu.cn/~leeyi NETWORK PRINCIPLE 1- 42