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计算机网络

山东轻工业学院. 计算机网络. 目. 录. 章节. zhangjie. 第一章 计算机网络概述. 第二章 物理层与数据通信基础. 第三章 数据链路层. 第四章 网络层. 第五章 传输层. 第六章 应用层. 第七章 无线网络. 第一章. 计算机网络概述. 计算机网络概述. 计算机网络概述. 计算机网络概述. 内. 容. 黑白纵横三千里. 第一节 什么是计算机网络. 计算机网络的演变过程、发展方向. 计算机网络的功能以及计算机网络的定义. 计算机网络的组成、计算机网络的分类. 经天纬地一点通. 第二节 Internet 概述.

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  1. 山东轻工业学院 计算机网络

  2. 目 录 章节 zhangjie 第一章 计算机网络概述 第二章 物理层与数据通信基础 第三章 数据链路层 第四章 网络层 第五章 传输层 第六章 应用层 第七章 无线网络

  3. 第一章 计算机网络概述 计算机网络概述 计算机网络概述 计算机网络概述

  4. 内 容 黑白纵横三千里 第一节 什么是计算机网络 计算机网络的演变过程、发展方向 计算机网络的功能以及计算机网络的定义 计算机网络的组成、计算机网络的分类 经天纬地一点通 第二节 Internet概述 Internet的发展过程 Internet的功能 Internet的组成 Internet的工作原理 • 第三节计算机网络的体系结构 Internet的参考模型——TCP/IP体系结构 层次模型概述 开放系统互联基本参考模型概述 计算机网络五层体系结构 计算机网络以及通信的国际标准化组织 第四节计算机网络的性能 计算机网络的性能指标、非性能指标

  5. 计 算机网络 1.1.1 计算机网络的演变过程、发展方向 • 计算机网络是计算机和通信技术发展的产物 • 通信(广义上)：用任何方法，通过任何媒体传输信息的过程。如：会话、写信、古代的烽火台、航海中的旗语通信技术。 • 现代通信技术：用电信号通过电信道来传递信息。如：电报、电话。 • 现代计算机技术：自1946年世界上第一台电子数字计算机ENIAC于美国诞生后出现的新技术。 • 最初，计算机和通信之间没有关系。 计算机技术发展迅猛，成为信息存储和处理的工具 计算机能够处理和存储海量信息。

  6. 1）相辅相成，伴随发展：如华为公司，虽作为一个通信公司，做了很多路由器、交换机，但他也有大量人coding做一些应用，做计算机开发。1）相辅相成，伴随发展：如华为公司，虽作为一个通信公司，做了很多路由器、交换机，但他也有大量人coding做一些应用，做计算机开发。 2）通信技术促进计算机技术：日本带宽宽、手机看电视，促使手机软件的发展。 3）反过来，计算机体系结构的完善又使通信处理效率更高。 信息需要流通，促使计算机技术与通信技术相互影响、结合。 计算机网络的演变与发展是一个历史的过程，是不断变化的。 计算机网络大体上可以分为四个阶段： • 面向终端的计算机网络 • 计算机-计算机网络 • 开放式标准化的计算机网络 • 目前所处的网络计算的新阶段。

  7. 五十年代中至六十年代 构成：一台中心计算机+多台无自主处理能力的终端 （无cpu、无内存条，仅有显示作用） 面向终端的计算机网络

  8. 六十年代末至七十年代末 多台计算机通过通信线路互连起来而为用户提供服务，即是计算机-计算机网络 和以单台计算机为中心的远程联机系统的显著区别： 都是具有自主处理能力的，不存在主从关系 这才是我们目前常称的计算机网络 计算机-计算机网络 开放式标准化的计算机网络 • 八十年代初至九十年代初 • 它具有统一的网络体系结构、遵循国际标准化的协议 • 国际标准化组织ISO (International Standards Organization) 制定了开放系统互连基本参考模型(Open System Interconnection Basic Reference Model, OSI/RM)的国际标准ISO 7498，也被称为OSI七层模型

  9. 起源于美国，前身为ARPANET，第一个； 已成为世界上最大的国际性互联网； 发展的三个阶段： 第一阶段从单个网络 ARPANET 向互联网发展的过程（大约1969年开始） 第二阶段三级结构的因特网建成：主干网、地区网、校园网(企业网)； internet 和 Internet 的区别 因特网概述

  10. 第三阶段多层次ISP结构的因特网（大约1993年开始）：

  11. 自九十年代中期以后，计算机网络的发展已进入网络计算的新时代 网络计算(Network Computing): 以网络为中心的计算(Network Centric Computing) 或者以网络为基础的计算(Network-based Computing) 网络计算的新时代的特点，我们将在后面详细介绍 网络计算的新时代 计算机网络向高速宽带化发展 • 以远距离网络为例 • CCITT X.25建议组建的公用分组交换数据网的数据速率只有64K b/s • 帧中继（Frame Relay）技术已可提高至2M b/s • 异步传送模式ATM（Asynchronous Transfer Mode）又可达到155M b/s、622M b/s甚至2.5G b/s的数据速率 • 波分多路复用WDM（Wave Division Multiplexing）技术 • 密集波分多路复用DWDM（Dense WDM），高达6400G b/s

  12. 从端用户看 早期的2400 b/s低速调制解调器，经历了56K b/s的高速调制解调器、可提供128k b/s上网的窄带综合业务数字网N-ISDN（Narrow-Integrated Services Digital Network） 数百k b/s上网速率的ADSL(Asymmetrical Digital Subscriber line, 非对称数字用户线) 和有线电视经双向改造后的HFC(混合光纤/同轴电缆，即俗称“有线通”) 接入 未来VDSL(Very high speed Digital Subscriber line, 超高速数字用户线) 和光纤到户FTTH(Fiber To The Home) 则可达到更高的用户入网接入速率 • 网络多媒体应用，服务质量，组播(Multicast) • 虚拟局域网VLAN (Virtual Local Area Network) 、虚拟专网VPN (Virtual Private Network) 、无线局域网WLAN (Wireless LAN) 、新一代的网际协议IPv6、对等计算(Peer-to-peer Computing) 、网格(Grid) 、移动自组网(Mobil Ad Hoc Network) 和主动网(Active Network) 等 • “三网融合”电信网络、有线电视网、计算机网络；

  13. 未来的网络结构

  14. 计 算机网络 1.1.2 计算机网络的功能以及计算机网络的定义 计算机网络的功能 通信功能 资源共享 提高系统的可靠性 网络分布式处理与均衡负载 分散数据的综合处理

  15. 通信功能 通信功能是计算机网络最基本的功能，且通信功能还是计算机网络其他各种功能的基础。所以通信功能是计算机网络最重要的功能。 • 资源共享 • 计算机资源主要指计算机硬件资源、软件资源和数据资源，所以计算机网络中的资源共享包括硬件资源共享、软件资源共享和数据资源共享。 • 总之，通过资源共享，大大地提高了系统资源利用率，使系统的整体性能价格比得到改善。

  16. 在一个系统中，当某台计算机、某个部件或某个程序出现故障时，必须通过替换资源的办法来维持系统的继续运行，以避免系统瘫痪。而在计算机网络中，各台计算机可彼此互为后备机，每一种资源都可以在两台或多台计算机上进行备份。这样当某台计算机、某个部件或某个程序出现故障时，其任务就可以由其他计算机或其他备份的资源所代替，避免了系统瘫痪，提高了系统的可靠性。在一个系统中，当某台计算机、某个部件或某个程序出现故障时，必须通过替换资源的办法来维持系统的继续运行，以避免系统瘫痪。而在计算机网络中，各台计算机可彼此互为后备机，每一种资源都可以在两台或多台计算机上进行备份。这样当某台计算机、某个部件或某个程序出现故障时，其任务就可以由其他计算机或其他备份的资源所代替，避免了系统瘫痪，提高了系统的可靠性。 提高系统的可靠性 网络分布式处理与均衡负载 • 所谓网络分布式处理，是指把同一任务分配到网络中地理上分布的结点机上协同完成。 • 通常，对于复杂的、综合性的大型任务，可以采用合适的算法，将任务分散到网络中不同的计算机上去执行。另一方面，当网络中某台计算机、某个部件或某个程序负担过重时，通过网络操作系统的合理调度，可将其任务的一部分转交给其他较为空闲的计算机或资源去完成。

  17. 网络系统还可以有效地将分散在网络各计算机中的数据资料信息收集起来，从而达到对分散的数据资料进行综合分析处理，并把正确的分析结果反馈给各相关用户的目的。 分散数据的综合处理

  18. ：两台以上具有独立操作系统的计算机通过某些介质连接成的相互共享软硬件资源的集合体。 ：两台以上具有统一的操作系统（分布式操作系统）的计算机通过某些介质连接成的，可以合作工作，又能进行优美降级的集合体。 计算机网络的定义 计算机网络的定义 分布式系统的定义

  19. 计 算机网络 1.1.3 计算机网络的组成、计算机网络的分类 计算机网络的组成 • 不同的计算机网络在网络规模、网络结构、通信协议和通信系统、计算机硬件及软件配置方面都有着很大的差异。无论网络的复杂程度如何，从系统组成上来说，一个计算机网络主要包括三大部分： 计算机系统 通信系统 网络软件及协议

  20. 计算机系统主要完成数据信息的收集、存储、管理和输出的任务，并提供各种网络资源。计算机系统主要完成数据信息的收集、存储、管理和输出的任务，并提供各种网络资源。 计算机系统包括： 主机（Host）---负责数据处理和网络控制，也是网络中的主要资源提供者,也称为服务器（server） 终端（Terminal）---称为工作站（Workstation） 计算机系统 通信系统 • 数据通信系统是连接网络的桥梁，它提供各节点间的连接和信息交换技术。 • 主要包括： • 传输介质 • 网络连接设备

  21. 网络软件及协议 • 网络的正常工作需要网络软件的控制。 • 一方面授权用户对网络资源访问，帮助用户方便、快速地访问网络； • 另一方面，网络软件也能够管理和调度网络资源，提供网络通信和用户所需要的各种网络服务。 网络软件一般包括网络操作系统、网络协议、管理和服务软件等。 逻辑组成---通信子网和资源子网

  22. 通信子网主要负责网络的数据通信，为网络用户提供数据传输、转接、加工和变换等数据信息处理工作。通信子网由通信控制处理机、通信线路、网络通信协议以及通信控制软件组成。通信子网主要负责网络的数据通信，为网络用户提供数据传输、转接、加工和变换等数据信息处理工作。通信子网由通信控制处理机、通信线路、网络通信协议以及通信控制软件组成。 资源子网主要用于网络的数据处理功能，向网络用户提供各种网络资源和网络服务。它主要由主机、终端、I/O设备、各种网络软件和数据资源组成。 计算机网络的分类 按拓扑构形分类 • 按照网络的物理形状或称为拓扑构形来对网络进行分类

  23. 广域网 不规则的网形 局域网 星形 总线形 环形 按地理范围分类 按地理范围分类 • 若按计算机网络覆盖的地理范围来细致区分，可分为： • 局域网LAN (Local Area Network) 约0.1公里 • 校园网CAN (Campus Area Network) 约1公里 • 城域网MAN (Metropolitan Area Network) 约10公里 • 广域网WAN (Wide Area Network) 约100～1000公里 • 全球网GAN (Global Area Network) ＞1000公里

  24. 从网络中用来传输信息的物理信道是用什么媒体(medium,有时也译为介质)来区分，从网络中用来传输信息的物理信道是用什么媒体(medium,有时也译为介质)来区分， 是双绞线网、同轴电缆网、光纤网或无线网等。 可以从网络是通过点到点的信道通过不断转接或通过共享的信道这两种传输技术来区分, 通常广域网是前者, 而局域网则是后者。 若从网络的使用范围来区分，则可划分为公用网和专用网两大类。 公用网是为全社会所有的人提供服务的，凡是愿意按规定交纳费用的人都可以使用。 专用网则是某个单位、部门或行业为特殊业务需要而组建的网络。 其他分类 第一节 什么是计算机网络概述 第二节 Internet概述 第三节 计算机网络的体系结构 第四节 计算机网络性能

  25. Internet 概述 1.2.1 Internet的发展过程 历史 • 1986年出现 NSFNET • 1988年 NSFNET 取代 ARPANET 成为主干网 • 1990年 ARPANET正式关闭 • Internet 开始转为 民用 • 1991年 NSFNET主干网达到极限 • 1992年ANSNET取代 NSFNET 成为主干网 • 开始走向商业化 • 1996年覆盖150个国家

  26. ISP 服务提供商：专门为家庭、公司接入Internet提供产品和服务的公司 ICP 互联网信息服务：专门通过Internet向公众提供信息内容服务的公司 （利用网上广告、代制作网页、出租服务器内存空间、主机托管、有偿提供特定信息内容、电子商务及其它网上应用服务等方式获得收入，需获得ICP经营许可证，约1000－2500左右） EC 电子商务：通过Internet进行商务活动 出现

  27. 1984-2004年20年间 连到Internet上计算机的数量

  28. Internet 概述 1.2.2 Internet的功能 主要功能 • 远程登录 Telnet • 文件传输 FTP • 电子邮件 Email • 电子公告牌与网络新闻 • BBS、网络新闻 • 查找文件 • 查找人员，Whois • 全球范围的超媒体信息浏览服务 • 超文本(hypertext) • WWW(万维网 ) • 浏览器（browser） • 超文本描述语言HTML • 超文本传输协议HTTP和统一 • 的资源定位格式URL • 以菜单方式浏览信息 Gopher • 按内容自动查找 WAIS

  29. Internet 概述 1.2.3 Internet的组成 计算机网络一般由六个部分组成 • 网络服务器 • 网络工作站 • 网络协议 • 网络操作系统 • 网络设备 • 网络服务

  30. 为网络中的其他计算机和网络用户提供服务的计算机。为网络中的其他计算机和网络用户提供服务的计算机。 常见的网络服务器有 Internet服务器、数据库服务器和高性能计算机服务器等。 Internet的基本服务一般也是由相应的服务器完成相应的操作。例如：WWW服务器、FTP服务器、电子邮件服务器、DNS服务器等。 网络服务器 网络工作站 • 网络工作站是网络用户实际操作的计算机。 • 网络用户可以通过工作站访问Internet上各种信息资源。 • 网络协议是由一国际组织制定的一些网络通信规则和约定。 • 网络通信协议用来协调不同网络设备之间的信息交换，它规定了每种设备识别来自另一设备的信息。网络协议有着严格的语法和语义及定时标准。 网络协议

  31. 用于计算机网络的操作系统。 网络操作系统是网络中最重要的系统软件，是在网络环境下，用户与网络资源之间的接口，承担着整个网络系统的资源管理和任务分配。 目前，网络操作系统主要有：UNIX、Novell公司的Netware和微软的Window NT。 网络操作系统 网络设备 • 指网络中的计算机之间的连接设备。如通信电缆、网络接口适配器（网卡）、集线器、交换机、网桥和路由器等。 • 路由器是Internet实现互联的标准设备。路由器起着寻址的作用，相当于现实中的“邮局”，将信息从一个网络发送到另一网络，直至目的地。

  32. 网络服务是指计算机网络中信息处理和资源共享的能力。如电子邮件、文件和打印共享等、数据查询等。 网络服务

  33. Internet 概述 1.2.4 Internet的工作原理 工作方式 • 信息封装成包(package), 又称分组 • IP协议就是关于在Internet中传递的分组封装格式的约定 • 分组在Internet中是通过若干路由器(router)间转发来传递到目标点的

  34. Internet连接的一个例子

  35. 邮递需要地址，Internet上信息的流通同样需要地址： IP地址 IP地址共含有4B＝32b。书写时，常用十进制表示，而字节之间用小圆点分隔开来 称为：点分十进制 例如：192 . 168 . 23 . 11 • 人类习惯不容易记得192 . 168 . 23 . 11 出现另一种形式 域名 例如：www.sina.com www.yahoo.com • 域名中最后一个域有时也称为顶级域名 用以区分机构或组织的性质 常用的有 ：edu教育机构 com 商业机构 mil 军事部门 gov政府机关 org 非盈利性组织

  36. 名字仅是为了帮助人们记忆和输入，在IP分组中使用的仍然是IP地址。在Internet中有许多称为域名服务器DNS的系统可以帮助你自动地从域名来找到其相应的IP地址 1996年及之后的发展：NGI行动计划、Internet 2计划，研究内容之一：研究和试验新一代的IP协议IP v6 IP v6：第六版的IP 协议（目前广泛采用的是IPv4，即第四版的IP）。在IPv6中，地址已从32b扩展到128b 第一节 什么是计算机网络概述 第二节 Internet概述 第三节 计算机网络的体系结构 第四节 计算机网络性能

  37. 体 系结构 1.3.1 Internet的参考模型——TCP/IP体系结构 TCP/IP体系结构 TCP/IP协议 • TCP/IP（TransmissionContol Protocol / Internet Protocol）是传输控制协议/互连网络协议的缩写，当初是为美国国防部高级研究计划局（DARPA）设计的，一般称为ARPAnet，其目的在于能够让各种各样的计算机都可以在一个共同的网络环境中运行。TCP/IP协议的形成有一个过程。1969年初建的ARPAnet主要是一项实验工程；70年代初，在最初建网实践经验基础上，开始了第二代网络协议设计工作，称为网络控制协议NCP。70年代中，国际信息处理联合会进一步补充和完善了NCP的开发工作，从而导致了TCP/IP协议的出现 。

  38. 80年代初，美国伯克利大学将TCP/IP设计在UNIX操作系统内核中，1983年美国国防部DOD宣布，将ARPAnet的NCP完全过渡到TCP/IP，成为正式的军事标准。与此同时，SUN等公司将TCP/IP引入了广泛的商业领域。20世纪90年代中期WWW的流行更带来了Internet用户爆炸性的增长。现在Internet已发展成为世界上最大的国际性计算机互连网络。80年代初，美国伯克利大学将TCP/IP设计在UNIX操作系统内核中，1983年美国国防部DOD宣布，将ARPAnet的NCP完全过渡到TCP/IP，成为正式的军事标准。与此同时，SUN等公司将TCP/IP引入了广泛的商业领域。20世纪90年代中期WWW的流行更带来了Internet用户爆炸性的增长。现在Internet已发展成为世界上最大的国际性计算机互连网络。 TCP/IP体系结构

  39. 图示出了TCP/IP的分层结构及其与OSI七层协议模型的对应关系。网络接口层似乎与OSI的数据链路层和物理层相对应，但实际上TCP/IP本身并没有真正描述这一部分，只是指出主机必须使用某种协议与网络连接，以便能在其上传递IP（互连网络协议）分组。具体的物理网络可以是各种类型的局域网，如以太网、令牌环网、令牌总线网等，也可以是诸如X.25、帧中继、电话网、DDN等公共数据网络。网络接口层负责从主机或节点接收IP分组，并把它们发送到指定的物理网络上。 • 互连网络层是整个体系结构的关键部分，它的功能是使主机可以把分组发往任何网络，并使分组独立地传向目的地（可能经由不同的物理网络）。这些分组到达的顺序和发送的顺序可能不同，因此如需要按顺序发送及接收时，高层必须对分组排序。必须注意到，我们所说的“internet”是基于一般意义的，虽然Internet（因特网）中确实存在互联网络层。 互连网络层定义了标准的分组格式和协议，即IP协议（internet protocol）。互连网络层的功能就是把IP分组发送到应该去的地方。选择分组路由和避免阻塞是这里主要的设计问题。由于这些原因，我们有理由说TCP/IP互连网络层和OSI网络层在功能上非常相似。

  40. 传输层（又称运输层）在TCP/IP模型中位于互连网络层之上，它的功能是使源端和目的端主机上的对等实体可以进行会话（和OSI的传输层一样）。这里定义了两个端到端的协议。第一个是传输控制协议TCP（Transmission Control Protocol）。它是一个面向连接的协议，允许从一台机器发出的字节流无差错地发往互联网上的其它机器。它把输入的字节流分成报文段，并传给互连网络层。在接收端，TCP接收进程把收到的报文再组装成输出流。TCP还要处理流量控制，以避免快速发送方向低速接收方发送过多报文而使接收方无法处理。 用户数据报协议UDP 第二个协议是用户数据报协议UDP（User Datagram Protocol）。它是一个不可靠的、无连接协议，用于不需要TCP的排序和流量控制能力而是自己完成这些功能的应用程序。它也被广泛地应用于只有一次的客户—服务器模式的请求—应答查询，以及快速递交比准确递交更重要的应用程序，如传输语音或影像。IP、TCP和UDP之间的关系如图1-13所示。自从这个协议体系出现以来，IP已经在很多其它网络上实现了。

  41. TCP/IP体系结构中的协议与物理网络

  42. 传输层的上面是应用层。它包含所有的高层协议。最早引入的是虚拟终端协议（TELNET）、文件传输协议（FTP）和电子邮件协议（SMTP），如图F-6所示。虚拟终端协议允许一台机器上的用户登录到远程机器上进行工作，文件传输协议提供了有效地把数据从一台机器移动到另一台机器的方法。电子邮件最初仅是一种文件传输，但是后来为它提出了专门的协议。这些年来又增加了不少协议，例如域名系统服务DNS（domain name service）用于把主机名映射到网络地址；NNTP协议，用于传递新闻文章；还有HTTP协议，用于在环球网（WWW）上获取主页等。

  43. 体 系结构 1.3.2 层次模型概述 层次模型概述 协议层次结构 • 通信网络中，任何通信的双方都要按照一种约定进行通信。 • 为了降低网络设计的复杂性，网络都组织成层次栈结构。即任何通信一方都遵循某种层次结构进行设计。

  44. 层次结构 • 分层结构中： • 每一层都建立在其下一层的基础上； • 每一层的目的是向上一层提供特定的服务，而把如何实现这些服务的细节加以屏蔽。 • 分层原因（好处）如下： 使网络变得更简单 将网络部件标准化 有利于模块化设计 保证不同类型部件的互操作性 加快了技术发展的速度 简化了教育和学习

  45. 五层网络的例子 对等体：不同机器上构成相应层次的实体。 实体：可能是软件过程、硬件设备，甚至人类。

  46. 协议 协议是指通信双方就如何进行通信的一种约定。 一台机器上的第n层与另一台机器上的第n层进行对话，该对话中使用的规则和约定统称为第n层协议。

  47. 协议有三个要素，即： （1）语法（Syntax）：数据与控制信息的格式、数据编码等。 （2）语义（Semantics）：控制信息的内容，需要做出的动作及响应。 （3）时序（Timing）：事件先后顺序和速度匹配。 • 第一层下面是物理媒体（物理介质），通过它进行实际的通信。 • 每一对相邻层次之间的是接口。 • 接口定义了下层向上层提供的原语操作和服务。

  48. 通信过程 实际通信，数据并不是从一台机器的第n层直接传递到另一台机器的第n层，而是从最高层开始，每一层都将数据和控制信息传递给它的下一层，一直传递到最底层。 • 实通信：第一层下面的物理媒体上实际传递数据信号（电信号或者光信号等。） • 虚通信：图中虚线表示对等层次之间的通信，为虚通信。

  49. 层次结构要点归纳 • 除了在物理媒体上进行的是实通信外，其余各对等层实体间进行的都是虚通信。 • 对等层的虚通信必须遵循该层的协议。 • n层的虚通信是通过n-1／n层间接口处n-1层提供的服务以及n-1层的通信(通常也是虚通信)来实现的。 计算机A ← ─ ─ 虚通信 ─ ─ → 计算机B ┆ ┆ n+1层 ← ─ ─ (n+1层协议) ─ ─ → n+1层 (接口) n 层 ← ─ ─ (n层协议) ─ ─ → n层 (接口) (协议栈) n-1层 ← ─ ─ (n-1层协议) ─ ─ → n-1层 ┆ ┆ 物理媒体 ←─── 实通信 ───→ 物理媒体

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