計算機網絡第1章概述1.1計算機網絡在信息時代中的作用1.2因特網概述1.3因特網的組成1.4計算機網絡類別1.5計算機網絡體系結構1.1計算機網絡

在信息時代的作用21世紀的一些重要特征就是數字化、網絡化和信息化，它是一個以網絡為核心的信息時代。網絡現已成為信息社會的命脈和發展知識經濟的重要基礎。網絡是指“三網”，即電信網絡、有線電視網絡和計算機網絡。發展最快的并起到核心作用的是計算機網絡。因特網(Internet)的發展進入20世紀90年代以后，以因特網為代表的計算機網絡得到了飛速的發展。已從最初的教育科研網絡逐步發展成為商業網絡。已成為僅次于全球電話網的世界第二大網絡。因特網的意義因特網是自印刷術以來人類通信方面最大的變革。現在人們的生活、工作、學習和交往都已離不開因特網。計算機網絡向用戶提供的

最重要的功能連接——計算機網絡使上網用戶之間都可以交換信息，好像這些用戶的計算機都可以彼此直接連通一樣。共享——即資源共享。可以是信息共享、軟件共享，也可以是硬件共享。1.2因特網概述1.2.1網絡的網絡起源于美國的因特網現已發展成為世界上最大的國際性計算機互聯網網絡(network)由若干結點(node)和連接這些結點的鏈路(link)組成。互聯網是“網絡的網絡”(networkofnetworks)。連接在因特網上的計算機都稱為主機(host)。網絡與因特網網絡把許多計算機連接在一起。因特網則把許多網絡連接在一起。(a)(b)網絡互聯網（網絡的網絡）結點鏈路主機因特網1.2.2因特網發展的三個階段第一階段是從單個網絡ARPANET向互聯網發展的過程。1983年TCP/IP協議成為ARPANET上的標準協議。人們把1983年作為因特網的誕生時間。internet和Internet的區別以小寫字母i

開始的internet（互聯網或互連網）是一個通用名詞，它泛指由多個計算機網絡互連而成的網絡。以大寫字母I開始的的Internet（因特網）則是一個專用名詞，它指當前全球最大的、開放的、由眾多網絡相互連接而成的特定計算機網絡，它采用TCP/IP協議族作為通信的規則，且其前身是美國的ARPANET。三級結構的因特網第二階段的特點是建成了三級結構的因特網。三級計算機網絡，分為主干網、地區網和校園網（或企業網）。如：NSFNAT來自于大學和研究機構；多層次ISP結構的因特網第三階段的特點是逐漸形成了多層次ISP結構的因特網。出現了因特網服務提供者ISP(InternetServiceProvider)。用戶因特網ISP1ISP2因特網服務提供者用戶通過ISP上網根據提供服務的覆蓋面積大小以及所擁有的IP地址數目的不同，ISP也分成為不同的層次。萬維網WWW的問世因特網已經成為世界上規模最大和增長速率最快的計算機網絡，沒有人能夠準確說出因特網究竟有多大。因特網的迅猛發展始于20世紀90年代。由歐洲原子核研究組織CERN開發的萬維網WWW(WorldWideWeb)被廣泛使用在因特網上，大大方便了廣大非網絡專業人員對網絡的使用，成為因特網的這種指數級增長的主要驅動力。1.3因特網的組成從因特網的工作方式上看，可以劃分為以下的兩大塊：(1)邊緣部分由所有連接在因特網上的主機組成。這部分是用戶直接使用的，用來進行通信（傳送數據、音頻或視頻）和資源共享。(2)核心部分由大量網絡和連接這些網絡的路由器組成。這部分是為邊緣部分提供服務的（提供連通性和交換）。因特網的核心部分因特網的邊緣部分主機網絡路由器因特網的邊緣部分與核心部分1.3.1因特網的邊緣部分處在因特網邊緣的部分就是連接在因特網上的所有的主機。這些主機又稱為端系統(endsystem)。

“主機A和主機B進行通信”，實際上是指：“運行在主機A上的某個程序和運行在主機B上的另一個程序進行通信”。即“主機A的某個進程和主機B上的另一個進程進行通信”。或簡稱為“計算機之間通信”

兩種通信方式在網絡邊緣的端系統中運行的程序之間的通信方式通常可劃分為兩大類：客戶服務器方式（C/S方式）即Client/Server方式對等方式（P2P方式）即Peer-to-Peer方式1.客戶服務器方式客戶(client)和服務器(server)都是指通信中所涉及的兩個應用進程。客戶服務器方式所描述的是進程之間服務和被服務的關系。客戶是服務的請求方，服務器是服務的提供方。運行客戶程序網絡邊緣網絡核心運行服務器程序AB①請求服務②得到服務客戶服務器客戶A向服務器B發出請求服務，而服務器B向客戶A提供服務。客戶軟件的特點被用戶調用后運行，在通信時主動向遠地服務器發起通信（請求服務）。因此，客戶程序必須知道服務器程序的地址。可與多個服務器進行通信。不需要特殊的硬件和很復雜的操作系統。服務器軟件的特點一種專門用來提供某種服務的程序，可同時處理多個遠地或本地客戶的請求。系統啟動后即自動調用并一直不斷地運行著，被動地等待并接受來自各地的客戶的通信請求。因此，服務器程序不需要知道客戶程序的地址。一般需要強大的硬件和高級的操作系統支持。2.對等連接方式對等連接(peer-to-peer，簡寫為P2P)是指兩個主機在通信時并不區分哪一個是服務請求方還是服務提供方。只要兩個主機都運行了對等連接軟件（P2P軟件），它們就可以進行平等的、對等連接通信。對等連接方式的特點對等連接方式從本質上看仍然是使用客戶服務器方式，只是對等連接中的每一個主機既是客戶又同時是服務器。例如主機C請求D的服務時，C是客戶，D是服務器。但如果C又同時向F提供服務，那么C又同時起著服務器的作用。網絡邊緣網絡核心運行P2P程序運行P2P程序DCEF運行P2P程序運行P2P程序1.3.2因特網的核心部分網絡核心部分是因特網中最復雜的部分。網絡中的核心部分要向網絡邊緣中的大量主機提供連通性，使邊緣部分中的任何一個主機都能夠向其他主機通信（即傳送或接收各種形式的數據）。在網絡核心部分起特殊作用的是路由器(router)。路由器是實現分組交換(packetswitching)的關鍵構件，其任務是轉發收到的分組，這是網絡核心部分最重要的功能。路由器的重要任務路由器是實現分組交換(packetswitching)的關鍵構件，其任務是轉發收到的分組，這是網絡核心部分最重要的功能。1.電路交換的主要特點兩部電話機只需要用一對電線就能夠互相連接起來。

更多的電話機互相連通5部電話機兩兩相連，需10對電線。N部電話機兩兩相連，需N(N

–1)/2對電線。當電話機的數量很大時，這種連接方法需要的電線對的數量與電話機數的平方成正比。

使用交換機當電話機的數量增多時，就要使用交換機來完成全網的交換任務。…

交換機“交換”的含義在這里，“交換”(switching)的含義就是轉接——把一條電話線轉接到另一條電話線，使它們連通起來。從通信資源的分配角度來看，“交換”就是按照某種方式動態地分配傳輸線路的資源。電路交換的特點電路交換必定是面向連接的。電路交換的三個階段：建立連接通信釋放連接電路交換舉例A和B通話經過四個交換機通話在A到B的連接上進行((((交換機交換機交換機交換機用戶線用戶線中繼線中繼線BDCA電路交換舉例C和D通話只經過一個本地交換機通話在C到D的連接上進行((((交換機交換機交換機交換機用戶線用戶線中繼線中繼線BDCA電路交換傳送計算機數據效率低在通話的全部時間內，通話的兩個用戶始終占用端到端的通信資源。計算機數據具有突發性。這導致通信線路的利用率很低。報文2.分組交換的主要特點在發送端，先把較長的報文劃分成較短的、固定長度的數據段。1101000110101010110101011100010011010010假定這個報文較長不便于傳輸數據數據數據報文添加首部構成分組每一個數據段前面添加上首部構成分組。首部首部首部分組

1分組

2分組

3請注意：現在左邊是“前面”分組交換的傳輸單元分組交換網以“分組”作為數據傳輸單元。依次把各分組發送到接收端（假定接收端在左邊）。數據首部分組

1數據首部分組

2數據首部分組

3分組首部的重要性每一個分組的首部都含有地址等控制信息。分組交換網中的結點交換機根據收到的分組的首部中的地址信息，把分組轉發到下一個結點交換機。用這樣的存儲轉發方式，最后分組就能到達最終目的地。收到分組后剝去首部接收端收到分組后剝去首部還原成報文。數據首部分組

1數據首部分組

2數據首部分組

3收到的數據數據數據數據最后還原成原來的報文最后，在接收端把收到的數據恢復成為原來的報文。這里我們假定分組在傳輸過程中沒有出現差錯，在轉發時也沒有被丟棄。報文1101000110101010110101011100010011010010因特網的核心部分因特網的核心部分是由許多網絡和把它們互連起來的路由器組成，而主機處在因特網的邊緣部分。在因特網核心部分的路由器之間一般都用高速鏈路相連接，而在網絡邊緣的主機接入到核心部分則通常以相對較低速率的鏈路相連接。主機的用途是為用戶進行信息處理的，并且可以和其他主機通過網絡交換信息。路由器的用途則是用來轉發分組的，即進行分組交換的。H1H5H2H4H3H6路由器網絡網絡核心部分主機H1H5H2H4H3H6發送的分組路由器AEDBC網絡核心部分主機分組交換的優點高效動態分配傳輸帶寬，對通信鏈路是逐段占用。靈活以分組為傳送單位和查找路由。迅速不必先建立連接就能向其他主機發送分組。可靠保證可靠性的網絡協議；分布式的路由選擇協議使網絡有很好的生存性。分組交換帶來的問題分組在各結點存儲轉發時需要排隊，這就會造成一定的時延。分組必須攜帶的首部（里面有必不可少的控制信息）也造成了一定的開銷。存儲轉發原理

并非完全新的概念在20世紀40年代，電報通信也采用了基于存儲轉發原理的報文交換(messageswitching)。報文交換的時延較長，從幾分鐘到幾小時不等。現在報文交換已經很少有人使用了。課件制作人：謝希仁謝鈞三種交換的比較P1P2P3P4P1P2P3P4P3P4報文報文報文ABCDABCDABCD報文交換電路交換分組交換t連接建立數據傳送報文P2P1連接釋放數據傳送的特點比特流直達終點報文報文報文分組分組分組存儲轉發存儲轉發存儲轉發存儲轉發1.4計算機網絡的類別1.4.1計算機網絡的定義最簡單的定義：計算機網絡是一些互相連接的、自治的計算機的集合。1.4.2幾種不同類別的網絡從網絡的作用范圍進行分類廣域網WAN(WideAreaNetwork)局域網LAN(LocalAreaNetwork)

城域網MAN(MetropolitanAreaNetwork)個人區域網PAN(PersonalAreaNetwork)

2022/11/152(一)按網絡的區域分布1、局域網(LAN)在小范圍內組成的網絡。

局域網用于將有限范圍內（如一個實驗室、一幢大樓、一個校園）的各種計算機、終端與外部設備互連成網。2、城域網(MAN)在較大范圍內組成的網絡。 城市地區網絡常簡稱為城域網。城域網是介于廣域網與局域網之間的一種高速網絡3、廣域網(WAN)不受地區的限制 廣域網也稱為遠程網。它所覆蓋的地理范圍從幾十公里到幾千公里。2022/11/153采用局域網，傳輸速率較高，誤碼率較低。組網方便，技術簡單。傳輸距離遠，傳輸速率較低，誤碼率較高。機制復雜。局域網指十幾公里的地理范圍內將計算機、外設和通信設備互連在一起的網絡系統。廣域網

涉及的范圍較大，通常可以達到幾十公里、幾百公里，甚至更遠。2022/11/1542022/11/1552022/11/1562022/11/157廣域網、城域網、接入網、局域網1.4.2幾種不同類別的網絡從網絡的使用者進行分類公用網(publicnetwork)專用網(privatenetwork)

1.5計算機網絡的體系結構

1.5.1計算機網絡體系結構的形成相互通信的兩個計算機系統必須高度協調工作才行，而這種“協調”是相當復雜的。“分層”可將龐大而復雜的問題，轉化為若干較小的局部問題，而這些較小的局部問題就比較易于研究和處理。關于開放系統互連參考模型

OSI/RM只要遵循OSI標準，一個系統就可以和位于世界上任何地方的、也遵循這同一標準的其他任何系統進行通信。在市場化方面OSI卻失敗了。OSI的專家們在完成OSI標準時沒有商業驅動力；OSI的協議實現起來過分復雜，且運行效率很低；OSI標準的制定周期太長，因而使得按OSI標準生產的設備無法及時進入市場；OSI的層次劃分并也不太合理，有些功能在多個層次中重復出現。

兩種國際標準法律上的(dejure)國際標準OSI并沒有得到市場的認可。是非國際標準TCP/IP現在獲得了最廣泛的應用。TCP/IP常被稱為事實上的(defacto)國際標準。1.5.2協議與劃分層次計算機網絡中的數據交換必須遵守事先約定好的規則。這些規則明確規定了所交換的數據的格式以及有關的同步問題（同步含有時序的意思）。網絡協議(networkprotocol)，簡稱為協議，是為進行網絡中的數據交換而建立的規則、標準或約定。網絡協議的組成要素語法數據與控制信息的結構或格式。語義需要發出何種控制信息，完成何種動作以及做出何種響應。同步事件實現順序的詳細說明。劃分層次的概念舉例主機

1

向主機

2

通過網絡發送文件。可以將要做的工作進行如下的劃分。第一類工作與傳送文件直接有關。確信對方已做好接收和存儲文件的準備。雙方協調好一致的文件格式。兩個主機將文件傳送模塊作為最高的一層。剩下的工作由下面的模塊負責。兩個主機交換文件文件傳送模塊主機

1主機

2文件傳送模塊只看這兩個文件傳送模塊好像文件及文件傳送命令是按照水平方向的虛線傳送的把文件交給下層模塊進行發送把收到的文件交給上層模塊再設計一個通信服務模塊文件傳送模塊主機

1主機

2文件傳送模塊只看這兩個通信服務模塊好像可直接把文件可靠地傳送到對方把文件交給下層模塊進行發送把收到的文件交給上層模塊通信服務模塊通信服務模塊再設計一個網絡接入模塊文件傳送模塊主機

1主機

2文件傳送模塊通信服務模塊通信服務模塊網絡接入模塊網絡接入模塊通信網絡網絡接口網絡接口網絡接入模塊負責做與網絡接口細節有關的工作例如，規定傳輸的幀格式，幀的最大長度等。分層的好處各層之間是獨立的。靈活性好。結構上可分割開。易于實現和維護。能促進標準化工作。層數多少要適當若層數太少，就會使每一層的協議太復雜。層數太多又會在描述和綜合各層功能的系統工程任務時遇到較多的困難。計算機網絡的體系結構計算機網絡的體系結構(architecture)是計算機網絡的各層及其協議的集合。體系結構就是這個計算機網絡及其部件所應完成的功能的精確定義。實現(implementation)是遵循這種體系結構的前提下用何種硬件或軟件完成這些功能的問題。體系結構是抽象的，而實現則是具體的，是真正在運行的計算機硬件和軟件。1.5.3具有五層協議的體系結構TCP/IP是四層的體系結構：應用層、運輸層、網際層和網絡接口層。但最下面的網絡接口層并沒有具體內容。因此往往采取折中的辦法，即綜合

OSI和

TCP/IP

的優點，采用一種只有五層協議的體系結構。五層協議的體系結構應用層(applicationlayer)運輸層(transportlayer)網絡層(networklayer)數據鏈路層(datalinklayer)物理層(physicallayer)數據鏈路層5應用層4運輸層3網絡層2數據鏈路層1物理層主機

1

向主機

2

發送數據5432154321主機

1AP2AP1主機

2應用進程數據先傳送到應用層加上應用層首部，成為應用層

PDU主機

1

向主機

2

發送數據5432154321主機

1AP2AP1主機

2應用層PDU再傳送到運輸層加上運輸層首部，成為運輸層報文主機

1

向主機

2

發送數據5432154321主機

1AP2AP1主機

2運輸層報文再傳送到網絡層加上網絡層首部，成為IP數據報（或分組）主機

1

向主機

2

發送數據5432154321主機

1AP2AP1主機

2IP數據報再傳送到數據鏈路層加上鏈路層首部和尾部，成為數據鏈路層幀主機

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向主機

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發送數據5432154321主機

1AP2AP1主機

2數據鏈路層幀再傳送到物理層最下面的物理層把比特流傳送到物理媒體主機

1

向主機

2

發送數據應用層(applicationlayer)5432154321物理傳輸媒體主機

1AP2AP1電信號（或光信號）在物理媒體中傳播從發送端物理層傳送到接收端物理層主機

2主機

1

向主機

2

發送數據課件制作人：謝希仁謝鈞5432154321主機

1AP2AP1主機

2物理層接收到比特流，上交給數據鏈路層主機

1

向主機

2

發送數據5432154321主機

1AP2AP1主機

2數據鏈路層剝去幀首部和幀尾部取出數據部分，上交給網絡層主機

1

向主機

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發送數據5432154321主機

1AP2AP1主機

2網絡層剝去首部，取出數據部分上交給運輸層主機

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向主機

2

發送數據5432154321主機

1AP2AP1主機

2運輸層剝去首部，取出數據部分上交給應用層主機

1

向主機

2

發送數據5432154321主機

1AP2AP1主機

2應用層剝去首部，取出應用程序數據上交給應用進程主機

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向主機

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發送數據5432154321主機

1AP2AP1主機

2我收到了

AP1

發來的應用程序數據！主機

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向主機

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發送數據5432154321主機

1AP2AP1主機

2應用程序數據應用層首部H510100110100101比特流110101110101注意觀察加入或剝去首部（尾部）的層次應用程序數據H5應用程序數據H4H5應用程序數據H3H4H5應用程序數據H4運輸層首部H3網絡層首部H2鏈路層首部T2鏈路層尾部主機

1

向主機

2

發送數據5432154321主機

1AP2AP1主機

210100110100101比特流110101110101計算機2的物理層收到比特流后交給數據鏈路層H2T2H3H4H5應用程序數據H3H4H5應用程序數據主機

1

向主機

2

發送數據5432154321主機

1AP2AP1主機

2數據鏈路層剝去幀首部和幀尾部后把幀的數據部分交給網絡層H2T2H3H4H5應用程序數據H4H5應用