計算機網絡體系結構1.1網絡基本概念計算機網絡基本概念萬物聯網人人用網信息時代：以網絡為核心計算機網絡基本概念電信網絡提供電話、電報及傳真等服務。計算機網絡使用戶能在計算機之間傳送數據文件。有線電視網絡向用戶傳送各種電視節目。發展最快的并起到核心作用的是計算機網絡。人們熟悉的三大網絡計算機網絡基本概念電信網絡有線電視網絡計算機網絡三網融合計算機網絡基本概念數字經濟是指以使用數字化的知識和信息作為關鍵生產要素以現代信息網絡作為重要載體以信息通信技術(ICT)的有效使用作為效率提升和經濟結構優化的重要推動力的一系列經濟活動。產業發展政策計算機網絡基本概念產業發展政策2022年1月，國務院印發《“十四五”數字經濟發展規劃》計算機網絡基本概念2022年2月，“東數西算”工程正式啟動數據中心、信息網絡人才需求量大產業發展政策計算機網絡基本概念如何稱呼Internet？因特網：推薦，但卻長期未得到推廣。互聯網：目前流行最廣，事實上的標準譯名。互聯網≠互連網互連網：局部范圍互連起來的計算機網絡。互聯網—專用名詞，全球最大、開放、互相連接、采用TCP/IP協議族互連網—通用名詞，多個網絡互連形成的計算機網絡。Internet：全球最大、最重要的計算機網絡計算機網絡基本概念連通性(connectivity)使上網用戶之間可以非常便捷、非常經濟地交換各種信息好像這些用戶終端都彼此直接連通一樣。資源共享(Sharing)實現信息共享、軟件共享、硬件共享。由于網絡的存在，這些資源好像就在用戶身邊一樣地方便使用。是Internet提供許多服務的基礎。互聯網的2個重要基本特點計算機網絡基本概念互連網(internetwork或internet)多個網絡通過一些路由器相互連接起來，構成了一個覆蓋范圍更大的計算機網絡。“網絡的網絡”(networkofnetworks)。網絡網絡網絡網絡網絡網絡網絡圖1-1(b)由網絡構成的互連網圖例集線器網絡計算機路由器計算機網絡基本概念計算機網絡由若干節點(node)和連接這些節點的鏈路(link)組成。節點可以是計算機、集線器、交換機或路由器等。圖1-1(a)簡單的網絡節點鏈路圖例集線器計算機網絡計算機網絡基本概念節點鏈路網絡網絡網絡網絡網絡網絡網絡計算機網絡互連網（網絡的網絡）計算機網絡基本概念用“云”表示網絡：主機在“云”外網絡網絡網絡網絡網絡網絡網絡主機圖形表示計算機網絡體系結構1.2計算機網絡發展計算機網絡發展1969–19901985–19931993–現在從單個網絡ARPANET向互聯網發展。建成了三級結構的互聯網。全球范圍的多層次ISP結構的互聯網。互聯網基礎結構發展的三個階段第一階段：1969–1990ARPANET：最初只是一個單個的分組交換網，不是一個互連網。1983年，TCP/IP協議成為ARPANET上的標準協議，使得所有使用TCP/IP協議的計算機都能利用互連網相互通信。人們把1983年作為互聯網的誕生時間。1990年，ARPANET正式宣布關閉。SRIUCSBUCLAUTAH1969年的ARPANET計算機網絡發展互聯網基礎結構發展的三個階段第二階段：1985–1993國家科學基金網NSFNET。三級結構：主干網、地區網和校園網（或企業網）。覆蓋了全美國主要的大學和研究所，并且成為互聯網中的主要組成部分。主干網地區網地區網地區網校園網校園網校園網校園網校園網計算機網絡發展互聯網基礎結構發展的三個階段第三階段：1993–現在出現了互聯網服務提供者ISP(InternetServiceProvider)：提供接入到互聯網的服務。需要收取一定的費用。多層次ISP結構：主干ISP、地區ISP和本地ISP。覆蓋面積大小和所擁有的IP地址數目的不同計算機網絡發展互聯網基礎結構發展的三個階段1994.4.20中國接入互聯網第三階段：1993–現在通信舉例：主機A→本地ISP→地區ISP→主干ISP→地區ISP→本地ISP→主機B

大公司公司本地ISPAB本地ISP主干ISP本地ISP本地

ISP主干ISP主干ISP

本地ISP本地ISP

本地ISP

內容提供者IXP校園網校園網IXP地區ISP地區ISP地區

ISP地區ISP計算機網絡發展互聯網基礎結構發展的三個階段20世紀90年代：萬維網WWW的問世（1989.3.12）萬維網WWW(WorldWideWeb)：由歐洲原子核研究組織CERN開發。成為互聯網指數級增長的主要驅動力。2019年3月底，互聯網的用戶數已超過了43.8億。計算機網絡發展互聯網基礎結構發展的三個階段計算機網絡發展互聯網的標準化工作對互聯網的發展起到了非常重要的作用。互聯網研究部IRTF互聯網工程部IETF…RGWG……RG…領域領域WGWGWG互聯網體系結構研究委員會IAB互聯網研究指導小組IRSG互聯網工程指導小組IESG互聯網協會ISOC組織架構互聯網的標準化工作1992標準發表：以RFC的形式RFC：RequestForComments（請求評論）。所有的RFC文檔都可從互聯網上免費下載。任何人都可以用電子郵件隨時發表對某個文檔的意見或建議。但并非所有的RFC文檔都是互聯網標準。只有很少部分的RFC文檔最后才能變成互聯網標準（STDxxxx）。RFC文檔按發表時間的先后編上序號（即RFCxxxx，xxxx是阿拉伯數字）。計算機網絡發展互聯網的標準化工作標準發表：以RFC的形式RFC：RequestForComments（請求評論）。所有的RFC文檔都可從互聯網上免費下載。任何人都可以用電子郵件隨時發表對某個文檔的意見或建議。但并非所有的RFC文檔都是互聯網標準。只有很少部分的RFC文檔最后才能變成互聯網標準（STDxxxx）。RFC文檔按發表時間的先后編上序號（即RFCxxxx，xxxx是阿拉伯數字）。計算機網絡發展互聯網的標準化工作計算機網絡發展我國計算機網絡發展1980年，鐵道部開始進行計算機聯網實驗。1989年11月，我國第一個公用分組交換網CNPAC建成運行。1994年4月20日，我國用64kbit/s專線正式連入互聯網，我國被國際上正式承認為接入互聯網的國家。1994年9月，中國公用計算機互聯網CHINANET正式啟動。1994年5月，中國科學院高能物理研究所設立了我國的第一個萬維網服務器。計算機網絡發展我國計算機網絡發展中國電信互聯網CHINANET（也就是原來的中國公用計算機互聯網）到目前為止，我國陸續建造了基于互聯網技術的并能夠和互聯網互連的多個全國范圍的公用計算機網絡，規模最大的是下面這五個/

（中國互聯網絡信息）中國聯通互聯網UNINET中國移動互聯網CMNET中國教育和科研計算機網CERNET中國科學技術網CSTNET計算機網絡體系結構1.3計算機網絡組成計算機網絡組成互聯網的組成從互聯網的工作方式上看，可以劃分為兩大塊邊緣部分：由所有連接在互聯網上的主機組成，由用戶直接使用，用來進行通信（傳送數據、音頻或視頻）和資源共享。核心部分：由大量網絡和連接這些網絡的路由器組成，為邊緣部分提供服務（提供連通性和交換）。計算機網絡組成互聯網邊緣部分處在互聯網邊緣部分的就是連接在互聯網上的所有主機。這些主機又稱為端系統

(endsystem)。端系統在功能上可能有很大差別：小的端系統：普通個人電腦、智能手機、網絡攝像頭等。大的端系統：非常昂貴的大型計算機或服務器。端系統的擁有者：可以是個人、單位、或某個ISP。計算機網絡組成互聯網邊緣部分互聯網的核心部分互聯網的邊緣部分主機智能手機IP攝像頭大型或超級計算機服務器主機主機主機主機端系統“計算機之間通信”的含義實際上是指：主機A的某個進程和主機B上的另一個進程進行通信。計算機網絡組成互聯網邊緣部分處在互聯網邊緣部分的就是連接在互聯網上的所有主機。這些主機又稱為端系統

(endsystem)。端系統在功能上可能有很大差別：小的端系統：普通個人電腦、智能手機、網絡攝像頭等。大的端系統：非常昂貴的大型計算機或服務器。端系統的擁有者：可以是個人、單位、或某個ISP。計算機網絡組成互聯網邊緣部分客戶/服務器方式Client/Server方式簡稱為C/S方式對等方式PeertoPeer方式簡稱為P2P方式端系統之間的兩種通信方式計算機網絡組成1.客戶-服務器方式（C/S方式）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請求服務客戶服務器客戶A向服務器B發出請求服務，服務器B向客戶A提供服務。②得到服務客戶與服務器的通信關系建立后，通信可以是雙向的，客戶和服務器都可發送和接收數據。計算機網絡組成客戶程序和服務器程序主要特點客戶程序被用戶調用后運行，需主動向遠地服務器發起通信（請求服務）。必須知道服務器程序的地址。不需要特殊的硬件和很復雜的操作系統。服務器程序專門用來提供某種服務的程序，可同時處理多個客戶請求。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。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計算機網絡組成2.對等連接方式（P2P方式）兩臺主機在通信時不區分服務請求方和服務提供方。只要都運行了P2P軟件，就可以進行平等的、對等連接通信。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是服務器。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程序計算機網絡組成互聯網核心部分是互聯網中最復雜的部分。向網絡邊緣中的主機提供連通性，使任何一臺主機都能夠向其他主機通信。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。分組轉發是網絡核心部分最重要的功能。互聯網的邊緣部分路由器網絡互聯網的核心部分網絡計算機網絡體系結構1.4數據交換方式數據交換方式互聯網核心部分典型交換技術包括電路交換分組交換報文交換等互聯網的核心部分采用分組交換技術“交換(switching)”的含義轉接：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，就是按照某種方式動態地分配傳輸線路的資源。互聯網核心部分電路交換、報文交換和分組交換的主要區別P2P4P3P4P3報文報文報文ABCDABCDABCD報文交換電路交換分組交換t數據傳送報文P1連接釋放數據傳送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P2P1P1P3P2P4存儲轉發存儲轉發存儲轉發連接建立數據交換方式互聯網核心部分電路交換特點分為三個階段：建立連接：建立一條專用的物理通路（占用通信資源）。通話：主叫和被叫雙方互相通電話（一直占用通信資源）。釋放連接：釋放剛才使用的專用的物理通路（歸還通信資源）。這種必須經過“建立連接（占用通信資源）、通話（一直占用通信資源）、釋放連接（歸還通信資源）”三個步驟的交換方式稱為電路交換。數據交換方式互聯網核心部分電路交換特點：通話的兩個用戶始終占用端到端的通信資源AB電信網交換機交換機交換機交換機中繼線用戶線用戶線CDEF計算機數據具有突發性，這導致在傳送數據時，通信線路的利用率很低，真正用來傳送數據的時間往往不到10%，甚至不到1%，已被用戶占用的通信線路資源在絕大部分時間里都是空閑的。數據交換方式互聯網核心部分2.分組交換的主要特點采用存儲轉發技術。報文110100011010101011010101110001001101001011在發送端，先把較長的報文劃分成更小的等長數據段。數據交換方式互聯網核心部分數據段前面添加首部就構成了分組(packet)數據數據數據首部首部首部分組1分組2分組3報文注意：左邊是“前面”分組又稱為“包”，而分組的首部也可稱為“包頭”。數據交換方式互聯網核心部分電路交換好還是分組交換好數據交換方式互聯網核心部分分組交換的優點優點所采用的手段高效在分組傳輸的過程中動態分配傳輸帶寬，對通信鏈路是逐段占用。靈活為每一個分組獨立地選擇最合適的轉發路由。迅速以分組作為傳送單位，可以不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；分布式多路由的分組交換網，使網絡有很好的生存性。數據交換方式互聯網核心部分分組交換的缺點排隊延遲：分組在各路由器存儲轉發時需要排隊。不保證帶寬：動態分配。增加開銷：各分組必須攜帶控制信息；路由器要暫存分組，維護轉發表等。數據交換方式互聯網核心部分報文交換在20世紀40年代，電報通信就采用了基于存儲轉發原理的報文交換(messageswitching)。但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。數據交換方式計算機網絡體系結構1.5計算機網絡分類計算機網絡分類計算機網絡類別1.按照網絡的作用范圍進行分類類別作用范圍或距離廣域網WAN(WideAreaNetwork)通常為幾十到幾千公里。有時也稱為遠程網(longhaulnetwork)。是互聯網的核心部分。城域網MAN(MetropolitanAreaNetwork)作用范圍一般是一個城市，作用距離約為5~50公里。局域網LAN(LocalAreaNetwork)局限在較小的范圍（如1公里左右）。通常采用高速通信線路。個人區域網PAN(PersonalAreaNetwork)范圍很小，大約在10米左右。有時也稱為無線個人區域網WPAN(WirelessPAN)。若中央處理機之間的距離非常近（如僅1米甚至更小些），則一般就稱之為多處理機系統，而不稱它為計算機網絡。計算機網絡分類計算機網絡類別2.按照網絡的使用者進行分類類別作用范圍或距離公用網(publicnetwork)按規定交納費用的人都可以使用的網絡。也可稱為公眾網。專用網(privatenetwork)為特殊業務工作的需要而建造的網絡。公用網和專用網都可以傳送多種業務。如傳送的是計算機數據，則分別是公用計算機網絡和專用計算機網絡。計算機網絡分類計算機網絡類別3.按照網絡的拓撲結構進行分類計算機網絡體系結構1.6計算機網絡性能指標計算機網絡的性能指標性能指標從不同的方面來度量計算機網絡的性能。計算機網絡的性能指標重要性能指標速率帶寬吞吐率時延時延帶寬積往返時間利用率性能指標從不同的方面來度量計算機網絡的性能。計算機網絡的性能指標1.速率最重要的一個性能指標。指的是數據的傳送速率，也稱為數據率

(datarate)或比特率

(bitrate)。單位：bit/s，或kbit/s、Mbit/s、Gbit/s等。例如4

1010bit/s的數據率就記為40Gbit/s。速率往往是指額定速率或標稱速率，非實際運行速率。千=K=210=1024，兆=M=220=1024K，吉=G=230=1024M1字節(Byte)=8比特(bit）（計算機運算、計算機存儲）計算機網絡的性能指標1.速率最重要的一個性能指標。數據傳送速率=min[主機接口速率，線路帶寬，交換機或路由器的接口速率]主機交換機接口速率接口速率線路帶寬數據傳送速率主機的接口速率線路帶寬交換機或路由器的接口速率1Gb/s100Mb/s100Mb/s100Mb/s1Gb/s100Mb/s1Gb/s1Gb/s1Gb/s1Gb/s100Mb/s1Gb/s1Gb/s1Gb/s1Gb/s100Mb/s計算機網絡的性能指標2.帶寬(bandwidth)某個信號具有的頻帶寬度。單位是赫（或千赫、兆赫、吉赫等）。某信道允許通過的信號頻帶范圍稱為該信道的帶寬（或通頻帶）。頻域網絡中某通道傳送數據的能力，表示在單位時間內網絡中的某信道所能通過的“最高數據率”。單位就是數據率的單位bit/s。時域兩者本質相同。一條通信鏈路的“帶寬”越寬，其所能傳輸的“最高數據率”也越高。計算機網絡的性能指標3.吞吐量(throughput)單位時間內通過某個網絡（或信道、接口）的實際數據量。受網絡的帶寬或網絡的額定速率的限制。額定速率是絕對上限值。可能會遠小于額定速率，甚至下降到零！有時可用每秒傳送的字節數或幀數來表示。計算機網絡的性能指標4.時延(delay或latency)指數據（一個報文或分組，甚至比特）從網絡（或鏈路）的一端傳送到另一端所需的時間。有時也稱為延遲或遲延。（1）發送時延（2）傳播時延（3）處理時延（4）排隊時延組成計算機網絡的性能指標也稱為傳輸時延。是主機或路由器發送數據幀所需要的時間，也就是從發送數據幀的第一個比特算起，到該幀的最后一個比特發送完畢所需的時間。（1）發送時延發送時延=數據幀長度（bit）發送速率（bit/s）計算機網絡的性能指標（2）傳播時延自由空間的傳播速率是光速=3.0ⅹ105km/s在銅線電纜中的傳播速率約=2.3ⅹ105km/s在光纖中的傳播速率約=

2.0ⅹ105km/s是電磁波在信道中傳播一定的距離需要花費的時間。傳播時延=信道長度（米）信號在信道上的傳播速率（米/秒）電磁波傳播速率計算機網絡的性能指標（3）處理時延主機或路由器在收到分組時，為處理分組（例如分析首部、提取數據、差錯檢驗或查找路由）所花費的時間。（4）排隊時延分組在路由器輸入輸出隊列中排隊等待處理和轉發所經歷的時延。排隊時延的長短往往取決于網絡中當時的通信量。當網絡的通信量很大時會發生隊列溢出，使分組丟失，這相當于排隊時延為無窮大。計算機網絡的性能指標4.時延(delay或latency)總時延=發送時延+傳播時延+處理時延+排隊時延一般說來，小時延的網絡要優于大時延的網絡。在某些情況下，一個低速率、小時延的網絡很可能要優于一個高速率但大時延的網絡。必須指出，在總時延中，究竟是哪一種時延占主導地位，必須具體分析。計算機網絡的性能指標四種時延產生的地方…發送器隊列在鏈路上產生傳播時延結點B結點A在發送器產生發送時延(即傳輸時延)在這里產生處理時延和排隊時延數據假設從結點A向結點B發送數據鏈路四種時延產生的地方不一樣計算機網絡的性能指標分析舉例結點A要將一個數據塊通過1000km的光纖鏈路發送給結點B。假設忽略處理時延和排隊時延。請分別計算下列情況時的總時延，并驗證“數據的發送速率越高，其傳送的總時延就越小”的說法是否正確。（1）數據塊大小為100MB，信道帶寬為1Mbit/s（2）數據塊大小為100MB，信道帶寬為100Mbit/s（3）數據塊大小為1B，信道帶寬為1Mbit/s（4）數據塊大小為1B，信道帶寬為1Gbit/s光纖鏈路1000km結點B結點A計算機網絡的性能指標分析舉例解：

傳播時延=1000km/2.0ⅹ105km/s=

5ms。（1）發送時延=100

220

8

106=838.9s，

總時延=838.9+0.005≈838.9s。（2）發送時延=100

220

8

108=8.389s

總時延=8.389+0.005

=8.394s。縮小到（1）的近1/100。（3）發送時延=1

8

106=8

10–6s=8

s,

總時延=0.008+5=5.008ms。（4）發送時延=1

8

109=8

10–9s=0.008

s

總時延=0.000008+5=5.000008ms。與（3）相比沒有明顯減小。不能籠統地認為：“數據的發送速率越高，其傳送的總時延就越小”。計算機網絡的性能指標5.時延帶寬積時延帶寬積=傳播時延帶寬（傳播）時延（管道長度）鏈路帶寬（管道截面積）鏈路像一條空心管道鏈路的時延帶寬積又稱為以比特為單位的鏈路長度。管道中的比特數表示從發送端發出但尚未到達接收端的比特數。只有在代表鏈路的管道都充滿比特時，鏈路才得到了充分利用。計算機網絡的性能指標6.往返時間RTT(Round-TripTime)表示從發送方發送完數據，到發送方收到來自接收方的確認總共經歷的時間。

往返時間RTT=結點A到B的傳播時延tP

+結點B處理和排隊時延tPQB

+結點B發送時延tTB

+結點B到A的傳播時延tP

=2x傳播時延tP

+結點B處理和排隊時延tPQB

+結點B發送時延tTB

結點A結點B數據確認tTAtPtPtPQB往返時間RTTtTB成功發送的總時延計算機網絡的性能指標分析舉例100Mbit/s結點B結點ARTT=2s結點A要將一個100MB數據以100Mbit/s的速率發送給結點B，B正確收完該數據后，就立即向A發送確認。假定A只有在收到B的確認信息后，才能繼續向B發送數據，且確認信息很短。計算A向B發送數據的有效數據率（可以理解為：保證正確傳輸的最大傳輸速率）。計算機網絡的性能指標分析舉例100Mbit/s結點B結點ARTT=2s解：發送時延=數據長度發送速率=100×220×8100×106≈8.39s有效數據率=數據長度發送時間+RTT=100×220×88.39+2≈80.7Mbit/s計算機網絡的性能指標6.往返時間RTT(Round-TripTime)結點B結點A在互聯網中，往返時間還包括各中間結點的處理時延、排隊時延以及轉發數據時的發送時延。當使用衛星通信時，往返時間RTT相對較長，此時，RTT是很重要的一個性能指標。計算機網絡的性能指標7.利用率信道利用率某信道有百分之幾的時間是被利用的（即有數據通過）。完全空閑的信道的利用率是零。網絡利用率全網絡的信道利用率的加權平均值。問題：信道利用率越高越好嗎？時延D利用率U10D0時延急劇增大計算機網絡的性能指標時延與網絡利用率的關系根據排隊論，當某信道的利用率增大時，時延會迅速增加。其中：D0：網絡空閑時的時延。D：網絡在當前的時延。U：網絡當前的利用率，數值在0到1之間。D=D0

1-U當信道的利用率增大時，該信道引起的時延迅速增加。一些大型ISP往往會控制信道利用率不超過50%。如果超過了就要進行擴容，增大線路的帶寬。計算機網絡的性能指標8.丟包率丟包率是指在一定的時間范圍內，傳輸過程中丟失的分組數量與總分組數量的比率。丟包率接口丟包率節點丟包率鏈路丟包率路徑丟包率網絡丟包率分組丟失主要有以下兩種情況：分組在傳輸過程中出現誤碼，被傳輸路徑中的節點交換機（例如路由器）或目的主機檢測出誤碼而丟棄。節點交換機根據丟棄策略主動丟棄分組（比如擁塞丟包）。計算機網絡的非性能特征費用標準化質量可靠性管理和維護可擴展性和可升級性這些非性能特征與性能指標有很大的關系。計算機網絡體系結構2.1計算機網絡體系結構的形成計算機網絡體系結構的形成計算機網絡是一個非常復雜的系統。兩臺計算機要互相傳送文件需解決很多問題(1)必須有一條傳送數據的通路。(2)發起方必須激活通路。(3)要告訴網絡如何識別接收方。(4)發起方要清楚對方是否已開機，且與網絡連接正常。(5)發起方要清楚對方是否準備好接收和存儲文件。(6)若文件格式不兼容，要完成格式的轉換。(7)要處理各種差錯和意外事故，保證收到正確的文件。計算機A計算機B體系結構可以理解為：如何將這些復雜的功能進行分工計算機網絡體系結構的形成提出了不同體系結構最初的ARPANET

設計時提出了分層的設計方法。分層：將龐大而復雜的問題，轉化為若干較小的局部問題。1974年，IBM按照分層的方法制定并提出了系統網絡體系結構SNA(SystemNetworkArchitecture)。此后，其他一些公司也相繼推出了具有不同名稱的體系結構。但由于網絡體系結構的不同，不同公司的設備很難互相連通。計算機網絡體系結構的形成國際標準：開放系統互連參考模型OSI/RMISO(國際標準化組織)提出的OSI/RM(OpenSystemsInterconnectionReferenceModel)是使各種計算機在世界范圍內互連成網的標準框架。OSI/RM是個抽象的概念。1983年，形成了著名的ISO7498國際標準，即七層協議的體系結構。OSI試圖達到一種理想境界：全球計算機網絡都遵循這個統一標準，因而全球的計算機將能夠很方便地進行互連和交換數據。計算機網絡體系結構的形成OSI/RM的每一層都有不同的功能計算機網絡體系結構的形成但ISO/OSI失敗了基于TCP/IP的互聯網已搶先在全球相當大的范圍成功地運行了。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，使得按OSI標準生產的設備無法及時進入市場；OSI的層次劃分也不太合理，有些功能在多個層次中重復出現。計算機網絡體系結構的形成存在兩種國際標準法律上的(dejure)國際標準OSI但并沒有得到市場的認可。事實上的(defacto)國際標準TCP/IP獲得了最廣泛的應用。計算機網絡體系結構的形成計算機網絡的體系結構網絡的體系結構(NetworkArchitecture)是計算機網絡的各層及其協議的集合，就是這個計算機網絡及其構件所應完成的功能的精確定義（不涉及實現）。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。計算機網絡體系結構的形成應用層運輸層網絡層表示層會話層數據鏈路層物理層7654321OSI的七層協議體系結構TCP/IP的四層協議體系結構(a)(b)(c)五層協議的體系結構（對等模型、原理模型）4應用層1網絡接口層2網際層IP(各種應用層協議，如DNS,HTTP,SMTP等)3運輸層(TCP或UDP)（這一層并沒有具體內容）運輸層網絡層應用層數據鏈路層物理層54321常見的三種體系結構計算機網絡體系結構的形成TCP/IP對等模型（五層）層次名稱主要功能主要協議應用層提供應用程序接口HTTP、FTP/TFTP、SNMP、DNS、DHCP等傳輸層建立端到端的連接TCP、UDP網絡層編址與路徑選擇IP、ARP、ICMP、IGMP等數據鏈路層物理介質訪問Ethernet、HDLC、PPP、FR等物理層二進制比特流傳輸接口與線纜相關的協議，如RS-232、V.35、V.24、T568A/T568B等計算機網絡體系結構2.2網絡協議和層次協議與劃分層次網絡協議

(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。三個組成要素：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（時序）。網絡協議是計算機網絡的不可缺少的組成部分。TCPconnectionreq.TCPconnectionreply.getplan.pdf<plan.pdf>協議與劃分層次協議的兩種形式文字描述：便于人來閱讀和理解。程序代碼：讓計算機能夠理解。不論什么形式，都必須能夠對網絡上信息交換過程做出精確的解釋。協議與劃分層次劃分層次的概念舉例：兩臺主機通過網絡傳送文件文件傳送模塊主機1主機2文件傳送模塊文件及傳送命令好像是按照水平方向的虛線直接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1，將文件傳送模塊作為最高的一層協議與劃分層次劃分層次的概念舉例：兩臺主機通過網絡傳送文件文件傳送模塊主機1主機2文件傳送模塊2，再設計一個通信服務模塊層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文件及傳送命令好像是按照水平方向的虛線直接傳送的協議與劃分層次劃分層次的概念舉例：兩臺主機通過網絡傳送文件文件傳送模塊主機1主機2文件傳送模塊3，再設計一個網絡接入模塊層好像可直接把文件可靠地傳送到對方通信服務模塊通信服務模塊文件及傳送命令好像是按照水平方向的虛線直接傳送的網絡接入模塊網絡接入模塊網絡接口網絡接口通信網絡網絡接入模塊負責做與網絡接口細節有關的工作，并向上層提供接入和通信服務。協議與劃分層次分層的優點與缺點各層之間是獨立的。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。有些功能會重復出現，因而產生了額外開銷。注意：每一層的功能應非常明確。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。計算機網絡體系結構2.3數據封裝與解封裝主機154321AP1主機2路由器3212154321AP2數據數據封裝與解封裝過程物理傳輸媒體物理傳輸媒體數據在各層之間的傳遞過程主機154321AP1主機2路由器3212154321AP2數據數據封裝與解封裝過程物理傳輸媒體物理傳輸媒體應用層首部H5數據數據在各層之間的傳遞過程主機154321AP1主機2路由器3212154321AP2數據數據封裝與解封裝過程物理傳輸媒體物理傳輸媒體H5數據H5數據H4運輸層首部數據在各層之間的傳遞過程主機154321AP1主機2路由器3212154321AP2數據數據封裝與解封裝過程物理傳輸媒體物理傳輸媒體H5數據H5數據H4H4H5數據H3網絡層首部數據在各層之間的傳遞過程主機154321AP1主機2路由器3212154321AP2數據數據封裝與解封裝過程物理傳輸媒體物理傳輸媒體H5數據H5數據H4H4H5數據H3H2鏈路層首部T2鏈路層尾部H3H4H5數據數據在各層之間的傳遞過程主機154321AP1主機2路由器3212154321AP2數據數據封裝與解封裝過程物理傳輸媒體物理傳輸媒體H5數據H5數據H4H4H5數據H3H2T2H3H4H5數據10100比特流110100數據在各層之間的傳遞過程主機154321AP1主機2路由器3212154321AP2數據封裝與解封裝過程物理傳輸媒體物理傳輸媒體數據在各層之間的傳遞過程主機154321AP1主機2路由器3212154321AP2數據封裝與解封裝過程物理傳輸媒體物理傳輸媒體10100比特流110100數據在各層之間的傳遞過程主機154321AP1主機2路由器3212154321AP2數據封裝與解封裝過程物理傳輸媒體物理傳輸媒體10100比特流110100H2T2H3H4H5數據數據在各層之間的傳遞過程主機154321AP1主機2路由器3212154321AP2數據封裝與解封裝過程物理傳輸媒體物理傳輸媒體10100比特流110100H2T2H3H4H5數據H4H5數據H3數據在各層之間的傳遞過程主機154321AP1主機2路由器3212154321AP2數據封裝與解封裝過程物理傳輸媒體物理傳輸媒體10100比特流110100H2T2H3H4H5數據H4H5數據H3H4H5數據H3數據在各層之間的傳遞過程主機154321AP1主機2路由器3212154321AP2數據封裝與解封裝過程物理傳輸媒體物理傳輸媒體10100比特流110100H2T2H3H4H5數據H4H5數據H3H4H5數據H3H2新首部T2新尾部H3H4H5數據數據在各層之間的傳遞過程主機154321AP1主機2路由器3212154321AP2數據封裝與解封裝過程物理傳輸媒體物理傳輸媒體10100比特流110100H2T2H3H4H5數據H4H5數據H3H4H5數據H3H2新首部T2新尾部H3H4H5數據10101比特流110111數據在各層之間的傳遞過程主機154321AP1主機2路由器3212154321AP2數據封裝與解封裝過程物理傳輸媒體物理傳輸媒體數據在各層之間的傳遞過程主機154321AP1主機2路由器3212154321AP2數據封裝與解封裝過程物理傳輸媒體物理傳輸媒體10101比特流110111數據在各層之間的傳遞過程主機154321AP1主機2路由器3212154321AP2數據封裝與解封裝過程物理傳輸媒體物理傳輸媒體10101比特流110111H2T2H3H4H5數據數據在各層之間的傳遞過程主機154321AP1主機2路由器3212154321AP2數據封裝與解封裝過程物理傳輸媒體物理傳輸媒體10101比特流110111H2T2H3H4H5數據H4H5數據H3數據在各層之間的傳遞過程主機154321AP1主機2路由器3212154321AP2數據封裝與解封裝過程物理傳輸媒體物理傳輸媒體10101比特流110111H2T2H3H4H5數據H4H5數據H3H5數據H4數據在各層之間的傳遞過程主機154321AP1主機2路由器3212154321AP2數據封裝與解封裝過程物理傳輸媒體物理傳輸媒體10101比特流110111H2T2H3H4H5數據H4H5數據H3H5數據H4H5數據數據在各層之間的傳遞過程主機154321AP1主機2路由器3212154321AP2數據封裝與解封裝過程物理傳輸媒體物理傳輸媒體10101比特流110111H2T2H3H4H5數據H4H5數據H3H5數據H4H5數據數據在各層之間的傳遞過程數據主機154321AP1主機2路由器3212154321AP2數據封裝與解封裝過程物理傳輸媒體物理傳輸媒體10101比特流110111H2T2H3H4H5數據H4H5數據H3H5數據H4H5數據數據數據H5數據H5數據H4H4H5數據H3H2T2H3H4H5數據10100比特流110100數據在各層之間的傳遞過程計算機網絡體系結構2.4網絡協議棧術語網絡協議棧術語實體(entity)：表示任何可發送或接收信息的硬件或軟件進程。協議：控制兩個對等實體進行通信的規則的集合。在協議的控制下，兩個對等實體間的通信使得本層能夠向上一層提供服務。要實現本層協議，還需要使用下層所提供的服務。計算機網絡協議棧術語對等實體是指通信雙方相同層次中的實體。實體是指任何可發送或接收信息的硬件或軟件進程。物理層鏈路層網絡層運輸層應用層物理層鏈路層網絡層運輸層應用層ABCDEFGHIJ對等實體對等實體對等實體對等實體對等實體網絡協議棧術語物理層鏈路層網絡層運輸層應用層物理層鏈路層網絡層運輸層應用層ABCDEFGHIJ使用物理層協議（例如傳統以太網使用曼徹斯特編碼）通信使用應用層協議（例如DHCP、DNS、HTTP、SMTP）通信使用運輸層協議（例如TCP或UDP）通信使用網際層協議（例如IP）通信使用鏈路層協議（例如傳統以太網使用CSMA/CD）通信協議是控制兩個對等實體在“水平方向”

進行“邏輯通信”的規則的集合。網絡協議棧術語在協議的控制下，兩個對等實體在水平方向的邏輯通信使得本層能夠向上一層提供服務。要實現本層協議，還需要使用下面一層所提供的服務。物理層鏈路層網絡層運輸層應用層物理層鏈路層網絡層運輸層應用層ABCDEFGHIJ使用物理層協議進行通信實現鏈路層協議并進行邏輯通信“享受”物理層提供的服務實現網絡層協議并進行邏輯通信“享受”鏈路層提供的服務實現運輸層協議并進行邏輯通信“享受”網絡層提供的服務實現應用層協議并進行邏輯通信“享受”運輸層提供的服務服務服務服務服務服務服務服務服務服務服務網絡協議棧術語注意：協議和服務在概念上是不一樣的協議其實現保證了能夠向上一層提供服務。對上面的服務用戶是透明的。是“水平的”服務上層使用服務原語獲得下層所提供的服務。上面的服務用戶只能看見服務，無法看見下面的協議。是“垂直的”實體看得見下層提供的服務，但并不知道實現該服務的具體協議。下層的協議對上層的實體是“透明”的。網絡協議棧術語相鄰兩層之間的關系協議(n+1)SAPSAP交換服務原語交換服務原語實體(n+1)服務提供者第n層第n+1層實體(n+1)服務用戶實體(n)實體(n)協議(n)網絡協議棧術語上層要使用下層所提供的服務，必須通過與下層交換一些命令，這些命令稱為服務原語。物理層鏈路層網絡層運輸層應用層物理層鏈路層網絡層運輸層應用層ABCDEFGHIJ使用物理層協議進行通信實現鏈路層協議并進行邏輯通信“享受”物理層提供的服務實現網絡層協議并進行邏輯通信“享受”鏈路層提供的服務實現運輸層協議并進行邏輯通信“享受”網絡層提供的服務實現應用層協議并進行邏輯通信“享受”運輸層提供的服務服務服務服務服務服務服務服務服務服務服務服務原語服務原語服務原語服務原語服務原語服務原語服務原語服務原語服務訪問點SAP網絡協議棧術語服務訪問點SAP在同一系統中相鄰兩層的實體進行交互（即交換信息）

的地方，通常稱為服務訪問點SAP(ServiceAccessPoint)。SAP是一個抽象的概念，它實際上就是一個邏輯接口。網絡協議棧術語在同一系統中相鄰兩層的實體交換信息的邏輯接口稱為服務訪問點SAP，它被用于區分不同的服務類型。幀的“類型”字段、IP數據報的“協議”字段，TCP報文段或UDP用戶數據報的“端口號”字段都是SAP。物理層鏈路層網絡層運輸層應用層物理層鏈路層網絡層運輸層應用層ABCDEFGHIJ使用物理層協議進行通信實現鏈路層協議并進行邏輯通信“享受”物理層提供的服務實現網絡層協議并進行邏輯通信“享受”鏈路層提供的服務實現運輸層協議并進行邏輯通信“享受”網絡層提供的服務實現應用層協議并進行邏輯通信“享受”運輸層提供的服務服務服務服務服務服務服務服務服務服務服務網絡協議棧術語IP報文頭中的協議字段就是服務訪問點，標識了IP層將數據部分上報給哪個進程處理。例如，ICMP的對應值為0x01、IGMP的對應值為0x02，例如，TCP的對應值為0x06、UDP對應值為0x11服務訪問點SAP網絡協議棧術語對等層次之間傳送的數據包稱為該層的協議數據單元（ProtocolDataUnit，PDU）。物理層鏈路層網絡層運輸層應用層物理層鏈路層網絡層運輸層應用層ABCDEFGHIJ比特流（bitstream）服務服務服務服務服務服務服務服務服務服務服務原語服務原語服務原語服務原語服務原語服務原語服務原語服務原語幀（frame）IP數據報或分組（packet）TCP報文段（segment）UDP用戶數據報（datagram）應用報文（message）協議數據單元PDU同一系統內層與層之間交換的數據包稱為服務數據單元（ServiceDataUnit，SDU）。SDUSDUSDUSDUSDUSDUSDUSDUSDUSDU計算機網絡體系結構2.5常用網絡命令常用網絡命令ipconfig用于顯示當前TCP/IP配置ipconfig(顯示IP)ipconfig/all（顯示所有）常用網絡命令ping用于測試連通性pingping–a（得到主機名）ping–t(一直ping)ping–n**（發送**個）Ping–iTTL（設置TTL）常用網絡命令tracert用于跟蹤路徑tracerttracert–h（跟蹤中間節點數）常用網絡命令netstat用于查看TCP、UDP、IP、ICMP等統計數據用于檢驗本機個接口網絡連接狀況netstat–a（顯示連接）netstat–n（數字形式顯示連接）netstat–e（顯示以太網統計數據）netstat–s（顯示多種統計數據）netstat–ptcp（顯示tcp連接）netstat–pudp（顯示udp連接）netstat–r（顯示接口和路由表）Wireshark抓包分析Wireshark用于捕獲進出網絡接口的數據用于分析、統計等Wireshark抓包分析Wireshark練習使用Wireshark進行抓包分析計算機網絡體系結構3.1常用網絡設備及功能常用網絡設備網卡網絡接口卡（NetworkInterfaceCard，NIC）簡稱網卡，又叫做網絡適配器，是連接計算機和網絡硬件的設備，它一般插在計算機的主板擴展槽中，它的標準是由IEEE來定義的。每塊網卡都有一個唯一的網絡節點地址，也就是我們常說的MAC地址。它是網卡生產廠家在生產時燒入ROM中的，且保證唯一。常用網絡設備調制解調器調制解調器是Modulator（調制器）與Demodulator（解調器）的簡稱，中文稱為調制解調器，根據Modem的諧音，親昵地稱之為“貓”，是一種能夠實現通信所需的調制和解調功能的電子設備。一般由調制器和解調器組成。在發送端，將計算機串行口產生的數字信號調制成可以通過電話線傳輸的模擬信號；在接收端，調制解調器把輸入計算機的模擬信號轉換成相應的數字信號，送入計算機接口。常用網絡設備中繼器中繼器是連接網絡線路的一種裝置，常用于兩個網絡結點之間物理信號的雙向轉發工作。中繼器是最簡單的網絡設備，主要完成物理層的功能，負責在兩個節點的物理層上按位傳遞信息，完成信號的復制、調整和放大功能，以此來延長網絡的長度。常用網絡設備集線器集線器（Hub）是帶有多個端口的中繼器（轉發器），主要功能是對接收到的信號進行再生整形放大，以擴大網絡的傳輸距離，同時也把所有節點集中在以它為中心的節點上。它工作于OSI參考模型的最底層，即“物理層”。集線器與網卡、網線等傳輸介質一樣，屬于局域網中的基礎設備，采用CSMA/CD訪問方式。早期集線器應用很廣泛，它不僅使用于局域網、企業網、校園網，還可以使用于廣域網。常用網絡設備交換機分類：按網絡構成方式：接入層交換機、匯聚層交換機和核心層交換機按照TCP/IP模型劃分：二層交換機和三層交換機按照交換機的外觀劃分：盒式交換機和框式交換機框式交換機盒式交換機定義：距離終端用戶最近的設備，用于終端用戶接入網絡、對數據幀進行交換等。常用網絡設備路由器分類：按網絡構成方式：接入層路由器、匯聚層路由器和核心層路由器按照外觀劃分：盒式路由器和框式路由器框式路由器盒式路由器定義：路由器：網絡層設備，可以在因特網中進行數據報文轉發。路由器根據所收到的報文的目的地址選擇一條合適的路徑，將報文傳送到下一個路由器或目的地，路徑中最后的路由器負責將報文送交目的主機。計算機網絡體系結構3.2網絡設備操作系統華為VRP操作系統VRP（VersatileRoutingPlatform，通用路由平臺）是華為數據通信產品的通用操作系統平臺，其實就是運行在華為數通產品上的操作系統，就像Windows系統對于PC，鴻蒙系統對于終端等。調試VRP系統的數通設備最常用的方法之一就是通過命令行界面。華為VRP系統的發行版本是以V、R、C三個字母（代表三種不同的版本號）進行標識的，基本格式為“VxxxRxxxCxx”，其中的“x”是一些具體的數字。“V”“R”部分為必須部分；“C”根據版本性質的不同而確定，可能出現也可能不出現。如V100R001C01、V100R001C02、V100R002C01華為VRP操作系統CLI是CommandLineInterface的縮寫，即命令行界面。命令行界面CLI是交換機、路由器等網絡設備提供的人機接口。與使用圖形化界面（GraphicalUserInterface，GUI）相比，使用CLI對系統資源要求低，容易使用，并且功能擴充更方便。為方便學習者更便捷的熟悉VRP操作系統，掌握命令行的使用，華為公司推出了一款免費的、可擴展的、圖形化操作的網絡仿真工具平臺-eNSP（EnterpriseNetworkSimulationPlatform），可對企業網路由器、交換機、防火墻等設備進行軟件仿真，完美呈現真實設備實景，支持大型網絡模擬，讓學習者在沒有真實設備的情況下能夠模擬演練網絡配置，學習網絡技術。華為VRP操作系統VRP提供命令行接口（CommandLineInterface，CLI），其命令視圖如圖所示。華為VRP操作系統VRP提供命令行接口（CommandLineInterface，CLI），其命令視圖如圖所示。華為VRP操作系統用戶視圖在用戶視圖下，用戶可以完成查看運行狀態和統計信息等功能。進入視圖：用戶從終端成功登錄至設備即進入用戶視圖，在屏幕上顯示：<HUAWEI>系統視圖在系統視圖下，用戶可以配置系統參數以及通過該視圖進入其他的功能配置視圖。進入視圖：在用戶視圖下，輸入命令system-view后回車，進入系統視圖。<HUAWEI>system-viewEntersystemview,returnuserviewwithreturncommand.[HUAWEI]接口視圖配置接口參數的視圖稱為接口視圖。在該視圖下可以配置接口相關的物理屬性、鏈路層特性及IP地址等重要參數。進入視圖：使用interface命令并指定接口類型及接口編號可以進入相應的接口視圖。以10GE接口為例：[HUAWEI]interface10geX/Y/Z[HUAWEI-10GEX/Y/Z]華為VRP操作系統[HW]interfacegigabitethernet1/0/1[HW-GigabitEthernet1/0/1]ipaddress24[HW-GigabitEthernet1/0/1]quit[HW]執行quit命令，即可從當前視圖退出至上一層視圖。[HW]interfacegigabitethernet1/0/1[HW-GigabitEthernet1/0/1]ipaddress24[HW-GigabitEthernet1/0/1]#輸入Ctrl+Z<HW>在任意視圖，使用組合鍵<Ctrl+Z>直接退回到用戶視圖。也可使用return命令實現相同的效果。退出視圖華為VRP操作系統每個命令都具有特定的格式或語法，并在相應的配置視圖下執行。常規命令語法為命令后接相應的關鍵字和參數。某些命令包含關鍵字和參數子集，此子集可提供額外功能。[Huawei]sysname

test系統名稱+視圖標識命令關鍵字參數命令結構華為VRP操作系統[Huawei]sysnametea設備支持不完整關鍵字輸入，當輸入的字符能夠匹配唯一的關鍵字時，可以不必輸入完整的關鍵字，例如：[Huawei]systea等同于：再如：[Huawei]intg

0/0/0[Huawei]interfaceGigabitEthernet

0/0/0等同于：如果當前輸入匹配到的命令不唯一，即可以匹配到多個命令，則需要繼續輸入，直至當前命令唯一匹配才能下發成功。#輸入不完整的關鍵字：[HUAWEI]info-//按下Tab鍵#則系統用此完整的關鍵字替代原輸入并換行顯示，光標距詞尾空一格:[HUAWEI]info-center輸入不完整的關鍵字后按下Tab鍵，系統自動補全關鍵字。如果與之匹配的關鍵字唯一，則系統用此完整的關鍵字替代原輸入并換行顯示，光標距詞尾空一格。例如：不完整關鍵字輸入Tab鍵的使用如果與之匹配的關鍵字不唯一，反復按<Tab>鍵可循環顯示所有以輸入字符串開頭的關鍵字。提升效率華為VRP操作系統[Huawei]iprou?route <Group>routecommandgrouproute-static IPv4staticroutes當一條命令中某個關鍵字只記得開頭的幾個字母時，可在鍵入開頭字母后緊接著鍵入“?”，例如“iprou?”，系統即會自動彈出提示信息，提示當前“rou”開頭的關鍵字有哪些：[Huawei]iproute-static?IP_ADDR<X.X.X.X> DestinationIPaddressdefault-preference Preference-valueforIPv4static-routesselection-rule Selectionrulevpn-instance VPN-Instancerouteinformation當前關鍵字輸入完畢后，忘記了下一個關鍵字或者參數該輸入什么，在當前關鍵字輸入后鍵入空格，然后再輸入“?”，系統自動彈出可選關鍵字或參數的提示信息：獲得幫助華為VRP操作系統錯誤提示[Huawei]sysname^Error:Incompletecommandfoundat'^'position.//系統提示在箭頭所指的位置命令輸入不完整，也即還需繼續輸入其他信息。[Huawei]sysnaametest^Error:Unrecognizedcommandfoundat'^'position.//系統提示箭頭所指的命令無法識別，例如可能是關鍵字輸入錯誤等。[Huawei]s^Error:Ambiguouscommandfoundat'^'position.//系統提示箭頭所指的命令是含糊的，例如可能存在多個s開頭的關鍵字，系統無法識別用戶輸入的究竟是哪一個。<Huawei>clockdatetime?HH:MM:SSSpecifythetime<Huawei>clockdatetime12:13:14?YYYY-MM-DDSpecifythedatefrom2000to2099<Huawei>clockdatetime12:13:142000-01-01?<cr>PleasepressENTERtoexecutecommand<Huawei>clockdatetime12:13:142000-01-01

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