计算机网络

计算机网络教材与教学目标•教材ComputerNetworks(4thedition)byA.Tanenbaum。•教学目标（摘自考研大纲）–掌握计算机网络的基本概念、基本原理和基本方法。–掌握计算机网络的体系结构和典型网络协议，了解典型网络设备的组成和特点，理解典型网络设备的工作原理。–能够运用计算机网络的基本概念、基本原理和基本方法进行网络系统的分析、设计和应用。作业和成绩•实验：5次。•成绩组成考试：50％，作业：15％，实验：35％。•作业和实验报告必须按时交，逾期不计成绩，抄袭不计成绩。第一章概述1计算机网络的产生•计算机技术和通信技术的发展引发了信息技术的革命–信息技术：关于信息的收集、传输、存储和加工的技术–计算机的发展：大型机、小型机、微机、膝上机、掌上机……–通信技术的发展：从铜导线到光纤，从有线传输到无线传输，从低速到高速（Kbps~Tbps）……–计算机技术和通信技术的结合产生了计算机网络，它使得信息的收集、传输、存储和加工成为一个统一的整体。什么是计算机网络？•采用单一技术互联在一起的一群自主计算机。–互联：相互之间能够交换信息；–自主（自治）：各计算机之间不存在主从关系；–单一技术：与互联网络系统相区别。2计算机网络与分布式系统•分布式系统：多台自主计算机的存在对用户是透明的；•计算机网络：多台自主计算机的存在对用户是不透明的；•分布式系统的整体性和透明性主要是由软件（尤其是操作系统）实现的。3计算机网络的应用•企业应用•家庭应用•移动用户3.1企业应用•资源共享：资源包括硬件（如打印机、扫描仪）、软件（如大型计算软件）和信息（如数据库）；–企业信息系统大多按客户-服务器模式建立；•通信手段：电子邮件、协同工作、视频会议等•电子商务：B2B或B2C。有两个客户和一个服务器的网络客户-服务器模式3.2家庭应用•远程信息访问：访问Web站点、在线图书馆……•通信：电子邮件（包括图、文、音、像等）、聊天室、新闻组、对等通信、VoIP、可视电话、Internet广播……•交互式娱乐：视频点播（VOD）、网上游戏……•电子商务：网上购物、网上银行、网上拍卖…...3.3移动用户•概念区分–固定和移动：指计算机是否改变网络接入点；–有线和无线：指使用的传输介质；•新型无线（移动）应用：–移动上网、移动商务、可穿戴计算机、无线传感器网络…...4网络分类•广播网与点-点网•局域网、城域网与广域网•有线网络与无线网络4.1按传输技术划分网络•两类传输技术：广播技术和点-点（point-to-point）技术；•广播网：所有计算机共享一条通信信道。–数据包中使用地址字段指明包的接收者，仅接收者处理数据包•单播（unicast）：接收者是某一个特定的节点；•广播（broadcast）：接收者是网络中的所有节点；•多播（multicast）：接收者是网络中的某些节点；–需要解决共享信道的分配问题；–在广播网中实现广播和多播是直接的。•点-点网：一条通信信道只连接一对计算机。–需要解决路由选择问题；–在点-点网中实现广播和多播较为困难。广播网与点-点网的图示…图1-2交换网4.2按规模划分网络局域网(LocalAreaNetwork,LAN)•将小范围内的计算机及外设互联起来用于资源共享和信息交换的私有网络，范围在几公里以内；•局域网区别于其它网络的三个特点：–大小：规模受限意味着传输延迟小且有界，易于简化网络设计与管理；–传输技术：常采用广播技术，数据速率高（10Mbps~10Gbps），误码率低；–拓扑结构：可有多种拓扑结构，常见的有总线型、环型和星型。（示例）局域网示例(a)Bus(b)Ring城域网(MetropolitanAreaNetwork,MAN)•覆盖一个城市的范围，通常采用与局域网类似的技术，如城域以太网；•有线电视网络、宽带无线网络都是城域网的例子；•城域网要能支持数据、音频和视频在内的综合业务，服务质量好，支持用户数量多。基于有线电视网的城域网宽带无线网络（WiMAX）广域网(WideAreaNetwork,WAN)•通常覆盖一个国家或一个洲；规模、容量可任意扩大。•由宿主机和通信子网两部分组成：–宿主机（host）：为用户所有，负责数据处理；–通信子网（subnet）：•由通信公司拥有，负责数据的传输，典型地由传输线路和交换单元两部分组成；•传输线路：用于在机器间传输信号；•交换单元：用于连接多条传输线路，并将数据从一条传输线路转发到另一条传输线路；•大多数通信子网采用存储-转发模式传输数据包，这种子网称存储-转发子网或分组交换子网；•主要解决路由问题通信子网•通信子网由连接了许多单个计算机的交换机组成，交换机之间可通过各种形式的点对点链路形成任意拓扑。从发送端到接收端的分组流4.3无线网络•无线网络粗略地分为三类：–系统互联•用短距离的无线电波将计算机及其外设连接起来，常采用主从模式；（蓝牙标准）–无线局域网•计算机间利用无线调制解调器及天线相互通信（直接通信或通过一个基站通信）；（802.11）–无线广域网•移动通信系统（1G，2G，3G）•无线网络都要在一些点上接入固定网络，以提供因特网访问。无线网络示例(a)Bluetoothconfiguration(b)WirelessLAN移动通信网络4.4互联网络•将多个不同的网络互连起来就形成互联网络（internet）；•概念区分：通信子网、网络与互联网络–通信子网：由交换单元互联而成，不包括主机–互联网络：一些网络的集合•什么是不同的网络？–管理域不同；–采用的网络技术不同。5网络分层结构•网络按层次的方式组织，每一层都向其上层提供服务，但向上层隐藏服务实现的细节。一些概念•对等实体：在不同的系统中位于同一层次上的实体。（不同系统之间的通信实际上就是各对等实体之间的通信。）•协议：对等实体间通信所需遵循的规则的总和。•接口：定义了上层调用下层服务的原语操作。•网络体系结构：层次与协议的集合。（接口规范及实现的细节均不属于网络体系结构，因为它们对外是不可见的。）•协议栈：将系统使用的协议按层次顺序（每层一个协议）列出而得到的协议列表。•实通信和虚通信。（图）•分层网络中实际的通信过程。（图）实通信与虚通信的例子支持虚通信的信息流例子封装和解封装•封装（encapsulate）：–在数据块的头部或尾部加上协议的控制信息后，称该数据块被封装在一个协议消息中。–数据块称为载荷（payload），头部的控制信息称为header，尾部的控制信息称为tailer。–封装发生在发送端的每一层上。•解封装（decapsulate）：–去除一个协议消息的头部及尾部，取出其中的载荷部分，称为解封装。–解封装发生在接收端的每一层上。一些重要的设计问题•寻址：标识通信的对等实体•差错控制：检测与纠正错误•流量控制：协调收发双方的发送速度•多路复用与解多路复用：–多路复用：上层的多个实体调用下层同一个服务。–解多路复用：下层实体将收到的消息传递给上层不同的实体。•路由文件传输Web应用视频应用TCPUDPRTPIP文件传输Web应用视频应用TCPUDPRTPIP图1-5协议图示例6服务类型•面向连接的服务和无连接服务–面向连接的服务：建立连接、传输数据、拆除连接三步曲。类似电话系统服务，保证数据传输顺序。–无连接服务：不需要建立连接，不保证数据传输顺序。•可靠的服务和不可靠的服务–可靠的服务：保证数据正确送达。–不可靠的服务：不保证数据正确送达。服务类型示例服务原语（primitives）•形式地，服务是由一组原语（操作）来描述的，这些原语可被用户进程用来访问服务。•服务原语告诉服务要做些什么，或者向用户进程报告对等实体做了些什么。•服务原语的实现：(1)系统调用，(2)函数库。•服务原语的例子。（图）•一个简单的客户-服务器应用的交互过程。（图）服务原语的例子一个简单的客户-服务器交互的例子服务和协议的关系•服务–涉及同一系统的相邻两个层次，定义了下层可以为上层执行的操作，但没有说明这些操作如何完成。•协议–涉及不同系统上的对等实体，定义了这些实体间通信所要遵循的规则，如数据包的格式及含义等。•对等实体使用协议来实现它们的服务。7参考模型•OSI参考模型•TCP/IP参考模型•两种参考模型的比较7.1OSI参考模型OSI参考模型的功能划分•物理层：在物理媒体上传输原始的数据比特流。•数据链路层：检测和纠正物理链路上的传输错误，流量控制，共享信道分配。（解决相邻节点之间的通信问题）•网络层：将分组穿过通信子网从信源传送到信宿，主要功能包括路由选择，拥塞控制，网络互连，记帐。（解决网络中任何两个节点之间的通信问题）OSI参考模型的功能划分（续）•传输层：为上层用户提供不依赖于具体网络的端-端数据传输服务。（解决两个进程之间的通信问题）•会话层：为端-端进程间的会话提供各种服务，如对话控制、令牌管理、同步等。•表示层：为上层用户提供数据或信息语法的表示变换。•应用层：包含用户通常所需的各种协议，如文件传输、电子邮件等。OSI参考模型的定义边界•最低三层涉及通信子网，由端系统和通信子网边界上的对等实体执行。•高四层为端到端的层次，由两个端系统上的对等实体执行。7.2TCP/IP参考模型TCP/IP参考模型的层次划分•应用层：包含所有的高层协议。•传输层：负责在源主机和目的主机的应用程序间提供端－端的数据传输服务，主要包含TCP和UDP两个协议。•网际层：将IP分组独立地从信源传送到信宿，主要解决路由选择、拥塞控制和网络互连等问题。主要包含IP协议及路由协议等。•主机-网络层：TCP/IP参考模型没有真正描述这一层，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分组。TCP/IP参考模型与OSI参考模型7.3两种参考模型的比较•相同点–采用分层协议模型，且层次的功能定义大体相同。•不同点–服务、接口、协议概念的区分（OSI区分明确）–模型的通用性（OSI通用）–层数不同；–提供的通信服务类型不同：•OSI：网络层上提供面向连接和无连接两种通信服务，而在传输层上只提供面向连接服务；•TCP/IP：网络层上只提供无连接服务，而在传输层上提供面向连接和无连接两种服务。因特网体系结构的另一种表示法TCPIPUDPNetworkApplication本书中使用的混合参考模型8网络举例•因特网•面向连接的网络：X.25、帧中继、ATM•以太网•无线局域网：802.118.1因特网•ARPANET：世界上第一个分组交换网。为保障可靠通信，采用无连接的分组交换模式。•1974年，TCP/IP协议问世，越来越多的网络加入ARPANET，包括大量LAN。•NSFNET：1986年NSF资助建立面向全美教育与科研的TCP/IPWAN，包括骨干网（56Kbps）和区域网，并与ARPANET互联。•ANSNET：1990年ANS接管NSFNET，并升级其骨干网形成ANSNET，开始了网络的商业化进程。•一些网络运营公司开始提供商业IP服务，并竞争向NSFNET的区域网提供骨干服务，政府正式退出。•其它国家和地区相继建立国家级的研究网络，并与ARPANET和NSFNET互联，最终这些网络也都商业化了。•80年代中期开始，人们将这些互联在一起的网络看成是一个互联网（internet），渐渐地就用Internet来称呼它。因特网（续）•因特网的核心是TCP/IP协议栈•何谓“在因特网上”？如果一台计算机运行TCP/IP协议栈，具有一个IP地址，能够向因特网上的所有其它计算机发送IP包，这台计算机就称为在因特网上。•Web的出现是因特网发展史上的又一重大事件，从20世纪90年代后期开始，因特网进入爆炸式发展的时期。•因特网服务提供商（ISP）加速了因特网的发展。•Internet结构。ARPANETInternet结构8.2X.25、帧中继和ATM（广域网)•X.25：最早的公用分组数据网（1970s~1980s），提供面向连接服务，具有差错控制和流量控制功能，数据速率很低（64K