网络基本概念.ppt

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1、计算机网络计算机网络的定义 利用通信设备和线路将地理位置不同的、利用通信设备和线路将地理位置不同的、功能独立的多个计算机系统互连起来，以功功能独立的多个计算机系统互连起来，以功能完善的网络软件（即网络通信协议、信息能完善的网络软件（即网络通信协议、信息交换方式、网络操作系统等）实现网络中资交换方式、网络操作系统等）实现网络中资源共享和信息传递的系统。源共享和信息传递的系统。 计算机网络的分类按网络的分布范围分类:广域网WAN、局域网LAN、城域网MAN按网络的交换方式分类:电路交换、报文交换、分组交换 按网络的拓扑结构分类:星形、总线、环形、树形、网形按网络的传输媒体分类:双绞线、同轴电缆、光

2、纤、无线分组交换的产生 是 20 世纪 60 年代美苏冷战时期的产物。 60 年代初，美国国防部领导的远景研究规划局ARPA (Advanced Research Project Agency) 提出要研制一种生存性(survivability)很强的网络。 传统的电路交换(circuit switching)的电信网有一个缺点：正在通信的电路中有一个交换机或有一条链路被炸毁，则整个通信电路就要中断。 如要改用其他迂回电路，必须重新拨号建立连接。这将要延误一些时间。 计算机网络的产生背景新型网络的基本特点 网络用于计算机之间的数据传送，而不是为了打电话。 网络能够连接不同类型的计算机，不局限于

3、单一类型的计算机。 所有的网络结点都同等重要，因而大大提高网络的生存性。 计算机在进行通信时，必须有冗余的路由。 网络的结构应当尽可能地简单，同时还能够非常可靠地传送数据。 回顾一下电路交换的特点 两部电话机只需要用一对电线就能够互相连接起来。 更多的电话机互相连通 5 部电话机两两相连，需 10 对电线。 N 部电话机两两相连，需 N(N 1)/2对电线。 当电话机的数量很大时，这种连接方法需要的电线对的数量与电话机数的平方成正比。 使用交换机 当电话机的数量增多时，就要使用交换机来完成全网的交换任务。 交换机“交换”的含义 在这里，“交换”(switching)的含义是： 转接把一条电话线

4、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。 电路交换的特点 电路交换必定是面向连接的。 电路交换的三个阶段： 建立连接 通信 释放连接电路交换举例 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交换机交换机交换机用户线用户线中继线中继线BDCA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交换机交换机交换机用户线用户线中继线中继线BDCA电路交换传送计算机数据效率低 计算机数据具有突发性。 这导致通信线路的利用率很低。报文分组交换的原理（一） 在发送端，先

5、把较长的报文划分成较短的、固定长度的数据段。 1101000110101010110101011100010011010010假定这个报文较长不便于传输数 据数 据数 据报文分组交换的原理（二） 每一个数据段前面添加上首部构成分组。首部首部首部分组 1分组 2分组 3分组交换的原理（三） 分组交换网以“分组”作为数据传输单元。 依次把各分组发送到接收端（假定接收端在左边）。数 据首部分组 1数 据首部分组 2数 据首部分组 3分组首部的重要性 每一个分组的首部都含有地址等控制信息。 分组交换网中的结点交换机根据收到的分组的首部中的地址信息，把分组转发到下一个结点交换机。 用这样的存储转发方式，

6、最后分组就能到达最终目的地。分组交换的原理（四） 接收端收到分组后剥去首部还原成报文。数 据首部分组 1数 据首部分组 2数 据首部分组 3收到的数据数 据数 据数 据分组交换的原理（五） 最后，在接收端把收到的数据恢复成为原来的报文。 这里我们假定分组在传输过程中没有出现差错，在转发时也没有被丢弃。报文1101000110101010110101011100010011010010分组交换网的示意图H1A分组交换网BDECH5H6H4H2H3H1 向 H5 发送分组H2 向 H6 发送分组注意分组路径的变化！结点交换机主机注意分组的存储转发过程H1A分组交换网BDECH5H6H4H2H3H1

7、 向 H5 发送分组结点交换机主机在结点交换机 A 暂存查找转发表找到转发的端口在结点交换机 C 暂存查找转发表找到转发的端口在结点交换机 E 暂存查找转发表找到转发的端口最后到达目的主机 H5注意结点交换机有多个端口ABCDEH1H5H2H4H3H6高速链路 结点交换机123412341 2 3 41 2 3 41 2 3 42, 1 2, 2456745674 5 6 7交换机1交换机 2交换机31, 11, 33, 23, 3每个交换机都有两组端口。一组是和本地主机相连的低速端口，另一组是和其他交换机相连的高速端口。1231231 2 3结点交换机 在结点交换机中的输入和输出端口之间没有

8、直接连线。 结点交换机处理分组的过程是： 把收到的分组先放入缓存（暂时存储）； 查找转发表，找出到某个目的地址应从哪个端口转发； 把分组送到适当的端口转发出去。 2, 1 2, 245674567交换机 2交换机31, 13, 23, 3每个主机地址中后面的数字是指该交换机的低速端口主机地址3, 2是指连接在交换机 3 的 2 号低速端口交换机11, 3主机地址1, 3是指连接在交换机 1 的 3 号低速端口1231234 5 6 71 2 32, 1 2, 245674567交换机 2交换机31, 13, 23, 3这里给出结点交换机 2 中的转发表作为例子 例如，一个欲发往主机3, 2的分

9、组到达了交换机 2。交换机11, 3交换机 2 的转发表目的站 下一跳 1, 1 交换机1 1, 3 交换机1 3, 2 交换机3 3, 3 交换机3 2, 1 直接 2, 2 直接这时应查找交换机 2 的转发表，找目的站为3, 2的项目。4 5 6 71 2 31231232, 1 2, 212341234交换机 2交换机31, 13, 23, 3目的站是3, 2吗？交换机11, 3交换机 2 的转发表目的站 下一跳 1, 1 交换机1 1, 3 交换机1 3, 2 交换机3 3, 3 交换机3 2, 1 直接 2, 2 直接查找转发表中的下一个项目。否1231234 5 6 71 2 32

10、, 1 2, 212341234交换机 2交换机31, 13, 23, 3目的站是3, 2吗？交换机11, 3交换机 2 的转发表目的站 下一跳 1, 1 交换机1 1, 3 交换机1 3, 2 交换机3 3, 3 交换机3 2, 1 直接 2, 2 直接查找转发表中的下一个项目。否1231234 5 6 71 2 32, 1 2, 212341234交换机 2交换机31, 13, 23, 3目的站是3, 2吗？交换机11, 3交换机 2 的转发表目的站 下一跳 1, 1 交换机1 1, 3 交换机1 3, 2 交换机3 3, 3 交换机3 2, 1 直接 2, 2 直接根据转发表指出的下一跳

11、把分组转发到交换机 3。是1231234 5 6 71 2 32, 1 2, 212341234交换机 2交换机31, 13, 23, 3交换机11, 3分组转发到交换机 3 后就查找交换机 3 的转发表。从转发表（此处省略了）可知不必再转发分组了，把该分组直接交付给主机3, 2即可。1231234 5 6 71 2 3按照目的站连接的交换机号确定下一跳 只要转发表中目的站一栏中的交换机号相同，那么查出的“下一跳”就是相同的。 在转发分组时，可只根据分组的主机地址中的交换机号来查找转发表。 只有当分组到达与目的主机相连的结点交换机时，交换机才检查第二部分地址（主机号），并通过合适的低速端口将分

12、组交给目的主机。 主机和结点交换机的作用不同 主机是为用户进行信息处理的，并向网络发送分组，从网络接收分组。 结点交换机对分组进行存储转发，最后把分组交付给目的主机。分组交换的优点 高效 动态分配传输带宽，对通信链路是逐段占用。 灵活 以分组为传送单位和查找路由。 迅速 不必先建立连接就能向其他主机发送分组；充分使用链路的带宽。 可靠 完善的网络协议；自适应的路由选择协议使网络有很好的生存性。 分组交换带来的问题 分组在各结点存储转发时需要排队，这就会造成一定的时延。 分组必须携带的首部（里面有必不可少的控制信息）也造成了一定的开销。 存储转发原理并非完全新的概念 在 20 世纪 40 年代，

13、电报通信也采用了基于存储转发原理的报文交换(message switching)。 报文交换的时延较长，从几分钟到几小时不等。现在报文交换已经很少有人使用了。 三种交换的比较 P1P2P3P4P1P2P3P4P3P4报文报文报文A B C D A B C DA B C D报文交换电路交换分组交换t连接建立数据传送报文P2P1连接释放计算机网络体系结构的形成 相互通信的两个计算机系统必须高度协调工作才行，而这种“协调”是相当复杂的。 “分层”可将庞大而复杂的问题，转化为若干较小的局部问题，而这些较小的局部问题就比较易于研究和处理。 划分层次的概念举例 计算机 1 向计算机 2 通过网络发送文件。

14、 可以将要做的工作进行如下的划分。 第一类工作与传送文件直接有关。 确信对方已做好接收和存储文件的准备。 双方协调好一致的文件格式。 两个计算机将文件传送模块作为最高的一层 。剩下的工作由下面的模块负责。两个计算机交换文件 文件传送模块计算机 1计算机 2文件传送模块只看这两个文件传送模块好像文件及文件传送命令是按照水平方向的虚线传送的把文件交给下层模块进行发送把收到的文件交给上层模块再设计一个通信服务模块 文件传送模块计算机 1计算机 2文件传送模块只看这两个通信服务模块好像可直接把文件可靠地传送到对方把文件交给下层模块进行发送把收到的文件交给上层模块通信服务模块通信服务模块再设计一个网络接

15、入模块 文件传送模块计算机 1计算机 2文件传送模块通信服务模块通信服务模块网络接入模块网络接入模块通信网络网络接口网络接口网络接入模块负责做与网络接口细节有关的工作例如，规定传输的帧格式，帧的最大长度等。分层的好处 各层之间是独立的。 灵活性好。 结构上可分割开。 易于实现和维护。 能促进标准化工作。 层数多少要适当 若层数太少，就会使每一层的协议太复杂。 层数太多又会在描述和综合各层功能的系统工程任务时遇到较多的困难。 OSI 与 TCP/IP体系结构 应用层运输层网络层表示层会话层数据链路层物理层7654321OSI 的体系结构应用层网络接口层网际层 IP (各种应用层协议如TELNET

16、, FTP, SMTP 等)运输层(TCP 或 UDP)TCP/IP 的体系结构无连接分组交付服务运输服务 (可靠或不可靠)各种应用服务TCP/IP 的三个服务层次五层协议的体系结构 TCP/IP 是四层的体系结构：应用层、运输层、网际层和网络接口层。 最下面的网络接口层并没有具体内容。 因此往往采取折中的办法，即综合 OSI 和 TCP/IP 的优点，采用一种只有五层协议的体系结构 。 五层协议的体系结构 应用层(application layer) 运输层(transport layer) 网络层(network layer) 数据链路层(data link layer) 物理层(phys

17、ical layer) 数据链路层5 应用层4 运输层3 网络层2 数据链路层1 物理层计算机 1 向计算机 2 发送数据 5432154321计算机 1AP2AP1计算机 2应用进程数据先传送到应用层加上应用层首部，成为应用层 PDU计算机 1 向计算机 2 发送数据 5432154321计算机 1AP2AP1计算机 2应用层 PDU 再传送到运输层加上运输层首部，成为运输层报文计算机 1 向计算机 2 发送数据 5432154321计算机 1AP2AP1计算机 2运输层报文再传送到网络层加上网络层首部，成为 IP 数据报（或分组）计算机 1 向计算机 2 发送数据 5432154321计算

18、机 1AP2AP1计算机 2IP 数据报再传送到数据链路层加上链路层首部和尾部，成为数据链路层帧计算机 1 向计算机 2 发送数据 5432154321计算机 1AP2AP1计算机 2数据链路层帧再传送到物理层最下面的物理层把比特流传送到物理媒体计算机 1 向计算机 2 发送数据 应用层(application layer) 5432154321物理传输媒体计算机 1AP2AP1电信号（或光信号）在物理媒体中传播从发送端物理层传送到接收端物理层计算机 2计算机 1 向计算机 2 发送数据 5432154321计算机 1AP2AP1计算机 2物理层接收到比特流，上交给数据链路层计算机 1 向计算

19、机 2 发送数据 5432154321计算机 1AP2AP1计算机 2数据链路层剥去帧首部和帧尾部取出数据部分，上交给网络层计算机 1 向计算机 2 发送数据 5432154321计算机 1AP2AP1计算机 2网络层剥去首部，取出数据部分上交给运输层计算机 1 向计算机 2 发送数据 5432154321计算机 1AP2AP1计算机 2运输层剥去首部，取出数据部分上交给应用层计算机 1 向计算机 2 发送数据 5432154321计算机 1AP2AP1计算机 2应用层剥去首部，取出应用程序数据上交给应用进程计算机 1 向计算机 2 发送数据 5432154321计算机 1AP2AP1计算机

20、2我收到了 AP1 发来的应用程序数据！计算机 1 向计算机 2 发送数据 5432154321计算机 1AP2AP1计算机 2应 用 程 序 数 据应用层首部H510100110100101 比 特 流 110101110101注意观察加入或剥去首部（尾部）的层次应 用 程 序 数 据H5应 用 程 序 数 据H4H5应 用 程 序 数 据H3H4H5应 用 程 序 数 据H4运输层首部H3网络层首部H2链路层首部T2链路层尾部计算机 1 向计算机 2 发送数据 5432154321计算机 1AP2AP1计算机 210100110100101 比 特 流 110101110101计算机 2

21、的物理层收到比特流后交给数据链路层H2T2H3H4H5应 用 程 序 数 据H3H4H5应 用 程 序 数 据计算机 1 向计算机 2 发送数据 5432154321计算机 1AP2AP1计算机 2数据链路层剥去帧首部和帧尾部后把帧的数据部分交给网络层H2T2H3H4H5应 用 程 序 数 据H4H5应 用 程 序 数 据H3H4H5应 用 程 序 数 据计算机 1 向计算机 2 发送数据 5432154321计算机 1AP2AP1计算机 2网络层剥去分组首部后把分组的数据部分交给运输层H5应 用 程 序 数 据H4H5应 用 程 序 数 据计算机 1 向计算机 2 发送数据 54321543

22、21计算机 1AP2AP1计算机 2运输层剥去报文首部后把报文的数据部分交给应用层应 用 程 序 数 据H5应 用 程 序 数 据计算机 1 向计算机 2 发送数据 5432154321计算机 1AP2AP1计算机 2应用层剥去应用层 PDU 首部后把应用程序数据交给应用进程计算机 1 向计算机 2 发送数据 5432154321计算机 1AP2AP1计算机 2我收到了 AP1 发来的应用程序数据！5432154321H3物 理 传 输 媒 体数 据 部 分数 据 部 分数 据 部 分数 据 部 分10100110100101 比 特 流 11 010111010T2计算机 1 1H5H4H2

23、首部尾部AP2AP1应 用 程 序 数 据计算机 2 2比特帧IP数据报IP分组TCP报文段UDP报文段实体、协议、服务 实体(entity) 表示任何可发送或接收信息的硬件或软件进程。 协议是控制两个对等实体进行通信的规则的集合。 在协议的控制下，两个对等实体间的通信使得本层能够向上一层提供服务。 要实现本层协议，还需要使用下层所提供的服务。 实体、协议、服务 本层的服务用户只能看见服务而无法看见下面的协议。 下面的协议对上面的服务用户是透明的。 协议是“水平的”，即协议是控制对等实体之间通信的规则。 服务是“垂直的”，即服务是由下层向上层通过层间接口提供的。 同一系统相邻两层的实体进行交互

24、的地方，称为服务访问点 SAP (Service Access Point)。 实体、协议、服务协 议交换原语交换原语服 务 用 户提 供 服 务服 务 提 供 者第 n 层第 n + 1 层服 务 用 户SAPSAP几个术语 数据(data)运送信息的实体。 信号(signal)数据的电气的或电磁的表现。 “模拟的”(analogous)连续变化的。 “数字的”(digital)取值是离散数值。 调制把数字信号转换为模拟信号的过程。 解调把模拟信号转换为数字信号的过程。 模拟的和数字的数据、信号 模拟数据模拟信号放大器调制器模拟数据数字信号 PCM编码器数字数据模拟信号调制器数字数据数字信号

25、 数字发送器有关信号的几个基本概念 单向通信（单工通信）只能有一个方向的通信而没有反方向的交互。 双向交替通信（半双工通信）通信的双方都可以发送信息，但不能双方同时发送(当然也就不能同时接收)。 双向同时通信（全双工通信）通信的双方可以同时发送和接收信息。 基带(baseband)信号和宽带(broadband)信号 基带信号就是将数字信号 1 或 0 直接用两种不同的电压来表示，然后送到线路上去传输。 宽带信号则是将基带信号进行调制后形成的频分复用模拟信号。 计算机网络的带宽是指网络可通过的最高数据率，即每秒多少比特。 描述带宽也常常把“比特/秒”省略。 例如，带宽是 10 M，实际上是 1

26、0 Mb/s。 这里的 M 是 106。计算机网络的带宽什么是宽带？ 宽带线路：可通过较高数据率的线路。 宽带是相对的概念，并没有绝对的标准。 在目前，对于用户接入到因特网的用户线来说，每秒传送几个兆比特就可以算是宽带速率。常见的错误是混淆了两种速率 在网络中有两种不同的速率： 信号（即电磁波）在传输媒体上的传播速率（米/秒，或公里/秒） 计算机向网络发送比特的速率（比特/秒） 这两种速率的意义和单位完全不同。 宽带传输：计算机向网络发送比特的速率较高。ABAB宽带线路窄带线路在宽带线路上比特传播得快 在窄带线路上比特传播得慢 错误的概念比喻：汽车运货宽带线路窄带线路宽带和窄带线路：车速一样宽

27、带线路：车距缩短另一种错误概念“宽带”相当于“多车道”100101110100100111010001011010信道的最高码元传输速率 任何实际的信道都不是理想的，在传输信号时会产生各种失真以及带来多种干扰。 码元传输的速率越高，或信号传输的距离越远，在信道的输出端的波形的失真就越严重。 数字信号通过实际的信道 失真不严重 失真严重 实际的信道（带宽受限、有噪声、干扰和失真）输入信号波形输出信号波形(失真不严重)输入信号波形实际的信道（带宽受限、有噪声、干扰和失真）输出信号波形(失真严重) 数据经过模拟传输系统后会出现差错。 出现差错010010 0100还原后的数据t接收到的失真信号010

28、011100t发送的基带信号t采样时刻物理层标准举例 EIA-232-E 接口标准 DTE (Data Terminal Equipment) 是数据终端设备，是具有一定的数据处理能力和发送、接收数据能力的设备。 DCE (Data Circuit-terminating Equipment)是数据电路端接设备，它在 DTE 和传输线路之间提供信号变换和编码的功能，并且负责建立、保持和释放数据链路的连接。 DTE 通过 DCE 与通信传输线路相连 DTEDCEDCE串行比特传输信号线与控制线用户环境通信环境用户设施通信设施DTE信号线与控制线用户设施用户环境数据链路层的基本概念 链路(link

29、)是一条无源的点到点的物理线路段，中间没有任何其他的交换结点。 电路、链路、通路 数据链路(data link) 除了物理线路外，还必须有通信协议来控制这些数据的传输。若把实现这些协议的硬件和软件加到链路上，就构成了数据链路。数据链路层的主要功能(1) 链路管理 (2) 帧定界 (3) 流量控制(4) 差错控制 (5) 将数据和控制信息区分开 (6) 透明传输 (7) 寻址 完全理想化的数据传输所基于的两个假定 假定 1： 链路是理想的传输信道，所传送的任何数据既不会出差错也不会丢失。 假定 2： 不管发方以多快的速率发送数据，收方总是来得及收下，并及时上交主机。 这个假定就相当于认为：接收端

30、向主机交付数据的速率永远不会低于发送端发送数据的速率。 具有最简单流量控制的数据链路层协议 现在去掉上述的第二个假定。但是，仍然保留第一个假定，即主机 A 向主机 B传输数据的信道仍然是无差错的理想信道。然而现在不能保证接收端向主机交付数据的速率永远不低于发送端发送数据的速率。 由收方控制发方的数据流，乃是计算机网络中流量控制的一个基本方法。 两种情况的对比（传输均无差错）ABDATADATADATADATA送主机 B送主机 B送主机 B送主机 BABDATA送主机 BDATA送主机 B时间不需要流量控制需要流量控制几种常见协议 停止等待协议 连续ARQ协议 选择重传ARQ协议 面向比特的链路

31、控制规程HDLC图的应用 可用图论中的“图(graph)”来表示整个广域网。 用“结点”表示广域网上的结点交换机，用连接结点与结点的“边”表示广域网中的链路。 连接在结点交换机上的主机与分组转发无关，因此在图中可以不画上。 用图表示广域网的例子 12341结点边243每一个结点的转发表 1243目的站 下一跳1 直接2 33 34 3结点 1 的转发表对结点 1 的转发表的第一个项目的解释：若到达结点 1 的分组的目的地址是结点 1 上的主机，则下一跳就是直接交付而不必再转发其他结点。每一个结点的转发表 1243目的站 下一跳1 32 直接3 34 4结点 2 的转发表对结点 2 的转发表的第

32、一个项目的解释：若到达结点 2 的分组的目的地址是结点 1 上的主机，则下一跳就应转发到结点 3。在路由表中使用默认路由 1243目的站 下一跳1 直接2 33 34 3结点 1 的转发表这三个项目的“下一跳” 都是转发到“3”（结点 3）。可以合并以结点 1 和结点 2 中的转发表为例来讨论在路由表中使用默认路由 1243目的站 下一跳 1 直接默认 3结点 1 的转发表默认路由 在路由表中使用默认路由 1243目的站 下一跳1 32 直接3 34 4结点 2 的转发表这两个项目的“下一跳” 都是转发到“3”（结点 3）。可以合并在路由表中使用默认路由 1243目的站 下一跳 2 直接 4

33、4默认 3结点 2 的转发表默认路由使用默认路由使转发表更加简洁，可减少查找转发表的时间。拥塞控制 拥塞控制的意义 在某段时间，若对网络中某资源的需求超过了该资源所能提供的可用部分，网络的性能就要变坏产生拥塞(congestion)。 出现资源拥塞的条件： 对资源需求的总和 可用资源 (5-1) 若网络中有许多资源同时产生拥塞，网络的性能就要明显变坏，整个网络的吞吐量将随输入负荷的增大而下降。 拥塞控制与流量控制的关系 拥塞控制所要做的都有一个前提，就是网络能够承受现有的网络负荷。 拥塞控制是一个全局性的过程，涉及到所有的主机、所有的路由器，以及与降低网络传输性能有关的所有因素。 流量控制往往

34、指在给定的发送端和接收端之间的点对点通信量的控制。 流量控制所要做的就是抑制发送端发送数据的速率，以便使接收端来得及接收。 拥塞控制所起的作用 提供的负载吞吐量理想的拥塞控制拥塞死锁（吞吐量 = 0）无拥塞控制实际的拥塞控制轻度拥塞0直接死锁 直接死锁即由互相占用了对方需要的资源而造成的死锁。 例如两个结点都有大量的分组要发往对方，但两个结点中的缓存在发送之前就已经全部被待发分组占满了。 当每个分组到达对方时，由于没有地方存放，只好被丢弃。发送分组的一方因收不到对方发来的确认信息，只能将发送过的分组依然保存在自己结点的缓存中。 这两个结点就这样一直互相僵持着，谁也无法成功地发送出一个分组。 拥塞控制的一般原理 拥塞控制是很难设计的，因为它是一个动态的（而不是静态的）问题。 当前网络正朝着高速化的方向发展，这很容易出现缓存不够大而造成分组的丢失。但分组的丢失是网络发生拥塞的征兆而不是原因。 在许多情况下，甚至正是拥塞控制本身成为引起网络性能恶化甚至发生死锁的原因。这点应特别引起重视。 开环控制和闭环控制 开环控制方法就是在设计网络时事先将有关发生拥塞的因素考虑周到，力求网络在工作时不产生拥塞。 闭环控制是基于反馈环路的概念。属于闭环控制的有以下几种措施： 监测网络系统以便检测到拥塞在何时、何处发生。 将拥塞发生的信息传送到可采取行动的地方。 调整网络系统的运行以解决出现的问题。