计算机网络 第一章 概述.docx

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计算机网络第一章概述

计算机网络

课程介绍

开设目的：

使同学们了解计算机网络体系结构的概念，理解网络工作时需要使用的各种原理，掌握有线网络和无线网络传输中使用的各种技术和方法

授课方式：

理论讲解为主，穿插几次实验内容

主要内容：

网络基础知识、网络体系结构、数据通信中的概念和技术、局域网的结构及工作原理、IP地址的分类及路由选择、传输层的协议和应用层的协议等

第一章概述

网络概述

Internet结构

计算机网络的定义和分类

计算机网络体系结构

1.1网络概述

1.1.1互联网结构——常见的互联网结构

互联网的组成

网络中通常要包含哪些设备？

两部分：

主机系统：

PC机和服务器，用作数据的发送端或者接收端，又被称为网络终端

通信系统：

用于完成网络系统中的通信任务，包括传输介质、交换机、路由器等

问题：

网卡属于哪一部分？

1.1.2基本术语

1、物理线路、物理链路、逻辑链路

四条物理线路①②③④构成PC机和web服务器之间的信号通道；

若PC机同时访问FTP服务器时也要经过物理线路①②，

即一条物理线路中可以同时存在多条物理链路，

物理线路可以看做是高速公路，而物理链路则是其中的车道；

逻辑链路：

增加了差错检测和流量控制功能的物理链路

高速公路中两辆汽车怎样能够做到并排行驶？

——提供多个车道

增加了交警检查或控制监管的车道可以看做是逻辑链路

2、信息、数据和信号（信息与信号是否是同一概念？

）

信息：

是人们对现实世界事物存在方式或运动状态的某种认识，是客观事物属性和相关特征的表征。

数据：

是把事件的某些属性规范化后的表现形式，一般可以理解为“信息的数字化形式”。

它总是以某种媒体作为载体进行存储和传递。

信号：

是数据的具体物理表现，具有确定的物理描述。

例如电信号、电磁信号、光信号、载波信号、脉冲信号等。

“信号是以某种特性参数的变化来代表信息的”，可以是模拟的，也可以是数字的。

信息的传递依据信号的变化进行。

3、传输速率

信息传输速率又称为比特率：

指每秒能传输多少位构成数据的二进制数字，它以位/秒为单位，简称bps。

4、带宽

如果某条线路允许通过的信号频段为20~3220Hz，则该线路的带宽为3200Hz

目前网络广泛采用数字信号传送方式，带宽等同于传输速率。

5、时延

若某个终端A发送M字节的数据给终端B，从A发送第一位数据，到终端B收到最后一位数据的时间间隔为时延

复习

✧进行网络访问时，浏览器端总是使用什么协议向服务器发出请求？

请求的结果（即得到的响应）是什么？

✧每台服务器可以使用自己的线路在同一时间响应多个客户的要求，需要基于怎样的前提？

✧物理链路与逻辑链路之间有什么关系？

✧请同学们自由列举生活中你经常见到的信号，说明信号变换的特点，并说明由此获取的信息

1.2Internet结构和标准化工作

1.2.1Internet结构

Internet和公路交通网非常相似，由核心主干网、多级ISP网络和接入网组成，核心主干网、ISP网络本身也是一个有多重网络组成的互联网，它们之间都使用路由器连接。

任何想要连接到Internet的家庭、企业或组织都必须通过Internet服务提供商（ISP）。

ISP是为Internet接入提供连接与支持的公司。

ISP分不同的级别，如一级、二级、三级。

一级最高，可以理解为电信、网通、联通。

还有一些公司从一级那里批发带宽，再给用户提供接入，属于二级。

一级ISP都有自己的网络基础设施，如长距光纤、光通信设备，并和国际的Internet出口相连。

二级则直接接到一级的接入设备上，通常是接入到城域网路由器、MPLS路由器等等。

ISP接入问题

✧连接最终用户的ISP网络称为接入网（本地ISP网络），用户和接入网之间通过用户接入点连接

✧网络接入点NAP是ISP网络接入主干网的结点。

✧课本第五页图示

✧用户-----二级-------一级--------国际出口

1.2.2网络标准化工作

1.ITU-T

2.IEEE

3.IETF

4.ISO

1.3网络的发展过程

1.3.1从ARPA网络到Internet

1.3.2从低俗网络到高速网络

1.3.3从数据网络到统一网络

1.4计算机网络的定义和分类

1.4.1计算机网络的定义

网络定义：

现代计算机网络是自主计算机的互连集合，这些计算机通过有线或无线的传输介质连接起来，在计算机之间遵守统一的通信协议实现通信。

不同的计算机网络可以采用网络互连设备实现互连，构成更大范围的互联网络。

在计算机网络上达到信息的高速传送以及硬件、软件和信息资源的共享。

1.4.2网络的分类

以交换方式划分：

✧电路交换

✧分组交换

（1）电路交换

电路交换（CircuitSwitching）方式，就是通过网络中的节点在两个工作站之间建立一条专用的通信线路

三个过程：

1.电路建立

2.数据传输

3.电路拆除

电路交换的优缺点

v优点：

数据传输可靠、迅速，数据不会丢失且保持原来的序列，可用于进行实时数据传输；另外链路一旦建立，就能支持双向的数据传送。

v缺点：

在数据传送开始之前必须先建立一条专用的通路。

在线路释放之前，该通路由一对用户完全占用，线路利用率低。

（2）分组交换

分组交换是整个Internet中采用最广泛的数据交换技术，采用“分组—组装”和“存储—转发”的传输机制。

“分组-组装”是指当发送端有数据要发送时，把数据分成固定长度的分组（也称为包，典型的最大长度是1千位或几千位），经过中间节点逐个转发到达接收端后，接收端再按顺序将其组装起来；“存储-转发”是指分组经过每个中间节点时都要等待一定的延迟时间才能被转发出去，延迟时间的长短会因网络流量的大小而不同，网络流量越大，延迟时间越长，在整个等待的过程中，节点需要存储好尚未转发的分组。

特点：

✧传递数据的线路不是独占的，提高了数据的吞吐量和线路的利用率，但不能满足实时或交互式的通信要求，传输延迟长。

✧在分组交换技术中，通常采用两种方法管理传输的分组流：

数据报和虚电路。

数据报交换

数据报交换是面向无连接的数据传输，被传输的每个分组都称为数据报，

每个数据报都有完整的发送端地址和接受端地址。

网络中的各个中间节点根据地址信息和一定的路由规则，

选择一条线路将数据报转发出去，直到最终节点。

同一用户数据的不同数据报在网络中可能会经过不同的路径，

经过不同的时间延迟到达目的地，

所以接收端收到的来自同一用户数据的不同数据报往往是无序的，

必须采取措施将这些分组重新排序并组装起来。

举例说明

v用户H1要传递数据给H3，采用数据报方式，选择路由的方案有几种？

复习提问

v任何级别的用户要接入internet都要借助于谁提供的接口？

v在网络定义中提到的四个方面分别是什么？

▪自主的（）通过（）连接，遵守（），达到（）目的

v电路交换过程中的三个步骤是什么？

v电路交换方式为什么适用于实时数据传输环境？

v一封超长的邮件在用户点击发送之后要经历哪些过程才能够完整地呈现在接收用户眼前？

v在数据报交换中，传输过程的路由器设备依据什么为一个大数据块的不同分组进行路由选择？

问题5：

由网卡对数据进行分组，将各个分组发送到线路上，在中间的路由器中进行差错检测、路由选择，即存储处理之后再转发，到目的主机处由网卡按照分组的序号进行组装，提交给主机

虚电路方式

虚电路交换是面向连接的数据传输。

发送方在发送分组之前要建立一条由发送端到接收端的逻辑连接，即为所有分组预先选定一条由发送端到接收端的传输路径，而这条传输路径并不是一条专用通路，因此称为虚电路。

因为同一用户数据的所有分组都按同一路径传输，所以在虚电路交换方式中，分组到达的先后次序不会混乱。

另外，一条物理链路中可以有若干条虚电路，供不同的通信实体使用。

虚电路可以是临时建立的，称为虚呼叫，也可以是永久虚电路。

虚电路建立、数据传输和虚电路释放

举例说明

以覆盖区域划分

✧局域网、城域网和广域网

✧局域网：

LAN，分布范围为2km~4km见方的范围，由某个单位直接管理，可自主布线，最常见的局域网技术是以太网，通常采用光纤和双绞线做通信电缆

✧城域网：

MAN，分布范围是一个城市，其结点之间的物理链路要跨越市区，通常是由类似于电信部门组建的公共传输网络

✧广域网：

WAN，分布范围广泛，常见的广域网有PSTN、ATM网络等

1.5网络协议和体系结构

1.5.1网络分层的必要性

网络体系结构是指网络的分层结构，网络中的参考标准是OSI/RM模型，划分为7个层

Internet中的实际标准是TCP/IP模型，划分为4个层

如图所示

1.5.2OSI/RM七层模型（OSI体系结构）

端系统中都是7个层，中继系统中最多是三个层

物理层、链路层、网络层，传输层，会话层、表示层、应用层。

各个层的功能说明

✧物理层：

为要传输的数据提供物理线路和物理链路，即规定各种设备接口的规格及线路的长度以及表示0和1的电压值等。

✧数据链路层：

最重要的功能是进行差错检测，在不可靠的物理链路上实现两个端点之间的可靠的通信，即提供了逻辑链路；其次是进行流量控制，保证收发双方的速率匹配

✧网络层：

最重要的功能是根据分组携带的IP地址进行路由选择

上面三个层完成的都是相邻两个节点之间的数据传输

复习

v虚电路交换与电路交换的相同之处是什么？

不同之处是什么？

v数据报交换与虚电路交换的相同及不同之处分别是什么？

v网络中的体系结构都是采用什么样的结构？

vOSI参考模型将网络划分为哪几个层次？

路由器这种中继设备中包含哪几层的功能？

网络中的端系统指的是哪些设备？

包含哪几个层的功能？

v如何理解数据链路层的差错控制是在相邻两个节点之间完成的？

v网络设备接口的规格以及网络传输线缆的长度是由哪个层的功能规定的？

网络层的主要功能是什么？

1.数据都是按照指定的路线（创建的连接）传输，传输过程中不需要进行路由选择，数据都按照发送的先后顺序到达目的地；不同之处是：

电路交换中线路是独占的，而虚电路交换中线路不是独占的，即一条物理线路中可以存在若干条不同用户之间的虚电路，从而造成虚电路交换中数据分组因为排队等待而又延迟

2.相同之处：

传输的分组在线路中都会因为排队等待而出现时间延迟；不同之处：

数据报交换中每个分组都要携带地址，会走不同的路线到达目的地，经常是无序到达；虚电路交换中分组不用在进行路由选择，按序到达目的地

5.任何一个中继设备收到数据时都要对起进行差错检测，保证在自己与上一个发送者之间的链路上传递的数据是正确的，但是并不能保证自己与下一个接受者之间的数据传输是正确的，若传输过程中有三个中继设备，其差错检测要进行4次（加上一个接受者）

各个层的功能说明

✧传输层：

完成的是端到端的可靠数据传输

✧会话层：

对端系统之间的会话过程进行管理，例如从某个网站下载文件，下载过程即是一个会话过程，可以在下载过程中中断，之后再从断点前的最后一个同步点处继续下载

✧表示层：

为收发双方规定传输信息所使用的语义和语法，保证数据在传输的过程中意义不会改变，例如数据的加密和解密

✧应用层：

定义某个应用的消息格式和实现过程，例如http协议规定的浏览器与服务器之间的访问过程，最终为用户提供操作界面

若主机A要发送数据给主机B，则数据将由主机A的应用层向下传递，

在传递过程中逐层添加协议包装，最后通过物理层的网络电缆将数据传送出去，

而主机B在接收数据时，则是从物理层向上传递，

在传递过程中逐层去掉协议包装，

最后在应用层获取到的是与主机A应用层发送出来的完全相同的数据。

各层数据单元的关系

1.5.3TCP/IP体系结构（四层模型）

HTTP,FTP,SMTP,DNS,TELNET

应用层

TCP,UDP

传输层

IP

网络层

IPover以太网

数据报交换

IPoverATM

虚电路交换

IPoverPSTN

电路交换

…

网络接口层

TCP/IP协议的封装（以太网）

TCP/IP协议的封装（令牌环）

TCP/IP通信实例

分层结构中的服务关系

在网络分层结构中，N层是N-1层的用户，同时是N+1层的服务提供者。

对N层来说，N+1层的用户直接使用的是N层提供的服务，而事实上N+1层的用户是通过N层提供的服务享用到了N层内的所有层的服务。

和分层有关的概念

对等层

对等层是指在计算机网络体系结构中处于同一地位，起相同作用的功能层。

每一个功能层都完成特定的功能

协议

对等层的两个对等实体之间的通信都要遵守严格的约定和规范，这些约定和规范称为协议

1.5.4OSI和TCP/IP体系结构比较

1.5.5服务与协议之间的关系

1.5.6TCP/IP体系结构数据封装过程