第3章 计算机网络

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1 第 3 章计算机网络

2 基本内容 课程的任务 目的和基本要求 了解计算机网络的基本概念 掌握计算机网络各层协议的基本工作原理及其所采用的技术 对典型计算机网络 (Internet ) 的特点和具体实现有基本印象

3 计算机网络的发展过程 面向终端的的计算机网络, 各终端通过通信线路共享主机的硬件和软件资源 ( 第一代 ) 终端用户通过 I/O 串口连到主机上, 不具备单独数据处理能力, 它是靠 cpu 把系统主存的一部分分给终端用户, 并使用 CPU 为每个用户划分时间片来执行终端用户的应用程序 以通信子网为中心, 用户通过分组交换网可共享用户资源子网的硬件和软件资源 ( 第二代 ) 层次体系结构的形成 ( 第三代 ) 1974 年 IBM 宣布其研制的 SNA(System Network Architecture) 1976 年 UNIVAC 宣布其数字网络体系结构 DCA(Distributed Communication Architecture) 1977 年 ISO 开始制定 OSI/RM

4 计算机网络基本概念 计算机网络定义 按照网络协议, 以通信和资源共享为主要目的, 将地理上分散的且独立自主的计算机互相连接的集合 计算机网络的硬件构成 : 两级结构的计算机网络 资源子网 ( 或用户子网 ) 通信子网

5 计算机网络基本概念

6 计算机网络基本概念 资源子网 组成 : 服务器 客户计算机 附属设备 构成了网络的基本资源, 主要负责数据处理 通信子网 组成 : 通信线路, 网络互连设备 ( 路由器 交换机 HUB 等 ) 完成数据传输等通信处理工作

7 计算机网络基本概念 计算机网络的基本功能 数据通信 : 数据的传送和发布 资源与信息的共享 包括计算机硬件 数据库 应用软件等资源的共享 分布式处理 将本地计算机不能或不能完全处理的计算转移到网络中的其它计算机上处理 网络备份

8 计算机网络分类 根据网络传输技术分类 广播 (broadcasting) 信道 所有主机共享一条信道, 通信数据以广播形式发送 带宽利用率高, 但需要进行信道访问控制 常用于局域网中 : 总线型 环型... 点到点 (point-to-point) 信道 两台主机 ( 或转发结点 ) 之间存在一条独享的物理信道可能存在带宽浪费, 但控制简单一般用于广域网中的长距离通信

9 计算机网络分类 从地域范围角度 : 1. 局域网络 ( Local AreaNetworks 主要采用广播通道技术 2. 城域网络 ( Metropolitan Area Networks ) 3. 广域网络 ( Wide Area Networks ) 主要采用点到点通道技术

10 计算机局域网分类 局域网 (LAN) 通常指传统的共享介质局域网 高速局域网 (HSLN) 原理类似 LAN, 但有更高的速度 交换式局域网 (Switch LAN) 可将交换机和交换式集线器作为交换设备, 是采用线路交换和具有线路交换特征的局域网

11 计算机网络拓扑结构

12 计算机网络拓扑结构 - 星型拓扑结构 星型拓扑由中心站点 分站点和他们之间的链路组成 通过点到点通信链路接到中央节点 ; 由中央节点执行集中式通信控制策略 ; 中央节点相当复杂. 主要优点 : 任意两个结点间的通信最多只需两步 ; 各个站点的通信处理负担小 ; 控制简单 主要缺点 安装工作量大 连线长 依赖于中心节点, 容易形成瓶颈

13 计算机网络拓扑结构 - 树型拓扑结构 为分层结构 具有根节点, 适用于分级管理和控制系统 这种拓朴的站点发送时, 根接收该信号, 然后再重新广播发送到全网 主要优点 寻查链路路径比较方便 扩展容易, 新分支和新节点容易加入网内 易于清除故障 主要缺点 若根节点出现故障, 则全网不能正常工作

14 计算机网络拓扑结构 - 总线型拓扑结构 采用公共总线作为传输介质, 信号沿介质进行广播传送 主要优点 安装容易 布线容易 易于维护 安装费用较少 结构简单 可靠 主要缺点 工作站结点的个数有限制 同轴电缆的工作长度一般限制在 2.5km 以内 实时性较差, 延时不确定 :

15 计算机网络拓扑结构 - 环形拓扑结构 各站点通过中继器将链路点到点首尾连接, 信息沿环路单向逐点传送 主要优点 结构比较简单, 各工作站地位相等 可使用光纤 电缆长度短 主要缺点 可靠性差 扩展性 灵活性较差

16 计算机网络拓扑结构 - 网状拓扑结构 主要用于广域网, 复杂 成本高 主要优点 传输线路有较多冗余, 容错性好 主要缺点 结构复杂 ; 网络协议复杂 ; 成本比较高

17 计算机网络体系结构 和 OSI 参考模型

18 协议分层 两个系统中实体间的通信是一个十分复杂的过程, 为了减少协议设计和调试过程的复杂性, 大多数网络的实现都按层次的方式来组织, 每一层完成一定的功能, 每一层又都建立在它的下层之上 不同的网络, 其层的数量 各层的名字 内容和功能不尽相同, 然而在所有的网络中, 每一层都是通过层间接口向上一层提供一定的服务, 而把这种服务是如何实现的细节对上层加以屏蔽

19 协议分层 5/4 接口 4/3 接口 3/2 接口 2/1 接口 主机 1 主机 2 第五层第四层第三层第二层第一层 第五层协议第四层协议第三层协议第二层协议第一层协议 第五层第四层第三层第二层第一层 传输线路

20 协议分层 第 n 层的实体在实现自身定义的功能时, 只使用 (n-1) 层提供的服务 n 层向 (n+1) 层提供服务, 此服务不仅包括 n 层本身所执行的功能, 还包括由下层服务提供的功能总和 最低层只提供服务, 是提供服务的基础 ; 最高层只是用户, 是使用服务的最高层 ; 中间各层既是下一层的用户, 又是上一层服务的提供者 仅在相邻层间有接口, 且下层所提供服务的具体实现细节对上层完全屏蔽

21 协议分层 分层可以遵守以下几个主要原则 : * 每层的功能应是明确的, 并且互相独立 * 层间接口清晰跨越接口的信息量应尽可能少 * 层数适中

22 协议的概念 协议 ( Protocol ): 计算机网络同等层次中, 通信双方进行信息交换时必须遵守的规则 协议的组成 : 1 语法 (syntax): 以二进制形式表示的命令和相应的结构 2 语义 (semantics): 由发出的命令请求, 完成的动作和回送的响应组成的集合 3 定时关系 (timing): 有关事件顺序的说明, 同步规则

23 计算机网络体系结构 我们把计算机网络的各层及其协议的集合称为网络的体系结构 换句话说, 计算机网络的体系结构就是这个计算机网络及其部件所应完成的功能的精确定义

24 ISO/OSI 参考模型

25 ISO/OSI 参考模型 最低 3 层 (1-3) 是依赖网络的, 牵涉到将两台通信计算机链接在一起所使用的数据通信网的相关协议 高三层 (5-7) 是面向应用的, 牵涉到允许两个末端用户应用进程交互作用的协议, 通常是由本地操作系统提供的一套服务 中间的传输层为面向应用的上 3 层遮蔽了跟网络有关的下 3 层的详细操作 本质上讲, 它建立在由下 3 层提供的服务上, 为面向应用的高层提供网络无关的信息交换服务

26 ISO/OSI 参考模型 OSI 给出的仅是一个概念上和功能上的标准框架, 是将异构系统互连的标准分层结构 网络体系结构与实现无关

27 OSI 模型各层的主要功能

28 物理层 在物理线路上传输原始的二进制数据位 机械特性 : 物理连接器的尺寸 形状 规格 电气特性 : 信号电平, 脉冲宽度, 频率, 数据传送速率, 最大传送距离等 功能特性 : 接口引脚的功能作用 规程特性 : 信号时序, 应答关系, 操作过程 EIA RS-232C EIA RS-449/422-A/423-A CCITT X.21 协议数据单元 :bit

29 数据链路层 在有差错的物理线路上提供无差错的数据传输 (Frame) 指定在网络上沿着网络链路在相邻节点之间移动数据的技术规范 它的主要任务是加强物理层传输原始比特的功能, 使之对网络层显现为一条无错线路 数据链路管理 帧同步 ( 划分帧的边界 ) 差错控制 流量控制 协议数据单元 : 帧

30 网络层 控制通信子网提供源点到目的点的数据传送 (Packet) 路由选择 流量控制和拥塞控制 网络互连 网络审计 计费 跟踪黑客 协议数据单元 : 分组

31 网络层 - 虚电路和数据报服务

32 虚电路 (Virtual Circuit) 服务 传送数据时, 虚电路服务发送方提供自己和接收端的全称网络地址, 建立虚电路, 然后按序传送报文分组, 它不会发生报文丢失或重叠的情况 通信完成后拆除虚电路

33 虚电路 - 呼叫虚电路 虚呼叫 -> 报文传送 -> 拆除虚电路 每次传送数据时, 建立虚电路

34 虚电路 - 永久虚电路 两战点间不管是否通信都永远存在一条虚电路, 省去了虚呼叫和虚拆除的建立

35 数据报服务 每个分组在网络中的传输路径完全是由网络当时的状况决定的, 每个分组都有完整的地址信息 到达目的的顺序可能和发送的顺序不一致

36 虚电路和数据报的比较 服务类别 虚电路 数据报 问题 端 - 端连接 要 不要 目标站地址 仅连接时需要 每个分组都要 分组顺序 按序 不保证 端 - 端差错处理和流控 均有通信子网控制 均由主机负责

37 传输层 资源子网与通信子网的桥梁, 利用通信子网提供的服务, 实现两个用户进程之间端到端的可靠通信 建立 维护和拆除传输层的连接 在网络层选择合适的服务 提供端到端的错误纠正和流控制 向会话层提供独立于网络层的传送服务和可靠的透明数据传输

38 网络高层 会话层 进程会话控制管理 表示层 翻译 压缩和加密 应用层 完成特定网络服务服务功能所需的各种应用协议

39 TCP/IP 协议

40 TCP/IP- 网络接口层 网络接口层与各种通信网连接, 通信网包括多种局域网 (Ethernet Token Ring) 或多种广域网 (APPAnet X.25 公共数据网 ), 网络接口层负责接收 IP 数据报, 并把这些数据报发送到指定网络上

41 TCP/IP- 网络层 负责将源主机的报文分组发送到目的主机, 源主机与目的主机可以在一个网上, 也可以在不同网上 处理来自传输层的分组发送请求 处理接收的数据报 处理互联的路径 流控与拥塞控制

42 IP 协议 核心任务是通过互连网络寻径和传送数据报 提供一个非可靠的无连接的分组投递系统 说它非可靠, 是因为所要求的投递不能保证成功, 分组可能丢失, 投递无序或重复投递, 而 IP 并不检测这些情况, 发生这些情况也不通知发送者或接收者

43

44 IP 地址

45 IP 地址 A 类地址 B 类地址 C 类地址

46 ICMP 协议 互联网报文控制协议 IP 提供的是不可靠无连接的数据报服务 为了监测差错和报告差错, 提供意外情况信息 (ICMP) 如果一个网关不能为 IP 分组选择路由, 或者不能递交 IP 分组, 或者这个网关测试到某种不正常的状态, 就需要使用互联网控制报文协议来通知源主机采取措施, 避免或纠正这类问题

47 ARP 协议 用来将 IP 地址翻译成物理网络地址 考虑两台计算机 A 和 B 共享一个物理网络的情况 每台计算机分别有一个 IP 地址 IA 和 IB, 同时有一个物理地址 PA 和 PB 设计 IP 地址的目的是隐蔽低层的物理网络, 允许高层程序只用 IP 地址工作 但是不管使用什么样的硬件网络技术, 最终通信总是由物理网络实现的 IP 模块建立了 IP 分组, 并且准备送给以太网驱动程序之前, 必须确定目的地主机的以太网地址 于是就提出这样一个问题 : 假设计算机 A 要通过物理网络向计算机 B 发送一个 IP 分组,A 只知道 B 的 IP 地址, 如何把这个 IB 变成 B 的物理地址 PB 呢?TCP/IP 协议设计人员采用一种创造性的方法, 解决了诸如以太网这样具有广播能力物理网络的地址转换问题

48 RARP 协议 站点只有自己的物理网络地址而没有 IP 地址, 则可能通过 RARP 协议发出广播请求, 征求自己的 IP 地址

49 传输层 为通信双方的的主机提供端到端的服务 TCP 和 UDP 协议

50 传输层 -TCP TCP 提供的是端到端的可靠的进程间通信, 它对网络层提供的服务的可靠性没有要求, 无论网络层提供何种服务, TCP 协议提供的端到端服务都是可靠的

51 传输层 -UDP UDP 提供不可靠的无连接的服务 UDP 具有高效率传输特点, 比较适合于一些简单的交互应用场合

52 TCP/IP 协议高层 网际 Telnet 文件传输协议 Ftp 平常文件传输协议 TFTP 简单邮件传输协议 SMTP 域名系统 DNS

53 TCP/IP 层 (OSI) 名 TELNET FTP SMTP DNS 应用 协议 TCP UDP 传输 IP 网络 物理网络 x.25 卫星网 分组无线网 LAN 物理 + 数据链路

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