1、教 材,Computer Networks (Fourth Ed.)计算机网络（第4版) 作者: Andrew S. Tanenbaum 定价: ￥69.00 出版社: 清华大学出版社 李江昀 13811659321,Rating: excellent!,参 考 资 料,书名：计算机网络（第3-4版）（中文版） 出版社: 清华大学出版社,书名：计算机网络工程教程 作者：黄书武、杨一平 出版社: 清华大学出版社,书名：数据通信与网络教程 （Understanding data communications and networks） 作者：William A.shay 出版社: 机械工业出版社
2、,学习方式/考试方式,专业学习为主,英语知识为辅. 英语的分量:循序渐进,逐步加强. 成绩:平时作业+实验+考试.考试:闭卷(英文).,Computer Networks,本教材计算机网络基本结构：以网络分层模型为基础逐层介绍每一层所用的技术与协议标准。从第一版到第四版，随着网络技术的发展，在各层中不断增加一些新的内容，但这种以网络分层模型进行编排的结构模式始终未变。因此，计算机网络课程的教学也基本上成了网络分层模型的教学。,在计算机网络形成初期，计算机网络系统确实是在计算机之间通过已有通信系统简单连接形成的，当时的计算机网络系统功能也比较简单，基本上是实现计算机的远程访问和资源共享。因此，计
3、算机网络的问题主要是解决异地独立工作的计算机之间如何实现正确、可靠的通信问题，网络分层体系结构模型正是为解决计算机网络的这一关键问题而设计的，因此“计算机网络体系结构“内容作为计算机网络教材的基本内容，确有其历史的原因。,常用术语,Network-networking Protocol Architecture Topology Configuration Administrator Transmission Transportation IEEE: Institute of Electrical and Electronics Engineers (美国)电气和 电子工程师协会 IEE: I
4、nstitution of Electrical Engineers,(英国)电机工程师协会 ISO: International Organization for Standardization,国际标准化组织 IFAC: International Federation of Automatic Control, 国际自控联,Computer Networks,1 Introduction 2 The physical layer 3 The data link layer 4 The medium access control sublayer 5 The network layer 6
5、 The transport layer 7 The application layer 8 Reading list and bibliography,1 Introduction,1.1 Outline of computer networks 1.2 Network hardware 1.3 Network software 1.4 Reference models 1.5 Example networks 1.6 Example data communication services 1.7 Network standardization 1.8 Summary,1.1 Outline
6、 of computer networks,1.1.1 Development of computer communicationand networks 1.1.2 Definition of computer networks 1.1.3 Composition of computer networks 1.1.4 Function of computer networks 1.1.5 Topology of computer networks,1.1.1 Development of Computer Communications and Networks,计算机网络是计算机技术与通信技
7、术相结合的产物。在计算机应用过程中，需要对大量复杂的信息进行收集、交换、加工、处理和传输，从而引入了通信技术。数据通信是计算机网络的实现基础。计算机应用离不开通信网络环境的支持，计算机系统应用的广泛普及又促进了通信网络新技术的不断发展和更新。两者互相补充，互相渗透，互相促进。计算机通信与网络的发展进程，大体可以分为以下四个阶段。,1.1.1 Development of Computer Communications and Networks,1 面向终端terminal的计算机通信网,1）50年代初，批处理方式计算机与通信没有任何联系。Batch file, Batch program, B
8、atch production,1946年，世界上第一台计算机ENIAC问世。在此后的10年里，计算机与远程通信并没有什么关系，当时的用户必须在计算机房里使用计算机进行科学计算。,1.1.1 Development of Computer Communications and Networks,1 面向终端的计算机通信网,2）50年代后期，具有通信功能的单机系统以主机为中心,优点：减轻了远程用户来往路途上的时间；,缺点：,1：主机负荷过重；既要数据处理，又要完成通信控制。,2：线路的利用率比较低，特别是在 终端速率比较低时更严重。,这是一台计算机主机支持多用户终端的远程信息集中处理系统,1.1
9、.1 Development of Computer Communications and Networks,1 面向终端的计算机通信网,3）60年代初，使用通信控制处理机和集中器的通信系统,前置处理机：完成全部通信任务，让主机专门进行数据处理；,集中器：低速终端通过低速线路先汇集到集中器， 再由较高速通信线路将集中器连接到前端处理机上。,1.1.1 Development of Computer Communications and Networks,2 分组交换网,面向终端的计算机网络：针对计算机与终端之间的连接通信。,新要求：计算机系统之间的通信,美国国防部高级研究计划局研制ARPANE
10、T。,提出时间：1968年；,起初目的：将若干大学、科研机构、公司的多台计算机互联，达到资源共享；,结果：Internet的核心。,1）ARPANET出现 advanced research projects agency net,1.1.1 Development of Computer Communications and Networks,1969年11月，实验性的ARPAnet开通；1975年，ARPAnet 已经连入了100多台主机，并且结束了网络实验阶段，移交美国国防部国防通信局正式运行；1983年1月，ARPAnet向TCP/IP的转换结束；20世纪80年代中期，ARPAnet成
11、为Internet的主干网；1990年，ARPAnet退役。,1.1.1 Development of Computer Communications and Networks,2 分组交换网,计算机网络发展史上的一个里程碑milestone，标志着以资源共享为目的的现代计算机网络的诞生。,1）ARPANET出现,1 提出并实现了分组交换的数据交换形式；,2 采用层次化的网络体系结构模型；,3 提出了通信子网和资源子网两级子网概念等；,对计算机网络技术的贡献：,对用户而言，是一个透明的数据传输机构,1.1.1 Development of Computer Communications and
12、 Networks,2 分组交换网 (Packet-Switching Network),分组交换：包交换，是现代计算机网的技术基础。,电路交换：通过交换机实现线路的转接，在两个要求通话 的用户之间建立一条专用的通信线路,2）分组交换技术的发展,从电路交换分组交换的发展过程：,1.1.1 Development of Computer Communications and Networks,2 分组交换网,电路交换存在的问题：,1 计算机的数字信号具有突发性和间歇性；,2 电路交换建立通路时间较长（10s20s）；,3 电路交换很难适应不同类型、规格、速率的终端和计算机之间的通信；,4 可靠性
13、不高,2）分组交换技术的发展,1.1.1 Development of Computer Communications and Networks,2 分组交换网,1964年8月，提出分组交换概念，适合于计算机通信的交换技术。,1969年12月，美国的分组交换网ARPANET投入运行，标志着现代通信时代的开始。,2）分组交换技术的发展,1.1.1 Development of Computer Communications and Networks,2 分组交换网,主计算机,终端,结点机（通信处理机）,2）分组交换技术的发展,1.1.1 Development of Computer Commu
14、nications and Networks,2 分组交换网,2）分组交换技术的发展,将数据分为一系列等长的分组，附加一些有关目的地址等信息；,将分组依次发往与H1相连的结点A；,结点A收到分组后，将收到的分组存入缓冲区，再根据分组携带的地址信息，按一定的路由算法，确定将该组发往哪个结点。,主机H1向主机H6发送数据：,1.1.1 Development of Computer Communications and Networks,3 计算机网络体系结构的形成,1974年，美国IBM公司按照分层的方法制定了系统网络体系结构 SNA: 系统网络架构(System Network Archite
15、cture), 主要用于大型机.,DEC公司公布了数字网络系统结构 DNA: Digital Network Architecture,UNIVAC公司公布了数据通信体系结构 DCA,1）各计算机制造厂商网络结构标准化,BURROUGHS公司公布了宝来网络体系结构 BNA,1.1.1 Development of Computer Communications and Networks,3 计算机网络体系结构的形成,1978年，ISO提出了异种机连网标准的框架结构，即开放系统互连参考模型OSI/RM 或 ISOs OSI 。,80年代局域网迅速发展；人们开始认识到Internet的重要作用；,
16、90年代网络互连，是Internet历史上发展的最快的时期；,2）网际网络体系结构标准化,当前， Internet飞速发展应用非常普及，改变了人类的生产方式、生活方式和工作方式。,ISO/OSI,OSI/RM: Open System Interconnect Reference Model: 开放式系统互联参考模型 ISO: International Organization for Standardization : 国际标准化组织,1.1.1 Development of Computer Communications and Networks,4 高速网络技术,主要标志：,网络传输介
17、质的光纤化、信息高速公路的建设；,多媒体网络及宽带综合业务数字网的开发和应用；,智能网络的发展；,高速以太网、光纤分布式数据接口FDDI、快速分组交换技术等。 Fiber Distributed Data Interface:光纤分布式数据接口,1 早期,定义：计算机技术与通信技术相结合实现远程信息处理和进一步达到资源共享的系统。,出发点：计算机通信,2 ARPANET问世后,定义：用通信线路互连起来，能够相互共享资源（硬件、软件、数据等），并且各自具备独立功能的计算机系统的集合。,出发点：资源共享,1.1.2 Definition of Computer Networks,1.1.2 Def
18、initions of Computer Networks,3 随分布式处理技术的发展,定义：使用一个网络操作系统来自动管理用户任务所需的资源，使整个网络象一个大的计算机系统一样对用户是透明的。,出发点：用户透明,4 目前,定义：计算机网络是用通信线路将分散在不同地点并具有独立功能的多台计算机系统互相连接，按照网络协议进行数据通信，实现资源共享的信息系统。,出发点：网络协议,1.1.3 Composition of computer network,资源子网HOST and TERMINAL，提供访问网络及数据处理的能力。,通信子网把主机连接在一起的部分，由传输和转接部件构成；提供网络通信功能
19、，完成主机之间的数据传输、变换、控制和交换等通信任务。,资源子网,通信子网,1.1.3 Composition of computer network resource subnet,主机：拥有资源，资源子网主要组成单元；运行用户程序的机器；通过高速通信线路与通信子网的通信控制处理机相连接。,终端：请求资源，是直接面向用户的交互设备；,计算机外设：主要是网络中一些共享设备；,大型硬盘机、高速打印机、大型绘图仪等。,各种软件资源和信息资源,键盘和显示器组成的简单的终端，或微型计算机系统等,1.1.3 Composition of computer network communication su
20、bnet,通信控制处理机：在通信子网中又称为网络结点；,作用1：作为与资源子网的主机、终端连接的接口，将主机和终端连入网内；,作用2：作为通信子网中的分组存储转发结点，完成分组的接收、校验、存储和转发等功能，实现将源主机报文准确地发送到目的主机的作用。,1.1.3 Composition of computer network communication subnet,通信线路：为通信控制处理机及通信控制处理机之间，以及通信控制处理机与主机之间提供通信信道。,信号变换设备：对信号进行变换以适应不同传输媒体的要求。,电话线、双绞线、同轴电缆、光纤、无线通信信道、 微波与卫星通信信道等,调制解调器
21、、无线通信接收和发送器,1.1.4 Functions of computer network,给你发E-mail,打印文件mail,共享资源,实现数据传输,分布式数据处理,我的东西 丢失了！,提高可靠性,没关系！,1.1.4 Functions of computer network,1 数据传送；,2 资源共享；,3 计算机的可靠性和可用性得到提高；,指共享计算机系统的硬件、软件和数据；,基本功能；,最具有吸引力的功能，,可靠性，彼此互为备用；,可用性，均衡各台计算机的负担，避免产生忙闲不均现象；,4 容易进行分布式处理；,1.1.5 Topology of computer networ
22、k,网络拓扑结构,网络单元,网络结点和链路的几何图形；,两个结点间的连线,结点,链路,端结点：通信的源和宿结点；用户主机和用户终端。,转接结点：网络通信过程中起控制和转发信息作用的结点； 程控交换机、通信处理机、集线器和终端控制器等,计算机网络拓扑主要是指通信子网的拓扑构型。,1.1.5 Topology of computer network,按通信子网中通信信道类型分类 通信信道类型：广播信道和点-点线路广播信道 广播信道的特点：一个公共的通信信道被多个网络结点共享； 广播信道通信子网的4 种基本拓扑构型： 总线型、环型、树型、无线通信与卫星通信型,1.1.5 Topology of co
23、mputer network,按通信子网中通信信道类型分类 通信信道类型：广播信道和点-点线路点-点信道 点-点信道的特点：每条物理线路连接一对结点； 点-点信道通信子网的4种基本拓扑构型：星型、环型、树型、网状型一个计算机网络的拓扑设计对网络性能、系统可靠性与通信费用都有重大影响。,1.1.5 Topology of computer network,1 星型,中心结点：,从结点,中心处理器,当一条信道或一个从结点由故障时，不会影响到其他部分的工作；但当中心结点有故障时，全网停止工作,功能很强的计算机，具有数据处理和存储转发双重功能。 程控交换机或集线器，仅起各从结点间的连通作用,结构简单，
24、建网容易,1.1.5 Topology of computer network,2 树型,星型网络只有一个转发结点； 根结点和子树结点都是转发结点;,分层结构，星型的扩展;,根结点,子树结点,叶结点,总费用比星型结构低很多； 结构比星型复杂，时延较大;,适用于分级管理和控制系统;,1.1.5 Topology of computer network,3 总线型,采用一条公共总线通过相应的硬件接口连接所有工作站（主机） 和其他共享设备（文件服务器、打印机等）,总费用比星型结构低很多； 结构比星型复杂，时延较大;,主要用于局域网，如以太网；,1.1.5 Topology of computer n
25、etwork,4 环型,各主机或终端经过环接口连成一个封闭环形.,初始安装比较容易，故障诊断定位比较准确；,点到点连接，单向传输；适合于光纤传输；,主要用于局域网，如FDDI；,可靠性较差，重新配置较难；,1.1.5 Topology of computer network,5 网状,由分布在不同地点的计算机经信道连接而成，其形状任意.,不规则型；,可靠性高；,主要用于大型广域网；,现代网络结构,随着微型计算机的广泛应用，大量的微型计算机是通过局域网连入广域网，而局域网与广域网、广域网与广域网之间的互连是通过路由器Router实现的； 在Internet中，用户计算机需要通过校园网、企业网或I
26、SP联入地区主干网，地区主干网通过国家主干网联入国家间的高速主干网。这样，就形成一种由路由器互联的大型、层次结构的互联网络。 例：微机 校园网 北邮 清华 Internet,由路由器互联的大型、层次结构的互联网络示意图,1.2 Networks hardware,计算机网络的分类classification,依据使用范围：公用网、专用网,依据信息交换方式：电路交换网、分组交换网及综合交换网,依据拓扑结构：星型网、树型网、总线型网、环型网、网状网等,1.2 Networks hardware,计算机网络的分类classification,依据传输技术：广播式网络、点到点网络,依据网络规模：局域网
27、、城域网及广域网,依据通信方式：双绞线网、同轴电缆网、光纤网、无线网及卫星网等,1.2 Networks hardware,criterion: transmission technology,分组或包可以被任何机器发送并被其他所有的机器接收。分组的地址字段指明此分组应被哪台机器接收。,广播式网络 Broadcast network:have a single communication channel that is shared by all the machines on the network.,广播(broadcasting)：广播系统在地址字段中使用一段特殊代码，以便将分组发送到所
28、有目标。网络上每一台机器都接收和处理分组,多点广播(multicasting)：广播系统支持向机器的一个子集发送的功能；,单播(unicasting)：若分组只发送给网络中的某一台计算机；,1.2 Networks hardware,criterion: transmission technology,点到点网络 Point to point network :consist of many connections between individual pairs of machines.,一对对机器之间的多条连接构成；路由算法比较重要。,网络规模较小或处于本地范围的网络广播方式；,网络规模较
29、大或覆盖地域范围广的网络点到点方式。,互联网 Internetworks,Another criterion: size,局域网 Local area networks,城域网 Metropolitan area networks,广域网 Wide area networks,无线网 Wireless networks,1.2 Networks hardware,个人区域网 Personal area networks,Another criterion: size,1.2 Networks hardware,LANs , Privately-owned networks，地理范围一般从几十米
30、到几公里，属于一个部门或单位组建的小范围内的网络，局域网广泛采用广播式通信方式。,1.2.1 （Local area networks）,70年代末期，出现；80年代，获得了飞速发展；90年代，进入繁荣时期；目前，使用已相当普遍，体现了人们对信息资源共享的要求。,Three characteristics:,1)their size： restricted in size,2)their transmission technology:,3)their topology：various topology (bus , ring ),10 to 100Mbps，low delay，few err
31、ors,LAN的特征,various topology for broadcast LANs,Bus :任何时刻只能有一台机器是主站可进行发送。,仲裁机制解决冲突：集中式或分布式；,IEEE802.3，以太网(Ethernet)，一种基于总线的广播式网络，使用分布式控制，速率为10Mb/s或100Mb/s,广播式LAN的拓扑结构,various topology for broadcast LANs,Ring :在环中，每个比特独自在网内传播而不必等待它所在分组里的其他比特。,仲裁机制解决对环网的同时访问；,IEEE802.5，IBM令牌环网，一种基于环形的LAN，速度为4Mb/s或16Mb/
32、s,广播式LAN的拓扑结构,Static : divide up time into discrete intervals and run a round robin algorithm, allowing each machine to broadcast only when its time slot comes up.,Classification of broadcast LANs,criterion: how the channel is allocated,Dynamic : centralized single entitydecentralized no central ent
33、ity,广播式LAN的分类,MANs , A bigger version of a LAN, normal uses similar technology,介于LAN和WAN之间，通常不超过一个城市或地区的范围。它是一种能覆盖一个城市范围的网络。,1.2.2 Metropolitan area networks,城域网能使用不同的物理媒体，例如光纤和双绞线（目前用得最多的是光纤）。由于MAN能提供多种服务和支持多种通信设备，因此，其应用将会越来越普遍。,最初，城域网的主要应用是互连城市范围内的很多局域网，现在，城域网可以用来开展不同类型的业务，包括传输各种实时数据、语音和视频等。,1.2.2
34、 Metropolitan area networks,A metropolitan area network based on cable TV.,1.2.2 Metropolitan area networks,The main reason for even distinguishing MANs:,分布式队列双总线 DQDB(Distributed Queue Dual Bus),1.2.2 Metropolitan area networks,consists of two unidirectional buses,目的计算机在发送者右方时使用上方的总线；反之，使用下方的总线。,覆盖
35、地域：可达100km； 传输速度：50Mbps； 站数：500； 比特误码率：10-9； 传输媒体：光纤；,城域网的主要特点,与局域网相比较，城域网除了具有覆盖范围广、传输速度高、误码率极低、容纳站数多等特点外，还有：,3MAN能有效地工作于多种应用环境。,2LAN仅能在PC类机器间传送突发性数据业务，而MAN不仅能传送突发性数据业务，而且能传送恒速业务和实时业务。,1MAN既能用于专用网，也可用于公用网，而LAN只能作为专用网。,WANs , Spans a large geographical area (a country or continent),又称远程网，一般覆盖数十公里到数万公
36、里，如跨越几个城市或几个国家的网络。,1.2.3 Wide area networks,通常通过公用电话网、有线电视网等公共线路实现城市与城市等的连接，一般通信介质和传输装置由电信部门提供。,3分组无线网：在相对小的范围利用公共无线电通道通信。,2卫星网：利用卫星通道实现分组交换；多路访问，广播式分布的通信通道；,1陆地网：采用分组交换技术，如ARPANET横跨几大洲，国内采用电话通道或专用光纤线路传输，跨洲则采用卫星通道。,Host : for running user programs.,Communication subnet : carry messages from host to
37、host,Transmission lines : circuits, channels or trunks,Switching elements : are specialized computers that connect three or more transmission lines.,Wide area networks,Wide area networks,广域网的发展始于60年代，典型代表是美国国防部的ARPANET。,互联网（Internet)可以看作是广域网的一个特例。,中国的广域网主要有：,中国公众网（CHINANET） 中国金桥网（CHINAGBNET） 中国教育科研网
38、（CERNET） 中国科技网（CSTNET） 中国公用数据分组交换网（CHINAPAC）China Public PACket switched network 中国数字数据网（CHINADDN）,LAN、MAN和WAN的特点,覆盖范围 传送技术 管理 是否支持广播,MAN,LAN,WAN,因特网,几公里内 通常是广播式 专用网 支持,100公里内 LAN的技术 专用网/公用网 支持,一个国家或洲 需要转发或交换设备 专用网/公用网 不支持,全球 需要转发或交换设备 公用网 不支持,LAN和WAN的拓扑结构不同,采用局域网，传输速率较高，误码率较低。组网方便，技术简单。,传输距离远，传输速率较
39、低，误码率较高。机制复杂。,局域网 指十几公里的地理范围内将计算机、外设和通信设备互连在一起的网络系统。,广域网 涉及的范围较大，通常可以达到几十公里、几百公里，甚至更远。,LAN、MAN和WAN的特点,1.2.4 Wireless networks,Categories of wireless networks: System interconnection: bluetooth Wireless LANs Wireless WANs,1.2.4 Wireless networks,(a) Bluetooth configuration (b) Wireless LAN,(a) Blueto
40、oth configuration (b) Wireless LAN,(a) Individual mobile computers (b) A flying LAN,1.2.4 Wireless networks,Wireless networks have many uses:,1.2.4 Wireless networks,3) be important to the military军事应用,2) be of great value to fleets of trucks，taxis，buses，and repairpersons for keeping in contact with
41、 home旅途中的移动通讯，与基地保持联系或彼此之间的相互联络。,1) portable office移动办公,1.2.4 Wireless networks,3)the transmissions from different computers can interfere with one another.,2)error rate are often much higher,1)its capacity (1-2Mbps) is lower than wired LANs,Wireless networks have many disadvantages :,internet , A c
42、onnection of interconnected networks,1.2.5 internet works,A common form : a collection of LANs connected by a WAN.,通过网关(Gateway)完成连接,1.2.5 internet works,NOTE:,internet: a generic sense(互联网)Internet: a specific worldwide internet（因特网）,发E-mail,打印文件mail,喂，请用中文, 慢一点！,出错了， 请重发！,1.3 Networks software,1.3
43、 Networks software,Protocol hierarchies 协议分层 Design issues for the layers 各层的设计问题 Interfaces and services 接口与服务 Connection-oriented and connectionless services 面向连接的服务和无连接的服务 Service primitives 服务原语 The relationship of services to protocol服务与协议的关系,1.3.1 Protocol hierarchies,Most networks are organiz
44、ed as a series of layers(层)or Levels(级)，each one built upon the one below it.,分层次体系结构的优点：简化设计与实现、灵活、易于标准化Reduce their design complexity, flexible, standardize,The purpose of each layer: To offer certain services to the higher layer，shielding those layers from the details of how the services are actu
45、ally implemented.,Protocol,为进行网络中的数据交换（通信）而建立的规则、标准或约定。,layer n on one machine carries on a conversation with layer n on another machine. the rules and conventions used in this conversation known as the layer n protocol.,basically, a protocol is an agreement between the communicating parties on how
46、communication is to proceed.,Protocol,3时序：事件的执行顺序，确定通信状态的变化过程；,2语法：规定数据或控制信息的数据结构形式或格式；,1语义：构成协议的协议元素的含义。,三个要素,变换规则,协议元素：控制信息或命令及应答；不同类型的协议元素规定了通信双方所要表达的不同内容；,确定协议元素的格式；,对等进程Peers:,The entities comprising the corresponding layers on different machines. 位于不同系统内同一层次的实体。,协议作用在对等实体之间,Five-layer network,
47、Multilayer communication,Multilayer communication,In reality, no data are directly transferred form layer n on one machine to layer n on another machine. Instead, each layer passes data and control information to the layer immediately below it, until the lowest layer is reached. Below layer 1 is the
48、 physical medium through which actual communication occurs.,Virtual communication is shown by dotted lines and physical communication by solid lines。,接口 Interface :,网络体系结构 network architecture:,Multilayer communication,相邻两层之间交互的界面，定义相邻两层之间的原语操作及下层对上层的服务。defines which primitive operations and service
49、s the lower layer offers to the upper one.,计算机网络的层次及其协议的集合，是对网络及其组成部分的功能的精确定义。 a set of layers and protocols,The specification of an architecture must contain enough information to allow an implementer to write the program or build the hardware for each layer so that it will correctly obey the appropriate protocol.,Multilayer communication example,Multilayer communication example,
