1、,计算机网络技术教程自顶向下的分析与设计方法吴功宜 吴英 编著,1,第1章 计算机网络概论,2,3,主要内容,1.1 计算机网络发展的4个阶段（1）,第一阶段：计算机网络技术与理论准备阶段 时间追溯到20世纪50年代；这个阶段的特点与标志性成果主要表现在： 数据通信的研究与技术的日趋成熟，为计算机网络的形成奠定了技术基础； 分组交换概念的提出为计算机网络的研究奠定了理论基础。,4,计算机网络发展的4个阶段（2）,第二阶段：计算机网络的形成从20世纪60年代ARPANET与分组交换技术开始；这个阶段的特点与标志性成果主要表现在： ARPANET的成功运行证明分组交换理论的正确性； TCP/IP协
2、议的广泛应用为更大规模的网络互联奠定坚实的基础。DNS、E-mail、FTP、TELNET、BBS等应用展现了网络技术应用的广阔前景。,5,计算机网络发展的4个阶段（3）,第三阶段：网络体系结构的研究大致是从20世纪70年代中期开始；这个阶段的特点与标志性成果主要表现在： OSI参考模型的研究对网络理论体系的形成与发展，以及在推进网络协议标准化方面起到了重要的推动作用； TCP/IP协议经受了市场和用户的检验，吸引了大量的投资，推动了互联网应用的发展，成为业界事实上的标准。,6,计算机网络发展的4个阶段（4）,第四阶段：互联网应用、无线网络与网络安全技术研究的发展从20世纪90年代开始；这个阶
3、段的特点与标志性成果主要表现在：互联网作为全球性的网际网与信息系统，在当今政治、经济、文化、科研、教育与社会生活等方面发挥了越来越重要的作用；计算机网络与电信网络、有线电视网络“三网融合”促进了宽带城域网概念、技术的演变。,7,无线局域网与无线城域网技术日益成熟，已经进入应用阶段，无线自组网、无线传感器网络的研究与应用受到了高度重视；对等（P2P）网络的研究使新的网络应用不断涌现，成为现代信息服务业新的产业增长点；随着网络应用的快速增长，新的网络安全问题不断出现，促使网络安全技术的研究与应用进入高速发展阶段。,8,1.1.2 计算机网络的形成与发展,网络拓扑结构设计思路集中式和非集中式的拓扑构
4、型,9,分布式网络的拓扑构型,10,分组交换技术的基本设计思路,分组交换技术的3个重要的概念：分组 路由选择 存储转发,11,报文与报文分组,12,报文存储转发与分组存储转发过程的比较,13,ARPANET设计思想,通信子网结构与分组交换原理示意图,14,ARPANET最早4个结点的结构,15,ARPANET的主要贡献,开展了对计算机网络定义与分类方法的研究。 提出了资源子网与通信子网的二级网络结构概念。 研究了分组交换的协议与实现技术。 研究了层次型网络体系结构的模型与协议体系。 开展了TCP/IP协议与网络互联技术的研究。,16,TCP/IP协议研究与发展,ARPANET协议主要包括：主机
5、-主机协议、源IMP-目的IMP协议、IMP-IMP协议；,17,1977年10月，ARPANET研究人员决定将初期的TCP分为传输控制协议（TCP）与互联网络协议（IP）； TCP协议主要用于实现源主机与目的主机之间的分布式进程通信的功能； IP协议主要用于实现分组通过通信子网的路由选择功能。,18,从ARPANET到Internet的发展过程,19,1.2 计算机网络技术发展的3条主线,第一条主线是从ARPANET到Internet； 第二条主线是从无线分组网到无线自组网、无线传感器网络的无线网络技术； 第三条主线是网络安全技术。,20,计算机网络发展的3条主线,21,第一条主线：从ARP
6、ANET到Internet（1）,ARPANET的研究奠定互联网发展的基础，而联系二者的是TCP/IP协议。在从ARPANET演变到互联网的过程中，强烈的社会需求促进广域网、城域网与局域网技术的研究与应用的发展，而广域网、城域网与局域网技术的成熟与标准化，又加速了互联网的发展进程。,22,第一条主线：从ARPANET到Internet（2）,与传统的客户/服务器（C/S）工作模式不同，对等（P2P）工作模式淡化了服务提供者与服务使用者的界限，从而达到进一步扩大网络资源共享范围和深度，提高网络资源利用率，达到信息共享最大化的目的。新的基于P2P网络应用不断出现，成为21世纪网络应用重要的研究方向
7、之一。,23,第一条主线：从ARPANET到Internet（3）,随着互联网的广泛应用，计算机网络、电信网络与有线电视网络从结构、技术到服务领域正在快速地融合，成为21世纪信息产业发展最具活力的领域。,24,第二条主线：从无线分组网到无线自组网、 无线传感器网络（1）,从是否需要基础设施的角度来看，无线网络可以分为基于基础设施与无基础设施的两类。802.11无线局域网（WLAN）与802.16无线城域网（WMAN）属于需要基础设施的一类无线网络。无线自组网、无线传感器网络属于不需要基础设施的另一类无线网络。,25,第二条主线：从无线分组网到无线自组网、 无线传感器网络（2）,在无线分组网的基
8、础上发展起来的无线自组网（Ad hoc）是一种特殊的自组织、对等式、多跳、无线移动网络，它是军事、特殊应用领域有着重要的应用前景。无线网状网（WMN）是无线自组网在接入领域的一种应用。,26,第二条主线：从无线分组网到无线自组网、 无线传感器网络（3）,当无线自组网技术日趋成熟的时候，无线通信、微电子、传感器技术得到快速发展。在军事领域中，人们提出将无线自组网与传感器技术相结合的无线传感器网络技术研究。 无线传感器网络（WSN）被评价为“21世纪最有影响的21项技术之一”和“改变世界的十大技术之首”。,27,第二条主线：从无线分组网到无线自组网、 无线传感器网络（3）,如果说广域网作用是扩大信
9、息社会中资源共享的范围，局域网是进一步增强信息社会中资源共享的深度，无线网络增强人类共享信息资源的灵活性，那么无线传感器网络将会改变人类与自然界的交互方式，它将极大地扩展现有网络的功能和人类认识世界的能力。,28,第三条主线：网络安全（1）,人类创造了网络虚拟社会的繁荣，也是人类制造了网络虚拟社会的麻烦。 现实社会对网络技术依赖的程度越高，网络安全技术就越显得重要。网络安全是网络技术研究中一个永恒的主题。 在“攻击防御新攻击新防御”的循环中，网络攻击技术与网络反攻击技术相互影响、相互制约，共同发展，这个过程将一直延续下去。,29,第三条主线：网络安全（2）,从当前的发展趋势看，网络安全问题已超
10、出技术和传统意义上计算机犯罪的范畴，已发展成为国家之间一种政治与军事的手段。各国只能立足于自身，研究网络安全技术，培养专门人才，发展网络安全产业，构筑网络与信息安全保障体系。,30,1.3 计算机网络的定义与分类,计算机网络的定义：以能够相互共享资源的方式互联起来的自治计算机系统的集合。,31,计算机网络的基本特征：,计算机网络建立的目的是实现计算机资源的共享。互联的计算机是分布在不同地理位置的多台独立的“自治计算机系统”。联网计算机之间的通信必须遵循共同的网络协议。,32,1.3.2 计算机网络的分类,计算机网络分类的方法：按网络采用的传输技术分类按网络覆盖的地理范围分类,33,按传输技术分
11、类,广播通信信道广播网络点-点通信信道点-点网络,34,按照覆盖的地理范围进行分类,局域网 城域网 广域网,35,局域网（LAN）的基本特征,局域网用于将有限范围内（例如一个实验室、一幢大楼、一个校园）的各种计算机、终端与外部设备互联成网； 局域网可以分为共享局域网与交换局域网； 局域网技术发展迅速，应用日益广泛，是计算机网络中最活跃的领域之一。,36,城域网（MAN）的基本特征,城域网的设计目标是要满足几十公里范围内的大量企业、机关、公司的多个局域网互联的需求，以实现大量用户之间的数据、语音、图形与视频等多种信息的传输。 宽带城域网的概念逐渐取代传统意义上的城域网。 宽带城域网已经成为目前研
12、究、应用与产业发展的一个重要领域。,37,广域网（WAN）的基本特征,广域网覆盖的地理范围从几十公里到几千公里； 广域网可以是覆盖一个国家、地区，或横跨几个洲； 广域网将分布在不同地区的宽带城域网或计算机系统互联起来，提供各种网络服务，实现信息资源共享。,38,1.4 计算机网络的拓扑构型,计算机网络拓扑的定义： 计算机网络拓扑是通过网中结点与通信线路之间的几何关系表示网络结构，反映出网络各实体之间的结构关系；计算机网络拓扑是指通信子网的拓扑构型。,39,计算机网络拓扑的分类与特点,基本的网络拓扑：星形、环形、总线形、树形与网状形,40,星形拓扑,在星形拓扑结构中，结点通过点-点通信线路与中心
13、结点连接； 中心结点控制全网的通信，任何两结点之间的通信都要通过中心结点； 星形拓扑构型的特点是：结构简单，易于实现，便于管理。 缺点：网络的中心结点是全网性能与可靠性的瓶颈。,41,环形拓扑,在环形拓扑结构中，结点通过点-点通信线路连接成闭合环路； 环中数据将沿一个方向逐站传送； 环形拓扑结构简单，传输延时确定； 但是环中每个结点与连接结点之间的通信线路都会成为网络可靠性的瓶颈； 环网需要设计复杂的环维护协议。,42,总线形拓扑,在总线形拓扑结构中，所有结点连接在一条作为公共传输介质的总线； 当一个结点利用总线发送数据时，其它结点只能接收数据； 如果有两个及以上的结点同时利用公共总线发送数据
14、时，就会出现冲突，造成传输失败； 总线形拓扑特点是结构简单； 缺点是必须解决多结点访问总线介质访问控制策略问题。,43,树形拓扑,树形拓扑结构中结点按层次进行连接，信息交换主要在上、下结点之间进行，相邻及同层结点之间通常不进行数据交换，或数据交换量比较小； 树形拓扑可以看成星形拓扑的扩展； 树形拓扑网络适用于汇集信息的应用要求。,44,网状拓扑,在网状拓扑结构中，结点之间的连接是任意的，没有规律； 网状拓扑的优点是系统可靠性高； 网状拓扑结构复杂，必须采用路由选择算法、流量控制与拥塞控制方法； 广域网一般都采用网状拓扑。,45,1.5 计算机网络的组成与结构,早期计算机网络结构与组成最初出现的
15、计算机网络是广域网； 广域网从逻辑功能上可以分成资源子网与通信子网两个部分； 资源子网由主机系统、终端、各种网络软件与数据资源组成； 通信子网由路由器、通信线路组成；,46,互联网结构与组成,互联网是一个由大量的路由器将广域网、城域网、局域网互联而成，结构在不断变化的网际网； 由国际或国家级主干网、地区主干网和大量的企业网或校园网就组成了互联网。国际、国家级主干网与地区主干网连接有很多服务器集群，为接入的用户提供各种互联网服务。,47,简化的互联网的网络结构示意图,48,1.6 网络体系结构的基本概念,邮政系统的信件处理过程,49,邮政系统和计算机网络系统相似之处,协议 层次 接口 体系结构,
16、50,网络协议（network protocol）,网络协议是为网络中数据交换而制定的规则、约定与标准; 网络协议的3要素：语法、语义与时序； 实现一种网络应用通常需要制定一组协议，称为协议栈或协议族（protocol suite）。,51,层次（layer）,层次是人们处理复杂问题的基本方法； 将总体要实现的很多功能分配在不同层次，对每个层次完成的服务及服务实现的流程都有明确规定； 不同的系统具有相同的层次； 不同系统的同等层具有相同的功能； 高层使用低层提供的服务时，不需要知道低层服务的具体实现方法。,52,接口（interface）,接口是同一结点内相邻层之间交换信息的连接点； 同一结点
17、的相邻层之间存在明确规定的接口，低层通过接口向高层提供服务； 只要接口条件不变、低层功能不变，低层功能的具体实现方法与技术的变化不会影响整个系统的工作。,53,网络体系结构（network architecture）,网络体系结构是网络层次结构模型与各层协议的集合； 各层之间相对独立，高层只需知道下层能够提供的服务，而无需知道低层的服务如何实现。 各层都可以采用最合适的技术来实现； 整个系统被分解为若干个易于处理的部分； 每层的功能与提供的服务都已有精确说明，因此这有利于促进协议的标准化。,54,1.6.2 OSI参考模型的基本概念,OSI参考模型中的“开放”是指只要遵循OSI标准，一台计算机
18、就可以与位于世界上任何地方、同样遵循同一标准的其它计算机进行通信；OSI参考模型定义开放系统的层次结构、层次之间的相互关系与各层包括的服务；OSI参考模型作为一个框架来协调和组织各层协议的制定，也是对网络内部结构精炼的概括与描述。,55,广域网结构与OSI参考模型关系的示意图,56,ISO划分层次的原则,网中各结点都具有相同的层次； 不同结点的同等层具有相同的功能； 同一结点内相邻层之间通过接口通信； 每层可以使用下层提供的服务，并向其上层提供服务； 不同结点的同等层通过协议来实现对等层次之间的通信。,57,OSI参考模型七层结构,物理层 数据链路层 网络层 传输层 会话层 表示层 应用层,5
19、8,OSI参考模型各层的主要功能(1),物理层（physical layer）：利用传输介质实现比特序列的传输; 数据链路层（data link layer）：采用差错控制与流量控制方法，使得有差错的物理线路变成无差错的数据链路; 网络层（network layer）：实现路由选择、分组转发与拥塞控制等功能，为“分组”传输选择“最佳”的路由。,59,OSI参考模型各层的主要功能(2),传输层（transport layer）：向高层用户提供可靠的“端-端（end-to-end）”通信服务，向高层屏蔽下层数据通信的具体细节; 会话层（session layer）是：维护两个通信计算机之间的进程通
20、信，管理数据交换。,60,OSI参考模型各层的主要功能(3),表示层（presentation layer）：处理两个通信的计算机系统的数据表示方式，完成数据的格式变换、加密与解密、压缩与恢复; 应用层（application layer）是：为应用软件提供多种网络服务，例如文件服务、数据库服务、电子邮件与其它服务等。,61,OSI参考模型各层的主要功能(3),表示层（presentation layer）：处理两个通信的计算机系统的数据表示方式，完成数据的格式变换、加密与解密、压缩与恢复; 应用层（application layer）是：为应用软件提供多种网络服务，如文件服务、数据库服务、电
21、子邮件与其他服务等。,62,OSI环境的基本概念,研究OSI参考模型时需要清楚它描述的范围，这个范围称为OSI环境（OSI environment，OSIE）。,63,OSI环境中的数据传输的过程,64,1.6.3 TCP/IP参考模型的基本概念,TCP/IP协议的主要特点 开放的协议标准； 独立于特定的计算机硬件与操作系统； 独立于特定的网络硬件，可以运行在局域网、城域网与广域网，适用于网络互联； 统一的网络地址分配方案，所有运行TCP/IP协议的设备都具有唯一的网络地址； 标准化的应用层协议，可以提供多种可靠的网络服务。,65,OSI参考模型各层的主要功能(3),表示层（presentat
22、ion layer）：处理两个通信的计算机系统的数据表示方式，完成数据的格式变换、加密与解密、压缩与恢复; 应用层（application layer）是：为应用软件提供多种网络服务，例如文件服务、数据库服务、电子邮件与其它服务等。,66,TCP/IP参考模型的层次结构,67,TCP/IP参考模型与OSI参考模型的层次对应关系,应用层（application layer）：应用层与OSI参考模型的应用层、表示层与会话层对应； 传输层（transport layer）：传输层与OSI参考模型的传输层对应； 互联网络层（internet layer）：互联网络层与OSI参考模型的网络层对应； 主机
23、-网络层（host-to-network layer）：主机-网络层与OSI参考模型的数据链路层、物理层对应。,68,TCP/IP参考模型各层的主要功能,主机-网络层 主机-网络层是TCP/IP参考模型的最低层，它负责通过网络发送和接收IP数据报； 主机-网络层没有规定使用哪种协议，它采取开放的策略，允许使用广域网、局域网与城域网的各种协议。任何一种现有的和流行的低层传输协议都可以与网络层接口； 这一点体现TCP/IP协议体系的开放性、兼容性，这也是TCP/IP协议成功的基础。,69,互联网络层,互联网络层的IP协议提供“尽力而为（best effort）”的网络分组传输服务；互联网络层的主要
24、功能包括：处理来自传输层的数据发送请求，将传输层报文段封装成IP数据报，启动路由选择算法，选择适当的发送路径，并将数据报转发到下一个结点；处理接收的数据报，检查接收分组目的IP地址；如果目的地址为本结点的IP地址，则除去报头将分组交送传输层处理；如果需要转发，选择发送路径并转发；处理互联网络的路由选择、流量控制与拥塞控制。,70,传输层,传输层负责在会话的进程之间建立和维护端-端的连接，实现网络环境中分布式进程通信； 传输层定义两种不同的协议：传输控制协议（TCP）与用户数据报协议（UDP）； TCP是一种可靠的、面向连接、面向字节流（byte stream）的传输层协议； UDP是一种不可靠
25、的无连接传输层协议。,71,应用层,TCP/IP应用层基本的协议为：远程登录协议（TELNET）实现远程登录功能。 文件传输协议（FTP）实现交互式文件传输功能。 简单邮件传输协议（SMTP）实现电子邮件传输功能。 域名系统（DNS）实现网络设备名字到IP地址映射服务功能。 简单网络管理协议（SNMP）实现网络设备的监控与管理功能。 超文本传输协议（HTTP）实现Web服务功能。,72,应用层协议与传输层协议的关系,应用层协议可以分为3类：依赖TCP协议的主要有TELNET、SMTP、FTP等；依赖UDP协议的主要有SNMP、TFTP等；既依赖TCP又依赖UDP协议的主要有DNS。,73,一种
26、建议的参考模型,本书将采纳一种简化的层次参考模型； 这种参考模型包括5层，它比OSI参考模型减少表示层与会话层，用数据链路层与物理层代替TCP/IP参考模型的主机-网络层。,74,1.6.5 互联网协议标准、RFC文档与管理机构,75,1.7 我国互联网应用的发展,我国互联网网民数量增长情况 截止到2009年6月底，我国网民数量已经达到 3.38亿，居世界第一。,76,我国互联网普及率的增长,2009年6月，我国互联网普及率达到25.5%，超过国际互联网平均普及率23.8%。 由于我国的人口基数大，在互联网普及率上与互联网应用发展较发达的美国、日本、韩国、俄罗斯相比有一定的差距。,77,1.7
27、.2 我国互联网网民接入方式的变化,2009年6月底，我国网民采用宽带方式接入互联网的比例高达94.3%，宽带网民数已达到3.2亿。2009年6月底，我国使用手机上网的网民上升到1.55亿人，占网民数的45.9%，手机网民规模呈现出迅速增长的势头。,78,1.7.3 我国IP地址、域名、国际出口带宽增长情况,2009年6月底，我国IPv4 地址拥有数达到2.05亿个，年增长率达到29.7%。 2009年6月底，我国注册的域名总量为1.63亿个，其中.cn域名数量占我国域名数量的66.8%；的域名占25%。 2009年6月底，我国互联网国际出口带宽达到747.541Gbps，较2008年同期增长
28、51.4%。,79,1.7.4 我国互联网应用情况分析,80,本章总结（1）,计算机网络发展大致可以划分为“4个发展阶段”与“3条发展主线”； 计算机网络发展的第一个阶段是网络技术与理论的准备阶段，第二个阶段是网络的形成，第三个阶段是网络体系结构的研究与协议标准化阶段，第四个阶段是互联网应用、无线网络与网络安全技术的高速发展阶段；,81,本章总结（2）,网络技术发展的第一条主线是从ARPANET到互联网；第二条主线是从无线分组网到无线自组网与无线传感器网络的无线网络技术；伴随着前两条主线同时发展的第三条主线是网络安全技术； 互联网应用的发展基本上可以分成3个阶段。第一阶段互联网只提供基本的网络
29、服务功能；第二阶段是由于Web技术的出现，使互联网在电子政务、电子商务、远程医疗与远程教育等方面得到快速的发展；第三阶段的特点是：基于P2P网络的应用将互联网应用推向一个新的阶段；,82,本章总结（3）,从资源共享观点来看，计算机网络是“以能相互共享资源的方式互联起来的自治计算机系统的集合”。按照覆盖的地理范围，计算机网络可以分为3种类型：局域网、城域网与广域网。计算机网络拓扑是通过网中结点与通信线路之间的几何关系表示网络结构。,83,本章总结（4）,OSI参考模型定义网络互联的7层框架，并详细规定每层的功能，以实现开放系统环境中的互联性、互操作性与应用的可移植性；TCP/IP协议具有开放性、独立于特定的计算机硬件与操作系统，可以运行在局域网、广域网，适用于网络的互联，对互联网技术的发展起到奠基的作用。,84,
