计算机网络.docx

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计算机网络

第一章概述（6学时）

重点:

网络分层,各层的功能及其实现,各种协议的基本原理.一般性,通用性.

过去的3个世纪的主导技术:

18世纪为大型机械系统,19世纪为蒸汽机时代,20世纪信息收集,处理和分发----电话网络,无线电广播和电视,计算机诞生,卫星上天…

结果是----各领域快速融合,信息处理之间的差别迅速消失.

计算机和通信的结合对计算机系统的组织方式产生了深远的影响----单台计算机组成的计算机中心一去不复返了,取而代之的是由大量独立的’自主计算机’,但相互连接起来的计算机来共同完成计算任务----这一系统被称为计算机网络（computernetworks）.计算机网络是如何设计并组织起来的（尤其是其设计思想—协议protocal）,是本课程的主要内容.

计算机网络----------------通过同一种技术相互连接起来的一组自主计算机的集合,无主从关系,相互交换信息.

Internet（因特网）和万维网（worldwideweb）都不是计算机网络.

因特网是由多种网络构成的网络.

万维网是一个分布式系统,它运行在因特网之上.

计算机网络和分布式系统是两个不同的概念:

有共同点和区别.区别主要是软件而不是硬件.

分布式系统具有高度的内聚性和透明性,在分布式系统中,一组独立的计算机展现给用户的是一个统一的整体.在操作系统之上有一层软件中间件负责实现这个模型.

而在计算机网络中,用户看到是实际的机器,计算机网络并没有使这些机器看起来是统一的,如果用户希望在一台远程机器上运行一个程序,他必须登陆到远程计算机上才能完成.

分布式系统是建立在网络之上的软件系统.

1.1计算机网络的应用

1.1.1商业应用

目的:

1.资源共享[如打印机,信息等],从而达到”打破地理位置的束缚”的目标.采用的形式一般为”客户—服务器模型client-servermodel”结构,包含请求和应答两个进程.

图1.1一个网络,包含两台客户机和一台服务器

图1.2客户-服务器模型涉及到了请求和应答消息

2.满足人的需要—通信媒介[诸如电子邮件系统,联合文档,视频会议等].

3.公司之间的电子商务.

4.公司通过Internet与客户之间的电子商务[如网上书店,订票系统,在线查询商品,在线购物等]

1.1.2家庭应用

目的:

访问Internet

1.访问远程信息[诸如:

浏览网页,纯粹娱乐，电子报刊，IEEE,ACM在线期刊等等].

2.个人之间的通信[诸如e-mail,音频,视频,即时消息（聊天，qq）,skype,电话呼叫,远程学习,p2p（peer-to-peer）对等通信,有别于客户—服务器模型,是松散的组,任何成员可与任何其它成员进行通信,Napster（已关闭）,bt,迅雷等，合法性].电子犯罪，电子赌博

图1.3在对等系统中，没有固定的客户和服务器

3.交互式娱乐[视频点播,网络游戏等].

4.电子商务[网络购物,电子银行,电子跳蚤市场等].

图1.4电子商务的一些形式

1.1.3移动用户

针对笔记本和PDA（个人数字助理）的无线网络,移动办公,和与前两者相同的目的.820.16,802.11等较新的协议（将在第4章详细展开）.

1.2.4社会问题

带来的社会问题:

沉迷网络,隐私,监听,匿名消息,身份偷窃等.

1.2网络硬件

网络分类的两种方法:

传输技术和距离尺度.

按照传输技术分为:

广播式网络和点到点链接.广播式网络共享一个信道,分组或称为包（packet）一发全收.以太网.点到点（point-to-point）网络由许多连接构成,每个连接对应一对机器.分组从源端经过中间机器到底目的端,路由是关键.

按照距离分:

个人区域网,局域网,城域网,广域网.两个或多个网络连接起来之后称之为互联网,世界范围的Internet（因特网）是一个典型的互联网.

不同的距离尺度,将决定采用不同的技术.下面简要介绍一下网络硬件

1.2.1局域网—LocalAreaNetworkLAN

范围:

10m-1km.同一房间到同一校园.采用广播式技术,速度快,延迟小,错误率低.典型网络为IEEE820.3以太网（总线型）,与之对应的环型拓扑结构的802.5令牌环网.信道分配采用静态和动态两种方法,时槽和轮询算法.静态分配浪费信道容量,动态分配增加分配耗费.（2,4章具体展开）

1.2.2城域网—MetropolitanAreaNetworkMAN

范围:

10km,同一城市.典型为有线电视网.有线电视网上扩展城域网（第2章）和无线城域网（802.16—第4章）

1.2.3广域网—WideAreaNetworkWAN

范围:

100km-1000km.同一国家,同一洲.许多主机（host）通过子网（subnet）连接起来.主机为用户所有,而子网为电话公司或Internet服务提供商所有.子网用来承载消息,这样就把通信（子网承担）和应用（主机完成）分开了,有利于网络的整体设计.子网由传输线和交换单元—路由器（router一种特殊的计算机）两部分组成.子网采用的技术主要是存储—转发（store-and-forward）或者分组交换（packet-switched）点到点技术,还涉及到网络编址问题,另外有的路由器配备的是卫星天线,卫星网络本身是广播式技术.涉及许多路由算法,将在第5章具体展开.

（Tan.）图1.9LAN上的主机和子网之间的关系（Tan.）图1.10从发送方到接收方之间的分组流

1.2.4无线网络—WirelessNetwork

系统互连—兰牙（Bluetooth）技术;无线LAN—802.11,无线MAN—802.16.（将在第4章展开）

1.2.5家庭网络

正在兴起的一个网络,把家用电器连接起来构成一个网络,与兰牙和无线LAN完成的功能很像.

1.2.6互联网

互联网把多个LAN组织起来构成WAN.或把多个WAN组织起来构成Internet.

如果不同的组织出资构建了一个网络的不同部分,并且各自维护自己的那一部分,这样就得到了一个互联网,而不是单个网络.而且不同的部分可能使用了不同的底层技术如广播传输或点到点传输.

网关（gateway）—完成网络之间的连接和实现在不同网络技术之间的转换功能,具体内容将在第4,5章中展开.

1.3网络软件

⏹1.3.1协议层次ProtocolHierarchies[haira:

ki]

✓层（layer,level）:

为了降低网络设计的复杂性,网络组织成一堆相互叠加的层,每一层都建立在其下一层的基础之上.每层的目的都是向上一层提供特定的服务,而把如何实现这些服务的细节对上一层加以屏蔽.不同的网络,层数,层名,层功能不尽相同.

✓划分层次的必要性

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

计算机网络中的数据交换必须遵守事先约定好的规则。

这些规则明确规定了所交换的数据的格式以及有关的同步问题（同步含有时序的意思）。

协议（protocol）:

（谢）为进行网络中的数据交换而建立的规则、标准或约定即网络协议（networkprotocol），简称为协议;（Andrew）通信双方关于如何进行通信的一种约定

对等体（peer）:

不同机器上包含对应层的实体成为对等体.

接口（interface）:

每对相邻层之间是接口.接口定义了下层向上层提供哪些原语操作和服务.接口必须清晰.清晰的接口使得用一个实现代替另一个完全不同的实现变得很容易.

✓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

✓层,协议和接口的关系图

（Tan）图1.13层,协议和接口

网络体系结构（networkarchitecture）:

层和协议的集合称为~.网络体现结构的描述必须包含足够的内容,以便实现者可以为每一层编写程序或设计硬件,使之遵守有关的协议.实现的细节和接口的规范不属于网络体系结构的内容,它们隐藏在及其内部.

协议栈（protocolstack）:

一个特定的系统所使用的一组协议（每层一个协议）.

网络体系结构,协议,协议栈是本课程的主要内容.

（Tan）图1.14哲学家-翻译-秘书结构

（Tan）图1.15在第5层上支持虚拟通信的信息流示意图

⏹1.3.2各层的设计问题DesignIssuesfortheLayers

✓编址机制（addressing）:

指定目标

逻辑信道（单,双工）,数据优先级

✓错误控制（errorcontrol）:

双方必须采用统一的编码方案及确认问题,顺序问题（错序处理）,

✓流量控制（flowcontrol）:

淹没问题

报文的拆分和重组集成报文以提高效率

✓多路复用（multiplexing）和多路解复用（demultiplexing）,降低费用

✓路由（routing）选择

⏹1.3.3面向连接与无连接的服务Connection-OrientedandConnectionlessServices

下层可以向上层提供两种不同类型的服务:

面向连接的服务和非面向连接的服务

面向连接服务:

基于电话系统模型.建立连接（可能协商）—使用连接—断开连接,顺序:

先发先达.

无连接服务:

基于邮政系统模型.每条报文有完整的目标地址,独立路由.不一定先发先达.

服务质量（qualityofservice）:

接收方确认.代价:

开销引入传输延迟.

数据报服务（datagramservice）:

不可靠（无确认）的无连接服务称为~.

辨证看待两种服务与服务质量问题:

服务

例子

面向连接

可靠的报文流

页码页序列

可靠的字节流

远程登录

不可靠的连接

数字化语音

无连接

不可靠的数据报

电子垃圾邮件

有确认的数据报

挂号信

请求-应答（request-replyservice）

数据库查询

⏹1.3.4服务原语ServicePrimitives

原语

含义

LISTEN

阻塞操作,等待一个进入的连接

CONNECT

与一个正在等待的对等体建立连接

RECEIVE

阻塞操作,等待一个进入的报文

SEND

给对等体发送一个报文

DISCONNECT

终止一个连接

5个服务原语,用于实现一个简单的面向连接服务

在一个面向连接的网络中,简单的客户-服务器交互过程中发送的分组

⏹1.3.5服务与协议的关系TheRelationshipofServicestoProtocols

服务和协议是截然不同的概念.

服务是指某一层向它的上一层提供的一组原语（操作）.服务只定义执行哪些操作,但不涉及如何实现这些操作.服务会涉及到两层之间的接口.低层为服务的提供者,上层为服务的用户.

协议是一组规则,规定同一层上的对等实体之间所交换的消息或分组的格式和含义.实体用协议来实现服务;实体可以改变协议,但不能改变服务.

服务涉及到层之间的接口,协议涉及到不同机器上对等体之间发送的分组.

服务和协议之间的关系

服务好像面向对象语言中的抽象数据类型或对象,它定义了在对象上可以执行的操作,但并没有指定这些操作该如何实现.协议涉及到服务的具体实现,它对于该服务的用户是不可见的.

1.4参考模型

1.4.1OSI参考模型PDU—协议数据单元

OSI—1983ISO的一份提案,1995修订

称为:

ISOOSI（OpenSystemsInterconnection）ReferenceModel有时记为OSI-RM

7层:

物理层（physicallayer）:

涉及机械,电子和定时接口及位于物理层之下的物理传输介质.

数据链路层（datalinklayer）:

把连续的比特流组装成数据帧（dataframe）.要确认时有确认帧（acknowledgementframe）;淹没--流调节.通常把流调节机制和错误处理机制集成（滑窗协议）.针对广播式网络（以太网）的共享信道访问问题,添加介质访问子层.

网络层（networklayer）:

关键是分组从源端到目标端的路由确定.动态和静态路由.路由表的确定.拥塞控制,服务质量等.

传输层（transportlayer）:

接受上层数据,分割数据段,传递给网络层,并确保数据段正确到达另一端.将上面各层与底层硬件技术变化完全隔离开.传输层是一个真正的端到端的层,所有的处理都是按照从源端到目标端来进行.相反,其下面各层,协议存在于每台机器与它的直接邻接之间,而不存在于最终的源机器和目标机器之间,源机器和目标机器可能被许多中间路由器隔离开了.第1层到第3层是被串连起来的,而第4层到第7层是端到端的.（如上图）

会话层（sessionlayer）:

运行不同机器上的用户之间建立会话.

表示层（presentationlayer）:

关注传递信息的语法和语义.

应用层（applicationlayer）:

包含了各种直接针对用户需要的协议:

HTTP,FTP,SMTP.

（Tan）图1.20OSI参考模型

1.4.2TCP/IP参考模型

TCP/IP参考模型是广域计算机网络的鼻祖ARPANET及其继承者Internet（因特网）所使用的参考模型.

（Tan）图1.21TCP/IP参考模型

ARPANET是由美国国防部（DoDU.S.DepartmentofDefense）资助的一个研究性网络.目标是:

1.通过两个基本协议TCP/IP,将多个网络无缝连接起来;2.即使在子网硬件有丢失的情况下,网络还能继续工作,原有的会话不会被打断.==>采用分组交换网络,以一个无连接的互连网络层—互联网层（internetlayer）为基础.关键层

互联网层任务:

允许主机将分组发送到任何网络上,并让分组独立到达目标端.发送顺序不一定等于接收顺序.重整顺序在高层完成.（类似于世界邮政系统）.协议为IP（InternetProtocol）.主要问题:

路由和避免拥塞.功能类似于OSI的网络层.

传输层:

定义了两个端到端协议TCP,UDP.TCP是一个可靠的面向连接的协议,保证字节流正确无误到达目标端,完成报文分割,组装,流控制.UDP是一个不可靠的无连接的协议,用于不想要TCP的序列化或流控制功能的应用程序.UDP广泛应用于”只需要一次的,客户-服务器类型的请求-应答查询”—[如RPC（RemoteProcedureCall远过程调用）,域名查询等],及”快速递交比精确递交更加重要”—[传输语音或视频]的应用.

应用层:

TELNET（虚拟终端协议最早）,FTP,SMTP,DNS,HTTP等

主机到网络层:

空白.

1.4.3OSI与TCP/IP模型的比较

OSI与TCP/IP模型共同点:

以协议栈为基础,协议彼此独立,层功能相似,传输层以上都是传输服务的用户,且是面向应用的用户.

不同点:

1.基本思想:

OSI模型三个核心概念----服务,接口,协议.OSI的最大贡献是明确了这3个概念的区别.模型先于协议,协议有更好的隐蔽性.模型更具通用性,但哪些功能该放在哪一层考虑不足,如MAC子层.TCP/IP没有明显区分3个概念,协议先于模型,模型与协议吻合很好.但不适于描述其它网络.

2.具体结构:

OSI7层,TCP/IP4层;

3.两种服务的范围不同:

OSI网络层同时支持两种服务,传输层只支持面向连接的服务.TCP/IP网络层只有无连接服务,传输层支持两种服务.

1.4.4OSI模型和协议的缺点

WhyOSIdidnottakeovertheworld

•Badtiming

两头大象的启示

•Badtechnology

协议和服务定义过于复杂,难以理解;有些功能在多层上重复出现.

•Badimplementations

实现庞大,笨拙而缓慢,难以吸引用户

•Badpolitics

TCP/IP80年代在学术界备受宠爱

OSI被认为是官僚的产物,科研人员和程序员有抵触

1.4.5TCP/IP参考模型的缺点

Problems:

•Service,interface,andprotocolnotdistinguished设计新网络时TCP/IP不是好参照

•Notageneralmodel例如无法描述蓝牙

•Host-to-network“layer”notreallyalayer

•Nomentionofphysicalanddatalinklayers

•Minorprotocolsdeeplyentrenched,hardtoreplace如TELNET涉及为10char/s,不支持图形用户界面和鼠标,但25年后仍在广泛使用.

1.5网络实例

1.5.1Internet（三阶段）容错性优先美国国防部支持

ARPANET1950’s后期,冷战,电话网络,电路交换,交换局,结构冗余很少,关键几个长途局破坏可导致整个系统分为多个孤岛

ARPANET

NSFNET

Internet

1969-1983（TCP/IP）

1985-1993

1993-

美国国防部

美国自然科学基金

商业公司

单个网分组交换

6个大型计算机中心

ISP（因特网服务提供者）

子网IMP（interfacemassageprocessor接口消息处理器）56kbps

三级网络结构:

主干网,地区网,校园网;骨干网45Mbps

多级网络结构

1996主干网155Mbps

1999主干网2.5Gbps

加州大学berkelysocket;DNS

路由器NAP（网络接入点）互通

90年代早期WWWCERN（欧核组织）大大方便非网络专业人员的使用

各网络之间需要使用路由器来连接。

三级网络结构示意图

主机到主机的通信可能经过多种ISP

多级网络结构示意图

中国1994.4.20以64kbps专线接入Internet

1.5.2面向连接的网络:

X.25帧中继和ATM服务质量优先电话公司支持记帐:

时间

X.25:

70年代第一个公共数据网络运行10年

帧中继:

80年代本质:

无错误控制,无流控制,面向连接至今仍有个别应用

ATM:

90年代早期,境遇类似于OSI,在电话系统中广泛采用,承运商级应用,普通用户感觉不到ATM的存在,用于传输IP分组,虚电路（预留资源）,信元53B（5Head+48Data）

1.5.3以太网Ethernet

起源:

70年代夏威夷无线电通信

Abramson夏威夷大学ALOHANET下行信道只有一个发送者

MetcalfeMIT（麻省理工）学士,哈佛博士

1976施乐第一个ethernetLAN,介质coax

BoggsXerox（施乐）

1978DEC（数据设备公司）IntelXeroxDIX标准10Mbps以太网

1983DIX变为IEEE802.3标准

Metcalfe组建3COM公司专销以太网卡

非技术因素导致的3种Lan标准:

802.3出现了100Mbps1GMbps以太网应用绝对优势

802.4令牌总线GM（通用汽车）停顿

802.5令牌环IBM

1.5.4无线LAN:

802.11

随笔记本电脑上网需求而产生

两种工作模式:

有基站:

通信通过访问点（基站）进行;无基站:

通信在计算机之间adhoc网络

需要解决的问题:

频段:

ISM（工业,科研,医学频段）,信号有效范围小,隐私,电池寿命,个人安全,经济（带宽）,多经衰减,暴露和隐藏站点问题

1997802.111Mbps/2Mbps802.11与以太网在数据链路层以上保持兼容,但在物理层及数据链路层本质不同.

1999802.11a频段更宽54Mbps

802.11b采用802.11频段,调制技术变化11Mbps

802.11g802.11a调整技术+802.11b频段

1.6网络标准化

ISO国际标准组织

IEEE电气和电子工程师协会

IAB网络标准组织（InternetArchitectureBoard因特网体系结构委员会）

所有的因特网标准都是以RFC的形式在因特网上发表

RFC（RequestforComments请求评论）

RFCxxxx编号递增,真正成为标准的不多.免费下载.后续RFC文献中指出前者xxxx已陈旧.

谢希仁光盘中给出了大部分RFC文档.

本章重点:

网络体系结构,因特网的发展现状

序号

主题

802.1

LAN的总体介绍和体系结构

802.2↓

逻辑链路控制

802.3＊

以太网

802.4↓

令牌总线（在制造业暂时用过一段时间）

802.5

令牌环（IBM进入LAN领域的一项技术）

802.6↓

双队列双总线（早期城域网）

802.7↓

关于宽带技术的技术咨询组

802.8※

关于光纤技术的技术咨询组

802.9↓

同步LAN（针对实时应用）

802.10↓

虚拟LAN和安全性

802.11＊

无线LAN

802.12↓

需求的优先级

802.13

不吉利的数字，无人使用

802.14↓

有线调制解调器（已废除）

802.15＊

个人区域网络（蓝牙）

802.16＊

宽带无线

802.17

弹性的分组环