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计算机网络上海交大ppt下载

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计算机网络上海交大ppt

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计算机网络基础知识 主 要 内 容 1.1 计算机网络的作用 1.2 因特网概述 1.3 因特网的组成 1.4 计算机网络在我国的发展 1.5 计算机网络的类别 1.6 计算机网络的性能 1.7 计算机网络的体系结构 1.1 计算机网络在信息时代的作用 21 世纪的一些重要特征就是数字化、网络化和信息化,它是一个以网络为核心的信息时代。 网络现已成为信息社会的命脉和发展知识经济的重要基础。 网络是指“三网”,即电信网络、有线电视网络和计算机网络。 发展最快的并起到核心作用的是计算机网络。 因特网(Internet)的发展 进入 20 世纪 90 年代以后,以因特网为代表的计算机网络得到了飞速的发展。 已从最初的教育科研网络逐步发展成为现在的集教育科研、信息共享、休闲娱乐和商业流通的综合网络。 已成为仅次于全球电话网的世界第二大网络。 因特网的意义 因特网是自印刷术以来人类通信方面最大的变革。 彻底改变了人们生活、工作、学习和交往的方式和态度,提高了人们工作、学习和生活的效率。 计算机网络的功能 连通性——计算机网络使上网用户之间都可以交换信息,好像这些用户的计算机都可以彼此直接连通一样。 共享——即资源共享。可以是信息共享、软件共享,也可以是硬件共享。 1.2 因特网概述 1.2.1 网络的网络 起源于美国的因特网现已发展成为世界上最大的国际性计算机互联网。 网络(network)由若干结点(node)和连接这些结点的链路(link)组成。 互联网是“网络的网络”(network of networks)。 网络与因特网 网络把许多计算机连接在一起。 因特网则把许多网络连接在一起。 1.2.2 因特网发展的三个阶段 第一阶段是从单个网络 ARPANET 向互联网发展的过程。 1983 年 TCP/IP 协议成为 ARPANET 上的标准协议。 人们把 1983 年作为因特网的诞生时间。 internet 和 Internet 的区别 internet(互联网或互连网): 是一个通用名词,它泛指由多个计算机网络互连而成的网络。这些网络之间的通信协议可以是任意的。 三级结构的因特网 第二阶段的特点是建成了三级结构的因特网。 三级计算机网络,分为主干网、地区网和校园网(或企业网)。 多层次 ISP 结构的因特网 第三阶段的特点是逐渐形成了多层次 ISP 结构的因特网。 出现了因特网服务提供者 ISP (Internet Service Provider)。 用户通过 ISP 上网 万维网 WWW 的问世 因特网已经成为世界上规模最大和增长速率最快的计算机网络,没有人能够准确说出因特网究竟有多大。 因特网的迅猛发展始于 20 世纪 90 年代。由欧洲原子核研究组织 CERN 开发的万维网 WWW (World Wide Web)被广泛使用在因特网上,大大方便了广大非网络专业人员对网络的使用,成为因特网的这种指数级增长的主要驱动力。 万维网 WWW 的问世 万维网 WWW (World Wide Web)并非某种特殊的计算机网络。 万维网是一个大规模的、联机式的信息储藏所。 万维网用链接的方法能非常方便地从因特网上的一个站点访问另一个站点,从而主动地按需获取丰富的信息。这种访问方式称为“链接”。 1.2.3 因特网的标准化工作 在世界范围内建立大型互联网,通信协议和接口标准化是非常重要的。计算机网络领域有影响的标准化组织主要有以下几个: 1.2.3 因特网的标准化工作 1.2.3 因特网的标准化工作 1.3 因特网的组成 从因特网的工作方式上看,可以划分为两大块: 1.3.1 因特网的边缘部分 处在因特网边缘的部分就是连接在因特网上的所有的主机。这些主机又称为端系统(end system)。 英特网边缘部分两种通信方式 在网络边缘的端系统中运行的程序之间的通信方式通常可划分为两大类: 客户服务器方式(C/S 方式) 即Client/Server方式 对等方式(P2P 方式) 即 Peer-to-Peer方式 1. 客户服务器方式(C/S ) 客户(client)和服务器(server)都是指通信中所涉及的两个应用进程。 客户服务器方式所描述的是进程之间服务和被服务的关系。 客户是服务的请求方,服务器是服务的提供方。 客户软件的特点 被用户调用后运行,在打算通信时主动向远地服务器发起通信(请求服务)。因此,客户程序必须知道服务器程序的地址。 不需要特殊的硬件和很复杂的操作系统。 服务器软件的特点 一种专门用来提供某种服务的程序,可同时处理多个远地或本地客户的请求。 系统启动后即自动调用并一直不断地运行着,被动地等待并接受来自各地的客户的通信请求。因此,服务器程序不需要知道客户程序的地址。 一般需要强大的硬件和高级的操作系统支持。 2. 对等连接方式(P2P) 对等连接(peer-to-peer,简写为 P2P)是指两个主机在通信时并不区分哪一个是服务请求方还是服务提供方。 只要两个主机都运行了对等连接软件(P2P 软件),它们就可以进行平等的、对等连接通信。 双方都可以下载对方已经存储在硬盘中的共享文档。 对等连接方式的特点 对等连接方式从本质上看仍然是使用客户服务器方式,只是对等连接中的每一个主机既是客户又同时是服务器。 例如主机 C 请求 D 的服务时,C 是客户,D 是服务器。但如果 C 又同时向 F提供服务,那么 C 又同时起着服务器的作用。 1.3.2 因特网的核心部分 网络核心部分是因特网中最复杂的部分。 网络中的核心部分要向网络边缘中的大量主机提供连通性,使边缘部分中的任何一个主机都能够向其他主机通信(即传送或接收各种形式的数据)。 在网络核心部分起特殊作用的是路由器(router)。 路由器是实现分组交换(packet switching)的关键构件,其任务是转发收到的分组,这是网络核心部分最重要的功能。 路由器的交换技术 电路交换 分组交换 1. 电路交换的主要特点 两部电话机只需要用一对电线就能够互相连接起来。 更多的电话机互相连通 5 部电话机两两相连,需 10 对电线。 N 部电话机两两相连,需 N(N – 1)/2 对电线。 当电话机的数量很大时,这种连接方法需要的电线对的数量与电话机数的平方成正比。 使用交换机 当电话机的数量增多时,就要使用交换机来完成全网的交换任务。 “交换”的含义 在这里,“交换”(switching)的含义就是转接——把一条电话线转接到另一条电话线,使它们连通起来。 从通信资源的分配角度来看,“交换”就是按照某种方式动态地分配传输线路的资源。 电路交换的特点 电路交换必需是面向连接的。 电路交换要经过以下三个阶段: 建立连接(拥有一条实际的物理通路) 通信(一直占用该物理通路) 释放连接 电路交换举例 A 和 B 通话经过四个交换机 通话在 A 到 B 的连接上进行 电路交换举例 C 和 D 通话只经过一个本地交换机 通话在 C 到 D 的连接上进行 电路交换传送计算机数据效率低 计算机数据具有突发性。 这导致通信线路的利用率很低。 因此,出现分组交换。 2. 分组交换的主要特点 在发送端,先把较长的报文划分成较短的、固定长度的数据段。 添加首部构成分组 每一个数据段前面添加上首部构成分组。 分组交换的传输单元 分组交换网以“分组”作为数据传输单元。 依次把各分组发送到接收端(假定接收端在左边)。 分组首部的重要性 每一个分组的首部 都含有地址等控制信息。 分组交换网中的结点交换机根据收到分组的首部中的地址信息,确定转发出口,把分组转发到下一个结点交换机。 用这样的存储转发方式,最后分组就能到达最终目的地。 收到分组后剥去首部 接收端收到分组后剥去首部还原成报文。 最后还原成原来的报文 最后,在接收端把收到的数据恢复成为原来的报文。 因特网的核心部分小结与举例 因特网的核心部分是由许多网络和把它们互连起来的路由器组成,而主机处在因特网的边缘部分。 在因特网核心部分的路由器之间一般都用高速链路相连接,而在网络边缘的主机接入到核心部分则通常以相对较低速率的链路相连接。 主机的用途是为用户进行信息处理的,并且可以和其他主机通过网络交换信息。路由器的用途则是用来转发分组的,即进行分组交换的。 分组交换网的示意图 注意分组的存储转发过程 路由器处理分组的过程 在路由器中的输入和输出端口之间没有直接连线。 路由器处理分组的过程是: 把收到的分组先放入缓存(暂时存储); 查找转发表,找出到某个目的地址应从哪个端口转发; 把分组送到适当的端口转发出去。 主机和路由器的作用不同 主机是为用户进行信息处理的,并向网络发送分组,从网络接收分组。 路由器对分组进行存储转发,最后把分组交付目的主机。 分组交换的优点 高效 动态分配传输带宽,对通信链路逐段占用。 灵活 以分组为传送单位和查找路由。 迅速 不必先建立连接就能向其他主机发送分组。 可靠 保证可靠性的网络协议;分布式的路由选择协议使网络有很好的生存性。 分组交换带来的问题 分组在各结点存储转发时需要排队,会产生一定的时延。 分组必须携带的首部(里面有必不可少的控制信息)也造成了一定的开销。 存储转发原理并非完全新的概念 在 20 世纪 40 年代,电报通信也采用了基于存储转发原理的报文交换(message switching)。 报文交换的时延较长,从几分钟到几小时不等。现在报文交换已经很少有人使用了。 三种交换的比较 三种交换方式的特点 电路交换:建立连接,数据传输(整个报文的比特流连续的从源点直达终点,好像在一个管道中传送),释放连接。 报文交换:不需建立和释放连接,整个报文先传送到相邻结点,全部存储下来后查找转发表,转发到下一个结点。 分组交换:不需建立和释放连接,单个分组(这只是报文的一部分)传送到相邻结点,存储下来后查找转发表,转发到下一个结点。 1. 4 计算机网络在我国的发展 (1) 中国公用计算机互联网 CHINANET (2) 中国教育和科研计算机网 CERNET (3) 中国科学技术网 CSTNET (4) 中国联通互联网 UNINET (5) 中国网通公用互联网 CNCNET (6) 中国国际经济贸易互联网 CIETNET (7) 中国移动互联网 CMNET (8) 中国长城互联网 CGWNET(建设中) (9) 中国卫星集团互联网 CSNET(建设中) 1.5 计算机网络的类别 计算机网络的不同定义 最简单的定义:计算机网络是一些互相连接的、自治的计算机的集合。 因特网(Internet)是“网络的网络”。 1.5.2 几种不同类别的网络 1 .不同作用范围 的网络 广域网 WAN (Wide Area Network) 局域网 LAN (Local Area Network) 城域网 MAN (Metropolitan Area Network) 个人区域网 PAN (Personal Area Network) 在个人工作地方,把属于个人使用的电子设备用无线技术连接起来的网络,也称无线个人区域网WPAN。 1.5.2 几种不同类别的网络 2. 从网络的使用者 进行分类 公用网 (public network) : 指电信公司(国有或私有)出资建造的大型网络,所有愿意按照电信公司规定缴纳费用的人都可以使用。 专用网 (private network) : 某单位为自己的特殊业务工作需要而建立的只为本单位服务的网络。 1.5.2 几种不同类别的网络 3.用来把用户接入到因特网的网络 1.6 计算机网络的性能 1.速率 2.带宽 3.吞吐量 4.时延 5.时延带宽积 6.往返时间RTT 7.利用率 1.6 计算机网络的性能 1.速率 比特(bit)是计算机中数据量的单位,也是信息论中使用的信息量的单位。一个比特就是二进制数字中的一个 1 或 0。 速率即数据率(data rate)或比特率(bit rate)是计算机网络中最重要的一个性能指标。速率的单位是 b/s,或kb/s, Mb/s, Gb/s 等 速率往往是指额定速率或标称速率。 2. 带宽 “带宽”(bandwidth) :指信号具有的频带宽度,单位是赫(或千赫、兆赫、吉赫等)。 常用的带宽单位 更常用的带宽单位是 千比每秒,即 kb/s (103 b/s) 兆比每秒,即 Mb/s(106 b/s) 吉比每秒,即 Gb/s(109 b/s) 太比每秒,即 Tb/s(1012 b/s) 请注意:在计算机界,K = 210 = 1024 M = 220, G = 230, T = 240。 3. 吞吐量 吞吐量(throughput)表示在单位时间内通过某个网络(或信道、接口)的数据量。 吞吐量更经常地用于对现实世界中的网络的一种测量,以便知道实际上到底有多少数据量能够通过网络。 吞吐量受网络的带宽或网络的额定速率的限制。 4. 时延(delay 或 latency) 时延:指数据(一个报文或分组或比特)从网络(或链路)的一端传送到另一端所需的时间。也称延迟或迟延。 4. 时延(delay 或 latency) 传输时延(发送时延 ):是主机或路由器发送数据时,数据块从结点进入到传输媒体所需要的时间。 即:从发送数据帧的第一个比特算起,到该帧的最后一个比特发送完毕所需的时间。 4.时延(delay 或 latency) 传播时延:电磁波在信道中需要传播一定的距离而花费的时间。 信号传输速率(即发送速率)和信号在信道上的传播速率是完全不同的概念。 4.时延(delay 或 latency) 4.时延(delay 或 latency) 处理时延 交换结点为存储转发而进行一些必要的处理所花费的时间。 排队时延 结点缓存队列中分组排队所经历的时延。 排队时延长短往往取决于网络中当时的通信量。 4.时延(delay 或 latency) 数据经历的总时延就是发送时延、传播时延、处理时延和排队时延之和: 四种时延所产生的地方 容易产生的错误概念 对于高速网络链路,我们提高的仅仅是数据的发送速率而不是比特在链路上的传播速率。 提高链路带宽 :减小了数据的发送时延。 5. 时延带宽积 时延带宽积表示该管道的体积,即这样的链路可容纳多少个比特。 链路时延带宽积又称为以比特为单位的链路长度。 5. 时延带宽积 例:设某段链路的传播时延为20 ms,带宽10Mb/s,则时延带宽积=20*10-3*10*106=2*105 bit, 即:若发送端连续发送数据,则在第一个比特即将到达终点时,发送端已经发送了2*105 bit数据,而这些比特都正在链路上向前移动。 6. 往返时间RTT 往返时间RTT表示: 从发送方发送数据开始,到发送方收到来自接收方的确认(接收方收到数据后便立即发送确认),总共经历的时间。 7. 利用率 利用率由两种: 信道利用率指出某信道有百分之几的时间是被利用的(有数据通过)。完全空闲的信道的利用率是零。 网络利用率则是全网络的信道利用率的加权平均值。 信道利用率并非越高越好。 信道或网络利用率过高会产生非常大的时延。 时延与网络利用率的关系 根据排队论的理论,当某信道的利用率增大时,该信道引起的时延也就迅速增加。 若令 D0 表示网络空闲时的时延,D 表示网络当前的时延,则在适当的假定条件下,可以用下面的简单公式表示 D 和 D0之间的关系: 1.6.2 计算机网络的非性能特征 费用 质量 标准化 可靠性 可扩展性和可升级性 易于管理和维护 1.7 计算机网络的体系结构 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。 开放系统互连参考模型(OSI/RM) 为了使不同体系结构的计算机网络都能互联,国际标准化组织OSI提出了一个试图使各种计算机在世界范围内互联的标准框架,即开放系统互连参考模型OSI/RM,1983年形成了开放系统互联基本参考模型的正式文件——ISO7498标准,即七层协议体系结构。 只要遵循 OSI 标准,一个系统就可以和位于世界上任何地方的、也遵循这同一标准的其他任何系统进行通信。 OSI/RM 在市场化方面 OSI 却失败了。 OSI 专家在完成 OSI 标准时没有商业驱动力; OSI 协议实现起来过分复杂,运行效率很低; OSI 标准制定周期太长,因而使得按 OSI 标准生产的设备无法及时进入市场; OSI 的层次划分并也不太合理,有些功能在多个层次中重复出现。 两种国际标准 法律上的国际标准 OSI 并没有得到市场的认可。 非国际标准 TCP/IP 现在获得了最广泛的应用——事实上的国际标准。 1.7.2 划分层次的必要性 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)。 网络协议(network protocol),简称为协议,是为进行网络中的数据交换而建立的规则、标准或约定。 网络协议的组成要素 网络协议主要由以下三个要素组成: 语法 数据与控制信息的结构或格式 。 语义 需要发出何种控制信息,完成何种动作以及做出何种响应。 同步 事件实现顺序的详细说明。 划分层次的概念举例 主机 1 向主机 2 通过网络发送文件。 可以将要做的工作进行如下的划分。 第一类工作与传送文件直接有关。 确信对方已做好接收和存储文件的准备。 双方协调好一致的文件格式。 两个主机将文件传送模块作为最高的一层 。剩下的工作由下面的模块负责。 两个主机交换文件 再设计一个通信服务模块 再设计一个网络接入模块 社会上存在的邮政系统 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。 计算机网络的体系结构 计算机网络的体系结构(architecture)是计算机网络的各层及其协议的集合。 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。 实现(implementation)是遵循这种体系结构的前提下用何种硬件或软件完成这些功能的问题。 体系结构是抽象的,而实现则是具体的,是真正在运行的计算机硬件和软件。 1.7.3 具有五层协议的体系结构 OSI参考模型 1.7.3 具有五层协议的体系结构 TCP/IP参考模型 1.7.3 具有五层协议的体系结构 五层协议的体系结构 应用层(application layer) 运输层(transport layer) 网络层(network layer) 数据链路层(data link layer) 物理层(physical layer) 主机 1 向主机 2 发送数据 主机 1 向主机 2 发送数据 主机 1 向主机 2 发送数据 主机 1 向主机 2 发送数据 主机 1 向主机 2 发送数据 主机 1 向主机 2 发送数据 应用层(application layer) 主机 1 向主机 2 发送数据 主机 1 向主机 2 发送数据 主机 1 向主机 2 发送数据 主机 1 向主机 2 发送数据 主机 1 向主机 2 发送数据 主机 1 向主机 2 发送数据 主机 1 向主机 2 发送数据 主机 1 向主机 2 发送数据 主机 1 向主机 2 发送数据 主机 1 向主机 2 发送数据 主机 1 向主机 2 发送数据 主机 1 向主机 2 发送数据 主机 1 向主机 2 发送数据 1.7.4 相关术语 实体(entity) 表示 任何可发送或接收信息的硬件或软件进程。 协议是控制两个对等实体进行通信的规则的集合。 (如:所要交换信息的格式,发送者或接收者要完成什么操作,在何种条件下数据必须重传或丢弃等。) 在协议的控制下,两个对等实体间的通信使得本层能够向上一层提供服务。 要实现本层协议,还需要使用下层所提供的服务。 相关术语(续) 本层的服务用户只能看见服务而无法看见下面的协议。下面的协议对上面的服务用户是透明的。 协议是“水平的”,即协议是控制对等实体之间通信的规则。 服务是“垂直的”,即服务是由下层向上层通过层间接口提供的。上层使用下层的服务时必须向下层交换一些命令——服务原语。 同一系统相邻两层的实体进行交互(交换信息)的地方,称为服务访问点 SAP (Service Access Point)。 相关术语(续) 协议不但复杂且全面 协议必须把所有不利的条件事先都估计到,而不能假定一切都是正常的和非常理想的。 看一个计算机网络协议是否正确,不能光看在正常情况下是否正确,而且还必须非常仔细地检查这个协议能否应付各种异常情况。 1.7.5 TCP/IP的体系结构 沙漏计时器形状的 TCP/IP协议族 例2 客户进程通信 运行多个服务器进程

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