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计算机网络概述计算机网络概述课程介绍课程名称：计算机网络课程学时：17周，每周2学时，共34学时课程学分：2学分课程性质：专业选修期末考试形式：闭卷内容提要计算机网络的基本概念，TCP/IP体系结构；点对点信道、广播信道和以太网；网际协议IP，ICMP，VPN；用户数据报协议UDP和传输控制协议TCP；应用层中的DNS、DHCP、HTTP、FTP和电子邮件等协议；因特网上的音频视频服务；网络安全基本知识；无线网络和下一代网际协议IPv6。课程特点计算机网络包含的概念和专业术语繁多，需要我们认真理解和记忆。计算机网络的学习重点是理解各种网络协议的基本工作原理。计算机网络的学习关键在于对各种网络协议的理解，而不仅仅是对于各种概念的简单记忆。第 1 章 概述1.1 计算机网络在信息时代中的作用1.2 因特网概述 1.2.1 网络的网络 1.2.2 因特网发展的三个阶段 1.2.3 因特网的标准化工作1.3 因特网的组成 1.3.1 因特网的边缘部分 1.3.2 因特网的核心部分计算机网络在信息时代的作用n21 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。n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。n网络是指“三网”，即电信网络、有线电视网络和计算机网络。n发展最快的并起到核心作用的是计算机网络。计算机网络向用户提供的最重要的功能 n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。n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。因特网(Internet)的发展n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。n因特网已从最初的教育科研网络逐步发展成为商业网络。n因特网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n因特网是自印刷术以来人类通信方面最大的变革。现在人们的生活、工作、学习和交往都已离不开因特网。网络与互联网n网络(network)由若干结点(node)和连接这些结点的链路(link)组成。n连接在网络上的计算机都称为主机(host)。n互联网是“网络的网络”(network of networks)。n网络把许多计算机连接在一起。n互联网则把许多网络连接在一起。n起源于美国的因特网(Internet)现已发展成为世界上最大的国际性计算机互联网。(a)(b)网络互联网（网络的网络）结点链路Internet 和 Internet 的区别n以小写字母 i 开始的 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。n以大写字母I开始的的 Internet（因特网）则是一个专用名词，它指当前全球最大的、开放的、由众多网络相互连接而成的特定计算机网络，它采用 TCP/IP 协议族作为通信的规则，且其前身是美国的 ARPANET。主机因特网因特网发展的三个阶段n第一阶段是从单个网络 ARPANET 向互联网发展的过程。n1983 年 TCP/IP 协议成为 ARPANET 上的标准协议。1983 年通常作为因特网的诞生时间。文特瑟夫罗伯特卡恩三级结构的因特网 n第二阶段的特点是建成了三级结构的因特网。n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 n第三阶段的特点是出现了因特网服务提供者 ISP(Internet Service Provider)，逐渐形成了多层次 ISP 结构的因特网。用户因特网ISP1ISP2因特网服务提供者用户通过 ISP 上网根据提供服务的覆盖面积大小以及所拥有的IP 地址数目的不同，ISP 也分成为不同的层次。一级 ISP一级 ISP第一层 ISP大公司本地 ISP大公司大公司公司本地 ISP本地 ISP校园网校园网校园网校园网第二层 ISP第二层 ISPNAPNAPAB主机A 本地 ISP 第二层 ISP NAP 第一层 ISP NAP 第二层 ISP 本地 ISP 主机B第一层 ISP第二层 ISP本地 ISP本地 ISP本地 ISP本地 ISP第一层 ISP第一层第二层第三层本地 ISP第二层 ISP本地 ISP本地 ISP本地 ISP本地 ISP第二层 ISP本地 ISP本地 ISP第二层 ISP万维网 WWW 的问世的问世n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，成为因特网的指数级增长的主要驱动力。T.Berners Lee万维网的发明人万维网的发明人他放弃为WWW申请专利的权利，使世界人民皆能享用万维网WWW。1.2.3 关于因特网的标准化工作因特网协会 ISOC因特网研究指导小组IRSG 因特网研究部 IRTF 因特网工程部 IETF 因特网工程指导小组IESG RGWGRG领域领域因特网体系结构研究委员会 IAB WGWGWGhttp:/www.internetsociety.org/制订因特网的正式标准要经过以下的四个阶段 n因特网草案(Internet Draft)在这个阶段还不是 RFC 文档。n建议标准(Proposed Standard)从这个阶段开始就成为 RFC（Request For Comments 请求评论）文档。n草案标准(Draft Standard)n因特网标准(Internet Standard)各种RFC之间的关系 因特网草案建议标准草案标准因特网标准历史的 RFC实验的 RFC提供信息的 RFC6 种 RFC1.3 因特网的组成 从因特网的工作方式上看，可以划分为以下的两大块：(1)边缘部分 由所有连接在因特网上的主机组成。这部分是用户直接使用的，用来进行通信（传送数据、音频或视频）和资源共享。(2)核心部分 由大量网络和连接这些网络的路由器组成。这部分是为边缘部分提供服务的（提供连通性和交换）。因特网的核心部分因特网的边缘部分主机网络路由器因特网的边缘部分与核心部分1.3.1 因特网的边缘部分n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)。n“主机 A 和主机 B 进行通信”，实际上是指：“运行在主机 A 上的某个程序和运行在主机 B 上的另一个程序进行通信”。这称为“计算机之间通信”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：n客户服务器方式（C/S 方式）即Client/Server方式。n对等方式（P2P 方式）即 Peer-to-Peer方式。1.客户服务器方式n客户(client)和服务器(server)都是指通信中所涉及的两个应用进程。n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。n客户是服务的请求方，服务器是服务的提供方。运行客户程序网络边缘网络核心运行服务器程序AB 请求服务 得到服务客户服务器客户 A 向服务器 B 发出请求服务，而服务器 B 向客户 A 提供服务。客户软件的特点 n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。n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 n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。n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。n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 n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。n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。n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n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。n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。网络边缘网络核心运行P2P 程序运行P2P 程序DCEF运行P2P 程序运行P2P 程序采用P2P方式的常见软件：Bitcomet、Torrent、eMule、迅雷、PPLive、酷狗音乐等1.3.2 因特网的核心部分n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。n网络核心部分是因特网中最复杂的部分。在网络核心部分起特殊作用的是路由器。路由器的重要任务n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。n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。n分组交换是从电路交换和报文交换的发展中形成的。1.电路交换的主要特点n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n5 部电话机两两相连，需 10 对电线。nN 部电话机两两相连，需 N(N 1)/2 对电线。n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n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。交换机电路交换的特点n电路交换必定是面向连接的。n电路交换的三个阶段：n建立连接n通信n释放连接电路交换举例nA 和 B 通话经过四个交换机n通话在 A 到 B 的连接上进行交换机交换机交换机交换机用户线用户线中继线中继线BDCA电路交换举例nC 和 D 通话只经过一个本地交换机n通话在 C 到 D 的连接上进行交换机交换机交换机交换机用户线用户线中继线中继线BDCA电路交换传送计算机数据效率低n在电路交换中，在建立连接的时间内，两端的用户始终占用端到端的通信资源。n计算机数据具有突发性，这导致通信线路的利用率很低。存储转发n利用存储转发来解决数据的突发性问题。n报文交换(message switching)基于存储转发。通常把要发送的整块数据称为报文。早期的电报通信基于报文交换。n报文到达网络的中间结点后，先被存储起来，等先到的报文转发完成，再被转发至下一结点。n报文交换时延较长，不适合大规模数据通信。报文2.分组交换的主要特点 n分组存储转发n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。1101000110101010110101011100010011010010假定这个报文较长不便于传输数 据数 据数 据报文添加首部构成分组n每一个数据段前面添加上首部构成分组。首部首部首部分组 1分组 2分组 3请注意：现在左边是“前面”分组交换的传输单元n分组交换网以“分组”作为数据传输单元。n依次把各分组发送到接收端（假定接收端在左边）。数 据首部分组 1数 据首部分组 2数 据首部分组 3分组首部的重要性n每一个分组的首部都含有地址等控制信息。n分组交换网中的结点（路由器）根据收到的分组的首部中的地址信息，把分组转发到下一个结点。n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n接收端收到分组后剥去首部还原成报文。数 据首部分组 1数 据首部分组 2数 据首部分组 3收到的数据数 据数 据数 据最后还原成原来的报文n最后，在接收端把收到的数据恢复成为原来的报文。n这里我们假定分组在传输过程中没有出现差错，在转发时也没有被丢弃。报文1101000110101010110101011100010011010010分组交换中的主机和路由器n主机的任务：向网络发送分组；从网络接收分组。n路由器的任务：（暂时）存储和转发收到的分组。n分组经过多个路由器的存储和转发作用，最后被交付目的主机。H1H5H2H4H3H6发送的分组路由器AEDBC网络核心部分主机路由器的工作n路由器包含有转发表。它指出某个目的地址应从哪个端口转发出去。n不同路由器之间的转发表经常彼此交换信息。n路由器处理分组的过程是：n把收到的分组先放入缓存（暂时存储）；n查找转发表，找出到某个目的地址应从哪个端口转发；n把分组送到适当的端口转发出去。n路由器使用路由选择协议。当网络上的某些链路的通信负荷过大或者出现故障时，路由器能够找到其他合适的路径进行转发。注意分组的存储转发过程H1A互联网BDECH5H6H4H2H3H1 向 H5 发送分组路由器主机在路由器 E 暂存查找转发表找到转发的端口最后到达目的主机 H5在路由器 C 暂存查找转发表找到转发的端口在路由器 A 暂存查找转发表找到转发的端口分组交换网的示意图H1A互联网BDECH5H6H4H2H3H1 向 H5 发送分组H2 向 H6 发送分组注意分组路径的变化！路由器主机分组交换的优点n高效 对通信链路是逐段占用。n迅速 不必先建立连接就能向其他主机发送分组。n灵活 以分组为传送单位和查找路由。n可靠 有保证可靠性的路由选择协议。分组交换带来的问题n分组在各结点存储转发时需要排队，这就会造成一定的时延。n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。三种交换的比较 P1P2P3P4P1P2P3P4P3P4报文报文报文A B C D A B C DA B C D报文交换电路交换分组交换t连接建立数据传送报文P2P1连接释放数据传送的特点比特流直达终点报文报文报文分组 分组 分组存储转发存储转发存储转发存储转发因特网的核心部分n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。n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。H1H5H2H4H3H6路由器网络网络核心部分主机学习要点n计算机网络向用户提供的最重要的功能；n网络、互联网和因特网；n因特网发展的三个阶段；n因特网核心部分和边缘部分组成，核心部分向部分边缘中的主机提供连通性；n客户服务器方式与对等方式；n分组交换的主要特点。