计算机网络课件-谢希仁

null第 1 章 概述第 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 1.2.4 计算机网络在我国的发展 1.3 因特网的组成 1.3.1 因特网的边缘部分 1.3.2 因特网的核心部分第 1 章 概述（续）第 1 章 概述（续）1.4 计算机网络在我国的发展 1.5 计算机网络的类别 1.5.1 计算机网络的定义 1.5.2 几种不同类别的网络 1.6 计算机网络的性能 1.6.1 计算机网络的性能指标 1.6.2 计算机网络的非性能特征第 1 章 概述（续）第 1 章 概述（续）1.7 计算机网络的体系结构 1.7.1 计算机网络体系结构的形成 1.7.2 协议与划分层次 1.7.3 具有五层协议的体系结构 1.7.4 实体、协议、服务和服务访问点 1.7.5 TCP/IP 的体系结构1.1 计算机网络 在信息时代的作用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商业网络。 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的意义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。 计算机网络向用户提供的 最重要的功能 计算机网络向用户提供的 最重要的功能 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 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)。 连接在因特网上的计算机都称为主机(host)。 请注意名词“结点”请注意名词“结点”“结点”的英文名词是 node。 虽然 node 有时也可译为“节点”，但这是指像天线上的驻波的节点，这种节点很像竹竿上的“节”。 在网络中的 node 的标准译名是“结点”而不是“节点”。 但数据结构的树(tree)中的 node 应当译为“节点”。网络与因特网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。 nullnull1.2.2 因特网发展的三个阶段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 和 Internet 的区别以小写字母 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。 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。三级结构的因特网 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 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。 null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。 因特网的发展情况概况因特网的发展情况概况 网络数 主机数 用户数 管理机构数 1980 10 102 102 100 1990 103 105 106 101 2000 105 107 108 102 2005 106 108 109 1031.2.3 关于因特网的标准化工作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 …RGWG……RG…领域领域因特网体系结构 研究委员会 IAB WGWGWG制订因特网的正式标准要经过以下的四个阶段 制订因特网的正式标准要经过以下的四个阶段 因特网草案(Internet Draft) ——在这个阶段还不是 RFC 文档。 建议标准(Proposed Standard) ——从这个阶段开始就成为 RFC 文档。 草案标准(Draft Standard) 因特网标准(Internet Standard) 各种RFC之间的关系 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 1.3 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）。null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)。 “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”。 即“主机 A 的某个进程和主机 B 上的另一个进程进行通信”。或简称为“计算机之间通信” 两种通信方式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1. 客户服务器方式客户(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。null运行 客户 程序网络边缘网络核心运行 服务器 程序AB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 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 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 2. 对等连接方式 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。null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1.3.2 因特网的核心部分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。 路由器的重要任务路由器的重要任务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。 1. 电路交换的主要特点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。 …         交换机“交换”的含义“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的特点电路交换必定是面向连接的。 电路交换的三个阶段： 建立连接 通信 释放连接电路交换举例电路交换举例A 和 B 通话经过四个交换机 通话在 A 到 B 的连接上进行((((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((((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。2. 分组交换的主要特点 报文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。 添加首部构成分组数 据数 据数 据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。首部首部首部请注意：现在左边是“前面”分组交换的传输单元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的分组的首部中的地址信息，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。数 据首部数 据首部数 据首部收到的数据最后还原成原来的报文数 据数 据数 据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。 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。因特网的核心部分因特网的核心部分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。 nullH1H5H2H4H3H6路由器网络网络核心部分主机nullH1H5H2H4H3H6发送的 分组路由器AEDBC网络核心部分主机分组交换网的示意图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！路由器主机注意分组的存储转发过程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 找到转发的端口路由器路由器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。分组交换的优点分组交换的优点高效 动态分配传输带宽，对通信链路是逐段占用。 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交换带来的问题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。 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 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 三种交换的比较 A B C D A B C DA B C D报文交换电路交换分组交换t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 转发计算机网络的产生背景计算机网络的产生背景是 20 世纪 60 年代美苏冷战时期的产物。 60 年代初，美国国防部领导的远景研究规划局ARPA (Advanced Research Project Agency) 提出要研制一种生存性(survivability)很强的网络。 传统的电路交换(circuit switching)的电信网有一个缺点：正在通信的电路中有一个交换机或有一条链路被炸毁，则整个通信电路就要中断。 如要改用其他迂回电路，必须重新拨号建立连接。这将要延误一些时间。 新型网络的基本特点新型网络的基本特点网络用于计算机之间的数据传送，而不是为了打电话。 网络能够连接不同类型的计算机，不局限于单一类型的计算机。 所有的网络结点都同等重要，因而大大提高网络的生存性。 计算机在进行通信时，必须有冗余的路由。 网络的结构应当尽可能地简单，同时还能够非常可靠地传送数据。 ARPANET的成功使 计算机网络的概念发生根本变化 ARPANET的成功使 计算机网络的概念发生根本变化 早期的面向终端的计算机网络是以单个主机为中心的星形网 各终端通过通信线路共享昂贵的中心主机的硬件和软件资源。 分组交换网则是以网络为中心，主机都处在网络的外围。 用户通过分组交换网可共享连接在网络上的许多硬件和各种丰富的软件资源。 从主机为中心到以网络为中心从主机为中心到以网络为中心以主机为中心以分组交换网为中心1. 4 计算机网络在我国的发展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 计算机网络的分类1.5 计算机网络的分类1.5.1 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”。 1.3.2 几种不同的类别的网络 不同作用范围的网络 从网络的使用者进行分类 1.5.2 几种不同类别的网络1.5.2 几种不同类别的网络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) 2. 不同使用者的网络2. 不同使用者的网络从网络的使用者进行分类 公用网 (public network) 专用网 (private network) 用来把用户 接入到因特网的网络用来把用户 接入到因特网的网络接入网 AN (Access Network)，它又称为本地接入网或居民接入网。 由 ISP 提供的接入网只是起到让用户能够与因特网连接的“桥梁”作用。 1.6 计算机网络的性能 1.6.1 计算机网络的性能指标1.6 计算机网络的性能 1.6.1 计算机网络的性能指标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。 Bit 来源于 binary digit，意思是一个“二进制数字”，因此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 2. 带宽 “带宽”(bandwidth)本来是指信号具有的频带宽度，单位是赫（或千赫、兆赫、吉赫等）。 现在“带宽”是数字信道所能传送的“最高数据率”的同义语，单位是“比特每秒”，或 b/s (bit/s)。 常用的带宽单位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。数字信号流随时间的变化数字信号流随时间的变化在时间轴上信号的宽度随带宽的增大而变窄。 3. 吞吐量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)4. 时延(delay 或 latency)传输时延（发送时延 ） 发送数据时，数据块从结点进入到传输媒体所需要的时间。 也就是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。 时延(delay 或 latency)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。 时延(delay 或 latency)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。 排队时延的长短往往取决于网络中当时的通信量。时延(delay 或 latency)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： 总时延 = 发送时延+传播时延+处理时延+处理时延四种时延所产生的地方 四种时延所产生的地方 1 0 1 1 0 0 1…发送器队列结点 B结点 A在结点 A 中产生 处理时延和排队时延数据从结点 A 向结点 B 发送数据链路容易产生的错误概念 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5. 时延带宽积（传播）时延链路带宽时延带宽积 = 传播时延  带宽链路的时延带宽积又称为以比特为单位的链路长度。 时延带宽积6. 利用率6. 利用率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。 时延与网络利用率的关系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： U 是网络的利用率，数值在 0 到 1 之间。 null时延 D利用率 U10D0时延 急剧 增大1.6.2 计算机网络的非性能特征 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 1.7.1 计算机网络体系结构的形成1.7 计算机网络的体系结构 1.7.1 计算机网络体系结构的形成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。 关于开放系统互连参考模型 OSI/RM关于开放系统互连参考模型 OSI/RM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。 在市场化方面 OSI 却失败了。 OSI 的专家们在完成 OSI 标准时没有商业驱动力； OSI 的协议实现起来过分复杂，且运行效率很低； OSI 标准的制定周期太长，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。 两种国际标准两种国际标准法律上的(de jure)国际标准 OSI 并没有得到市场的认可。 是非国际标准 TCP/IP 现在获得了最广泛的应用。 TCP/IP 常被称为事实上的(de facto) 国际标准。1.7.2 划分层次的必要性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 网络协议的组成要素 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 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 两个主机交换文件 文件传送模块主机 1主机 2文件传送模块只看这两个文件传送模块 好像文件及文件传送命令 是按照水平方向的虚线传送的把文件交给下层模块 进行发送把收到的文件交给 上层模块再设计一个通信服务模块 再设计一个通信服务模块 文件传送模块主机 1主机 2文件传送模块只看这两个通信服务模块 好像可直接把文件 可靠地传送到对方把文件交给下层模块 进行发送把收到的文件交给 上层模块通信服务模块通信服务模块再设计一个网络接入模块 再设计一个网络接入模块 文件传送模块主机 1主机 2文件传送模块通信服务模块通信服务模块网络接入模块网络接入模块通信网络网络 接口网络 接口网络接入模块负责做与网络接口细节有关的工作 例如，规定传输的帧格式，帧的最大长度等。分层的好处 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 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 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。 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 1.7.3 具有五层协议的体系结构 TCP/IP 是四层的体系结构：应用层、运输层、网际层和网络接口层。 但最下面的网络接口层并没有具体内容。 因此往往采取折中的办法，即综合 OSI 和 TCP/IP 的优点，采用一种只有五层协议的体系结构 。 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) 数据链路层5 应用层4 运输层3 网络层2 数据链路层1 物理层主机 1 向主机 2 发送数据 主机 1 向主机 2 发送数据 5432154321主机 1AP2AP1主机 2应用进程数据先传送到应用层加上应用层首部，成为应用层 PDU主机 1 向主机 2 发送数据 主机 1 向主机 2 发送数据 5432154321主机 1AP2AP1主机 2应用层 PDU 再传送到运输层加上运输层首部，成为运输层报文主机 1 向主机 2 发送数据 主机 1 向主机 2 发送数据 5432154321主机 1AP2AP1主机 2运输层报文再传送到网络层加上网络层首部，成为 IP 数据报（或分组）主机 1 向主机 2 发送数据 主机 1 向主机 2 发送数据 5432154321主机 1AP2AP1主机 2IP 数据报再传送到数据链路层加上链路层首部和尾部，成为数据链路层帧主机 1 向主机 2 发送数据 主机 1 向主机 2 发送数据 5432154321主机 1AP2AP1主机 2数据链路层帧再传送到物理层最下面的物理层把比特流传送到物理媒体主机 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) 5432154321物理传输媒体主机 1AP2AP1电信号（或光信号）在物理媒体中传播 从发送端物理层传送到接收端物理层主机 2主机 1 向主机 2 发送数据 主机 1 向主机 2 发送数据 5432154321主机 1AP2AP1主机 2物理层接收到比特流，上交给数据链路层主机 1 向主机 2 发送数据 主机 1 向主机 2 发送数据 5432154321主机 1AP2AP1主机 2数据链路层剥去帧首部和帧尾部 取出数据部分，上交给网络层主机 1 向主机 2 发送数据 主机 1 向主机 2 发送数据 5432154321主机 1AP2AP1主机 2网络层剥去首部，取出数据部分 上交给运输层主机 1 向主机 2 发送数据 主机 1 向主机 2 发送数据 5432154321主机 1AP2AP1主机 2运输层剥去首部，取出数据部分 上交给应用层主机 1 向主机 2 发送数据 主机 1 向主机 2 发送数据 5432154321主机 1AP2AP1主机 2应用层剥去首部，取出应用程序数据 上交给应用进程主机 1 向主机 2 发送数据 主机 1 向主机 2 发送数据 5432154321主机 1AP2AP1主机 2我收到了 AP1 发来的 应用程序数据！主机 1 向主机 2 发送数据 主机 1 向主机 2 发送数据 5432154321主机 1AP2AP1主机 2应 用 程 序 数 据10100110100101 比 特 流 110101110101注意观察加入或剥去首部（尾部）的层次应 用 程 序 数 据主机 1 向主机 2 发送数据 主机 1 向主机 2 发送数据 5432154321主机 1AP2AP1主机 210100110100101 比 特 流 110101110101计算机 2 的物理层收到比特流后 交给数据链路层主机 1 向主机 2 发送数据 主机 1 向主机 2 发送数据 5432154321主机 1AP2AP1主机 2数据链路层剥去帧首部和帧尾部后 把帧的数据部分交给网络层H2T2主机 1 向主机 2 发送数据 H3主机 1 向主机 2 发送数据 5432154321主机 1AP2AP1主机 2网络层剥去分组首部后 把分组的数据部分交给运输层主机 1 向主机 2 发送数据 H4主机 1 向主机 2 发送数据 5432154321主机 1AP2AP1主机 2运输层剥去报文首部后 把报文的数据部分交给应用层主机 1 向主机 2 发送数据 应 用 程 序 数 据H5应 用 程 序 数 据主机 1 向主机 2 发送数据 5432154321主机 1AP2AP1主机 2应用层剥去应用层 PDU 首部后 把应用程序数据交给应用进程主机 1 向主机 2 发送数据 主机 1 向主机 2 发送数据 5432154321主机 1AP2AP1主机 2我收到了 AP1 发来的 应用程序数据！1.7.4 实体、协议、服务 和服务访问点 1.7.4 实体、协议、服务 和服务访问点 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。 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。 实体、协议、服务 和服务访问点（续） 实体、协议、服务 和服务访问点（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。 同一系统相邻两层的实体进行交互的地方，称为服务访问点 SAP (Service Access Point)。 实体、协议、服务 和服务访问点（续） 实体、协议、服务 和服务访问点（续） 协议(n + 1)SAPSAP交换原语交换原语实体(n + 1)服务提供者第 n 层第 n + 1 层实体(n + 1)服务用户实体(n)实体(n)协议(n)协议很复杂 协议很复杂 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。 著名的协议举例 【例1-1】 著名的协议举例 【例1-1】 占据东、西两个山顶的蓝军1和蓝军2与驻扎在山谷的白军作战。其力量对比是：单独的蓝军1或蓝军2打不过白军，但蓝军1和蓝军2协同作战则可战胜白军。现蓝军1拟于次日正午向白军发起攻击。于是用计算机发送电文给蓝军2。但通信线路很不好，电文出错或丢失的可能性较大（没有电话可使用）。因此 要求 对教师党员的评价套管和固井爆破片与爆破装置仓库管理基本要求三甲医院都需要复审吗 收到电文的友军必须送回一个确认电文。但此确认电文也可能出错或丢失。试问能否设计出一种协议使得蓝军1和蓝军2能够实现协同作战因而一定（即100 %而不是99.999…%）取得胜利？ null………………这样的协议无法实现！结论结论这样无限循环下去，两边的蓝军都始终无法确定自己最后发出的电文对方是否已经收到。 没有一种协议能够蓝军能 100% 获胜。1.7.5 TCP/IP的体系结构1.7.5 TCP/IP的体系结构应用层 运输层 网际层 网络 接口层主机A主机B路由器网络 2网络 1应用层 运输层 网际层 网络 接口层网际层 网络 接口层4 3 2 1路由器在转发分组时最高只用到网络层 而没有使用运输层和应用层。 沙漏计时器形状的 TCP/IP协议族 沙漏计时器形状的 TCP/IP协议族 HTTPSMTPDNSRTPTCPUDPIP网际层网络接口层运输层应用层………网络接口 1网络接口 2网络接口 3Everything over IP IP 可为各式各样的应用程序提供服务IP over Everything IP 可应用到各式各样的网络上【例1-2】客户进程和服务器进程 使用 TCP/IP 协议进行通信【例1-2】客户进程和服务器进程 使用 TCP/IP 协议进行通信数据链路层物理层运输层网络层数据链路层物理层运输层网络层应用层应用层因特网以后就逐级使用下层 提供的服务 (使用 TCP 和 IP）功能较强的计算机 可同时运行多个服务器进程 功能较强的计算机 可同时运行多个服务器进程 数据链路层物理层运输层网络层应用层计算机 3计算机网络（第 5 版）计算机网络（第 5 版）第 2 章 物理层第 2 章 物理层第 2 章 物理层2.1 物理层的基本概念 2.2 数据通信的基础知识 2.2.1 数据通信系统的模型 2.2.2 有关信道的几个基本概念 2.2.3 信道的极限容量 2.2.4 信道的极限信息传输速率 2.3 物理层下面的传输媒体 2.3.1 导向传输媒体 2.3.2 非导向传输媒体第 2 章 物理层（续）第 2 章 物理层（续）2.4 信道复用技术 2.4.1 频分复用、时分复用和统计时分复用 2.4.2 波分复用 2.4.3 码分复用 2.5 数字传输系统 2.6 宽带接入技术 2.6.1 xDSL技术 2.6.2 光纤同轴混合网（HFC 网） 2.6.3 FTTx 技术2.1 物理层的基本概念2.1 物理层的基本概念 物理层的主要任务描述为确定与传输媒体的接口的一些特性，即： 机械特性 指明接口所用接线器的形状和尺寸、引线数目和排列、固定和锁定装置等等。 电气特性 指明在接口电缆的各条线上出现的电压的范围。 功能特性 指明某条线上出现的某一电平的电压表示何种意义。 过程特性 指明对于不同功能的各种可能事件的出现顺序。 2.2 数据通信的基础知识 2.2.1 数据通信系统的模型 2.2 数据通信的基础知识 2.2.1 数据通信系统的模型 调制解调器PC 机公用电话网调制解调器数字比特流数字比特流模拟信号模拟信号 输入 汉字显示 汉字PC 机几个术语几个术语数据(data)——运送消息的实体。 信号(signal)——数据的电气的或电磁的表现。 “模拟的”(analogous)——代表消息的参数的取值是连续的。 “数字的”(digital)——代表消息的参数的取值是离散的。 码元(code)——在使用时间域（或简称为时域）的波形表示数字信号时，代表不同离散数值的基本波形。 2.2.2 有关信号的几个基本概念 2.2.2 有关信号的几个基本概念单向通信（单工通信）——只能有一个方向的通信而没有反方向的交互。 双向交替通信（半双工通信）——通信的双方都可以发送信息，但不能双方同时发送(当然也就不能同时接收)。 双向同时通信（全双工通信）——通信的双方可以同时发送和接收信息。 基带(baseband)信号和 带通(band pass)信号 基带(baseband)信号和 带通(band pass)信号 基带信号（即基本频带信号）——来自信源的信号。像计算机输出的代表各种文字或图像文件的数据信号都属于基带信号。 基带信号往往包含有较多的低频成分，甚至有直流成分，而许多信道并不能传输这种低频分量或直流分量。因此必须对基带信号进行调制(modulation)。 带通信号——把基带信号经过载波调制后，把信号的频率范围搬移到较高的频段以便在信道中传输（即仅在一段频率范围内能够通过信道）。 几种最基本的调制方法 几种最基本的调制方法 基带信号往往包含有较多的低频成分，甚至有直流成分，而许多信道并不能传输这种低频分量或直流分量。为了解决这一问题，就必须对基带信号进行调制(modulation)。 最基本的二元制调制方法有以下几种： 调幅(AM)：载波的振幅随基带数字信号而变化。 调频(FM)：载波的频率随基带数字信号而变化。 调相(PM) ：载波的初始相位随基带数字信号而变化。 对基带数字信号的几种调制方法 对基带数字信号的几种调制方法 010011100基带信号调幅调频调相正交振幅调制 QAM (Quadrature Amplitude Modulation) 正交振幅调制 QAM (Quadrature Amplitude Modulation) r(r, )可供选择的相位有 12 种， 而对于每一种相位有 1 或 2 种振幅可供选择。 由于4 bit 编码共有16 种不同的 组合，因此这 16 个点中的每个 点可对应于一种 4 bit 的编码。 若每一个码元可表示的比特数越多，则在接收端进行 解调时要正确识别每一种状态就越困难。 举例2.2.3 信道的极限容量 2.2.3 信道的极限容量 任何实际的信道都不是理想的，在传输信号时会产生各种失真以及带来多种干扰。 码元传输的速率越高，或信号传输的距离越远，在信道的输出端的波形的失真就越严重。 数字信号通过实际的信道 数字信号通过实际的信道 有失真，但可识别 失真大，无法识别 实际的信道 （带宽受限、有噪声、干扰和失真）发送信号波形接收信号波形信道能够通过的频率范围信道能够通过的频率范围1924 年，奈奎斯特(Nyquist)就推导出了著名的奈氏准则。他给出了在假定的理想条件下，为了避免码间串扰，码元的传输速率的上限值。 在任何信道中，码元传输的速率是有上限的，否则就会出现码间串扰的问题，使接收端对码元的判决（即识别）成为不可能。 如果信道的频带越宽，也就是能够通过的信号高频分量越多，那么就可以用更高的速率传送码元而不出现码间串扰。 (2) 信噪比 (2) 信噪比 香农(Shannon)用信息论的理论推导出了带宽受限且有高斯白噪声干扰的信道的极限、无差错的信息传输速率。 信道的极限信息传输速率 C 可表达为 C = W log2(1+S/N) b/s W 为信道的带宽（以 Hz 为单位）； S 为信道内所传信号的平均功率； N 为信道内部的高斯噪声功率。 香农公式表明 香农公式表明 信道的带宽或信道中的信噪比越大，则信息的极限传输速率就越高。 只要信息传输速率低于信道的极限信息传输速率，就一定可以找到某种办法来实现无差错的传输。 若信道带宽 W 或信噪比 S/N 没有上限（当然实际信道不可能是这样的），则信道的极限信息传输速率 C 也就没有上限。 实际信道上能够达到的信息传输速率要比香农的极限传输速率低不少。 请注意 请注意 对于频带宽度已确定的信道，如果信噪比不能再提高了，并且码元传输速率也达到了上限值，那么还有办法提高信息的传输速率。这就是用编码的方法让每一个码元携带更多比特的信息量。 2.3 物理层下面的传输媒体2.3 物理层下面的传输媒体无线电微波红外线可见光紫外线X射线射线双绞线同轴电缆卫星地面微波 调幅 无线电 调频 无线电 海事 无线电光纤电视LFMFHFVHFUHFSHFEHFTHF波段104 105 106 107 108 109 1010 1011 1012 1013 1014 1015 1016100 102 104 106 108 1010 1012 1014 1016 1018 1020 1022 1024 移动 无线电 电信领域使用的电磁波的频谱2.3.1 导向传输媒体2.3.1 导向传输媒体双绞线 屏蔽双绞线 STP (Shielded Twisted Pair) 无屏蔽双绞线 UTP (Unshielded Twisted Pair) 同轴电缆 50  同轴电缆 75  同轴电缆 光缆 各种电缆各种电缆铜线铜线聚氯乙烯 套层聚氯乙烯 套层屏蔽层绝缘层绝缘层外导体屏蔽层绝缘层绝缘保护套层内导体无屏蔽双绞线 UTP屏蔽双绞线 STP同轴电缆光线在光纤中的折射 光线在光纤中的折射 折射角入射角 包层 （低折射率的媒体） 包层 （低折射率的媒体） 纤芯 （高折射率的媒体） 包层纤芯光纤的工作原理光纤的工作原理高折射率 (纤芯)低折射率 (包层)光线在纤芯中传输的方式是不断地全反射多模光纤与单模光纤多模光纤与单模光纤多模光纤2.3.2 非导向传输媒体 2.3.2 非导向传输媒体 无线传输所使用的频段很广。 短波通信主要是靠电离层的反射，但短波信道的通信质量较差。 微波在空间主要是直线传播。 地面微波接力通信 卫星通信 2.4 信道复用技术 2.4.1 频分复用、时分复用和统计时分复用 共享信道2.4 信道复用技术 2.4.1 频分复用、时分复用和统计时分复用 复用(multiplexing)是通信技术中的基本概念。 信道A1A2B1B2C1C2信道信道A1A2B1B2C1C2复用分用(a) 不使用复用技术(b) 使用复用技术频分复用 FDM (Frequency Division Multiplexing) 频分复用 FDM (Frequency Division Multiplexing) 用户在分配到一定的频带后，在通信过程中自始至终都占用这个频带。 频分复用的所有用户在同样的时间占用不同的带宽资源（请注意，这里的“带宽”是频率带宽而不是数据的发送速率）。 时分复用TDM (Time Division Multiplexing) 时分复用TDM (Time Division Multiplexing) 时分复用则是将时间划分为一段段等长的时分复用帧（TDM 帧）。每一个时分复用的用户在每一个 TDM 帧中占用固定序号的时隙。 每一个用户所占用的时隙是周期性地出现（其周期就是 TDM 帧的长度）。 TDM 信号也称为等时(isochronous)信号。 时分复用的所有用户是在不同的时间占用同样的频带宽度。时分复用 时分复用 频率时间BCDBCDBCDBCDA 在 TDM 帧中 的位置不变…时分复用 时分复用 频率时间CDCDCDAAAACDB 在 TDM 帧中 的位置不变…时分复用 时分复用 频率时间BDBDBDAAAABDC 在 TDM 帧中 的位置不变…时分复用 时分复用 频率时间BCBCBCAAAABCD 在 TDM 帧中 的位置不变…时分复用可能会造成 线路资源的浪费 时分复用可能会造成 线路资源的浪费 ABCDaabbcdbcattttt4 个时分复用帧#1④③②①acbcd时分复用#2#3#4用户使用时分复用系统传送计算机数据时， 由于计算机数据的突发性质，用户对 分配到的子信道的利用率一般是不高的。 统计时分复用 STDM (Statistic TDM) 统计时分复用 STDM (Statistic TDM) 用户ABCDabcdttttt3 个 STDM 帧#1④③②①acbabbcacd#2#3统计时分复用2.4.2 波分复用 WDM (Wavelength Division Multiplexing) 1550 nm 0 1551 nm 1 1552 nm 2 1553 nm 3 1554 nm 4 1555 nm 5 1556 nm 6 1557 nm 70 1550 nm 1 1551 nm 2 1552 nm 3 1553 nm 4 1554 nm 5 1555 nm 6 1556 nm 7 1557 nm 2.4.2 波分复用 WDM (Wavelength Division Multiplexing) 波分复用就是光的频分复用。 8  2.5 Gb/s 1310 nm20 Gb/s复 用 器分 用 器EDFA120 km光调制器光解调器2.4.3 码分复用 CDM (Code Division Multiplexing) 2.4.3 码分复用 CDM (Code Division Multiplexing) 常用的名词是码分多址 CDMA (Code Division Multiple Access)。 各用户使用经过特殊挑选的不同码型，因此彼此不会造成干