1、微信公众号：自动化电气系统 公众号ID：zidonghuadianqi QQ群：60886850 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） 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
2、算机网络的非性能特征 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 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。 因特网(Internet)的发展 n进入 20
3、 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已从最初的教育科研网络逐步发展成为 商业网络。 n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。 n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 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。 1.2 因特网概述 1.2.1 网络的网络 n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
4、n网络(network)由若干结点(node)和连接 这些结点的链路(link)组成。 n互联网是“网络的网络”(network of networks)。 n连接在因特网上的计算机都称为主机 (host)。 请注意名词“结点” n“结点”的英文名词是 node。 n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”。 n在网络中的 node 的标准译名是“结点” 而不是“节点”。 n但数据结构的树(tree)中的 node 应当译 为“节点”。 网络与因特网 n网络把许多计算机连接在一起。 n因特网则把许多网络连接在一起。 (a)(b) 网络互
5、联网（网络的网络） 结点 链路 主机 因特网 1.2.2 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。 n人们把 1983 年作为因特网的诞生时间。 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
6、 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 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第三阶段的特点是逐渐形成了多层次 ISP 结构的因特网。 n出现了因特网服务提供者 ISP (Internet Service Provider)。 用户 因特网 ISP1 ISP2 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
7、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 ISP NAPNAP A B 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因特网已经成为世界上规模最大和增长 速率最快的计算机
8、网络，没有人能够准 确说出因特网究竟有多大。 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 这种指数级增长的主要驱动力。 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 106 108 109 103 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 I
9、RSG 因特网研究部 IRTF 因特网工程部 IETF 因特网工程指导小组 IESG RG WG 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 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 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 RFC 6 种
10、RFC 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）。 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：“
11、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”。 n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 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
12、行 客户 程序 网络边缘 网络核心 运行 服务器 程序 A B 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
13、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 P2
14、P 程序 运行 P2P 程序 D CE F 运行 P2P 程序 运行 P2P 程序 1.3.2 因特网的核心部分 n网络核心部分是因特网中最复杂的部分。 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在网络核心部分起特殊作用的是路由器 (router)。 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。 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
15、是网络核心部分最重要的功能。 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 “交换”的含义 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
16、。 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 B D C A 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 B D C A 电路交换传送计算机数据效率低 n计算机数据具有突发性。 n这导致通信线路的利用率很低。 报文 2. 分组交换的主要特点 n在发送端，先把较长的报文划分成较短 的
17、、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交换机根据收到的 分组的首部中的地址信息，
18、把分组转发 到下一个结点交换机。 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 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
19、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。 n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。 H1 H5 H2 H4 H3 H6 路由器 网络 网络核心部分 主机 H1 H5 H2 H4 H3 H6 发送的 分组 路由器 A E D B C 网络核心部分 主机 分组交换网的示意图 H1 A 互联网 B D E C H5 H6 H4 H2 H3 H1 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
20、转发过程 H1 A 互联网 B D E C H5 H6 H4 H2 H3 H1 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 n在路由器中的输入和输出端口之间没有 直接连线。 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。 主机和路由器的作用不同 n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。 n路由器对分组
21、进行存储转发，最后把分 组交付目的主机。 分组交换的优点 n高效 动态分配传输带宽，对通信链路 是逐段占用。 n灵活 以分组为传送单位和查找路由。 n迅速 不必先建立连接就能向其他主机 发送分组。 n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 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。 存储转发原理 并非完全新的概念 n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)。 n报文交换的时延较长，从几
22、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 P1 P2 P3 P4 P1 P2 P3 P4 P3 P4 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 P2 P1 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 计算机网络的产生背景 n是 20 世纪 60 年代美苏冷战时期的产物。 n60 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
23、研制一种生存性(survivability)很强的网络。 n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。 n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 n网络用于计算机之间的数据传送，而不是为了 打电话。 n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。 n所有的网络结点都同等重要，因而大大提高网 络的生存性。 n计算机在进行通信时，必须有冗余的路由。 n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
24、使 计算机网络的概念发生根本变化 n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 n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。 n分组交换网则是以网络为中心，主机都 处在网络的外围。 n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 主机 终端 以主机为中心以分组交换网为中心 主机 分组交换网 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
25、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 n1.5.1 计算机网络的不同定义 n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。 n因特网(Internet)是“网络的网络”。 n 1.3.2 几种不同的类别的网络 n不同作用范围的网络 n从网络的使用者进行分类 1.5.2 几种不同类别的网络 n不同作用范围的网络 n广域网 WAN (Wide Area Network) n局域网 LAN (Lo
26、cal Area Network) n城域网 MAN (Metropolitan Area Network) n个人区域网 PAN (Personal Area Network) 2. 不同使用者的网络 n从网络的使用者进行分类 n公用网 (public network) n专用网 (private network) 3. 用来把用户 接入到因特网的网络 n接入网 AN (Access Network)，它又称为 本地接入网或居民接入网。 n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. 速率 n比特（
27、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。 nBit 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。 n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 n速率往往是指额定速率或标称速率。 2. 带宽 n“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）。 n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
28、(bit/s)。 常用的带宽单位 n更常用的带宽单位是 n千比每秒，即 kb/s （103 b/s） n兆比每秒，即 Mb/s（106 b/s） n吉比每秒，即 Gb/s（109 b/s） n太比每秒，即 Tb/s（1012 b/s） n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 n在时间轴上信号的宽度随带宽的增大而 变窄。 每秒 106 个比特 时间 1 0 1 0 1 1 1 s 带宽为 1 Mb/s 时间 每秒 4 106 个比特 0.25 s 带宽为 4 Mb/s 3. 吞吐量 n吞吐量(through
29、put)表示在单位时间内通 过某个网络（或信道、接口）的数据量。 n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。 n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) n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。 n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。 发送时延 = 数据块长度（比特） 信道带宽（比特/秒） 时延(delay 或 latency) n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。 n信号传输速率
30、（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。 传播时延 = 信道长度（米） 信号在信道上的传播速率（米/秒） 时延(delay 或 latency) n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。 n排队时延 结点缓存队列中分组排队所 经历的时延。 n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) n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 1 0 1 1 0 0 1 发送器 队列 在链路上产生 传播时延 结点 B 结点
31、A 在发送器产生传输时延 (即发送时延) 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 n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。 n提高链路带宽减小了数据的发送时延。 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 n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 n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。 n网络利用率则是全网络的信道利用率的 加权平均值。 n信道利用率并非越高越好
32、。 时延与网络利用率的关系 n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。 n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 D D 1 0 U 是网络的利用率，数值在 0 到 1 之间。 时延 D 利用率 U 1 0 D0 时延 急剧 增大 1.6.2 计算机网络的非性能特征 n费用 n质量 n标准化 n可靠性 n可扩展性和可升级性 n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 n相互通信的两个计算机系统必须高度协 调工作才行，而
33、这种“协调”是相当复 杂的。 n“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 n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。 n在市场化方面 OSI 却失败了。 nOSI 的专家们在完成 OSI 标准时没有商业驱动力； nOSI 的协议实现起来过分复杂，且运行效率很低； nOSI 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； nOSI 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
34、n法律上的(de jure)国际标准 OSI 并没有 得到市场的认可。 n是非国际标准 TCP/IP 现在获得了最广泛 的应用。 nTCP/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 n计算机网络中的数据交换必须遵守事先 约定好的规则。 n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）。 n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 n语法 数据与控制信息的结构或格式 。 n语义 需要发出何种控制信息，完成何 种动作以及做出何种
35、响应。 n同步 事件实现顺序的详细说明。 划分层次的概念举例 n主机 1 向主机 2 通过网络发送文件。 n可以将要做的工作进行如下的划分。 n第一类工作与传送文件直接有关。 n确信对方已做好接收和存储文件的准备。 n双方协调好一致的文件格式。 n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 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 文件传送模块 主机 1主机 2 文件传送模块 只看这两个通
36、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 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 n各层之间是独立的。 n灵活性好。 n结构上可分割开。 n易于实现和维护。 n能促进标准化工作。 层数多少要适当 n若层数太少，就会使每一层的协议太复 杂。 n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
37、较多的困难。 计算机网络的体系结构 n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。 n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。 n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。 n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 nTCP/IP 是四层的体系结构：应用层、运 输层、网际层和网络接口层。 n但最下面的网络接口层并没有具体内容。 n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
38、层协 议的体系结构 。 五层协议的体系结构 n应用层(application layer) n运输层(transport layer) n网络层(network layer) n数据链路层(data link layer) n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 5 4 3 2 1 5 4 3 2 1 主机 1 AP2 AP1 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 5 4 3 2 1 5 4 3 2 1 主机 1 AP
39、2 AP1 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 5 4 3 2 1 5 4 3 2 1 主机 1 AP2 AP1 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 5 4 3 2 1 5 4 3 2 1 主机 1 AP2 AP1 主机 2 IP 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 5 4 3 2 1 5 4 3 2 1 主机 1 AP2 AP1 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
40、特流传送到物理媒体 主机 1 向主机 2 发送数据 n应用层(application layer) 5 4 3 2 1 5 4 3 2 1 物理传输媒体 主机 1 AP2 AP1 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 5 4 3 2 1 5 4 3 2 1 主机 1 AP2 AP1 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 5 4 3 2 1 5 4 3 2 1 主机 1 AP2 AP1 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
41、据 5 4 3 2 1 5 4 3 2 1 主机 1 AP2 AP1 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 5 4 3 2 1 5 4 3 2 1 主机 1 AP2 AP1 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 5 4 3 2 1 5 4 3 2 1 主机 1 AP2 AP1 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 5 4 3 2 1 5 4 3 2 1 主机 1 AP2 AP1 主机 2 我收到了 AP1 发来的 应用程序数据！ 主机 1 向主机
42、 2 发送数据 5 4 3 2 1 5 4 3 2 1 主机 1 AP2 AP1 主机 2 应 用 程 序 数 据 应用层首部 H5 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 H5 应 用 程 序 数 据 H4H5 应 用 程 序 数 据 H3H4H5 应 用 程 序 数 据 H4 运输层首部 H3 网络层首部 H2 链路层 首部 T2 链路层 尾部 主机 1 向主机 2 发送数据 5 4 3 2 1 5 4 3 2 1 主机 1 AP2 AP1 主机 2 10100110100101 比 特 流 1101
43、01110101 计算机 2 的物理层收到比特流后 交给数据链路层 H2T2H3H4H5 应 用 程 序 数 据 H3H4H5 应 用 程 序 数 据 主机 1 向主机 2 发送数据 5 4 3 2 1 5 4 3 2 1 主机 1 AP2 AP1 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 H2T2H3H4H5 应 用 程 序 数 据 H4H5 应 用 程 序 数 据 H3H4H5 应 用 程 序 数 据 主机 1 向主机 2 发送数据 5 4 3 2 1 5 4 3 2 1 主机 1 AP2 AP1 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 H5
44、应 用 程 序 数 据 H4H5 应 用 程 序 数 据 主机 1 向主机 2 发送数据 5 4 3 2 1 5 4 3 2 1 主机 1 AP2 AP1 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 应 用 程 序 数 据 H5 应 用 程 序 数 据 主机 1 向主机 2 发送数据 5 4 3 2 1 5 4 3 2 1 主机 1 AP2 AP1 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 5 4 3 2 1 5 4 3 2 1 主机 1 AP2 AP1 主机 2 我收到了 AP1 发来的 应用程序数据！ 1.7.4
45、 实体、协议、服务 和服务访问点 n实体(entity) 表示任何可发送或接收信息 的硬件或软件进程。 n协议是控制两个对等实体进行通信的规 则的集合。 n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。 n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） n本层的服务用户只能看见服务而无法看见下面 的协议。 n下面的协议对上面的服务用户是透明的。 n协议是“水平的”，即协议是控制对等实体之 间通信的规则。 n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。 n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 (
46、Service Access Point)。 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 n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。 n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】 同意 收到：收到“同意” 结论 1.7.5 TCP/IP的体系结构 应用层 运输层 网际
47、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 HTTPSMTPDNSRTP TCPUDP IP 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 3 Everything 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 数据链路层 物理层 运输
48、层 网络层 数据链路层 物理层 运输层 网络层 客户发起连接建立请求 服务器接受连接建立请求 应用层应用层 因特网 客户服务器 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 数据链路层 物理层 运输层 网络层 应用层 计算机 3 服务器 1 服务器 2 数据链路层 物理层 运输层 网络层 应用层 计算机 1 客户 1 数据链路层 物理层 运输层 网络层 应用层 计算机 2 客户 2 因特网 计算机网络（第 5 版） 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
49、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） 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 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： n机械特性 指明接口所用接线器的形状和尺寸 、
50、引线数目和排列、固定和锁定装置等等。 n电气特性 指明在接口电缆的各条线上出现的 电压的范围。 n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。 n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 传输 系统 输 入 信 息 输 入 数 据 发送 的信号 接收 的信号 输 出 数 据 源点终点发送器接收器 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 数据通信系统 源系统目的系统传输系统 输 出 信 息 PC 机 几个术语 n数据(data)运送消息的实体
