计算机网络

计算机网络主讲：肖来胜

Email ： xiaolaisheng@163.com

第 1 章 计算机网络与网络协议

主要内容• 计算机网络的概念与网络协议体系结构• ISO ／ OSI 开放系统互连参考模型• 物理层• 数据链路层• 网络层• 传输层• 会话层• 表示层• 应用层

计算机网络的概念与网络协议体系结构

计算机网络的空前发展

• 计算机网络的产生和发展特别是 Internet 的发展在现代科技史上具有重大的意义和深远的影响。

• 到 2002 年底，全球 Internet 用户达 6.55 亿，比2001 年同期增长 30% ，其中中国用户达 5560 万（联合国贸易发展会议报告 2002 ）

上网计算机数

• 我国上网计算机数由 1997.1 的 29.9 万台增加到 2003.1 的 2083 万台。 ------CNNIC 2003.1

上网用户数

• 我国上网用户数由 1997.1 的 62 万增加到 2003.1 的 5910 万。 ------CNNIC 2003.1

网络数据传输速率

• 以太网数据传输速率的提高（ Mb/s ）

2.94 10 1001000

10000

0

2000

4000

6000

8000

10000

12000

1975年 1983年 1995年 1998年 2002年

集成电路和计算机技术的发展

第一台电子计算机 ENIAC420,000,000

2,300

晶体管数目

4004 奔腾 45000 次加法 / 秒 , 体重 28 吨 , 占地 170m2 , 18800 只电子管

摩尔定律

• 摩尔定律：每 18 个月芯片能力翻一翻

什么是计算机网络？

• An interconnected collection of autonomous computers. ----Professor Andrew S. Tanenbaum

• A collection of computers and other devices that are interconnected. Provide ubiquitous access to shared resources, allow remote users to commu-nicate, perform transactions. ---- “Introduction to Computer Networks” ,

CS Dept. Stanford Uni. USA

计算机网络示意图

计算机网络的产生

50 年代中期 早期的计算机网络是计算机和电话通信系

统相结合的产物 , 是以单台计算机为中心的远程联机系统。

美国地面防空系统 SAGE

美国航空公司飞机票预定系统 SABER-I

远程联机系统

分组交换网的出现

60 年代后期 多台有自主处理能力的计算机用通信线

路连接 , 通信使用分组交换方式。 ARPANET

存储转发（ store and forward ） 分组交换（ packet switching ）

存储转发的计算机网络

计算机网络体系结构的形成

计算机网络体系结构 : 功能层次、协议、服务 * SNA, DNA 等 70-80 年代，封闭 * ISO/OSI 标准 83 年，开放系统互连基本参考

模型 OSI/RM (Open System Interconnection Basic Reference Model) ， OSI 国际标准

* TCP/IP 体系结构 80 年代初， ARPANET 使用 TCP/IP, 支持网络互联，发展成为 Internet

局域网的产生和发展

计算机局域网 LAN （ Local Area Network ）：一个重要而又活跃的领域 .

PC-LAN

70 年代 兴起 Ethernet, Cambridge Ring

80 年代 发展 Ethernet, Z-net, Omninet, C-net

90 年代 成熟 Windows NT, NetWare

局域网的产生和发展

LAN 特点： 1. 地理范围有限， 0.1km ～ 10km ； 2. 带宽高，数据传输率 1Mbps ～ 100 Mbps ； 3. 传输可靠，误码率 10-7 ～ 10-12 ； 4. 结构简单 , 总线、环型及星型拓扑结构； 5. 单一组织所拥有和使用。

Internet 时代

* 1996 美国国家科学基金会， NGI ， vBNS 。美国 大学 Internet2 协会 , Abilene , 速率 2.5Gb/s 。 * 中国高速互联研究实验网 NSFCNet ，国家 863

中 国高速信息示范网 CAINONet, 中科院中国先进 互联网 CAINet 。 * IPv6 , 128 位； IP over DWDM ，光互联网。

Internet 时代

内联网 Intranet

因特网技术和工具 (TCP/IP 协议 , WWW技术等）构造企业内部网。

计算机网络技术国际标准化组织

1. 国际标准界标准化组织 国际标准化组织 ISO 电气电子工程师协会 IEEE2. 因特网标准界组织 因特网协会 (Internet society) 因特网体系结构委员会 IAB 因特网研究特别任务组 IRTF 因特网工程特别任务组 IETF Internet编号管理局 IANA Internet 标准： RFC(Request For Comments)文档3. 电信界标准化组织 国际电信联盟 ITU ( 原 CCITT )

计算机网络体系结构ISO/OSI体系结构概述

开放系统互联参考模型 OSI/RM OSI/RM 的 7 个层次

层号 中文名称 英文名称 英文缩写7 应用层 Application Layer A

6 表示层 Presentation Layer

P

5 会话层 Session Layer S

4 传输层 Transport Layer T

3 网络层 Network Layer N

2 数据链路层 Data Link Layer DL

1 物理层 Physical Layer PH

OSI 环境中的数据流

ISO/OSI 的一些基本概念

1. 实体（ entity ） 对等实体（ peer entities ）

2. 协议（ protocol ） 三要素： 语法、语义、同步 3. 协议数据单元 PDU (Protocol Data Unit)

4. 服务（ service ） 5. 服务访问点 SAP （ Service Access Point ） 6. 服务原语 (service primitive)

网络层对等实体通信的例子

ISO/OSI 各层基本功能

1. 物理层 无结构的比特流（ bit stream ）。编码解码，机械、 电气、功能和过程的特性 。2. 数据链路层 帧（ frame) 。链路建立与释放，帧的封装与解封 ， 传输透明性，差错与流量控制 。 3. 网络层 分组（ packet) 。虚电路和数据报两种传输服务， 路由选择与更新，拥塞控制。

ISO/OSI 各层基本功能

4. 传输层 报文（ message ）。传输连接建立与拆除， 流 量与拥塞控制， 差错控制， 网络服务质量 . 5. 会话层 控制、协调应用进程间的对话，同步。 6. 表示层 信息经传输意义不变 , 局部语法和传输语法。 7. 应用层 面向用户， VTP, FTAM, J TM, RDA, MHS.

The Physical Layer

• Magnetic Media

• Twisted Pair

• Coaxial Cable

• Fiber Optics

Twisted Pair

(a) Category 3 UTP.(b) Category 5 UTP.

Coaxial Cable

A coaxial cable.

Fiber Optics

(a) Three examples of a light ray from inside a silica fiber impinging on the air/silica boundary at different angles.

(b) Light trapped by total internal reflection.

Fiber Cables

(a) Side view of a single fiber.(b) End view of a sheath with three

fibers.

Fiber Cables

A comparison of semiconductor diodes and LEDs as light sources.

Radio Transmission

(a) In the VLF, LF, and MF bands, radio waves follow the curvature of the earth.

(b) In the HF band, they bounce off the ionosphere.

Communication Satellites

VSATs using a hub.

Public Switched Telephone System

• Structure of the Telephone System

• The Politics of Telephones

• The Local Loop: Modems, ADSL and Wireless

• Trunks and Multiplexing

• Switching

Structure of the Telephone System

A typical circuit route for a medium-distance call.

Major Components of the Telephone System

• Local loops Analog twisted pairs going to houses and

businesses• Trunks

Digital fiber optics connecting the switching offices

• Switching offices Where calls are moved from one trunk to

another

The Local Loop: Modems, ADSL, and Wireless

The use of both analog and digital transmissions for a computer to computer call. Conversion is done by the modems and codecs.

Circuit Switching

(a) Circuit switching.

(b) Packet switching.

Message Switching

(a) Circuit switching (b) Message switching (c) Packet switching

The Data Link Layer

• Services Provided to the Network Layer

• Framing

• Error Control

• Flow Control

Functions of the Data Link Layer

• Provide service interface to the network layer

• Dealing with transmission errors

• Regulating data flow

• Slow receivers not swamped by fast senders

Functions of the Data Link Layer

Relationship between packets and frames.

Services Provided to Network Layer

(a) Virtual communication.(b) Actual communication.

Services Provided to Network Layer

Placement of the data link protocol.

Framing

A character stream. (a) Without errors. (b) With one error.

Framing (2)

(a) A frame delimited by flag bytes.(b) Four examples of byte sequences before

and after stuffing.

Framing (3)

Bit stuffing

(a) The original data.

(b) The data as they appear on the line.

(c) The data as they are stored in receiver’s memory after destuffing.

Error Detection and Correction

• Error-Correcting Codes

• Error-Detecting Codes

Error-Correcting Codes

Use of a Hamming code to correct burst errors.

Error-Detecting Codes

Calculation of the polynomial code checksum.

The Network Layer

• Store-and-Forward Packet Switching• Services Provided to the Transport Layer• Implementation of Connectionless Service• Implementation of Connection-Oriented Service• Comparison of Virtual-Circuit and Datagram

Subnets

Store-and-Forward Packet Switching

The environment of the network layer protocols.

fig 5-1

Implementation of Connectionless Service

Routing within a diagram subnet.

Implementation of Connection-Oriented Service

Routing within a virtual-circuit subnet.

The Transport Layer

• Services Provided to the Upper Layers• Transport Service Primitives• Berkeley Sockets• An Example of Socket Programming:

– An Internet File Server

Services Provided to the Upper Layers

The network, transport, and application layers.

The Application Layer

• DNS – The Domain Name System

• Electronic Mail

• The World Wide Web

• The Wireless Web

• Multimedia