1、1983 年TCP/IP 协议成为 ARPANET 上的标准协议。把 1983 年作为互联网的诞生时间 三级结构三级结构的互联网的互联网 第二阶段的特点是建成了三级结构的互联网。（1985开始，NSF）三级计算机网络分为主干网、地区网和园区网。多层次多层次 ISP ISP 结构结构的互联网的互联网 第三阶段的特点是逐渐形成了多层次 ISP 结构的互联网。（1993年开始，商用）出现了互联网服务提供者 ISP（Internet Service Provider）。用户 互联网 ISP1 ISP2 互联网 服务提供者 用户通过用户通过 ISP ISP 上网上网 根据提供服务的覆盖面积大小以及所拥有
2、的 IP 地址数目的不同，ISP 也分成为不同的层次。大公司 公司 本地 ISP A B 主机A 本地 ISP 地区 ISP 主干 ISP 地区 ISP 本地 ISP 主机B 本地 ISP 主干 ISP 本地 ISP 本地 ISP 地区 ISP 主干 ISP 主干 ISP 地区 ISP 地区 ISP 地区 ISP 本地 ISP 本地 ISP IXP 本地 ISP 校园网 校园网 具有三层 ISP 结构的互联网的示意图 现在的现在的Internet 万维网万维网 WWW WWW 的作用的作用 由欧洲原子核研究组织 CERN 开发的万维网 WWW（World Wide Web）被广泛使用在互联网上
3、，大大方便了广大非网络专业人员对网络的使用，成为互联网的这种指数级增长的主要驱动力。网络带宽变化趋势图网络带宽变化趋势图 3 3 互联网的互联网的组成组成 从互联网的工作方式上看，可以划分为以下的两大块：（1）边缘部分 由所有连接在互联网上的主机组成。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）。互联网的核心部分 互联网的边缘部分 主机 网络 路由器 互联网的边缘部分与核心部分 互联网的互联网的边缘部分边缘部分 处在互联网边缘的部分就是连接在互联网上的所有的主机。这
4、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”，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 1.1.客户客户服务器方式服务器方式 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
5、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。运行 客户 程序 网络边缘 网络核心 运行 服务器 程序 A B 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。客户程序的特点客户程序的特点 主动向远地服务器发起通信（请求服务）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 服务器程序的特点服务器程序的特点 专门用来提供某种服务的程序 可同时处理多个客户的请求 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。一般需要强大的硬件和高级的操作系统支持 2.2.对等连接方式对等
6、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。网络边缘 网络核心 运行 P2P 程序 运行 P2P 程序 D C E F 运行 P2P 程序 运行 P2P 程序 互联网的互联网的核心部分核心部分 网络核心部分是互联网中最复杂的部分 核心要向网络边缘中的大量主机提供连通性，使边缘部分中的主机能够互相通信。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
7、 switching）的关键构件 其任务就是转发收到的分组 交交 换换 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。（资源共享）通过网络链路和交换机传输（转发）数据有两种基本方法：电路交换（circuit switching）分组交换（packet switching）1.1.电路交换的主要特点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
8、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。是一种动态分配传输线路资源的方式 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 B D C A 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
9、 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 计算机网络为什么不使用电路交换？计算机网络为什么不使用电路交换？计算机网络数据具有突发性 使用电路交换会使用电路交换会导致通信线路的利导致通信线路的利用率很低用率很低 它使用分组交换 报文 2.2.分组交换的主要特点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。1101000110101010110101011100010011010010 假定这个报文较长 不便于传输 数 据 数 据 数 据 报文 添加首部构成分组添加首部构成分组 每一个数据段前面添加上首部构
10、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分组交换的传输单元 互联网以“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）。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。互联网中的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路由器。用接力赛的方式，最后分组就能到达目的地。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 分组 1 数 据 首部 分组 2 数 据 首部 分组
11、 3 收到的数据 数 据 数 据 数 据 最后还原成原来的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。报文 1101000110101010110101011100010011010010 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 互联网的互联网的示意图示意图 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 分组分组的的存储转发存储转发过程过程 H1 A 互联网 B D E C H5 H6 H4 H2 H3 H
12、1 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 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）；查找路由表，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。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 每一个分组独立选择转发路由 迅速 以分组为传送单位，不必先建立连接就能向其他主机发送分组。可靠 好的网络协议可以保证网络的可靠和健壮。分组交换的问题分组交换的问
13、题 分组在各路由器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。5 5 计算机网络的分类计算机网络的分类 1 计算机网络的定义 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。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 几种不同类别的网络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）城域网 MAN（Metropolitan Area Network）局域网 LAN（Local Area Network）个人区域网 PAN（Personal Area
14、 Network）不同使用者的网络不同使用者的网络 从网络的使用者进行分类 公用网（public network）专用网（private network）6 6 计算机网络的性能指标计算机网络的性能指标 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）即传送数据的速度，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。带宽带宽 “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）
15、。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）吞吐量吞吐量 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。时延时延（delay（delay 或或 latenc
16、y）latency）即数据从网络一端到另一端所需时间，它包含多种时延因素 发送时延（传输时延）：发送数据时，数据块从结点进入到传输媒体所需要的时间。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=数据帧长度（比特）发送速率（比特/秒）时延时延（delay（delay 或或 latency）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。注意区分信号传输速率（即发送速率）和信号在信道上的传播速率 传播时延=信道长度（米）信号在信道上的传播速率（米/秒）时延时延（delay（delay 或或 latency）latency）处理时延：主机或
17、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。时延时延（delay（delay 或或 latency）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+排队时延 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 在链路上产生 传播时延 结点 B 结点 A 在发送器产生发送时延（即传输时延）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 注注 意！意！对于高速网络
18、链路，提高的是数据的发送速率，不是比特在链路上的传播速率。提高数据的发送速率只是减小了数据的发送时延。利用率利用率 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）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：UDD10U 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
19、大 7 7 计算机网络的体系结构计算机网络的体系结构 计算机网络体系结构（architecture）是网络实现的标准、原则、规范 两个计算机系统要相互通信，必须高度协调，而这种“协调”是相当复杂的问题 “分层”可将庞大而复杂的问题转化为若干较小的局部问题，这样比较易于研究和处理。两大体系结构两大体系结构 ISO的开放系统互连参考模型OSI/RM（7层）TCP/IP（4层）计算机网络计算机网络体系结构对比体系结构对比 应用层应用层 运输层运输层 网络层网络层 表示层表示层 会话层会话层 数据链路层数据链路层 物理层物理层 7 6 5 4 3 2 1 OSI 的体系结构的体系结构 应用层应用层 网
20、络接口层网络接口层 网际层网际层 IP（各种应用层各种应用层协议，如协议，如 DNS,HTTP,SMTP 等等）运输层运输层（TCP 或或 UDP）TCP/IP 的体系结构的体系结构（这一层并没有具体内容）（这一层并没有具体内容）（a）OSI 的的七层协议七层协议 （b）TCP/IP 的的四层协议四层协议 4 3 2 1 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。网络协议网络协议 计算机网络中的数据交换必须
21、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和意义（网络语言）为进行网络中的数据交换而建立的规则或约定即网络协议（network protocol）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是计算机网络划分的层及其各层协议的集合 两个重要概念 分层 协议 教学所用的教学所用的五层协议的体系结构五层协议的体系结构 应用层应用层 运输层运输层 网络层网络层 表示层表示层 会话层会话层 数据链路层数据链路层 物理层物理层 7 6 5 4 3 2 1 OSI 的体系结构的体系结构 应用层应用层 网络接口层网络接口层 网际层网际层 IP（各种应用层各种应用层协议，如协议
22、，如 DNS,HTTP,SMTP 等等）运输层运输层（TCP 或或 UDP）TCP/IP 的体系结构的体系结构（a）（b）（c）运输层运输层 网络层网络层 应用层应用层 数据链路层数据链路层 物理层物理层 5 4 3 2 1 五层协议的体系结构五层协议的体系结构（这一层并没有具体内容）（这一层并没有具体内容）主机主机 1 1 向主机向主机 2 2 发送数据发送数据 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
23、程 序 数 据 H5 应 用 程 序 数 据 H4 H5 应 用 程 序 数 据 H3 H4 H5 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 主机主机 1 1 向主机向主机 2 2 发送数据发送数据 5 4 3 2 1 5 4 3 2 1 主机 1 AP2 AP1 主机 2 10100110100101 比 特 流 110101110101 计算机 2 的物理层收到比特流后 交给数据链路层 H2 T2 H3 H4 H5 应 用 程 序 数 据 H3 H4 H5 应 用 程 序 数 据 主机主机 1 1 向主机向主机 2 2 发送数据发送
24、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 H2 T2 H3 H4 H5 应 用 程 序 数 据 H4 H5 应 用 程 序 数 据 H3 H4 H5 应 用 程 序 数 据 主机主机 1 1 向主机向主机 2 2 发送数据发送数据 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 应 用 程 序 数 据 H4 H5 应 用 程 序 数 据 主机主机 1 1 向主机向主机 2 2 发送数据发送数据 5 4 3 2 1
25、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 主机主机 1 1 向主机向主机 2 2 发送数据发送数据 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 主机主机 1 1 向主机向主机 2 2 发送数据发送数据 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！TCP/IPTCP/IP的体系结构的体系结构 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。沙漏形的沙漏形的TCP/IPTCP/IP协议族协议族 HTTP SMTP DNS RTP TCP UDP 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可为各式各样的应用程序提供服务 IP over EverythingIP 可应用到各式各样的网络上
