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第一章

课程简介

以五层参考模型为线索，按层共分为6个章节：
1. 概述
2. 物理层
3. 数据链路层
4. 网络层
5. 运输（传输）层
6. 应用层
  
  每一层都围绕它的功能、作用来展开；目的是让同学们了解完整的计算机网络通信过程中，各层所遇到的技术、协议、问题和解决的方法。
建议学习过程中参考课程提供的教学资源，由粗而细，再由细到抽象，思考，并构建、修缮自己的知识框架，融会贯通。

课程主线

计算机网络的必要性

中国的互联网络发展现状

第45次《中国互联网络发展状况统计报告》
截至2020年3月，网民规模突破9亿。

为什么学习计算机网络

网络已经渗透到我们的学习、工作和生活的方方面面

使用者
从业人员
计算机专业必修，考研要求

计算机网络向用户提供的最重要的功能

连通性
资源共享

教材参考模型

本教材采用计算机网络五层参考模型来讲授计算机网络各层

计算机网络的基本概念

计算机网络（计算机网络组成——建造计算机网络的基本构件）

使用单一技术的自主计算机的互联集合。
单台计算机具有独立自主性

广义的网络

类似事物连接在一起，以提供某些功能的。
如：交通网络，自来水管网，排水管网，邮政网络，快递网络。电话网络……

计算机网络是网络的一种

互联网

互联网（如何建造规模更大的计算机网络）Network of networks

（internet）——计算机网络的互相联接。

疑问1：互联网是个概念？而不是指一个具体的网络？

因特网

连接在因特网上的计算机都称为**主机(host)**。
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。

万维网

WWW：World Wide Web，万维网：

信息资源的网络
三部分支撑着www的运作
1. 资源
2. 资源标识
3. 传输协议

计算机网络发展的4个阶段

面向终端的计算机网络（20世纪50年代初）
计算机——计算机的网络
开放式标准化网络
网络计算新时代

第一阶段：20世纪50年代（面向终端的计算机网络）

20世纪50年代初，由于美国军方的需要，美国半自动地面防空系统（SAGE）的研究开始了计算机技术与通信技术相结合的尝试；

第二阶段：20世纪60年代（计算机—计算机网络）

1969年11月，美国国防部高级研究计划管理局（ ARPA 全称： Advanced Research Projects Agency ）开始建立一个命名为ARPAnet的网络，但是只有4个结点，分布在洛杉矶的加利福尼亚州大学洛杉矶分校、加州大学圣巴巴拉分校、斯坦福大学、犹他大学四所大学的4台大型计算机。

选择这四个结点的一个因素是考虑到不同类型主机联网的兼容性。对arparnet发展具有重要意义的是它利用了无线分组交换网与卫星通信网。通过专门的接口信号处理机(IMP)和专门的通信线路，相互连接把美国的几个军事及研究用电脑主机联接起来。起初是为了便于这些学校之间互相共享资源而开发的。ARPANET采用了包交换机制。当初，ARPAnet只联结4台主机，从军事要求上是置于美国国防部高级机密的保护之下，从技术上它还不具备向外推广的条件。最初，ARPAnet主要是用于军事研究目的，它主要是基于这样的指导思想：网络必须经受得住故障的考验而维持正常的工作，一旦发生战争，当网络的某一部分因遭受攻击而失去工作能力时，网络的其他部分应能维持正常的通信工作。ARPAnet在技术上的另一个重大贡献是TCP/IP协议簇的开发和利用。作为Internet的早期骨干网，ARPAnet的试验并奠定了Internet存在和发展的基础，较好地解决了异种机网络互联的一系列理论和技术问题。

终端和中央计算机之间的通信→→计算机之间的通信；
单台计算机为所有用户服务的模式→→分散异地而又互联的多台主计算机共同完成的模式。

ARPANET的成功使计算机网络的概念发生根本变化

Internet的前身

世界上第一个运营的封包交换网络

第三阶段：20世纪70年代（开放式标准化网络）ISO/OSI—TCP/IP

国际标准化组织（ISO）成立专门委员会研究网络体系结构与网络协议国际标准化问题；ISO正式制订了开放系统互连参考模型（OSI），制订了一系列的协议标准；
在1969年ARPAnet的实验性阶段，研究人员就开始了TCP/IP协议雏形的研究；TCP/IP协议的成功促进了Internet的发展，Internet的发展又进一步扩大了TCP/IP协议的影响。

第四阶段：20世纪90年代（网络计算新时代）

高速局域网技术发展迅速，Fast Ethernet、Gigabit Ethernet、10Gb/s的Ethernet已开始进入实用阶段；
基于光纤与IP技术的宽带城域网与宽带接入网技术已成为研究、应用与产业发展的热点问题之一；
无线网络技术的研究与发展蓬勃展开；
Internet的广泛应用促进了电子商务、电子政务、远程教育、远程医疗、分布式计算与多媒体网络应用的发展；
基于Web技术的Internet应用得到高速发展（如搜索引擎应用，P2P应用，播客应用，博客blog应用，即时通信应用，网络电视应用等）。

因特网发展的三个阶段

第一阶段：奇特的起源（1955 ~ 1970s初期）
第二阶段：ARPANET向Internet的转变（1970s初期~ 1982）
第三阶段：走向普通公众

第一阶段：奇特的起源

1958年，ARPA（Advanced Research Projects Agency ，高级计划研究署）成立
1969年，ARPANet诞生

第二阶段：ARPANET向Internet的转变（1970s初期~ 1982）

互联网之父的瑟夫（Vinton.Cerf）、凯恩（Bob Kahn）、柏兰登（Bob Braden）等人一起发明出来了被称为成就了互联网的骨干协议TCP/IP
1981年，美国国家科学基金（NSF）成立计算机科学网络（CSnet），并在Vinton Cerf 的建议下，两网互连，互联网正式诞生。
- 1986 年，NSF 建立了国家科学基金网NSFNET。它是一个三级计算机网络，分为主干网、地区网和校园网（或企业网）。

主要技术特点：TCP/IP协议簇形成。

第三阶段：走向普通公众

特点：逐渐形成了多层次因特网服务提供者 ISP (Internet Service Provider) 结构的因特网

1993年开始，由美国政府资助的 NSFNET逐渐被若干个商用的 ISP 网络所代替。
1994 年开始创建了 4 个网络接入点 NAP (Network Access Point)，分别由 4 个电信公司经营。
从 1994 年到现在，因特网逐渐演变成多级结构网络。

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。

走向大众的标志

个人电脑的发展（鼠标的使用）
视窗操作系统的出现（1985年，MS）
浏览器的诞生
1. 1993年4月，Mosaic 浏览器诞生
2. Tim Berners Lee

万维网的问世

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。
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。

1990年12月25日，Tim Berners-Lee和罗伯特·卡里奥一起成功通过Internet实现了HTTP代理与服务器的第一次通讯。
2017年，Tim 因“发明万维网、第一个浏览器和使万维网得以扩展的基本协议和算法”而获得2016年度的图灵奖。

计算机网络在中国的发展

1987年9月20日，中国人使用Internet的起点
“Across the Great Wall we can reach every corner in the world”（越过长城，走向世界）。
1994年4月20日我国用64 kb/s专线正式连入因特网。
规模最大的有以下五个：
（1）中国电信CHINANET
（2）中国联通UNINET
（3）中国移动CMNET
（4）中国教育和科研计算机网CERNET
（5）中国科学技术网CSTNET

互联网从无到有，从有到覆盖全球，需求和各种契机推动它的发展。

计算机网络的基本理论

计算机网络的网络基本技术和协议

网络设备的基本操作

报文抓取和分析工具的使用

互联网的组成

分组交换网络的特点

网络用于计算机之间的数据传送；
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，提高网络的生存性；
计算机在进行通信时，必须有冗余路由；
网络的结构应尽可能地简单，同时还能够非常可靠地传送数据。

分组交换的新型计算机网络ARPAnet。
因特网的组成
- 边缘部分连接哪些设备？有何特点？
- 核心部分连接哪些设备？有何特点？核心部分最重要的功能？
- 边缘和核心的区别？
- 在分组交换网中主机A 和主机B 是如何进行通信？

边缘部分

用户资源子网，连接在因特网上的所有主机——又称端系统。
边缘部分利用核心部分提供的服务，使众多主机之间互相通信并交换或共享信息。
端系统之间的通信方式（两大类）：
- 客户/服务器方式（C/S 方式）
- 对等方式（P2P 方式）

核心部分

核心部分最重要的功能

核心部分向网络边缘中的主机提供连通性，使边缘部分中的任何一个主机都能够与其他主机通信（即传送或接收各种形式的数据）。
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。

分组交换技术（电路交换与分组交换）

电路交换原理

两部电话机只需要用一对电线就能够互相连接起来。
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。

当电话机的数量增多时，使用交换机完成全网的交换任务。

“交换”的概念

“交换”(switching)的含义是：转接→ 把一条电话线转接到另一条电话线，使它们连通起来。
从通信资源分配的角度看：“交换”就是按某种方式动态地分配传输线路。

电路交换举例

话机A 和 B 通话经过四个交换机
通话在 A 到 B 的连接上进行

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

通信过程

建立连接（占用通信资源）
通信（一直占用通信资源）
释放连接（归还通信资源）

电路交换的特点

特点：在通话的全部时间内，通话的两个用户始终占用端到端的通信资源—-稳定
优点：通信实时性强，适用于交互式会话类通信—-稳定；
缺点：对突发性通信不适应，通信线路的利用率很低，系统不具有存储数据的能力，不具备差错控制能力。

分组交换的原理

要发送的整块数据称为一个报文（message）。
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。

每一个数据段前面添加上首部构成分组。

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）。

接收端收到分组后剥去首部还原成报文。

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。

当讨论路由器转发分组的过程时，核心部分中的单个网络可简化成一条链路，路由器成为核心部分的结点。

分组交换网的示意图

分组交换特点

允许很多主机同时进行通信。
传送数据前不占用一条端到端的通信资源，而是一段段地断续占用通信资源。
分组交换实质上采用了在数据通信的过程中断续（或动态）分配传输线路的策略。

优点

存储转发

存储转发原理并非完全新的概念

存储转发技术是将发送的数据与目的地址、源地址、控制信息按照一定格式组成一个数据单元（报文或报文分组）进入交换网络；交换网络中的交换结点，负责完成数据单元的接收、差错校验、存储、选路和转发功能。
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

电路交换—整个报文的比特流连续地从源点直达终点，好像在一个管道中传送。
报文交换—整个报文先传送到相邻结点，全部存储下来后查找转发表，转发到下一个结点。
分组交换—单个分组传送到相邻结点，存储下来后查找转发表，转到下一个结点。

计算机网络的类别

关于计算机网络较好的定义

常见的计算机网络分类

广域网 WAN (Wide Area Network)，通常为几十到几千公里，可跨越不同的国家或大洲发送数据，是因特网的核心部分。连接广域网结点交换机的链路一般是高速链路，具有较大的通信容量。
城域网 MAN (Metropolitan Area Network)，一般是一个城市，可跨越几个街区甚至整个城市，其作用距离约为5km-50km。
局域网 LAN (Local Area Network)用微型计算机或工作站通过高速通信线路相连，作用范围通常为1km左右。
个人区域网PAN(Personal Area Network)是个人电子设备用无线技术连接起来的网络，其作用范围通常在10m左右。

公用网 (public network) 指电信公司出资建造的面向大众提供服务的大型网络，也称为公众网。
专用网 (private network) 某个部分为满足本单位的特殊业务工作所建造的网络，这种网络不向本单位以外的人提供服务。如电力、军队、铁路、银行等均有本系统的专用网。

接入网 AN (Access Network) ,它又称为本地接入网或居民接入网。

从某个端用户系统到因特网中的第一个路由器之间的一种网络。
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。从覆盖范围看，很多接入网属于局域网。

两种最常见的网络基础架构类型：局域网 (LAN)、广域网 (WAN)

计算机网络的性能

计算机网络的性能指标

速率

速率指数据的传送速率，也称为数据率或比特率。
速率的单位：bit/s（比特每秒），也可写为bps。
指额定速率或标称速率，而非网络实际运行的速率。
速率指数据的传送速率，也称为数据率或比特率。
速率的单位：bit/s（比特每秒），也可写为bps。
指额定速率或标称速率，而非网络实际运行的速率。
- 数字带宽(bandwidth) ：在单位时间从网络中的某一点到另一点所能通过的“最高数据率”。
- 数字带宽单位是 bps (Bits per second）“比特每秒”。
  
  在计算机中，数据容量用字节B（Byte）作为度量单位。
  “千”字节用K表示，
  KB = 210B = 1024B；
  MB = 220B, GB = 230B, TB = 240B。

吞吐量

时延

时延是计算机网络最重要的两个性能指标之一。

时延：数据（一个报文或分组，比特）从网络（或链路）的一端传送到另一端所需的时间。
网络时延由以下几个部分：
- 发送时延
- 传播时延
- 处理时延
- 排队时延

时延带宽积

往返时延

往返时延 RTT (Round-Trip Time) 表示从发送端发送数据开始，到发送端收到来自接收端的确认（接收端收到数据后立即发送确认），总共经历的时延。

在互联网中，往返时延还包括各中间结点的处理时延、排队时延以及转发数据时的发送时延。

利用率

信道利用率指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

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。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。

传播时延

电磁波在信道中需要传播一定的距离所用时间

处理时延

主机或路由器在收到分组进行一些必要的处理所用的时间。

排队时延

路由器中分组排队所经历的时延是处理时延中的重要组成部分。
排队时延的长短往往取决于网络中当时的通信量。有时可用排队时延作为处理时延

总时延

三种时延是怎么产生的

数据在网络经历的总时延中，发送时延占主导地位

对于高速网络链路，提高的仅仅是数据的发送速率（即带宽）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。

尽管可以获得高带宽，
但不能改变电磁波传播的速率

计算机网络体系结构

各层工作独立，层之间通过接口联系，降低协议工作的复杂程度
灵活性好，任何一层的改变不影响其它层
每层的实现技术可以不同，减少了实现的复杂度
易于维护，每层可以单独进行调试
便于标准化

计算机网络分层

国际电报与电话咨询委员会CCITT（Consultative Committee on International Telegraph and Telephone）
国际标准化组织ISO（International Standards Organization）
CCITT 主要是考虑通信标准的制定；
ISO 主要是考虑信息处理与网络体系结构。

开放系统互连参考模型OSI/RM

1977年，ISO提出了开放系统互连基本参考模型（Open System Interconnection Reference Model）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。

协议与划分层次

为进行网络中的数据交换而建立的规则、标准或约定即网络协议(network protocol)，简称为协议。
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）。

协议：一系列规则和约定的规范性描述，它控制网络中的设备之间如何进行信息交换。

网络协议的三要素

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，即“要做什么”；
语法，数据与控制信息的结构或格式，即“要怎么做”；
同步，事件实现顺序的详细说明，即“什么时候做”。

划分层次

假定主机1和主机2通过一个网络发送文件，可以划分成三类工作。

第1类工作与传送文件直接有关，即文件传送模块作为最高的一层。
第2类是一个通信服务模块，用来保证文件和文件传送命令在两个系统之间可靠地交换。
第3类是一个网络接入模块。

体系结构的概念

计算机网络的各层+协议的集合计算机网络的体系结构(architecture)。

体系结构是这个计算机网络及其部件所应完成的功能的精确定义。
这些功能是用何种硬件或软件完成的，是一个遵循这种体系结构的实现(implementation)。
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。

五层协议的体系结构

物理层

利用传输介质为通信的网络结点之间建立、管理和释放物理连接；
实现比特流的透明传输，为数据链路层提供数据传输服务；
物理层的数据传输单元是比特。

数据链路层

在物理层提供的服务基础上，数据链路层在通信的实体间建立数据链路连接；
数据链路层的数据传输单元是“数据帧”；
采用差错控制与流量控制方法，使有差错的物理线路变成无差错的数据链路。

网络层

通过路由选择算法为分组通过通信子网选择最适当的路径；
为数据在结点之间传输创建逻辑链路，实现拥塞控制、网络互连等功能；
传输单元是分组。

运输层（传输层）

向用户提供可靠端到端（end-to-end）服务；
处理数据包错误、数据包次序，以及其他一些关键传输问题；
运输层向高层屏蔽了下层数据通信的细节，是计算机通信体系结构中关键的一层。

应用层

为应用程序提供网络服务;
应用层需要识别并保证通信对方的可用性，使得协同工作的应用程序之间的同步;
建立传输错误纠正与保证数据完整性的控制机制。

协议各层传递过程

发送方

接收方

封装

服务调用

实体、协议、服务、服务访问点

相邻两层之间的关系

连接：是两个对等实体为进行数据通信而进行的一种结合。
服务：是各层向它的直接上层提供的一组原语或操作，有面向连接和无连接两种类型的服务。
- 面向连接服务(connection-oriented)
  - 面向连接服务具有连接建立、数据传输和连接释放这三个阶段。
- 无连接服务(connectionless)
  - 两个实体之间的通信不需要先建立好连接。
  - 是一种不可靠的服务。这种服务常被描述为“尽最大努力交付”(best effort delivery)或“尽力而为”。