1. NETWORK PRINCIPLE 1- 1 CHAPTER 1 OUTLINE University of Science and Technology of China Continuing education School Lee Yi leeyi@ustc.edu.cn Data Communications and Computer Networks

2. NETWORK PRINCIPLE 1- 2 1.1 计算机网络的历史 计算机网络的发展经历了四个阶段  第一阶段： 20 世纪 50 年代 数据通信技术的研究与发展  第二阶段： 20 世纪 60 年代 ARPANET 与分组交换技术的研究与发展  第三阶段： 20 世纪 70 年代 网络体系结构与协议标准化的研究 广域网、局域网与公用分组交换网的研究与应用  第四阶段： 20 世纪 90 年代 Internet 技术的广泛应用 网络计算技术的研究与发展 宽带城域网与接入网技术的研究与发展 网络与信息安全技术的研究与发展

3. NETWORK PRINCIPLE 1- 3 1.1 计算机网络的形成 1946 年世界上第一台电子数字计算机 ENIAC 诞生时，计算机技 术与通信技术并没有直接的联系； 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； 随着计算机应用的发展，出现多台计算机互连的需求，网络用户 希望通过网络实现计算机资源共享的目的； 典型的研究成果是 ARPA 网。

4. NETWORK PRINCIPLE 1- 4 1.2 计算机网络的定义 定义：资源共享观点的定义：以能够相互共享资源的方式互连起来的 自治计算机系统的集合。 特点  网络建立的主要目的是实现计算机资源的共享；  互连的计算机是分布在不同地理位置的多台独立的 “ 自治计算机系 统 ” ；  连网计算机在通信过程中必须遵循相同的网络协议。

5. NETWORK PRINCIPLE 1- 5 1.2 计算机网络的定义 早期计算机网络结构：从逻辑功能上可以分为资源子网和通信子 网等两个部分。

6. NETWORK PRINCIPLE 1- 6 现代网络结构的变化  随着微型计算机的广泛应用，大量的微型计算机是通过局域 网连入广域网，而局域网与广域网、广域网与广域网的互连 是通过路由器实现的；  在 Internet 中，用户计算机需要通过校园网、企业网或 ISP 联 入地区主干网，地区主干网通过国家主干网联入国家间的高 速主干网，这样就形成一种由路由器互联的大型、层次结构 的互联网络。 1.2 计算机网络的定义

7. NETWORK PRINCIPLE 1- 7 1.2 计算机网络的定义 Internet 结构示意图

8. NETWORK PRINCIPLE 1- 8 1.3 计算机网络的分类 按传输技术分  广播网：网上设备共享同一通信信道  点 - 点网 peer-to-peer ：网上设备两两连接  客户机 / 服务器： Microcomputer users, or clients, share services of a centralized computer called a server. 按用途分：公用网、专用网； 按介质分：有线网、无线网； 按速率分：高速网、中速网、低速网；

9. NETWORK PRINCIPLE 1- 9 1.3 计算机网络的分类 按拓扑分：  总线网 (bus)  星型网 (star)  环型网 (ring) 物理拓扑 : 物理连接方式 逻辑拓扑：信息流向方式 常用拓扑结构  星型  总线型  环型  树型  混合型

10. NETWORK PRINCIPLE 1- 10 1.3 计算机网络的分类 总线拓扑结构  将网上的设备均连接在一条总线上，任何两台计算机之间不再单 独连接。如图  网上计算机共享总线，任意时刻只有一台计算机发送信息（广播 式），其他计算机处于接收状态。

11. NETWORK PRINCIPLE 1- 11 1.3 计算机网络的分类 总线结构特点  结构简单、易于安装、易于扩充  使用电缆少，设备相对简单  总线故障全网瘫痪  故障诊断困难  站点增加网络效率降低。  总线结构是局域网最常用的结构，如 10BSAE2 10BASE5 ARCnet 等

12. NETWORK PRINCIPLE 1- 12 1.3 计算机网络的分类 环型拓扑结构  将网上计算机连接成一个封闭的环。如图  网上计算机共享通信介质，任意时刻只有一个计算机发送信息， 信号沿环单向传递经过每一台计算机，每台计算机都接收信号， 经再生放大后传给下一台计算机。

13. NETWORK PRINCIPLE 1- 13 1.3 计算机网络的分类 环型拓扑结构特点 两台计算机间由唯一通路，没有路径选择问题 电缆长度短 结点较多时，性能下降，但没有总线网那样严重 不便于扩充 一台计算机故障会影响全网。 故障诊断困难 典型网络：令牌环网、 FDDI

14. NETWORK PRINCIPLE 1- 14 星型拓扑  将多台计算机连在一个中心节点（集线器）上，各计算机之 间通信必须通过中心节点。如图：

15. NETWORK PRINCIPLE 1- 15 1.3 计算机网络的分类 星型拓扑结构特点： 结构简单 便于管理 扩展容易 容易检查、隔离故障 中心结点是全网的瓶颈，出现故障全网瘫痪 星星网络的信号发送、传播方式可以是总线方式或环形方式

16. NETWORK PRINCIPLE 1- 16 1.3 计算机网络的分类 树型拓扑结构总线（星型）拓扑结构的拓展

17. NETWORK PRINCIPLE 1- 17 1.3 计算机网络的分类 混合型结构几种结构的组合： star-to-ring

18. NETWORK PRINCIPLE 1- 18 1.3 计算机网络的分类 混合型结构几种结构的组合： star-to-bus

19. NETWORK PRINCIPLE 1- 19 1.3 计算机网络的分类 按规模分类  局域网 (LAN,Local Area Network)  城域网 (MAN,Metropolitan Area Network)  广域网 (WAN,Wide Area Network)  接入网 AN (Access Network)

20. NETWORK PRINCIPLE 1- 20 广域网、城域网、接入网以及局域网的关系 城域网 接入网 广域网 局域网 校园网企业网 ……

21. NETWORK PRINCIPLE 1- 21 1.3 计算机网络的分类 按交换分：  电路交换网  报文交换网  分组交换网  信元交换网 “ 交换 ” 的含义  在这里， “ 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。

22. NETWORK PRINCIPLE 1- 22 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 用户线 中继线 B D C A

23. NETWORK PRINCIPLE 1- 23 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 用户线 中继线 B D C A

24. NETWORK PRINCIPLE 1- 24 1.3 计算机网络的分类 按工作类型分：资源子网和通信子网。  通信子网：通信线路 ( 或称通道 ) 、交换单元（路由器、交换机、 HUB 等） 基本特点：存储转发 关键技术：路由选择（ Routing ）  资源子网：末端系统（服务器，客户计算机）

25. NETWORK PRINCIPLE 1- 25 1.4 网络体系结构 网络的分层结构  分层的目的：降低复杂性，简化软、硬件的设计  层次的功能：向上一层提供特定的服务，而屏蔽实现这一服务的 细节 服务、接口和协议  实体 entity ：每一层中的活动元素（通信进程或 I/O 芯片）  对等实体 peer entity ：不同机器上的同一层实体（对等进程）  服务 service ：下层向上层提供的通信能力  接口 interface ：相邻层之间的边界，定义了下层向上层提供的 原语操作和服务  服务原语：上 / 下层实体请求 / 提供服务所使用的形式化语句  协议 protocol ：某层对等实体进行通信所使用的规则的集合  协议栈 protocol stack ：按层序排列的各层协议列表  网络体系结构：层和协议的集合（网络的层次结构、协议栈和相 邻层间的接口以及服务统称为网络体系结构）

26. NETWORK PRINCIPLE 1- 26 1.4 网络体系结构 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。

27. NETWORK PRINCIPLE 1- 27 1.4 网络体系结构 分层：网络功能的分层、 协议的分层 、 体系结构的分层 计算机网络的功能分层  计算机网络的基本功能：为地理位置不同的计算机用户之间提供 访问通路。  必须提供如下功能：  连接源结点和目的结点的物理传输线路，可以经过中间结点；  每条线路两端的结点利用波形进行二进制通信；  无差错的信息传送  多个用户共享一条物理线路  按照地址信息，进行路由选择  信息缓冲和流量控制  会话控制  满足各种用户的访问要求 人们采用 “ 层次结构 ” 的方法来描述计算机网络，即：计算机网络 中提供的功能是分成层次的。

28. NETWORK PRINCIPLE 1- 28 1.4 网络体系结构 协议分层  协议的组成： 语法（ syntax) ：以二进制形式表示的命令和相应的结构 语义（ semantics) ：由发出的命令请求，完成的动作和回送的响应 组成的集合 定时关系（ timing) ：有关事件顺序的说明  协议的分层原则 (layering principle) ： Layer N software on the destination computer must receive exactly the message sent by layer N software on the sending computer. Mathematically, if the sender applies a transformation T, the receiver must apply the inverse T-1. 协议分层要保证整个通信系统功能完备、高效。  第 N 层协议特性： 不知道上、下层的内部结构； 独立完成某种功能； 为上层提供服务； 使用下层提供的服务。

29. NETWORK PRINCIPLE 1- 29 1.4 网络体系结构 处于接口两边的两层之间的关系  服务访问点 SAP （ Service Access Point ） 任何层间服务是在接口的 SAP 上进行的； 每个 SAP 有唯一的识别地址； 每个层间接口可以有多个 SAP 。  接口数据单元 IDU （ Interface Data Unit ） IDU 是通过 SAP 进行传送的层间信息单元； IDU 由上层的服务数据单元 SDU （ Service Data Unit ）和接 口控制信息 ICI （ Interface Control Information ）组成；  协议数据单元 PDU （ Protocol Data Unit ） 第 N 层实体通过网络传送给它的对等实体的信息单元； PDU 由上层的服务数据单元 SDU 或其分段和协议控制信息 PCI （ Protocol Control Information) 组成；  （ SDU 可被分段重组：即 N 层实体可能将 SDU 分成几段，每一段 加上一个报头后作为独立的 PDU （协议数据单元）送出。）

30. NETWORK PRINCIPLE 1- 30 1.4 网络体系结构 服务分类  基于连接的服务 当使用服务传送数据时，首先建立连接，然后使用该连接传 送数据。使用完后，关闭连接。 特点：顺序性好。  无连接的服务 直接使用服务传送数据，每个包独立进行路由选择。 特点：顺序性差。

31. NETWORK PRINCIPLE 1- 31 1.4 网络体系结构 服务原语  服务在形式上是由一组原语（或操作）来描述的。（这些原语供 用户和其他实体访问该服务，并通知服务提供者采取某些行动或 报告某个对等实体的活动。）  服务原语可分为四种类型： 请求（ Request ）：一个实体希望得到完成某些操作的服务 指示（ Indication ）：通知某个实体，有某个事件发生 响应（ Response ）：一个实体希望响应一个事件 确认（ Confirm ）：返回对先前请求的响应  有证实（ Confirmed ）和无证实（ Unconfirmed ）服务 有证实（ Confirmed ）：包括请求、指示、响应和确认 4 个原 语 无证实（ Unconfirmed ）：只有请求和指示 2 个原语  一个面向连接通信示例

32. NETWORK PRINCIPLE 1- 32 1.5 网络参考模型 计算机网络的标准化  电信标准 国际电信联盟 ITU （ International Telecommunication Union ） 1947 年 ITU 成为联合国的一个组织，由三部分组成： –ITU- R ：无线通信 –ITU- T ：电信标准， 1956 - 1993 年称为 CCITT ，下设许多研究组 SG ， 研究组下设专题，例如： Q42/SG VII 专门研究 OSI 参考模型。 –ITU- D ：开发  国际标准 国际标准化组织 ISO ： 1946 年成立，负责制定各种国际标准， ISO 有 89 个 成员国家， 85 个其他成员。 ISO 有 200 多个技术委员会 TC ，每个技术委员会下设若干分委员会 SC ，每 个分委员会由由若干工作组 WG 组成。例如： TC97 - 计算机和信息处理  其它标准化组织： ANSI ：美国国家标准研究所， ISO 的美国代表 NIST ：美国国家标准和技术研究所，美国商业部的标准化机构 IEEE ：发表行业标准。例如 IEEE 802 ，后成为 ISO 8802 。 ATM Forum ： ATM 论坛 OIF （ Optical Internetworking Forum ）

33. NETWORK PRINCIPLE 1- 33 1.5 网络参考模型 Internet 标准  Internet 的标准特点，是自发而非政府干预的，称为 RFC （ Request For Comments) 。  1969 年 ARPANET 时就开始发布 RFC ，至今已超过 3000 个。  1983 年成立 IAB （ Internet Activities Board ）  1989 年在 IAB 下又成立了 IRTF 和 IETF ， IETF 的各工作组负责组 织提出相应的 RFC 建议。 OSI (Open System Interconnection) 参考模型  （ 1983 年 ISO 的 OSI 模型正式成为国际标准）

34. NETWORK PRINCIPLE 1- 34 1.5 网络参考模型 OSI (Open System Interconnection) 参考模型 各层功能的简单描述  物理层（ Physical Layer ）：在物理线路上传输原始的二进制数 据位（基本网络硬件）。  数据链路层（ Data Link Layer ）：在有差错的物理线路上提供 无差错的数据传输（ Frame ）。  网络层（ Network Layer ）：控制通信子网提供源点到目的点的 数据传送（ Packet ）。  传输层（ Transport Layer ）：为用户提供端到端的数据传送服 务。  会话层（ Session Layer ）：为用户提供会话控制服务（安全认 证）。  表示层（ Presentation Layer ）为用户提供数据转换和表示服务。  应用层（ Application Layer ）

35. NETWORK PRINCIPLE 1- 35 OSI 参考模型的结构

36. NETWORK PRINCIPLE 1- 36 OSI 环境中的数据传输过程

37. NETWORK PRINCIPLE 1- 37 OSI 环境中的数据流

38. NETWORK PRINCIPLE 1- 38 1.5 网络参考模型 TCP/IP 参考模型  —— 以 TCP/IP 协议为核心的 Internet 网络体系结构。  Host-to- Network 层（物理层和数据连路层）：传送帧结构的比 特流。  Internet 层（网络层）：控制通信子网提供源点到目的点的 IP 包 传送。  传输层：提供端到端的数据传送服务。 TCP 和 UDP 。  应用层：提供各种 Internet 管理和应用服务功能。

39. NETWORK PRINCIPLE 1- 39 1.5 网络参考模型 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 43214321 TCP/IP 模型中的协议和网络

40. NETWORK PRINCIPLE 1- 40 1.5 网络参考模型 OSI 模型 应用层 表示层 会话层 传输层 网络层 数据链路层 物理层 应用层 传输层 网际互联层 网络接口层 TelnetFTPHTTPSMTP TCPUDP IP ICMP ARP RARP FDDI Ethernet Hardware TCP/IP 模型 TCP/IP 与 OSI 模型的比较

41. NETWORK PRINCIPLE 1- 41 1.5 网络参考模型 OSI 的历史经验和教训  OSI 是 80 年代计算机网络技术，网络体系结构的主流  OSI 网络体系结构的核心和贡献： 分层模型 服务、接口、协议 Andrew S. Tanenbaum 在 “Computer Networks” 第三版中评价 OSI ：  Bad timing （ too late ）糟糕的提出时机  Bad technology （ both the model and the protocol are flawed ） 糟糕的技术  Bad implementations （ huge ， unwieldy ， and slow ）糟糕的现 实  Bad politics （ government and organizations bureaucrats ）糟糕 的策略