01概述071.docx
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01概述071
概述
计算机网络基础网络体系结构网络性能参数
中山大学计算机系
张永民
2009年9月
计算机网络基础
什么是计算机网络？
…
可以相互通信的自主计算机的互连集合。
主控机
从属机
…
从属机
Mainframe
Terminal
大型机系统（SuperComputer，
例：
曙光5000）
主从系统（例：
RS-485）
自主计算机
自主计算机
自主计算机
计算机网络
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如何建造计算机网络？
（1）实现连通性
（a）直接物理连接:
两个站点的连接没有通过中间节点。
点到点链路（point-to-pointlink）
多路访问链路（multi-accesslink）:
共享介质，广播特性，冲突。
间接物理连接:
需要通过中间节点的连接。
…
point-to-pointlink
multi-accesslink
•链路（link）:
指传输介质（transmissionmedium），例如，光纤，双绞线，大气。
•节点（node）:
主机（host）或者路由器（router）。
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（b）互连网络（internetworking或internet）：
通过中间节点（路由器或网关）将
若干网络连接起来形成的网络。
因特网（Internet）是一种互连网络。
网络1
router
gateway
R
网络2
网络3
（c）实现数据交换
•一个例子：
•要发送数据的主机先将数据组装成分组（packet），然后每次都发送给下一个中
间节点。
中间节点接收到分组后，先把它保存下来，再根据分组中的目的地址通过查询路由表（routingtable）进行路由选择（routing）以确定转发出去的路由
（route）和下一个中间节点（nexthop），并把分组转发（store-and-forward）给这个中间节点它。
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（d）定义目的地
•
单播（unicast）：
一对一。
•
多播（multicast）：
一对多。
也称为组播。
•广播（broadcast）：
一对全部。
（e）确定传输方向（点到点）
•单工（simplex）：
单向传输。
•半双工（halfduplex）：
双向传输，但同一时刻只能一个方向。
•全双工（fullduplex）：
双向传输，可以在两个方向同时传输。
（2）实现共享
多个数据流可以通过共享同一条传输介质来提高资源利用率和降低使用成本：
•TDM：
时分多路复用（TimeDivisionMultiplexing）。
分时使用。
•STDM（SynchronousTDM）：
分配的时间片大小相同。
•FDM：
频分多路复用（FrequencyDivisionMultiplexing）。
划分成多个频带使用。
•WDM：
波分多路复用（WaveDivisionMultiplexing）。
采用不同波长。
•CDM：
码分多路复用（CodeDivisionMultiplexing,CDM）:
采用不同码。
•StatisticalMultiplexing：
统计多路复用。
所有数据流按需分配，先到的数据先传输（FIFO），并可占用整个带宽。
---多路复用可以降低成本，但是会引起拥塞（Congestion）。
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（3）服务质量问题（QualityofService,QoS）
•物理信道（PhysicalChannel）
逻辑信道（LogicChannel）
•可靠信道（ReliableChannel）
不可靠信道（UnreliableChannel）
•面向连接的服务（Connection-OrientedService）
无连接的服务（ConnectionlessService）
•无确认服务（Non-acknowledgedService）
•有确认服务（AcknowledgedService）
•数据报服务：
不可靠的（即无确认的）无连接服务。
•请求响应信道（Request-ReplyChannel）
消息流信道（MessageStreamChannel）
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计算机网络分类
•按地域范围划分：
系统域网（SystemAreaNetwork,SAN）或者存储区域网络局域网（LocalAreaNetwork，LAN）
城域网（MetropolitanAreaNetwork，MAN）
广域网（WideAreaNetwork，WAN）
－无线网络分为无线LAN（WirelessLAN,WLAN）和无线WAN
－SAN也是存储区域网络（StorageAreaNetwork）的简称。
•按照拓扑结构划分：
总线形
星形环形
树形（层次）
网状（图形）
－拓扑结构：
物理的或者逻辑的
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分层和协议
网络体系结构
z协议，服务和接口
（1）网络各层通过接口（interface）为外部或高层提供服务（service），并通过协议
（protocol）进行实现。
（2）协议是为了实现数据交换功能而制定的规则。
协议定义要交换的数据格式以及交换方法。
协议常常指协议实现。
（3）可以采用硬件或软件（进程）实现协议。
实现协议的软件模块或者硬件模块统称为实体（entity）。
位于相同或同等层中可以相互通信的两个实体称为对等实体（peerentity）。
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zPDU
节点1节点2
n+1
n+1
n+1层
SAP1
entity
n+1PDU
n+1PDU
SAP2
entity
n
n层entity
PCI
n-SDU
n-SDU
Encapsulation
De-encapsulation
PCI
n-SDU
n-SDU
nentity
n-PDU
payload
n-PDU
n-1层
SDU:
ServiceDataUnit
SAP:
ServiceAccessPoint）
PCI:
ProtocolControlInformation
PDU:
ProtocolDataUnit
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n-SDU
n-SDU
Fragmentation
PCI
n-PDU
PCIPCI
n-PDUn-PDU
PCI
n-PDU
PCIPCI
n-PDUn-PDU
Reassembly
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z服务原语（ServicePrimitive）
n+1层
节点1节点2
（1）Request
（4）Confirm
（2）Indication
（3）Response
n层
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OSI参考模型（OpenSystemInterconnectionReferenceModel）
7为专门应用定义服务
6提供数据转换服务
5提供会话式的数据传送服务
应用层（ApplicationLayer）
表示层（PresentationLayer）
会话层（SessionLayer）
传输层（TransportLayer）
网络层（NetworkLayer）
数据链路层（DataLinkLayer）
物理层（PhysicalLayer）
4为进程之间数据传送提供服务
3将不同的物理网络连接起来
2定义物理链路的访问规则
1传送原始比特流
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z物理层
¾在物理链路上传送原始比特流。
这需要对机械、电气、功能和过程进行约定。
¾关联实体：
网络适配器（网卡）、传输介质、中继器、放大器、集线器。
z数据链路层
¾定义物理链路的访问规则，以便有效地利用物理链路进行数据传送。
本层可以实现可靠的物理链路，为上层提供可靠的数据传送服务。
¾数据链路层只负责具有直接物理连接的两个节点之间的数据传送，它将比特流形成帧（Frame）进行传送。
这种传送称为节点到节点（Node-to-node）或者跳到跳（Hop-by-hop）的传送。
¾可以提供可靠或者不可靠数据传送服务（可靠的物理链路）。
¾关联实体：
网络适配器（网卡）及其驱动程序，网桥，交换机。
z网络层
¾负责将物理网络连接起来，为任何接入网络的节点之间提供数据传送服务。
¾主机到主机（Host-to-host）的传送。
¾采用分组（Packet）交换方式进行传送。
分组（Packet）也译为数据包。
¾主要功能为路由选择。
¾关联实体：
路由器。
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z传输层
¾负责为进程之间提供数据传送服务。
¾传输层可以提供到可靠的或者不可靠的服务。
可靠的服务一般通过建立一条可靠的逻辑链路来实现。
¾由于进程为数据传送的末端。
所以传输层实现的服务也称为端到端（End-to-End）数据传送服务，所传送的数据称为数据段（Segment）。
¾关联实体：
主机进程。
z会话层
¾提供会话式的数据传输服务，包括在应用进程之间建立、管理和终止会话，实现会话同步和会话控制。
例：
RPC，X-Window，AppleTalk会话协议，视频会议等。
z表示层
¾提供数据转换服务，包括数据格式转换，数据压缩和数据加密。
z应用层
¾为专门应用定义服务，如：
文件服务（FTP），邮件服务（SMTP，POP3），Web服务
（HTTP）。
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APDU
PPDU
主机A
7
6
5
4
对等实体接口
应用层协议
表示层协议
会话层协议
传输层协议
主机B
主机
DPDU
网络层协议
3数据链路
2
1
网络层协议
3
数据链路
22
11
间接连接
7
6
5
4
3
2
1
直连
物理层协议物理层协议
路由器
物理介质物理介质
协议栈（protocolstack）
•Fragmentationandreassembly
•Multiplexing和De-multiplexing
•Encapsulationandde-encapsulation
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OSI
TCP/IP参考模型
FTPHTTP
7
DNS
TFTPDNS
TCPUDP
4
IP
3
应用层（ApplicationLayer）
传输层（TransportLayer）
网际互联层（InternetLayer）
网络接入层（NetworkAccessLayer）
1,2
NET1NET2……
NETn
协议图（protocolgraph）
协议簇（protocolfamily）
TCP提供可靠的逻辑信道（可靠的面向连接的服务）。
Application
TCP
UDP
IP
PhysicalNetwork
UDP提供不可靠的数据报服务（无确认的无连接的服务）。
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网络性能参数
z带宽（bandwidth）
线路的最大数据传输率（bitpersecond，bps或b/s）。
线路带宽一般是固
定的，不会因时间而改变。
z吞吐量（throughput）线路在某段时间的实际传输率（bps）。
影响吞吐量的因素：
带宽，协议，拥塞情况，发送方的发送速度，接收方的接收速度等等。
例如：
一条带宽为3Mbps的ADSL线路在繁忙时段可能只有100Kbps的吞吐量。
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z时延（latency）
一个分组从网络的一个节点传送到另一个节点所需的时间。
其影响因素有：
（a）排队延迟（queuedelay）：
在路由器或网络中的排队时间。
（b）发送延迟（transmitdelay）：
将分组发送出去所需的时间。
z
往返时间（Round-TripTime,
RTT）
z
抖动（jitter）：
（c）传播延迟（propagationdelay）：
电磁波在线路中的传播时间（近似光速）。
对于实时消息传输，如果网络延迟变化过大，将造成抖动（jitter），可以采用缓冲方式解决。
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