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 andComputer Networks

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

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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。

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。

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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。

通信子网

资源子网

CCP

CCPCCP

CCP

CCP

CCP

主机 主机

主机

终端

终端终端

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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

NETWORK PRINCIPLE 1- 7

1.2 计算机网络的定义

通信子网

路由器

路由器

路由器

路由器

路由器

路由器主机

局域网

主机

局域网

主机

局域网

主机

局域网

路由器

路由器 路由器

路由器

服务器

服务器

服务器

服务器

Internet 结构示意图

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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 servic

es 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；

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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

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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。

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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 A

RCnet 等

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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。

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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

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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：

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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

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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

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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

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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

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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)

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广域网、城域网、接入网以及局域网的关系

城域网 城域网

接入网 接入网 接入网 接入网 接入网 接入网

广域网

局域网 局域网校园网 企业网

… …

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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。

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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

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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

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

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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）

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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）

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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。

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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。

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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 e

xactly 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。

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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。）

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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。

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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

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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 S

G ，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 ）

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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）

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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 ）

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OSI参考模型的结构

应 用 层

表 示 层

会 话 层

传 输 层

网 络 层

数据链路层

物 理 层

传输介质 传输介质 传输介质

主机

CCP

网 络 层

数据链路层

物 理 层

应 用 层

表 示 层

会 话 层

传 输 层

网 络 层

数据链路层

物 理 层

主机

CCP

网 络 层

数据链路层

物 理 层

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OSI 环境中的数据传输过程

数据链路层

物 理 层

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

表 示 层

会 话 层

传 输 层

网 络 层

数据链路层

物 理 层

传输介质 传输介质 传输介质

CCP

网 络 层

A应用进程

OSI环境

B应用进程

A主机 B主机

A

数据链路层

物 理 层

CCP

网 络 层

A

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OSI 环境中的数据流

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

表 示 层

会 话 层

传 输 层

网 络 层

数据链路层

物 理 层

A应用进程 B应用进程

比特序列

帧

分组

报文

数据单元

数据单元

数据

数据

传输介质

A主机 B主机

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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。

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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

4

3

2

1

TCP/IP模型中的协议和网络

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1.5 网络参考模型

OSIOSI模型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

Telnet FTP HTTPSMTP

TCP UDP

IP ICMP ARP RARP

FDDI Ethernet

Hardware

TCP/IPTCP/IP 模型模型

TCP/IP 与 OSI模型的比较

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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