计算机网络基础
什么是计算机网络？
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
可以相互通信的自主计算机的互连集合。
…
Mainframe Terminal
主控机
大型机系统（Super Computer， 例：曙光5000）
主从系统（例：RS-485）
从属机 … 从属机
自主计算机
自主计算机
计算机网络
自主计算机
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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-point link) 多路访问链路(multi-access link): 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。
NET1 NET2 …… NETn FTP HTTP DNS TFTP DNS
APDU
表示层协议 会话层协议 传输层协议 网络层协议 数据链路 2 1 路由器 3
TCP
UDP
5 4 3 2
IP
1,2
DPDU
1
物理层协议
物理层协议
协议图(protocol graph) 协议簇(protocol family) Application TCP UDP IP Physical Network
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网络性能参数
带宽(bandwidth)
线路的最大数据传输率(bit per second，bps或b/s)。线路带宽一般是固 定的，不会因时间而改变。
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(queue delay)：在路由器或网络中的排队时间。 (b) 发送延迟(transmit delay)：将分组发送出去所需的时间。 (c) 传播延迟(propagation delay)：电磁波在线路中的传播时间(近 似光速)。
(3) 服务质量问题（Quality of Service, QoS）
• 物理信道(Physical Channel) 逻辑信道(Logic Channel) • 可靠信道(Reliable Channel) 不可靠信道(Unreliable Channel) • 面向连接的服务(Connection-Oriented Service) 无连接的服务(Connectionless Service) • 无确认服务(Non-acknowledged Service) • 有确认服务(Acknowledged Service) • 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-Reply Channel) 消息流信道(Message Stream Channel)
(e) 确定传输方向(点到点)
• 单工(simplex)： 单向传输。 • 半双工(half duplex)： 双向传输，但同一时刻只能一个方向。 • 全双工(full duplex)： 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(Time Division Multiplexing)。分时使用。 • STDM (Synchronous TDM) ：分配的时间片大小相同。 • FDM：频分多路复用(Frequency Division Multiplexing)。划分成多个频带使用。 • WDM：波分多路复用(Wave Division Multiplexing)。采用不同波长。 • CDM：码分多路复用(Code Division Multiplexing, CDM): 采用不同码。
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。
往返时间(Round-Trip Time, RTT) 抖动(jitter)：
PCI
PCI n-PDU
PCI n-PDU
PCI n-PDU
PCI n-PDU
PCI n-PDU
Reassembly
n-SDU Encapsulation n-SDU
payload n-PDU
n-PDU De-encapsulation
PCI
n-SDU n-SDU
n层
n entity
n-PDU
n-1层
传输层
负责为进程之间提供数据传送服务。 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。 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)。 关联实体：主机进程。
数据链路层
(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。
router 网络1
R
gateway 网络2
网络3
…
point-to-point link multi-access link
(c) 实现数据交换
• 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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PDU
节点1 n+1层 节点2
n+1 entity
n+1 PDU n+1 PDU
SAP2
n+1 entity
n-SDU
n-SDU
SAP1
Fragmentation PCI n entity
物理介质 协议栈(protocol stack)
物理介质
• Fragmentation and reassembly • Multiplexing和De-multiplexing • Encapsulation and de-encapsulation 15/18
TCP 提供可靠的逻辑信道（可靠的面向连接的服务）。 UDP 提供不可靠的数据报服务（无确认的无连接的服务）。
• Statistical Multiplexing：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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计算机网络分类
• 按地域范围划分： 系统域网(System Area Network, SAN)或者存储区域网络 局域网(Local Area Network，LAN) 城域网(Metropolitan Area Network，MAN) 广域网(Wide Area Network，WAN) －无线网络分为无线LAN (Wireless LAN, WLAN)和无线WAN － SAN也是存储区域网络 (Storage Area Network)的简称。
SDU: Service Data Unit SAP: Service Access Point) PCI: Protocol Control Information PDU: Protocol Data Unit
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服务原语(Service Primitive)
节点1 n+1层 (1)Request n层 (4)Confirm (2)Indication (3)Response 节点2
• 链路（link): 指传输介质(transmission medium)，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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(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。
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应用层
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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TCP/IP参考模型
主机
主机B 7 6 5 4 网络层协议 2 1 数据链路 3 2 1 直连 间接连接 主机
OSI 7 4 3 应用层（Application Layer） 传输层（Transport Layer） 网际互联层（Internet Layer） 网络接入层（Network Access Layer）
会话层
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。
表示层
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。
网络层
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。 主机到主机(Host-to-host)的传送。 采用分组(Packet)交换方式进行传送。 分组(Packet)也译为数据包。 主要功能为路由选择。 关联实体：路由器。
6 5 4 3 2 1
提供数据转换服务 提供会话式的数据传送服务 为进程之间数据传送提供服务 将不同的物理网络连接起来 定义物理链路的访问规则 传送原始比特流
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物理层
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。 关联实体：网络适配器(网卡)、传输介质、中继器、放大器、集线器。
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。