第1章计算机网络概论.ppt
第1章 计算机网络概论,计算机网络第1章 计算机网络概论,2,本章学习要求：,了解：计算机网络的形成与发展过程。 掌握：计算机网络的定义与分类方法。 掌握：计算机网络的结构 掌握：计算机网络拓扑构型 掌握：分组交换技术 了解：典型的计算机网络。 相关问题,计算机网络第1章 计算机网络概论,3,1.1 计算机网络的形成与发展 1.1.1 计算机网络发展阶段的划分,第一阶段：20世纪50年代-面向终端 数据通信技术的研究与发展 第二阶段：20世纪60年代-分组交换 ARPAnet与分组交换技术的研究与发展 第三阶段：20世纪70年代-体系结构 网络体系结构与协议标准化的研究 广域网、局域网与分组交换技术的研究与应用 第四阶段：20世纪90年代-Internet 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,计算机网络第1章 计算机网络概论,4,从主机为中心到以网络为中心,以主机为中心,以分组交换网为中心,计算机网络第1章 计算机网络概论,5,1.1.2 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； 典型的研究成果是ARPAnet。,计算机网络第1章 计算机网络概论,6,1.1.3 网络体系结构与协议标准化的研究,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，制定了一系列的协议标准-OSI参考模型； 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。,计算机网络第1章 计算机网络概论,7,1.1.4 Internet的应用与网络计算技术发展,Internet应用促进了电子商务、电子政务、远程教育、远程医疗、分布式计算与视频点播的发展； 高速网络技术发展迅速，Fast Ethernet、Gigabit Ethernet已开始进入实用阶段，速率为10Gb/s的Ethernet网正在研究之中； Web技术。,计算机网络第1章 计算机网络概论,8,1.1.5 宽带网络与全光网络技术的研究与发展,很多国家的政府与企业投入巨额资金，把宽带网络作为战略产业来发展； 宽带网络建设的两个关键是宽带骨干网技术和宽带接入网技术的发展； 全光网会给未来通信网的宽带、容量带来更大地发展空间。,返回,计算机网络第1章 计算机网络概论,9,1.2 计算机网络的定义与分类 1.2.1 计算机网络定义的基本内容,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。 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。,计算机网络第1章 计算机网络概论,10,1.2.2 计算机网络的分类,计算机网络的分类方法主要的是以下两种： 根据网络所使用的传输技术分类； 根据网络的覆盖范围与规模分类。,计算机网络第1章 计算机网络概论,11,1. 按网络传输技术进行分类,通信信道的类型有两类： 广播通信信道； 点-点通信信道。 相应的计算机网络也可以分为两类： 广播式网络 （broadcast networks）； 点-点式网络（point-to-point networks）。,计算机网络第1章 计算机网络概论,12,2. 按网络的覆盖范围进行分类,按覆盖的地理范围进行分类，计算机网络可以分 为以下三类： 局域网（ local area network ， LAN）； 城域网（ metropolitan area network ， MAN）； 广域网（wide area network ， WAN ）。,计算机网络第1章 计算机网络概论,13,局域网的技术特点,覆盖有限的地理范围，它适用于公司、机关、校园、工厂等有限范围内的计算机、终端与各类信息处理设备连网的需求； 提供高数据传输速率（10Mb/s10Gb/s）、低误码率的高质量数据传输环境； 一般属于一个单位所有，易于建立、维护与扩展； 从介质访问控制方法的角度，局域网可分为共享介质式局域网与交换式局域网两类。,计算机网络第1章 计算机网络概论,14,城域网的技术特点,城域网是介于广域网与局域网之间的一种高速网络； 城域网设计的目标是要满足几十公里范围内的大量企业、机关、公司的多个局域网互连的需求； 实现大量用户之间的数据、语音、图形与视频等多种信息的传输功能； 城域网在技术上与局域网相似。,计算机网络第1章 计算机网络概论,15,广域网的技术特点,广域网也称为远程网； 覆盖的地理范围从几十公里到几千公里； 覆盖一个国家、地区，或横跨几个洲，形成国际性的远程网络； 通信子网主要使用分组交换技术； 它将分布在不同地区的计算机系统互连起来，达到资源共享的目的。,返回,计算机网络第1章 计算机网络概论,16,1.3 计算机网络的组成与结构,计算机网络要完成数据处理与数据通信两大基本功能。 早期计算机网络主要是广域网，它从逻辑功能上分为资源子网和通信子网两个部分： 资源子网负责数据处理的主计算机与终端； 通信子网负责数据通信处理的通信控制处 理机与通信线路。,计算机网络第1章 计算机网络概论,17,资源子网和通信子网两个部分的结构示意图,计算机网络第1章 计算机网络概论,18,1.3.1 资源子网的概念,资源子网的组成 主机 终端 终端控制器 外设 软件资源 信息资源 主机（host） 大型机、中型机、小型机、工作站或微机 终端（terminal） 用户访问网络的界面; 终端可以是简单的输入、输出终端，也可以是带有微处理机的智能终端;,计算机网络第1章 计算机网络概论,19,1.3.2 通信子网的概念,通信子网由通信控制处理机、通信线路与其他通信设备组成，完成网络数据传输、转发等通信处理任务； 通信控制处理机在网络拓扑结构中被称为网络结点； 通信控制处理机作为与资源子网的主机、终端的连接的接口，将主机和终端连入网内；,计算机网络第1章 计算机网络概论,20,1.3.3 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。,计算机网络第1章 计算机网络概论,21,由路由器互联的大型、层次结构的互联网络示意图,返回,计算机网络第1章 计算机网络概论,22,1.4 计算机网络的拓扑构型 1.4.1 计算机网络拓扑的定义,计算机网络拓扑是通过网中结点与通信线路之间的几何关系表示网络结构，反映出网络中各实体间的结构关系; 计算机网络拓扑主要是指通信子网的拓扑构型; 拓扑设计对网络性能、系统可靠性与通信费用都有重大影响。,计算机网络第1章 计算机网络概论,23,1.4.2 计算机网络拓扑的分类,1.总线型 2.星型； 3.环型； 4.树型； 5.网状型。,计算机网络第1章 计算机网络概论,24,星形结构,C,计算机网络第1章 计算机网络概论,25,1. 星形结构 构成：一个功能较强的中心，各自连接到中心的从节点。 传输方式：节点间的通信必须经过中心转发。 优点：建网容易，控制相对简单。 缺点：集中控制，对中心的依赖性大。,计算机网络第1章 计算机网络概论,26,层次/树形结构,计算机网络第1章 计算机网络概论,27,2. 层次/树形结构 构成：网络中的计算机按照树形组成，通常越靠近树根的计算机功能越强。上层对下层起控制作用。 优点：减少对中心的依赖性，提高兄弟节点间的传输效率。 缺点：集中控制，对中心的依赖性仍然大。,计算机网络第1章 计算机网络概论,28,总线形结构,计算机网络第1章 计算机网络概论,29,3. 总线形结构 构成：一条高速公用总线连接若干个节点。 传输方式：广播通信方式。CSMA/CD、令牌传送访问控制。 优点：网络结构简单灵活、性能和可扩充性好。可靠性和效率高，成本低，安装方便。 缺点：工作站的数量受总线负载能力限制。可靠性依赖于总线。,计算机网络第1章 计算机网络概论,30,环形结构,计算机网络第1章 计算机网络概论,31,4. 环形结构 构成：用通信线路将网络节点连成一个闭合的环。 传输方式：数据在环上单向流动，每个节点向下一个节点转发不发送给自己的信息。,返回,返回,计算机网络第1章 计算机网络概论,32,1.5 分组交换技术的概念,1. 线路交换 2. 存储转发交换 3. 报文 4. 报文分组 5. 数据报方式 6. 虚电路方式 7. 典型应用,返回,计算机网络第1章 计算机网络概论,33,广域网中的数据交换技术,1. 线路交换 报文 （message） 2. 存储转发 数据报方式 交换 报文分组 （packet） 虚电路方式,返回,存储转发 交换,计算机网络第1章 计算机网络概论,34,线 路 交 换,计算机网络第1章 计算机网络概论,35,线路交换方式,线路交换是面向连接的服务； 两台计算机通过通信子网进行数据交换之前，首先要在通信子网中建立一个实际的物理线路连接； 线路交换在数据传输过程中要经过建立连接、数据传输与释放连接的三个阶段；,计算机网络第1章 计算机网络概论,36,线路交换方式的优点是：通信实时性强，适用于交互式会话类通信； 线路交换方式的缺点是：对突发性通信不适应，系统效率低，系统不具有存储数据的能力，不能平滑交通量。 示意图,两部电话机只需要用一对电线 就能够互相连接起来。,传统电话网使用线路交换,但若要将 5 部电话机两两相连， 则需要 10 对电线。,传统电话网使用线路交换,当电话机的数量很大时， 就必须使用电话交换机进行连接。,传统电话网使用线路交换,(,(,A,通话前先拨号建立连接。 可能只要经过一个交换机（如 A 到 B） 可能要经过多个交换机（如 C 到 D） 通话过程中，通信双方一直占用所建立的连接。 通话结束后，挂机释放连接。,线路交换的特点,(,(,(,(,(,(,B,C,D,返回,分组从 A 传送到 B 的过程,网络,网络,网络,网络,网络,网络,网络,路由器,路由器,路由器,路由器,路由器,路由器,A,B,这就是基于存储转发的分组交换,计算机网络第1章 计算机网络概论,42,存储转发交换方式 存储转发交换方式与线路交换方式的主要区别,1.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）进入通信子网； 2.通信子网中的结点是通信控制处理机，它负责完成数据单元的接收、差错校验、存储、路选和转发功能。,计算机网络第1章 计算机网络概论,43,存储转发方式的优点,由于通信子网中的通信控制处理机可以存储分组，多个分组可以共享通信信道，线路利用率高； 通信子网中通信控制处理机具有路选功能，可以动态选择报文分组通过通信子网的最佳路径； 可以平滑通信量，提高系统效率；,返回,计算机网络第1章 计算机网络概论,44,存储转发方式的优点,分组在通过通信子网中的每个通信控制处理机时，均要进行差错检查与纠错处理，因此可以减少传输错误，提高系统可靠性； 通过通信控制处理机可以对不同通信速率的线路进行转换，也可以对不同的数据代码格式进行变换。,返回,计算机网络第1章 计算机网络概论,45,存储转发交换的 2 种形式,1. 报文（message）传输： 不管发送数据的长度是多少，都把它当作一个逻辑单元发送； 2. 报文分组（packet）传输： 限制一次传输数据的最大长度，如果传输数据超过规定的最大长度，发送结点就将它分成多个报文分组发送。,计算机网络第1章 计算机网络概论,46,报文和报文分组结构,由于分组长度较短，在传输出错时，检错容易并且重发花费的时间较少； 限定分组最大数据长度，有利于提高存储转发结点的存储空间利用率与传输效率； 公用数据网采用的是分组交换技术。,返回,分组交换,在发送端把要发送的报文分隔为较短的数据块 每个块增加带有控制信息的首部构成分组（包） 依次把各分组发送到接收端 接收端剥去首部，抽出数据部分，还原成报文,首部,首部,首部,发 送,发 送,接收端,数 据,首部,数 据,首部,数 据,首部,11010011101 00101001110,返回,计算机网络第1章 计算机网络概论,48,数据报方式的工作原理示意图,计算机网络第1章 计算机网络概论,49,数据报方式,数据报是分组存储转发的一种形式； 在数据报方式中，分组传送之间不需要预先在源主机与目的主机之间建立“线路连接”； 源主机所发送的每一个分组都可以独立地选择一条传输路径； 每个分组在通信子网中可能是通过不同的传输路径到达目的主机。,计算机网络第1章 计算机网络概论,50,数据报工作方式的特点,同一报文的不同分组可以由不同的传输路径通过通信子网； 同一报文的不同分组到达目的结点时可能出现乱序、重复与丢失现象； 每一个分组在传输过程中都必须带有目的地址与源地址； 数据报方式报文传输延迟较大，适用于突发性通信，不适用于长报文、会话式通信。,返回,计算机网络第1章 计算机网络概论,51,虚电路 方式 原理 示意图,计算机网络第1章 计算机网络概论,52,虚电路方式,虚电路方式试图将数据报方式与线路交换方式结合起来，充分发挥两种方法的优点，以达到最佳的数据交换效果; 虚电路方式与线路交换方式相同，整个通信过程分为以下三个阶段：虚电路建立、数据传输与虚电路释放阶段。,计算机网络第1章 计算机网络概论,53,虚电路的特点,1. 在每次分组发送之前，必须在发送方与接收方之间建立一条逻辑连接。这是因为不需要真正去建立一条物理链路，连接发送方与接收方的物理链路已经存在；,计算机网络第1章 计算机网络概论,54,虚电路的特点,2. 一次通信的所有分组都通过这条虚电路顺序传送，因此报文分组不必带目的地址、源地址等辅助信息。分组到达目的结点时不会出现丢失、重复与乱序的现象；,计算机网络第1章 计算机网络概论,55,虚电路的特点,3.分组通过虚电路上的每个结点时，结点只需要做差错检测，而不需要做路径选择； 4.通信子网中每个结点可以和任何结点建立多条虚电路连接。,计算机网络第1章 计算机网络概论,56,虚电路方式与线路交换方式的不同之处,虚电路是在传输分组时建立起的逻辑连接，称为“虚电路”是因为这种电路不是专用的。每个结点到其他结点间可能有无数条虚电路存在； 一个结点可以同时与多个结点之间具有虚电路； 每条虚电路支持特定的两个结点之间的数据传输。,返回,计算机网络第1章 计算机网络概论,57,典型的广域技术,1. X.25分组交换网 2. 帧中继FR 3. 综合业务数字网ISDN 4. 异步传输模式ATM,返回,计算机网络第1章 计算机网络概论,58,X.25简介,CCITT 在70年代开发了X.25，以便在公用分组交换网络和它们的客户之间提供接口。X.25描述了将一个分组终端连接到一个分组网络上所需要做的工作。 X.25是一种中速数据网络，一般速率在64kbps以内。,计算机网络第1章 计算机网络概论,59,X.25接口的3个层次,返回,计算机网络第1章 计算机网络概论,60,帧中继的主要特点：,（1）中速到高速的数据接口； （2）可用于专用和公共网； （3）仅传输数据； （4）使用可变长度分组。,计算机网络第1章 计算机网络概论,61,帧中继的帧结构图,计算机网络第1章 计算机网络概论,62,帧中继的常见应用,（1）局域网的互连。由于帧中继具有支持不同数据速率的能力，使其非常适于处理局域网局域网的突发数据流量。 （2）语音传输。帧中继不仅适用于对时延不敏感的局域网的应用，还可以进行对时延要求较高的低档语音（例如：长途电话）的应用。 （3）文件传输。帧中继既可保证用户所需的带宽，又有满意的传输时延，非常适合大流量文件的传输。,返回,返回,计算机网络第1章 计算机网络概论,63,ISDN的中心思想,ISDN的中心思想是数字比特管道（digital bit pipe），它是客户和电信公司间概念上的管道，比特就在其中流过。不管比特是源自于数字电话、数字终端、数字传真机或其他什么设备，重要的是比特能在管道中双向流动。,计算机网络第1章 计算机网络概论,64,ISDN比特管道支持由时分多路复用分隔的6种标准化信道： A4khz模拟电话信道 B64kb/s数字PCM信道，用于话音或数字 C8kb/s 或16kb/s数字信道 D16kb/s数字信道，用于段外信令 E64kb/s数字信道，用于ISDN内部信令 H384kb/s，1536kb/s或1920kb/s数字信道,计算机网络第1章 计算机网络概论,65,ISDN的主要特点,（1）建立数字比特管道的概念，管道采用时分复用的方式来支持多个独立的信道。 （2）可同时提供多个信道、多种业务，包括声音、图形、图像、文本等。 （3）一对线可同时接入多个终端。,返回,返回,计算机网络第1章 计算机网络概论,66,3.7.5 ATM交换方式,ATM是一种面向连接的技术； 采用 固定长度53字节的信元作为数据传输单元； 能够支持数字、语音、图像、视频等多媒体通信； ATM以时分多路复用方式动态分配网络带宽，网络传输延时小，适应实时通信的要求； ATM的数据传输速率可以在155Mb/s2.4Gb/s。,计算机网络第1章 计算机网络概论,67,ATM信元结构,ATM是一种高速分组交换技术，交换的基本数据传输单元是信元； 在ATM交换方式中，文本、语音、视频等所数据将被分解为长度固定的信元（Cell）； 信元有一个5字节的信元头（header）与一个48字节的用户数据（user data），信元长度为53字节。,计算机网络第1章 计算机网络概论,68,物理链路（Physical Link） 虚通路（VP，Virtual Path） 虚通道（VC，Virtual Channel）,计算机网络第1章 计算机网络概论,69,支持远程教学的ATM网,计算机网络第1章 计算机网络概论,70,用于多媒体传输的虚通道,返回,返回,计算机网络第1章 计算机网络概论,71,DWDM（Dense Wave Division Multiplexing，密集波分复用）将不同波长的激光用不同的数据流调制，再将调制后的光波叠加在一起，由一条光纤进行传输。在光纤的另一端，进行相反的过程以恢复所有的数据流。,计算机网络第1章 计算机网络概论,72,最初，人们只能在一根光纤上复用两路光载波信号，这种复用方式为波分复用。现在已经能做到在一根光纤上复用80路或更多路的光载波信号。于是就使用密集波分复用这一名词。这样，波分复用器在同一个光纤内部创建了不同的信道，每一个信道的速度可达2.5Gb/s,返回,计算机网络第1章 计算机网络概论,73,1.5 典型计算机网络,ARPANET Internet Internet2,计算机网络第1章 计算机网络概论,74,1.5.1 ARPAnet,1969年11月，实验性的ARPAnet开通； 1975年，ARPAnet 已经连入了100多台主机，并且结束了网络实验阶段，移交美国国防部国防通信局正式运行； 1983年1月，ARPAnet向TCP/IP的转换结束； 20 世纪80年代中期，ARPAnet成为Internet的主干网； 1990年，ARPAnet退役。 ARPAnet对网络的产生与发展起到重要的影响。,计算机网络第1章 计算机网络概论,75,1.5.3 Internet,20世纪80年代中期人们开始认识到Internet的重要作用； 20世纪90年代是Internet历史上发展的最快的时期； Internet应用主要有E-mail、WWW、Telnet、FTP等，随着Internet规模和用户的不断增长，Internet上的应用领域也进一步得到开拓；,1.办公自动化应用 计算机网络技术的迅速发展推进了办公自动化的进程，办公自动化应用可分为四个阶段： （1）BOA(Basic Office Automation)阶段。本阶段以单机为主，主要是文字和报表的处理。 （2）DOA(Distributed Office Automation)阶段。利用局域网将各工作站之间连接，可互相通信，使用分布式数据库共享数据，通过网络服务器共享各种设备。 （3）OAS(Office Automation System)阶段。利用远程网络建立起的办公信息管理系统。,（4）IDA(Integrated Office Automation)阶段。综合办公自动化系统，具有必要的决策模型来支持决策功能，并具有图形、图像、数据、文字、声音等综合通信和文件处理功能。 让网络上的用户，无论处于什么地方，也不论资源的物理位置在哪里，都能使用网络中的程序、设备尤其是数据。通过强大的通信手段协同工作，进行快速有效的办公处理。,2.电子数据交换 电子数据交换是计算机网络在商业中的一种新形式，是以贸易、运输、银行等行业信息为一种共同认可的格式,通过计算机网络通信,实现各联网计算机之间的数据交换,并完成贸易业务的全过程。 例如查询自己的银行账户的余额，用电子方式支付账单。在电子商务网站，人们可以浏览成千上万的联机货物清单。某些清单还能提供相应产品的即时影像，还可以通过电信业务系统，查询自己的详细账单等等。,3.远程教育 远程教育具有以下特点： （1）综合利用声音、图像、文本等多媒体技术，以多样的表达手段使得枯燥的教学更为生动； （2）通过先进的通信设备，使不同地点的学员与教师之间可以进行“面对面“的交流； （3）将课程、试验、作业、参考资料以及试卷做成课件，使学员可以更加灵活选择上课的时间、地点和内容的通过网络随时选择适合自己的内容进行点播学习；,4.企业网络应用 企业网络的建设已经成为提升企业核心竞争力的关键因素。集散系统和计算机集成制造系统CMIS是两种典型的企业网络系统。利用网络技术，现代企业可以在生产流程、供应商、客户、合作伙伴、员工之间实现优化的信息沟通。这直接关系到企业能否获得关键的竞争优势。,5.校园网络应用 校园网是将大学园区内的计算机、工作站和终端，通过高性能网络连接到各种服务器上，组成分布式的网络系统，将大中型计算机资源和其他网内资源共享的通信网络。 校园网是提高教学、科研水平不可或缺的重要支撑环节。共享资源是校园网最基本的应用,人们通过网络更有效地共享各种软、硬件及信息资源,为众多的科研人员提供合作环境。,计算机网络第1章 计算机网络概论,82,Internet2,计算机网络第1章 计算机网络概论,83,Internet2比现在的互联网先进的多，速度要快一百到一千倍，它能使医疗、音乐和娱乐在线互动化。 Internet2这种技术正在测试使用和互动医疗及长期天气预报等复杂计算机项目相关的高级应用。它还在实验流动型高清晰视频，这种视频技术被认为是电视发展的未来。,计算机网络第1章 计算机网络概论,84,Internet2研究者预计未来五年里，用户将开始看到互联网越来越快，越来越深入。全动态视频将进入家庭，电影将通过Internet2分发。,返回,计算机网络第1章 计算机网络概论,85,问题：“主机”和“计算机”一样不一样？,答：“主机”(host)就是“计算机”(computer)，因此“主机”和“计算机”应当是一样意思。 不过在因特网中，“主机”是指任何连接在因特网上的（也就是连接在因特网中某一个物理网络上的）、可以运行应用程序的计算机系统。主机可以小到PC机，也可以大到巨型机。主机的CPU可以很慢也可以很快，其存储器可以很小也可以很大。但TCP/IP协议族可以使因特网上的任何一对主机都能进行通信，而不管它们的硬件有多大区别。,计算机网络第1章 计算机网络概论,86,局域网、广域网和公用网、专用网有什么关系？,答：局域网通常都是为某个单位所拥有。非本单位的人一般都无法使用本单位安装的局域网。因此，局域网一般都是专用网。当然，也有例外。例如，某大学的国家重点实验室中的局域网就可以供所有到该重点实验室进行研究工作的外单位人员使用，因为国家重点实验室必须是开放的。显然，这样的局域网和一般的公用网不完全一样。,计算机网络第1章 计算机网络概论,87,但是，专用网也不一定都是局域网。例如，军队拥有自己专用的军用通信网和计算机网。这些网络不对军队以外的用户开放。因此这些军用网络都是军队的专用网。这些网络覆盖的地理范围很广，因此，这些军用专用网都是广域网。同理，其他一些部门（如铁路、交通、电力等部门）的专用网也都是广域网。,计算机网络第1章 计算机网络概论,88,电信公司建设的各种公用网都是为所有按章交费的用户提供服务的。由于广域网覆盖的地理范围广，可向更多的用户提供服务，因此电信公司建造的公用网都是广域网。 从网络的数量上看，在全世界的网络中，绝大多数都是局域网，并且大多是专用的局域网。,
