第-2-章-计算机网络基础课件.ppt
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- 计算机网络 基础 课件
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1、第 2 章计算机网络基础第 2 章计算机网络基础2.1 计算机网络发展计算机网络发展2.2 计算机网络的定义及分类计算机网络的定义及分类 2.3 计算机网络体系结构计算机网络体系结构2.4 计算机网络新技术计算机网络新技术第 2 章计算机网络基础2.1 计算机网络发展计算机网络发展1联机终端系统早期的计算机网络是以主机为中心的联机终端网络系统,如图2-1所示。它是以单个主机为中心的星形网,各终端通过通信线路共享昂贵的中心主机的硬件和软件资源。第 2 章计算机网络基础图2-1 以单个主机为中心的联机终端网络第 2 章计算机网络基础在系统的主机前增设一个前置处理机(FEP,Front End Pr
2、ocessor),用来专门负责通信工作,从而实现了处理数据与通信控制的分工,更好地发挥中心计算机的数据处理能力,其结构图如图2-2所示。20世纪60年代初美国航空公司建成的由一台计算机与分布在全美国的2000多个终端组成的航空订票系统SABRE-1,就是一种典型的计算机通信网络。第 2 章计算机网络基础图2-2 有FEP的联机终端系统第 2 章计算机网络基础2主机-主机网络阶段早期的联机终端系统只有一个处理机,各终端通过通信线路共享主机的硬件和软件资源。主机-主机网络系统呈现出的是多个主机处理中心的特点,各主机通过通信线路连接,相互交互数据、传送软件,实现了连接的计算机之间的资源共享。图2-3
3、为主机-主机网络结构图。第 2 章计算机网络基础图2-3 主机-主机网络结构第 2 章计算机网络基础 根据当时美国军方提出的需求,这种新型的网络必须满足以下一些基本要求: (1) 和传统的电信网不同,这种新型的网络不是为了打电话,而是用于计算机之间的数据传送。 (2) 新型的网络能够连接不同类型的计算机,即不局限于单一类型的计算机。第 2 章计算机网络基础 (3) 所有的网络节点都同等重要。因为网络必须经受得起敌人的核打击,所以在网络中不能有某些特别重要的节点,否则敌人将首先瞄准和摧毁这些重要的节点。 (4) 计算机在进行通信时,必须有冗余的路由。当网络中的某一个节点或链路被破坏时,冗余的路由
4、能够使正在进行的通信自动找到合适的路由,使通信维持畅通。 (5) 网络的结构应当尽可能的简单,但能够非常可靠地传送数据。 第 2 章计算机网络基础根据以上这些要求,分组交换(packet switching)的新型计算机网络应运而生。1968年,世界上第一个计算机网络ARPANET诞生。ARPANET的主要特点是资源共享、分散控制、分组交换、采用专门的通信控制处理机。图2-4为典型的ARPA网。第 2 章计算机网络基础图2-4 典型的ARPA网第 2 章计算机网络基础这里简单地介绍一下分组交换的概念。分组交换采用的是存储转发技术,图2-5为分组概念的图示。将欲发送的整块数据称为一个报文,在发送
5、报文前,先将较长的报文划分成多个更小的等长数据段,在每个数据段前面,加上一些由必要的控制信息组成的首部后,就构成一个分组。分组是在计算机网络中传送的数据单位,分组的首部称为“报头”。第 2 章计算机网络基础图2-5 分组的概念第 2 章计算机网络基础每一个分组的首部都含有地址等控制信息。分组交换网中的节点交换机根据收到的分组的首部中的地址信息,把分组转发到下一个节点交换机,用这样的存储转发方式,就能将分组传送到最终目的地。接收端收到分组后剥去首部还原出报文(这里假定分组在传输过程中没有出现差错,在转发时也没有被丢弃)。第 2 章计算机网络基础分组交换网的示意图如图2-6所示。分组交换是动态分配
6、传输带宽,即对通信链路是逐段占用的,而且以分组为传送单位和查找路由。分组交换不必先建立连接就能向其他主机发送分组,这样就能充分使用链路的带宽。分组交换的可靠性较高,有着完善的网络协议,其自适应的路由选择协议使网络有很好的生存性。第 2 章计算机网络基础图2-6 分组交换网第 2 章计算机网络基础ARPANET的试验成功使计算机网络的概念发生了根本的变化,采用崭新的“存储转发-分组交换”的原理,标志着真正的计算机网络时代的开始,由此广域网得到了极大的发展。后来,主机-主机网络系统体系慢慢向两种形式演变。一种形式是将通信任务从主机中分离,加入通信控制处理机(CCP)来专门处理主机之间的通信任务,其
7、结构图如图2-7所示。第 2 章计算机网络基础图2-7 有CPP的主机-主机网络第 2 章计算机网络基础由CCP组成的传输网络,称为通信子网。主机的集合称为资源子网,提供各种网络资源。资源子网建立在通信子网基础上(可多系统并存),通信子网为资源子网提供信息传输服务。图2-8为以通信子网为中心的网络图。第 2 章计算机网络基础图2-8 以通信子网为中心的网络第 2 章计算机网络基础第二种演变就是随着通信子网规模的扩大,网络逐渐由私有扩大成为社会公用,原来的CCP成为了公共数据通信网。其优点有:降低用户系统建设成本,使通信线路利用率高、兼容性好。其结构图如图2-9所示。第 2 章计算机网络基础图2
8、-9 以公用数据通信网为中心的网络第 2 章计算机网络基础3标准化网络阶段20世纪70年代中期,价廉物美的个人计算机(PC)问世,使得一个企业或者部门可以很容易地拥有一台或者多台计算机,这样便形成了局域网。局域网的出现促进了计算机网络的发展,不同网络设备之间的兼容性和互操作性是推动网络体系结构标准化的原动力。20世纪70年代,进入了网络协议标准化的时代,也就是局域网时代的开始,其中具有代表性的网络协议是OSI、TCP/IP。第 2 章计算机网络基础 2.2 计算机网络的定义及分类计算机网络的定义及分类2.2.1 计算机网络的定义计算机网络的定义 关于计算机网络的最简单的定义是:一些互相连接的、
9、自治的计算机的集合。若按此定义,则早期的面向终端的网络都不能算是计算机网络,而只能称为联机系统(因为那时的许多终端不能算是自治的计算机)。但随着硬件价格的下降,许多终端都具有了一定的“智能”,因而“终端”和“自治的计算机”逐渐失去了严格的界限。 第 2 章计算机网络基础计算机网络由网络硬件、网络软件和网络协议构成。如图2-10所示。网络硬件一般包括工作站、服务器、联网部件和通信介质。网络软件包括网络操作系统、管理软件、交换及路由软件、网络应用软件。网络协议依附于一定的网络体系结构,如ISO-OSI参考模型、TCP/IP等。目前起主导作用的网络体系结构为TCP/IP。第 2 章计算机网络基础图2
10、-10 计算机网络的构成第 2 章计算机网络基础2.2.2 几种不同的网络分类方法几种不同的网络分类方法1按网络的跨度分类 (1) 局域网(LAN,Local Area Network)。局域网也称局部区域网络,覆盖范围常在几千米以内,限于单位内部或建筑物内,常由一个单位投资组建,具有规模小、专用、传输时延小的特征。局域网一般由微型计算机或工作站通过高速通信线路相连(速率通常为10Mb/s)。第 2 章计算机网络基础(2) 城域网(MAN,Metropolitan Area Network)。城域网也称市域网,覆盖范围介于局域网和广域网之间。例如覆盖一个城市,可跨越几个街区甚至整个城市。城域网
11、可以为一个或几个单位所拥有,也可以是一种公共设施,用来将多个局域网进行互联。城域网的传送速率比局域网更高。第 2 章计算机网络基础 (3) 广域网(WAN,Wide Area Network)。广域网也称为远程网(long haul network),覆盖范围通常在数十千米以上,具有规模大、传输时延大的特征。广域网的任务是长距离传送主机所发送的数据。连接广域网各节点交换机的链路一般都是高速链路,具有较大的通信容量。第 2 章计算机网络基础(4) 接入网(AN,Acess Network)。接入网又称本地接入网或居民接入网,它是近年来由于用户对高速上网需求的增加而出现的一种网络技术。接入网是个人
12、计算机、局域网和城域网之间的接口。接入网提供多种高速接入技术,使用户接入到因特网的瓶颈问题得到某种程度上的解决。图2-11给出了广域网、城域网、局域网和接入网的关系。第 2 章计算机网络基础图2-11 广域网、城域网、局域网和接入网的关系第 2 章计算机网络基础2按网络的拓扑结构分类(1) 星形网:指各工作站以星形方式连接成网。其结构示意图如图2-12所示。即网络有中央节点,其他节点(工作站、服务器)都与中央节点直接相连。它具有结构简单、便于管理、控制简单、便于建网、网络时延时间较小、传输误差较低等优点,但缺点也很明显,如成本高、可靠性较低、资源共享能力较差等。第 2 章计算机网络基础(2)
13、环形网:结构示意图如图2-13所示。网络中若干节点通过点到点的链路首尾相连形成一个闭合的环,这种结构使公共传输电缆组成环形连接,数据在环路中沿着一个方向从一个节点传到另一个节点。第 2 章计算机网络基础图2-12 星形拓扑结构示意图 第 2 章计算机网络基础图2-13 环形拓扑结构示意图 第 2 章计算机网络基础信息流在网中是沿着固定方向流动的,两个节点仅有一条道路,简化了路径选择的控制;由于信息源在环路中是串行地穿过各个节点的,当环中节点过多时,势必影响信息传输速率,使网络的响应时间延长;环路是封闭的,不便于扩充,可靠性低,若一个节点发生故障,将会导致全网瘫痪,网络维护难,对分支节点故障定位
14、难。第 2 章计算机网络基础(2) 环形网:结构示意图如图2-13所示。网络中若干节点通过点到点的链路首尾相连形成一个闭合的环,这种结构使公共传输电缆组成环形连接,数据在环路中沿着一个方向从一个节点传到另一个节点。第 2 章计算机网络基础(3) 总线形网:各工作站和服务器均挂在一条总线上,各工作站地位平等,无中心节点控制。公用总线上的信息多以基带形式串行传递,其传递方向总是从发送信息的节点开始向两端扩散,如同广播电台发射的信息一样。各节点在接收信息时都进行地址检查,看是否与自己的工作站地址相符,相符则接收网上的信息。 第 2 章计算机网络基础其结构示意图如图2-14所示。总线形网络的特点为:结
15、构简单、可扩充性好。当需要增加节点时,只需要在总线上增加一个分支接口即可与分支节点相连;当总线负载不允许时还可以扩充总线,使用的电缆少,且安装容易,使用的设备相对简单,可靠性高,但维护难、分支节点故障查找难。 第 2 章计算机网络基础图2-14 总线形拓扑结构示意图第 2 章计算机网络基础(4) 树形网:树形结构是分级的集中控制式网络。与星形相比,它的通信线路总长度短,成本较低,节点易于扩充,寻找路径比较方便,但除了叶节点及其相连的线路外,任一节点或与其相连的线路发生故障都会使系统受到影响。其结构示意图如图2-15所示。第 2 章计算机网络基础图2-15 树形拓扑结构示意图第 2 章计算机网络
16、基础(5) 网状网络:在网状拓扑结构中,网络的每台设备之间均有点到点的链路连接。这种连接不经济,只有每个站点都要频繁发送信息时才使用这种结构。它的安装也复杂,但系统可靠性高,容错能力强,有时也称为分布式结构。其结构示意图如图2-16所示。第 2 章计算机网络基础图2-16 网状拓扑结构示意图第 2 章计算机网络基础3按网络的使用者进行分类(1) 公用网(public network)又称公众网,指国家的电信公司(国有或私有)出资建造的大型网络。公用的意思就是所有愿意按电信公司的规定缴纳费用的人都可以使用。(2) 专用网(private network)是指某个部门为本单位的特殊业务的需要而建造
17、的网络,这种网络不向本单位以外的人提供服务。第 2 章计算机网络基础4按网络的交换功能进行分类 (1) 电路交换:采用电话工作方式,具有建立链路、传输数据和释放链路三个阶段。通信过程中,电路交换自始至终占用该条线路,且不允许其他用户共享其信道容量。第 2 章计算机网络基础 (2) 报文交换:交换机采用具有“存储-转发”能力的计算机,用户数据可以暂时保存在交换机内,等线路空闲时,再进行用户数据的一次性传输。 (3) 分组交换:类同报文交换技术,但规定了交换机处理和传输的数据长度(称为分组),不同用户的数据分组可以交织地在网络中的物理链路上传输。 (4) 混合交换:指在一个数据网中同时采用电路交换
18、和分组交换。第 2 章计算机网络基础5按功能分类(1) 通信子网:网络中面向数据传输或者数据通信的部分的资源集合,主要支持用户数据的传输。 (2) 资源子网:网络中面向数据处理的资源集合,主要支持用户的应用。该子网由用户的主机资源组成,包括接入网络的用户主机以及面向应用的外设(如终端)、软件和可共享的数据等。第 2 章计算机网络基础2.3 计算机网络体系结构计算机网络体系结构2.3.1 计算机网络体系的形成计算机网络体系的形成图2-17所示的一般分层结构中,n层是n1层的用户,又是n+1层的服务提供者。 n+1层虽然只直接使用了n层提供的服务,但实际上它通过n层还间接地使用了n1层以及以下所有
19、各层的服务。第 2 章计算机网络基础图2-17 层次模型第 2 章计算机网络基础(1) 发起通信的计算机必须对数据通信的通路进行激活(activate)。所谓“激活”就是要发出一些信令,保证要传送的计算机数据能在这条通路上被正确地发送和接收。(2) 要告诉网络如何识别接收数据的计算机。(3) 发起通信的计算机必须查明对方计算机是否已准备好接收数据。第 2 章计算机网络基础(4) 发起通信的计算机必须弄清楚,在对方计算机中的文件管理程序是否已做好文件接收和存储文件的准备工作。(5) 若计算机的文件格式不兼容,则至少其中的一个计算机能完成格式转换功能。(6) 对出现的各种差错和意外事故,如数据传送
20、错误、重复或丢失、网络中某个节点交换机出故障等,应当有可靠的措施保证对方计算机最终能够接收到正确的文件。第 2 章计算机网络基础计算机网络中,层、协议和层间接口的集合被称为计算机网络体系结构。换句话说,体系结构包括三个内容:分层结构与每层的功能、服务与层间接口及协议。采用层次结构的系统独立性强,即耦合程度低,上层只需了解下层通过层间接口提供什么服务;适应性强,只要服务和接口不变,每层的实现方法可任意改变;易于实现和维护,把复杂的系统分解成若干个涉及范围小、功能简单的子单元,使系统的结构清晰,实现、调试和维护变得简单和容易;使设计人员能专心设计和开发所关心的功能模块。第 2 章计算机网络基础2.
21、3.2 网络体系结构的分层原理网络体系结构的分层原理1基本概念 实体是一个较为抽象的名词,表示任何可发送或接收信息的硬件或软件进程。 对等层,即两个不同系统的同级层次;对等实体,即分别位于不同系统对等层中的两个实体;接口,即相邻两层之间交互的界面,定义相邻两层之间的操作及下层对上层的服务;服务,即某一层及以下各层的一种能力,通过接口提供给其相邻上层;协议,即通信双方在通信中必须遵守的规则。 第 2 章计算机网络基础网络协议有三个要素:(1) 语义,涉及用于协调与差错处理的控制信息。(2) 语法,涉及数据及控制信息的格式、编码及信号电平等。(3) 定时(Timing),涉及速度匹配和排序等。在协
22、议的控制下,两个对等实体间的通信使得本层能够向上一层提供服务,要实现本层协议,还需要使用下面一层所提供的服务。第 2 章计算机网络基础协议的实现保证了能够向上一层提供服务。本层的服务用户只能看见服务而无法看见下面的协议,下面的协议对上面的服务用户是透明的。协议是水平的,即协议是控制对等实体之间通信的规则,但服务是垂直的,即服务是由下层向上层通过层间接口提供的。第 2 章计算机网络基础2网络体系结构及划分所遵循的原则 层次结构的好处在于使每一层实现一种相对独立的功能。层次结构还有利于交流、理解和标准化。所谓网络的体系结构(Architecture)就是计算机网络各层次及其协议的集合。层次结构一般
23、以垂直分层模型来表示(如图2-18所示)。第 2 章计算机网络基础图2-18 计算机网络的层次模型第 2 章计算机网络基础层次结构的要点: (1) 除了在物理媒体上进行的是实通信之外,其余各对等实体间进行的都是虚通信。 (2) 对等层的虚通信必须遵循该层的协议。 (3) n层的虚通信是通过n/n1层接口处n1层提供的服务以及n1层的通信(通常也是虚通信)来实现的。第 2 章计算机网络基础层次结构划分的原则: (1) 每层的功能应是明确的,并且是相互独立的。当某一层的具体实现方法更新时,只要保持上、下层的接口不变,便不会对邻层产生影响。 (2) 层间接口必须清晰,跨越接口的信息量应尽可能少。 (
24、3) 层数应适中。若层数太少,则造成每一层的协议太复杂;若层数太多,则体系结构过于复杂,使描述和实现各层功能变得困难。第 2 章计算机网络基础 网络体系结构的特点是: (1) 以功能作为划分层次的基础。 (2) 第n层的实体在实现自身定义的功能时,只能使用第n1层提供的服务。 (3) 第n层在向第n+1层提供服务时,此服务不仅包含第n层本身的功能,还包含由下层服务提供的功能。(4) 仅在相邻层间有接口,且所提供服务的具体实现细节对上一层完全屏蔽。第 2 章计算机网络基础2.3.3 开放系统互联开放系统互联/参考模型参考模型OSI/RM (1) 能够支持异种计算机之间的互联和通信;(2) 能够支
25、持多种通信媒体(提供多种通信控制规程,支持不同的线制和通信要求);(3) 能够支持多种业务处理;(4) 能够支持高级的人机接口(图形I/O、文字处理、语音识别和合成处理等);(5) 具有可扩充的能力(支持扩充的应用要求,适应新工艺、新技术的发展)。第 2 章计算机网络基础标准应当尽可能地包罗万象,应当尽可能地覆盖各个方面,而一个全面的标准的实现,不仅需要耗费较多的系统资源和投资,还要针对具体的应用。在20世纪80年代,许多大公司甚至一些国家的政府机构都纷纷表示支持OSI。当时看来似乎在不久的将来,全世界一定会按照OSI制定的标准来构造自己的计算机网络。 第 2 章计算机网络基础然而到了20世纪
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