计算机网络技术与应用第1章.ppt

第1章 计算机网络基础,本章内容,计算机网络的定义、组成和功能 计算机网络的分类和组成 计算机网络的拓扑结构 计算机网络体系结构和分层原理 IP地址的分类、子网掩码及IPv6协议 计算机网络互联设备 计算机网络应用模式：C/S模式和B/S模式,1.1 计算机网络概述,计算机网络：就是把分布在不同地理位置的计算机通过通信设备和线路连接起来，以功能完善的网络软件实现互相通信及网络资源共享的系统。 演变： 大致划分为四个阶段 世界上公认的、最成功的第一个远程计算机网络是在1969年 ，该网络称为ARPAnet,1.1.1 计算机网络的定义和演变,1.1.1 计算机网络的定义和演变,诞生阶段 20世纪60年代中期之前，以传输信息为目的，实现远程信息处理或进一步达到资源共享的系统 形成阶段 20世纪60年代中期至70年代，典型代表是ARPAnet，以能够相互共享资源为目的互联起来的具有独立功能的计算机之集合体，形成了计算机网络的基本概念 互联互通阶段 70年代末至90年代，具有统一的网络体系结构并遵循国际标准的开放式和标准化。 即TCP/IP、OSI体系结构。 高速网络技术阶段 20世纪90年代末至今，出现光纤及高速网络技术,资源硬件：计算机、输入/输出设备 网络硬件 通信硬件：在网络节点间提供数据帧的传输 系统软件 软件资源 应用软件,1.1.2 网络硬件和软件,1.1.2 网络硬件和软件,资源硬件 服务器（server） 工作站（workstation） 共享的外围设备,通信硬件 网卡（网络适配器） 通信线路 通信设备,资源硬件,服务器,一般需要一台或多台服务器，可以使用专用服务器或小型计算机，但通常采用高档微机，要求速度快、硬盘和内存容量大、处理能力强。 网络中共享的资源大多集中在服务器上。如：高速打印机、数据库等等。 服务器中装有网络操作系统的核心软件。具有网络管理、资源共享、管理网络通信、为用户提供网络服务的功能等。,资源硬件,工作站,除服务器以外的联网计算机。,共享的外围设备,各种打印机、绘图仪、磁带机、硬盘、光盘驱动器。,通信硬件,网卡（网络适配器）,计算机联入网络的入口。每一台接入网络的计算机都必须在扩展槽中插入网卡，通过网卡的电缆接头接入网络。 完成的功能之一：计算机与电缆系统的物理连接 功能之二：提供数据传输功能。实现数据帧的封装、拆封、差错校验等。 网络与网络节点处理器之间的速率并不匹配，为防止数据在传输过程中丢失，网卡必须设置数据缓存。,网卡,主机,传输介质,帧,网络编码信号,网卡的工作示意图,通信硬件,通信线路,通信线路是网络的数据传输通路，包括传输介质、相应的接口插件，常用的传输介质有：双绞线和光缆,双绞线 由两根相互绝缘的，均匀排列成螺旋的导线组成。网络中一般采用无屏蔽双绞线（UTP）。 UTP分为三个等级(3类5类)。 3类UTP在100米以内的数据传输速率达10Mbps 5类UTP在100米以内可达100Mbps.,双绞线示意图,通信硬件,通信线路,光缆 一种以光来传送信息的介质。由纤细柔软的玻璃纤维材料制成。 必须使用一对光纤实现双向传输，一个发射、一个接受。 在光缆和计算机之间必须使用光端设备，进行光/电信号的转换。,衰减小、寿命长、重量轻、传输速率高、抗干扰能力强、数据传输保密性、准确性高等优点,通信硬件,通信设备,中继器：对数字信号进行放大，以扩展总线型网络的传输距离。 集线器：提供多个网络接口 路由器：拥有整个网络的路由表，使用最有效的路由发送信息包。,网络硬件的主要部件是：服务器、工作站、网卡、电缆系统,网络软件,网络协议和协议软件：通过协议程序实现网络协议功能 网络通信软件：实现网络工作站之间的通信 网络操作系统 最主要的网络软件，实现系统资源共享、管理用户对不同资源访问的应用程序,网络管理及应用软件 管理软件是对网络资源进行管理和对网络进行维护的程序。 应用软件是为用户提供服务并为用户解决实际问题的程序。,网络软件,1.1.3 计算机网络的功能,数据通信：最基本的功能 资源共享：网络中的用户都能部分或全部的享受软件、硬件和数据资源。 分布处理：分布式计算,1.2 计算机网络的分类和组成,1.2 .1计算机网络的分类,按网络的覆盖地理范围划分，分为： 局域网、城域网、广域网,1.2 .1计算机网络的分类,局域网（LAN） 应用最广的一种网络。在局部地区范围内的网络，它所覆盖的地区范围较小。地理距离一般可以是几米10公里。 特点：连接范围窄、用户数少、配置容易、连接速率高。 典型代表：以太网、令牌环网,1.2 .1计算机网络的分类,城域网（MAN） 在一个城市，但不在同一地理小区范围内的计算机互联。连接距离在10100公里。 特点：是LAN的一个延伸，连接距离更长，计算机数量更多，通常连接着多个LAN。,广域网（WAN） 也称远程网，一般在不同城市之间的LAN和MAN网络互联。连接距离在几百几千公里。 特点：速度慢、延迟长、入网的站点不参与网络的管理，管理工作由复杂的互联设备（路由器、交换机）处理。,1.2 .1计算机网络的分类,1.2 .2计算机网络的组成,通信子网：负责数据通信的设备与通信线路，由物理通道、通信设备、通信控制软件组成。 要解决的两大问题：提高信道利用率；传输可靠问题。 两种通信子网类型：点对点、广播式 资源子网：负责数据处理以实现网络资源共享的计算机与终端,1.3 计算机网络的拓扑结构,将网络中的设备定义为节点，把两个设备之间的连接线路定义为链路。 计算机网络是由一组节点和链路组成的几何图形，它反映了网络中各种实体间的结构关系。 网络拓扑结构的设计是构建计算机网络的第一步，也是实现各种网络协议的基础。,总线拓扑 星型拓扑 树型拓扑 环型拓扑,构成混合拓扑结构,网络拓扑结构通常有以下四种类型：,1.3.1 总线型结构,是指网络中的计算机和其他通信设备均连接到一条公用的总线上，所有结点共同使用这条总线，共享总线的全部带宽。拓扑结构如上图所示,特点：一个节点向另一个节点发送数据时，所有节点都被动的侦听该数据，只有目标节点接收并处理数据。,由于该拓扑结构容易实现，组建成本低，但扩展性较差，容错能力较差。,1.3.2 星型结构,网络中的每个节点通过一个中央设备连接在一起。中心节点是主节点，网络中的各个节点通过点到点的方式连接到一个中心节点上，再由中心节点向目的节点传输信息。如图a所示,特点：由于使用中央设备作为连接点，星型拓扑结构可以很容易地移动、隔绝或与其他网络连接，这使得星型结构更易于扩展。,1.3.3 树型结构,它将原来用单独链路直接连接的节点通过多级处理主机进行分级连接。结构如图b所示,特点：与星型结构相比降低了通信线路的成本，但增加了网络复杂性。网络中除最低层节点及其连线外，任一节点或连线的故障均影响其所在支路网络的正常工作。,1.3.4 环型结构,每个节点与两个最近的节点相连接以使整个网络形成一个环形，数据沿着环路逐点传输。 结构如图c所示,特点：单纯的环型拓扑结构非常不灵活或不易于扩展。,不同的网络拓扑结构适用于不同的网络规模。在一个实际的网络中，可能是上述几种网络构型的混合。,1.4 计算机网络体系结构,网络体系就是为了完成计算机之间的通信合作，把计算机互联的功能划分成有明确定义的层次，规定同层次通信的协议及相邻层之间的接口及服务等。,将这些同层进程通信的协议及相邻层之间的接口统称为网络体系结构。,1.4.1 网络体系结构,网络体系结构的定义,为网络数据交换而制定的规定、约束与标准被称为网络协议（Protocol）。代表着标准化，是一组规则的集合。主要有三个要素组成：,语义是指构成协议的元素含义的解释，亦即“讲什么” 语法资料与控制信息的结构或格式，即“怎么讲” 规则协议规则规定了事件的执行顺序。,网络体系结构,将计算机网络层次结构模型和各层协议的集合定义为计算机网络体系结构（Network Architecture） ，它是关于计算机网络系统应设置多少层，每个层能提供哪些功能的精确定义，以及层之间的关系如何联系在一起。,网络体系结构的分层原理,在网络分层当中，每一层是其下一层的用户，同时又是其上一层的服务提供者。,网络体系分层有以下好处： 独立性强：每一层都具有相对独立的功能 功能简单：各层完成其特定的功能，每一层都为上一层提供某种服务 适应性强：只要层间接口不变，变化不会影响别层 易于实现和维护：,1.4.2 开放系统互联参考模型(OSI/RM),OSI参考模型,1.4.2 开放系统互联参考模型(OSI/RM),国际标准化组织（ISO）制定了开放系统互联参考模型OSI/RM（Open System Interconnection Basic Reference Model），从而形成了网络体系结构的国际标准。,OSI构造了七层模型，即物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层、应用层. 不同系统对等层之间按相应协议进行通信，同一系统不同层之间通过接口进行通信.,1物理层,物理层是所有网络的基础。物理层处在OSI的最低层，为信息流提供物理传输通道，是有关物理设备通过传输介质进行互联的描述和规定,这一层比特流被转换成媒体易于传输的电、光等信号。,2数据链路层,数据链路层的一个主要功能就是通过校验、确认和反馈重发等手段将原始的物理连接改造成无差错的数据链路。数据链路层传输数据的单位是帧,数据链路层利用物理层所建立的链路，将报文从一个节点传输至另一个节点。,3网络层,网络层传送的数据单位是报文、分组或包。网络层的主要任务是在通信子网中选择适当的路径。,4传输层,传输层通过通信线路在不同机器之间进行程序和数据的交换。传输层一个很重要的功能是数据的分段和重组,5会话层,会话层实现各个进程之间的建立、维护和结束会话连接的功能,6表示层,7应用层,表示层是在网络内部实现不同语句格式和编码之间的转换和表示，为应用层提供服务,应用层是OSI的最高层，是网络与用户应用软件之间的接口,1.4.3 TCP/IP体系结构（协议）,TCP:Transfer Control Protocol, 传输控制协议 IP: Internet Protocol, 网际协议,TCP/IP层次结构,从层次结构图中可以看出，TCP/IP是一个四层的体系结构，包括应用层、传输层、网络层、网络接口层。 TCP/IP专门设置了网络层，它是整个模型中的核心和关键，该层运行的协议就是IP协议。,网络接口层 TCP/IP与各种物理网络的接口称为网络接口层，网络接口层负责接收数据报，并把数据报发送到指定的网络上。,网络层 网络层是整个TCP/IP体系结构的关键部分，它解决两个不同IP地址的计算机之间的通信问题。 其中IP协议是Internet中的基础协议和重要组成部分。主要功能是进行寻址和路由选择，并将数据包从一个网络转发到另一个网络。,传输层 传输层（TCP层）的作用是负责将源主机的报文分组发送到目的主机，源主机和目的主机可以在一个网上，也可以在不同的网上。有两个协议： 传输控制协议TCP（TCP Transmission Control Protocol），是一个面向连接的协议。 用户数据报协议UDP（User Datagram Protocol）,定义了两台计算机之间进行可靠的数据传输所交换的数据和确认信息的格式，及确保数据正确到达而采取的措施。,UDP提供协议端口号，以保证进程通信。,TCP建立连接时要分三步走，即三次握手。,第一次握手是A进程向B进程发出连接请求，包含A端的初始序号X。 第二次握手是B进程收到请求后，发回连接确认，包含B端的初始序号Y和对A端的初始序号X的确认。 第三次握手是A进程收到B进程的确认后，向B进程发送X1号数据，包括对B进程初始序号Y的确认。,IP协议负责数据的传输，而TCP协议负责数据的可靠传输,应用层 TCP/IP的应用层将OSI的高三层合并为一层。它为用户提供调用和访问网络上的各种应用程序的接口，并向用户提供各种标准的应用程序及相应的协议,IP地址与子网掩码,在Internet中的所有主机和路由器 都分配了一个地址，IP 地址,IP : 202.99.96.140 (11001010.01100011.01100000.10001100),IP 地址：是由四个字节组成（32位二进制），分成四组， 每组一个字节（8位二进制），中间用.隔开,11001010.01100011.01100000.10001100 202.99.96.140 （a. b. c. d) 点分十进制表示法,IP地址与子网掩码,IP地址由网络标识和主机标识两部分组成，IP地址结构如图所示，网络标识相同的计算机处于同一个网络之中。,IP地址一般划分为五类：A、B、C、D、E，目前常用的为前三类。,0,网络号,主机号,0,1,7,8,31,A类,1,网络号,主机号,0,1,15,16,31,0,2,B类,编址范围：1.0.0.1126.255.255.255。主要用于拥有大量主机的网络.特点是网络数量少，而拥有的主机数量多,编码范围：128.0.0.1191.255.255.255。主要用于中等规模的网络.特点是网络相对比较多，网络的主机数也多,编码范围：192.0.0.1223.255.255.255。主要用于小型网络 特点是网络数多，而主机数量少,1,网络号,主机号,0,1,23,24,31,0,2,1,3,C类,IP地址与子网掩码,将主机地址部分划分出一定位数作为网络地址，剩余的位数作为主机地址。划分子网后的IP地址结构如图,子网掩码是32位的数字，把IP地址中表示网络的部分置为1，表示主机的部分置为0，这样用户就可以通过子网掩码来找到IP地址的网络部分从而完成路由选择。 例如：IP地址为“192.168.1.1”和子网掩码为“255.255.255.0”的主机,子网掩码：屏蔽掉主机的ID部分,202.194.64.55,202.194.64.191,子网掩码 255.255.255.0,与运算,与运算,202.194.64.0,202.194.64.0,Ipv6协议,IPv6是“Internet Protocol Version 6”的缩写，它是IETF设计的用于替代现行版本IP协议IPv4的下一代IP协议。 IPv6具有长达128位的地址空间，可以彻底解决IPv4地址不足的问题。 128位地址被划分成8个16位的部分，每部分用16进制表示,1.5 计算机网络互联设备,中继器，也称转发器或收发器 集线器，也是一种中继器。 物理层的互联设备可以将一个传输介质传输过来的二进制信号位进行复制、整形、再生和转发。,1.5.1 物理层互联设备,1.5.2 数据链路层互联设备,作用于物理层和数据链路层，用于网络中节点的物理地址进行过滤、网络分段以及跨网段数据侦的转发。,网段：局域网中机器一多的话产生的冲突就会增多 我们将局域网分段，如果100台机器我们分成50台的两个段，那么整个冲突就会减少一半。,交换机,为通信双方提供一条独立的线路， 减少冲突的发生，效率高于集线器,交换机（集线器）,路由器,路由器在网络互联上起着至关重要的作用，通过路由器设备可以把不同的网络连接成一个范围更大的网络。 路由器的主要功能是路由选择和数据交换。 “路由选择”: 当一个数据包到达路由器时，路由器根据数据包的目标逻辑地址，查找路由表，如果存在一条到达目标网络的路径，路由器将数据包转发到相应的端口,1.5.3 网络层互联设备,1.5.4 高层互联设备-网关,一个网络连接另一个网络的“关口” 用于传输层以上的协议翻译或转换 代理服务器就是一个网关 网关地址：负责网关功能的那台计算机的IP地址 网关是软硬件的结合物,1.6 计算机网络应用模式,1.6.1 C/S模式,网络中分为服务器和客户机，网络中的操作系统也相应地分为两部分，即服务器端的操作系统和客户端软件。这种模式称为C/S（Client/Server，客户机服务器）模式,服务器端通常采用高性能的计算机、工作站或小型机，并采用大型数据库系统 ；客户端要安装专用的客户软件,1.6.1 C/S模式,C/S模式的优点是能够充分发挥客户端的处理能力，客户端响应速度快。 缺点主要有以下几个方面: （1）一般只适用于局域网。 （2）客户端需要安装专用的客户端软件。其维护和升级成本高,1.6.2 B/S模式,B/S模式（Browser/Server，浏览器服务器模式）是对C/S模式的一种改进。 客户机上只要安装一个浏览器 ，服务器上安装Oracle、Sybase、Informix或SQL Server等数据库，浏览器通过Web Server同数据库进行数据交互。,B/S模式最大的优点就是可以在任何地方进行操作而不用安装任何专门的软件，客户端在维护方面的工作量非常小，系统的扩展非常容易 。,1.6.3 C/S与B/S模式的比较,开发和维护成本 客户端负载 可移植性 用户界面 安全性,