计算机网络第一章概述.ppt

1 第一章概述 2 1 1什么是计算机网络1 1 1计算机网络的演变1 1 2计算机网络的定义1 1 3计算机网络的发展方向1 1 4计算机网络的功能 3 1 1 1计算机网络的演变 计算机网络大体上可以分为四个阶段 面向终端的计算机网络计算机 计算机网络开放式标准化的计算机网络目前所处的网络计算的新阶段 4 1 1 1计算机网络的演变 续 面向终端的计算机网络五十年代中至六十年代实际上是以单个计算机为中心的远程联机系统 虽然历史上也曾称它为计算机网络 但现在为了更明确地与后来出现的多台计算机互连的计算机网络相区分 也称为面向终端的计算机网络 5 面向终端的计算机网络 例子 50年代 美国半自动地面环境SAGE Semi AutomaticGroundEnvironment 防空系统60年代初期美国航空公司投入使用的由一台中心计算机和全美范围内2000多个终端组成的飞机票预订系统SABRE Semi AutomaticBusinessResearchEnvironment 6 1 1 1计算机网络的演变 续 图1 1面向终端的计算机网络 FEP FrontEndProcessor 简称为前端机 前端处理机TC TerminalController 终端控制器M Modem 调制解调器T Terminal 代表终端 7 1 1 1计算机网络的演变 续 计算机 计算机网络六十年代末至七十年代末多台计算机通过通信线路互连起来而为用户提供服务 即是计算机 计算机网络和以单台计算机为中心的远程联机系统的显著区别 都是具有自主处理能力的 不存在主从关系这才是我们目前常称的计算机网络 8 1 1 1计算机网络的演变 续 例子ARPA网 ARPANET 目前称为DARPA DefenseAdvancedResearchProjectsAgency ARPANET也由此被公认为是第一个真正的计算机网络 H host 主机IMP InterfaceMessageProcessor 接口报文处理机即交换机 switch 或路由器 router 存储转发 storeandforward 图1 2存储转发的计算机 计算机网络 9 1 1 1计算机网络的演变 续 ARPA网的两级子网通信子网 communicationsubnet IMP和它们之间互连的通信线路一起负责完成主机之间的数据通信任务资源子网 通过通信子网互连的主机负责运行用户应用程序 向网络用户提供可供共享的软硬件资源分组 packet ARPA网中存储转发的信息基本单位分组交换网 packetswitchingnetwork 以存储转发方式传输分组的通信子网 10 1 1 1计算机网络的演变 续 协议 protocol 两台计算机通信时对传送信息内容的理解 信息表示形式以及各种情况下的应答信号都必须遵循一个共同的约定体系结构 architecture 在一个计算机网络中将协议按功能分成了若干层次 如何分层 以及各层中具体采用的协议的总和 称为网络的体系结构第一阶段计算机网络的远程联机系统以被各终端共享的单台计算机为中心第二阶段计算机 计算机网络以通信子网为中心 11 1 1 1计算机网络的演变 续 开放式标准化的计算机网络八十年代初至九十年代初它具有统一的网络体系结构 遵循国际标准化的协议国际标准化组织ISO InternationalStandardsOrganization 制定了开放系统互连基本参考模型 OpenSystemInterconnectionBasicReferenceModel OSI RM 的国际标准ISO7498 也被称为OSI七层模型 12 1 1 1计算机网络的演变 续 另外一个例子 因特网 Internet 它是在原ARPANET基础上经过改造而逐步发展起来的 它是对任何计算机开放的 只要遵循TCP IP协议簇的标准 并申请到IP地址就都可以通过信道接入Internet两个核心协议 TCP 传输控制协议 TransmissionControlProtocol 和IP 网际协议或互联网协议 InternetProtocol 网络计算 NetworkComputing 以网络为中心的计算 NetworkCentricComputing 或者以网络为基础的计算 Network basedComputing 13 本讲内容 第一章概述1 1什么是计算机网络1 1 1计算机网络的演变1 1 2计算机网络的定义1 1 3计算机网络的发展方向1 1 4计算机网络的功能 14 1 1 2计算机网络的定义 一般定义 计算机网络看成是由各自具有自主功能而又通过各种通信手段相互连接起来以便进行信息交换 资源共享或协同工作的计算机组成的复合系统构成 计算机网络由通信子网和资源子网两部分构成使整个网络的设计与运行简化 15 图1 4计算机网络的构成H host 主机 16 本讲内容 第一章概述1 1什么是计算机网络1 1 1计算机网络的演变1 1 2计算机网络的定义1 1 3计算机网络的发展方向1 1 4计算机网络的功能 17 1 1 3计算机网络的发展方向 计算机网络向高速宽带化发展以远距离网络为例CCITTX 25建议组建的公用分组交换数据网的数据速率只有64Kb s帧中继 FrameRelay 技术已可提高至2Mb s异步传送模式ATM AsynchronousTransferMode 又可达到155Mb s 622Mb s甚至2 5Gb s的数据速率波分多路复用WDM WaveDivisionMultiplexing 技术密集波分多路复用DWDM DenseWDM 高达6400Gb s 18 计算机网络向高速宽带化发展 从端用户看早期的2400b s低速调制解调器 经历了56Kb s的高速调制解调器 可提供128kb s上网的窄带综合业务数字网N ISDN Narrow IntegratedServicesDigitalNetwork 数百kb s上网速率的ADSL AsymmetricalDigitalSubscriberline 非对称数字用户线 和有线电视经双向改造后的HFC 混合光纤 同轴电缆 即俗称 有线通 接入未来VDSL VeryhighspeedDigitalSubscriberline 超高速数字用户线 和光纤到户FTTH FiberToTheHome 则可达到更高的用户入网接入速率 19 1 1 3计算机网络的发展方向 网络多媒体应用 服务质量 组播 Multicast 虚拟局域网VLAN VirtualLocalAreaNetwork 虚拟专网VPN VirtualPrivateNetwork 无线局域网WLAN WirelessLAN 新一代的网际协议IPv6 对等计算 Peer to peerComputing 网格 Grid 移动自组网 MobilAdHocNetwork 和主动网 ActiveNetwork 等 20 1 1 3计算机网络的发展方向 图1 5未来的网络结构 21 本讲内容 第一章概述1 1什么是计算机网络1 1 1计算机网络的演变1 1 2计算机网络的定义1 1 3计算机网络的发展方向1 1 4计算机网络的功能 22 1 1 4计算机网络的功能 功能消除地理距离的限制共享资源提供了强有力的人际通信手段 电子邮件 bbs BulletinBoardSystem 计算机网络中拥有可替代的资源提高了整个系统的可靠性易于扩充可以在各资源主机间分担负荷协同计算 coordinatedcomputing 23 练习题 1 2请从计算机网络的发展历史 展望一下今后计算机网络的发展趋势 1 5试观察并举出一个日常生活中你所接触到的计算机网络应用的例子 24 第一章概述1 2计算机网络的体系结构1 2 1层次模型1 2 2开放系统互连基本参考模型1 2 3因特网络参考模型1 2 4网络通信标准化组织 1 3因特网的发展及其应用1 4计算机网络的分类 是要求同学了解的 这些内容在本电子教案中并未讲解而是要求同学自己阅读教材 25 1 2 1层次模型 图1 7计算机网络的层次模型 26 1 2 1层次模型 续 要点归纳如下除了在物理媒体上进行的是实通信外 其余各对等层实体间进行的都是虚通信对等层的虚通信必须遵循该层的协议 n层的虚通信是通过n 1 n层间接口处n 1层提供的服务以及n 1层的通信 通常也是虚通信 来实现的 27 1 2 1层次模型 续 如何分层有些主要的原则可以遵守 比如说 每层的功能应是明确的 并且相互独立的 当某一层具体实现方法更新时 只要保持层间接口不变 不会对邻层造成影响层间接口清晰 跨越接口的信息量应尽可能少层数应适中 若太少 则层间功能划分不明确 多种功能混杂在一层中 造成每一层的协议太复杂 若太多 则体系结构过于复杂 各层组装时的任务要困难得多 28 本讲内容 第一章概述1 2计算机网络的体系结构1 2 1层次模型1 2 2开放系统互连基本参考模型1 2 3因特网络参考模型1 2 4网络通信标准化组织 1 3因特网的发展及其应用1 4计算机网络的分类 是要求同学了解的 这些内容在本电子教案中并未讲解而是要求同学自己阅读教材 29 1 2 2开放系统互连基本参考模型 OSI模型共分为七层从下到上依次为物理层 physicallayer 数据链路 datalink 层 网络 network 层 运输 transport 层 会话 session 层 表示 presentation 层和应用 application 层 在主机中要有七层 但通信子网中的IMP中却不一定要有七层 通常只有下三层 甚至可以只有下两层 30 用英语首字母缩写PH DL N T S P和A来代表从下到上的物理层 数据链路层 网络层 运输层 会话层 表示层和应用层七个层次 图1 8ISO sOSI层次模型 31 1 2 2开放系统互连基本参考模型 续 各层功能物理层 在物理媒体上传输原始的数据比特流信号EIA RS 232C物理层的功能是为在物理媒体上建立 维持和终止传输数据比特流信号的物理连接提供机械 电气 功能和过程的手段 32 1 2 2开放系统互连基本参考模型 续 数据链路层 将比特组合成数据链路协议数据单元DL PDU帧 frame 数据链路协议数据单元是OSI标准中使用的术语 又称帧流量控制 flowcontrol 例子 高级数据链路控制HDLC High levelDataLinkControl 规程 33 1 2 2开放系统互连基本参考模型 续 网络层通信子网的运行控制 主要解决如何把网络协议数据单元 通常我们称为分组 从源传送到目标通信子网中进行路由 routing 选择 34 1 2 2开放系统互连基本参考模型 续 运输层第一个端对端 也就是主机到主机的层次高层用户就可利用运输层的服务直接进行端到端的数据传输 从而不必知道通信子网的存在分流 splitting 用于提高吞吐量复用 multiplexing 将多个运输通信合用一条网络连接处理端到端的差错控制和流量控制的问题总之 运输层为上层用户提供端对端的透明优化的数据传输服务 35 1 2 2开放系统互连基本参考模型 续 会话层允许不同主机上各种进程之间进行会话运输层是主机到主机的层次 而会话层是进程到进程之间的层次 会话层组织和同步进程间的对话全双工或半双工提供同步服务 36 1 2 2开放系统互连基本参考模型 续 表示层为上层用户提供共同需要的数据或信息语法表示变换为了让采用不同编码方法的计算机通信交换后能相互理解数据的语义 可以采用抽象的标准方法来定义数据结构 并采用标准的编码表示形式 管理这些抽象的数据结构 并把计算机内部的表示形式转换成网络通信中采用的标准表示形式都是由表示层来完成的 37 1 2 2开放系统互连基本参考模型 续 应用层开放系统互连环境的最高层网络环境下不同主机间的文件传送 访问和管理FTAM FileTransfer AccessandManagement 网络环境下传送标准电子邮件的文电处理系统MHS MessageHandlingSystem 方便不同类型终端和不同类型主机间通过网络交互访问的虚拟终端VT VirtualTerminal 协议等 都属于应用层的范畴 38 1 2 2开放系统互连基本参考模型 续 基本概念服务访问点SAP ServiceAccessPoint 接口处提供服务的地方服务是通过一组服务原语来执行的 OSI模型中 将服务原语划分为四类请求 request 由服务用户发往服务提供者 请求它完成某项工作 如发送数据 指示 indication 由服务提供者发往服务用户 指示发生了某些事件 响应 response 由服务用户发往服务提供者 作为对前面发生的指示的响应 证实 confirm 由服务提供者发往服务用户 作为对前面发生的请求的证实 39 1 2 2开放系统互连基本参考模型 续 图1 9四类服务原语 40 1 2 2开放系统互连基本参考模型 续 服务原语的简单例子连接请求 呼叫方服务用户请求建立一个连接 连接指示 连接请求通过服务提供者的虚通信传到被叫方后 被叫方服务提供者向被叫方服务用户指示有建立连接的请求 连接响应 若被叫方服务用户准备建立连接 则通过此原语告诉本方服务提供者 连接证实 呼叫方服务提供者通过虚通信得知被叫方同意建立连接后 由此原语告知呼叫方服务用户 通过以上四步就建立了一条呼叫方与被叫方间的连接 可在其中传输数据 41 数据请求 呼叫方服务用户通过此原语请求本方服务提供者将数据送给被叫方 数据指示 被叫方服务提供者收到对方送来的数据后通知服务用户 断连请求 任何一方用户可通过此原语请求释放连接 由服务提供者传至对等方 断连指示 对等方服务提供者通过此原语告诉本方服务用户释放连接 42 1 2 2开放系统互连基本参考模型 续 服务分证实和非证实证实 如连接服务 要使用请求 指示 响应和证实四类原语非证实 数据传送服务和断连服务 只使用请求和指示两类原语 43 图1 10数据的实际传递过程 44 本讲内容 第一章概述1 2计算机网络的体系结构1 2 1层次模型1 2 2开放系统互连基本参考模型1 2 3因特网络参考模型1 2 4网络通信标准化组织 1 3因特网的发展及其应用1 4计算机网络的分类 是要求同学了解的 这些内容在本电子教案中并未讲解而是要求同学自己阅读教材 45 1 2 3因特网络参考模型 图1 11Internet层次参考模型 46 1 2 3因特网络参考模型 续 基本概念Internet实际上不是一个单一的网络 网际网互连网层 互连各种各样的通信子网 该层运行IP协议Internet实际上并没有具体规定子网层运行的协议 任何一种通信子网只要在其上的服务可以支持IP协议 都可接入Internet 并通过它互连通信子网在ISO sOSI模型中对应于物理层 数据链路层和部分网络层的功能Internet层次模型中的互连网层大致对应于ISO8648中规定的网络层中子网无关汇合 SubNetworkIndependentConvergence SNIC 子层和中继及路由 Relay Routing RR 子层 即ISO sOSI模型网络层中高层子层的功能 Internet中的运输层与ISO sOSI中的运输层几乎是完全对应的 在两个模型中都是第一个完成端到端数据传输的层次 47 1 2 3因特网络参考模型 续 TCP和UDP间的主要区别在于 前者提供的是面向连接的服务 connection orientedservice 而后者提供的是无连接的服务 connectionlessservice 在OSI的网络层中同样允许有两种服务 即提供面向连接的网络服务或者是无连接的网络服务 但是 在Internet的互连网层提供的仅是无连接的服务 这是它与OSI参考模型的不同点之一 48 1 2 3因特网络参考模型 续 Internet应用层中常用的三个协议的名称 即文件传送协议FTP FileTransferProtocol 简单报文传送协议SMTP SimpleMessageTransferProtocol 和远程网络登录协议TELNET TELecommunicationNETwork 49 1 2 3因特网络参考模型 续 图1 12Internet使用的协议及与OSI的关系 50 1 2 3因特网络参考模型 续 OSI与因特网参考模型的相同点 它们都是层次结构的模型 其最低层都是面向通信子网的 它们都有运输层 且都是第一个提供端到端数据传输服务的层次 都能提供面向连接或无连接两种运输服务 其最高层都是向各种用户应用进程提供服务的应用层等 51 1 2 3因特网络参考模型 续 OSI与因特网参考模型的不同点 两者所划分的层次数不同 Internet中没有表示层和会话层 Internet没有明确规定通信子网的协议 也不再区分通信子网中的物理层 数据链路层和网络层 还有 Internet中特别强调了互连网层 其中运行的IP协议是Internet的核心协议 且互连网层向上只提供无连接的服务 而不提供面向连接的服务 52 本讲内容 第一章概述1 2计算机网络的体系结构1 3因特网的发展及其应用1 3 1因特网的发展过程1 3 2Internet的主要功能1 3 3Internet的工作原理1 4计算机网络的分类 53 1 3 1因特网的发展过程 历史 前身ARPANET研究如何将各种LAN和广域网 WAN 互连起来 非常重要的成果就是称为网际协议IP和传输控制协议TCP的两个使不同的计算机及网络可以相互通信的约定 即协议以这两个协议为核心 以ARPANET为主干网开始将许多不同的网络互连在一起 构成了Internet的原型 并对TCP IP协议及技术进行试验NSFNET 美国国家科学基金 NationalScienceFoundation 54 1 3 1因特网的发展过程 续 Internet的规模不断地在扩大 连接到Internet上的计算机的数目也正在以指数速率增长 图1 13给出了从1984年到2004年20年间连到Internet上计算机的大致数量 图1 131984 2004年连到Internet上计算机的数量 55 本讲内容 第一章概述1 2计算机网络的体系结构1 3因特网的发展及其应用1 3 1因特网的发展过程1 3 2Internet的主要功能1 3 3Internet的工作原理1 4计算机网络的分类 56 1 3 2Internet的主要功能 主要功能远程登录Telnet文件传输FTP FileTransferProtocol 电子邮件电子公告牌与网络新闻bbs 网络新闻 networknews 57 1 3 2Internet的主要功能 续 查找文件查找人员 Whois以菜单方式浏览信息按内容自动查找 WAIS WideAreaInformationServer 全球范围的超媒体信息浏览服务超文本 hypertext WWW WorldWideWeb 万维网浏览器 browser 超文本描述语言HTML HyperTextMakeupLanguage 超文本传输协议HTTP HyperTextTransmissionProtocol 和统一的资源定位格式URL UniformResourceLocator 58 本讲内容 第一章概述1 2计算机网络的体系结构1 3因特网的发展及其应用1 3 1因特网的发展过程1 3 2Internet的主要功能1 3 3Internet的工作原理1 4计算机网络的分类 59 1 3 3Internet的工作原理 工作方式 类似邮政 信息封装成包 package 又称分组IP协议就是关于在Internet中传递的分组封装格式的约定分组在Internet中是通过若干路由器 router 间转发来传递到目标点的 60 图1 14Internet连接的一个例子 61 1 3 3Internet的工作原理 续 Internet的地址是用数字来表示的 称为IP地址 IP地址共含有四个字节 32个二进制位 在书写时 通常每个字节都用十进制表示 而字节之间用小圆点分隔开来域名 domainname 62 1 3 3Internet的工作原理 续 域名中的最后一个域有时也称为顶级域名 以区分机构或组织的性质 早期常用的有edu教育机构com商业机构mil军事部门gov政府机关org非盈利性组织名字仅是为了帮助人们记忆和输入 在IP分组中使用的仍然是IP地址 在Internet中有许多称为域名服务器DNS DomainNameServer 的系统可以帮助你自动地从域名来找到其相应的IP地址研究和试验新一代的IP协议 即第六版的IPv6 目前广泛采用的是IPv4 即第四版的IP 在IPv6中 地址已从32位扩展到128位 63 本讲内容 第一章概述1 2计算机网络的体系结构1 3因特网的发展及其应用1 4计算机网络的分类1 4 1按拓扑构形分类1 4 2按地理范围分类1 4 3其它分类 64 1 4 1按拓扑构形分类 按照网络的物理形状或称为拓扑构形来对网络进行分类 图1 15网络的拓扑构形 65 1 4 1按拓扑构形分类 续 广域网不规则的网形局域网星形总线形环形 66 本讲内容 第一章概述1 2计算机网络的体系结构1 3因特网的发展及其应用1 4计算机网络的分类1 4 1按拓扑构形分类1 4 2按地理范围分类1 4 3其它分类 67 1 4 2按地理范围分类 若按计算机网络覆盖的地理范围来细致区分 可分为 局域网LAN LocalAreaNetwork 约0 1公里校园网CAN CampusAreaNetwork 约1公里城域网MAN MetropolitanAreaNetwork 约10公里广域网WAN WideAreaNetwork 约100 1000公里全球网GAN GlobalAreaNetwork 1000公里 68 图1 16LAN WAN和多处理机系统的比较 69 1 4 2按地理范围分类 续 存储区域网SAN StorageAreaNetwork 前面介绍的计算机网络是用來连接各种计算机的 而存储区域网则主要是用來连接多个大容量存储设备的 两者作用完全不同可以看成计算机网络是前端网络 而存储区域网则为后端网络 不是一回事 70 本讲内容 第一章概述1 2计算机网络的体系结构1 3因特网的发展及其应用1 4计算机网络的分类1 4 1按拓扑构形分类1 4 2按地理范围分类1 4 3其它分类 71 1 4 3其它分类 从网络中用来传输信息的物理信道是用什么媒体 medium 有时也译为介质 来区分 是双绞线网 同轴电缆网 光纤网或无线网等 可以从网络是通过点到点的信道通过不断转接或通过共享的信道这两种传输技术来区分 通常广域网是前者 而局域网则是后者 若从网络的使用范围来区分 则可划分为公用网和专用网两大类 公用网是为全社会所有的人提供服务的 凡是愿意按规定交纳费用的人都可以使用 专用网则是某个单位 部门或行业为特殊业务需要而组建的网络 72 练习题 1 6简述开放系统互连参考模型及各层的主要功能 1 12比较OSI参考模型和Internet参考模型的异同点 1 19简述可以从几种不同角度来对计算机网络分类 1 23若某运载工具能以每小时80公里的速度一次传递10盒8mm的磁带 每盒3盘带 每盘带容量为7GB 问在什么距离范围内 该运载工具的数据传送速率比155Mb s的ATM网络要高